光伏下的导航台UPS辅助供电系统设计

目前飞机在降落过程中绝大部分需要机场导航设备的引导，这些导航设备包括了MB(markerbeacon)设备。MB设备最远安装在距离跑道端7500m处。一般机场安装最远的MB设备采用了农村电网供电。然而农村电网夏季时有断电的情况，短时间断电依靠UPS(uninterruptedpowersupply)供电，长时间断电一般采用汽油机发电供电，存在污染耗能等缺点。对此，设计了一套光伏辅助供电系统来延长UPS的供电时间，解决这些缺点。它包括了UPS，后备电池，光伏板，光伏控制器，以及大功率切换器和HC5900控制器。通过设计此系统，能及时解决夏季断电的情况，保证了MB设备的正常使用，提高了飞机降落的安全性，同时也减少了耗能和环境污染。目前，许多机场依然采用ILS和MB以及DME相互配合的方式引导飞机着陆。所以导航设备的稳定，安全，对飞机安全着陆显得特别重要。MB设备提供给飞机距离跑道端的距离信息。长沙机场最远的MB设备安装在距离跑道端7500m的位置，因为距离远，所以目前长沙机场最远的外导航台（里面主要装MB设备）采用了农村电网供电。农村电网存在供电不稳定，尤其夏季时有断电的情况，断电短时间只能依靠UPS供电，长时间断电一般采用人工油机发电供电，产生环境污染等缺点。对此设计了一套UPS光伏辅助供电系统来解决这些问题。整个控制系统设计流程图，如图1所示。整个系统设计流程：当市电断电时，UPS后备电池先给UPS供电，进而给MB设备供电，同时通过传感器检测UPS后备电池电压，当UPS后备电池的电压低于45V时，大功率切换器将UPS后备电池断开UPS，迅速将光伏电池接上给UPS（大功率切换器动作时间技术参数小于25ms），同时让光伏给后备电池充电，并设有55V充电保护电压。同样，当传感器检测到光伏电池低于45V，大功率切换器又会将光伏电池断开，将UPS后备电池接上UPS。同时让光伏给光伏电池充电，也设有55V保护电压。

1系统组成和工作原理

系统组成框架图如图2所示。由图2所示，整个系统包括了：UPS、后备和光伏电池、大功率切换器、光伏组件、HC5900远程控制器。系统通过HC5900控制器可以实现后备电池和光伏电池，以及光伏给后备电池或者光伏电池充电来回切换，达到延长UPS工作时间，进而保证MB设备断电长时间工作的目的。系统部分硬件如图3-5所示。

1.1光伏板

光伏供电计算：UPS后备电池的额定电压为48V，根据光伏充电电压公式得出光伏电池的充电电压为：Vmax=V额×1.43倍；即光伏充电电压为Vmax=68.64.考虑到电池保护电压最后确定光伏充电电压为：57.5V。年发电量计算公式(kWh)=当地年总辐射能(KWH/㎡)(4190～5016)×光伏方阵面积(㎡)A(4)×组件转换效率η(0.17)×修正系数K(0.46)=1300～1600，P=H·A·η·K，则可以求得：平均每天产生发电量h=1500/365=4.1(kWh)。上面公式中，光伏方阵面积A=4(㎡)，南方地区年总辐射能量=(4190～5016)(KWH/㎡)，组件转换率η=0.17，修正系数K=K1×K2×K3×K4×K5=0.46。K1组件长期运行的衰减系数，取0.8；K2灰尘遮挡组件及温度升高造成组件功率下降修正，取0.82，K3为线路修正，取0.95；K4为逆变器效率，取0.85根据厂家数据；K5为光伏方阵朝向及倾斜角修正系数，取0.9左右。在光伏工作的实际工作中，小组成员通过电表连续监测4~10月得到实际光伏平均每个月产生的发电量如表1所示：得到的4-10月平均月发电量h1=3.8(kWh)。断电时，对于功率100W的MB指点标设备能满足断电连续供电5h的要求。光伏充电过程中，系统持续可靠，并在光伏充电器口位置加载了过压，过流保护装置使光伏充电电更加平稳可靠，平常在市电不断的情况下，可以将光伏产生的电能作为日常灯光照明使用，在断电情况下可以优先给MB设备供电。在连续7个月的监测当中，发现系统简单可靠，可以连续满足导航台供电需求。

1.2HC5900控制器和JQX-62F大功率切换器，UPS装置

如上图5所示，HC5900控制器，Y0-Y1为继电器输出端子，能承载24V或者220V交流负载。输入部分X0-X1为报警输入端子，当X与COM之间短路时，为信号输入有效。A0和A1为模拟输入端子，支持4-20ma直流电输入。整个HC5900控制是系统的控制中心，控制输出端，连接上位机。如上图6所示，JQX-62F大功率切换器，采用24V电源供电，切换时间小于25ms，耐直流值100A，满足UPS后备电池组和光伏电池组切换，和UPS供电要求。UPS后备电池的切换依赖大功率切换器动作，而大功率切换器工作受HC5900控制器控制，最终人可以通过手机APP或者自动设置远程遥控HC5900控制器，继而控制大功率切换器工作，最终控制UPS后备电池的切换，保持UPS在消耗完自身后备电池工作的情况下，能正常切换光伏电池，最终保持UPS持续工作。（其中继电器动作电池切换短，满足UPS后备电池断电维持工作时间，不影响UPS工作）。

2控制系统软件程序设计

根据控制系统设计流程，控制系统软件设计主要由两部分组成：（1）手机组态APP远程控制软件组态设计；（2）HC5900控制器数据配置。手机组态APP远程控制软件组态设计包括了：创建设备，配置传感器，设置触发器，以及配置通信协议等组态设计，最终通过连接传感器和HC5900控制器，实现了手机组态APP远程控制光伏电池和后备电池自动切换，达到延长UPS工作时间，进而延长指点标的工作时间。手机组态APP如图7和图8所示：HC59000控制器数据配置依靠控制器数据配置软件通过232口连接HC5900控制器对传感器模拟量采集、以及GPRS参数开关量进行参数设置。HC59000控制器数据配置软件如图9所示。通过对系统连接各个模块，实现了在断电时，通过光伏和光伏电池组延长UPS工作时间，最终保证了MB设备在断电时也能长时间工作。整个系统具有花费成本低，环保，信号稳定可靠等特点，解决了农网不稳定，断电引起的问题。在日照时间长，光源足的地方，尤其是中国西北等地，有很具有推广价值，可以很大程度上保证导航设备的正常供电，保证飞机降落安全，具有很大的航空技术价值。

作者：朱群强 肖文君 单位：湖南劳动人事职业学院