清潔智能儲存式應急電源系統的設計

郭康寧，王吉友，宋文樂，宋杏然

( 國網河北省電力公司滄州供電分公司，河北滄州061001)

1 概述

傳統保電接線方式由于應急供電車不能長時間空載運行，無法做到不間斷供電，難以滿足保電任務對應急電源的要求。常規鉛酸電池儲能式UPS電源無法做到“大容量、可移動”，難以滿足保電任務對負荷容量及靈活機動性的要求。隨著風力發電和光伏發電技術的成熟和成本的降低，采用清潔能源方式進行能源的收集已成為趨勢。因此提出了一種基于清潔智能儲存式的應急電源系統。該系統采用大容量鋰離子電池組作為儲能介質，應用大功率逆變電源和光伏、風力發電的新能源技術完成電池的電源輸出及浮充，并由智能蓄電池動態管理系統對電池組和逆變電源進行智能化管理，在保證供電可靠、環保節能的同時構建清潔智能的儲存式應急電源系統，以滿足多種工況下的供電需求。

2 系統總體設計

清潔智能儲能式應急電源系統包括整流逆變子系統、新能源管理子系統和智能監控子系統。其中整流逆變子系統包括整流器和逆變器，采用電力電子技術中AC-DC-AC轉換模式實現電壓電流的變換；新能源管理子系統包括磷酸亞鐵鋰電池組、光伏電池陣列、風力發電機、充電機等，采用電力電子技術和典型的充電技術相結合，利用新能源實現對電池組的充電；智能監控子系統采用工控機通過RS485的通信方式對系統中的儀器儀表實行監控，系統采用工業控制網絡技術，實時對各交直流回路進行電壓和電流監測、對系統進行狀態監測。為了滿足系統靈活移動的要求，風力發電機和光伏電池，采用電動折疊的設計，便于隨系統整體移動。應急電源系統結構如圖1所示。

圖1 清潔智能儲存式應急電源系統

3 整流逆變子系統設計

3.1 工作模式

整流逆變中市電和發電車輸入到輸出部分是經典的整流逆變部分，即AC-DC-AC轉換模式；當市電由于故障無法輸出電能時，鋰電池輸出直流電經過逆變器變為交流電作為輸出電能，即為DC-AC轉換模式；若市電需給鋰電池充電，則為AC-DC轉換模式[1]。以下制定了4種工作模式，滿足多種工作需求。

a. UPS模式是市電正常的工作模式，此時市電經由整流器至逆變器提供負載所需電源，同時整流器對電池組進行智能充電管理，逆變供電處于備自投狀態，確保不間斷供電。

b. 電池組充電模式是系統維護的工作模式，當系統沒有負荷情況下，可以通過新能源管理系統利用風力發電、光伏發電或市電對電池組進行充電儲能管理。

c. 電池組供電模式是無市電或市電異常的工作模式，此種情況下通過逆變電源供電，保障市電線路維護時對重要負荷不間斷供電，便于及時查找線路故障。

d. 手動旁路模式是系統本體異常的工作模式，由市電直接對負載進行供電，整套系統除旁路電路外均處于斷開狀態，可以在不間斷供電情況下對系統進行維護。

3.2 控制策略

AC-DC和DC-AC模式可以采用DSP控制IGBT開斷來控制，以下重點介紹逆變電源投切控制策略。當系統工作在UPS模式時，逆變部分處于備用投切狀態，當檢測到市電出現問題時，系統應立即切除整流器及其交流供電端，直接由直流鋰電池進行逆變供電，其流程如圖2 所示。

圖2 鋰電池投切流程

3.3 投切試驗結果分析

將30 kW交流負載接至系統，模擬市電斷電時逆變電源的投切能力，試驗結果如圖3所示。第一階段，負載由市電輸出供電，工作狀態正常；第二階段，在某時刻，切斷市電輸入，系統檢測到該變化后，自動將系統輸出投切至鋰電池逆變輸出，中斷時間為3.25 ms，輸出波形良好，幅值和電網基本一致，保證了用電設備的供電連續性。圖3中(a)為市電向鋰電池放電投切整個過程的波形圖，圖3中(b)為投切過程放大后波形圖。

(a) 市電向鋰電池放電投切

(b) 投切過程放大后波形

4 新能源管理子系統設計

4.1 風光互補發電的控制管理

風光互補發電系統主要由風力發電機組、太陽能光伏電池組、控制器、逆變器、蓄電池等部分組成，系統引入MPPT(Maximum Power Point Tracking)最大功率點跟蹤控制策略，可以大大提高系統的能源利用效率。當風電起主要作用時，可以將控制得到的最大功率點看做風機的最大功率點；當光伏發電起主要作用時，系統跟蹤光伏的最大功率點；當電能匱乏時，二者全部提供功率，充分利用能源[2-3]。設計三路DC/DC串、并聯的模式，實現光伏和風電對鋰電池組充電的同步控制。其主電路拓撲如圖4所示。

圖4 風光互補充電控制器電路拓撲

風光互補充電機輸入電壓為0～400 V DC，工作電壓為250～400 V DC，主電路為利用MOSFET構成的DC/DC斬波電路。光伏電池陣列輸出可直接接至充電機，風力發電機的輸出需要經過整流為直流后再接至充電機。充電控制器前級為DC/DC升壓、穩壓環節，將光板和風機的電壓調節為500 V DC；后級為DC/DC降壓、充電環節，通過PWM調制技術進行控制，對鋰電池組進行充電。

4.2 基于三段式的智能充電設計

目前充電電池一般分為3種：普通充電、快速充電、電池更換[4]，充電機常用的充電模式有：恒流限壓、恒壓限流、階段充電(先恒流再恒壓)、脈沖充電等。目前鋰電池電池組充電模式較多采用恒流-恒壓兩階段充電模式，在開始階段由于電池電勢較低，電池具有很大的充電電流，必須要對充電電流進行限制，故選擇恒流充電；隨著電池的電勢上升，充電電壓也不斷上升，當電池電壓上升到允許的最高充電電壓時，應該保持恒壓充電，直到電池被充滿。考慮到磷酸亞鐵鋰電池的充電特性，該系統在兩階段充電后加入一個涓流充電過程，充電曲線圖如圖5所示，恒流充電時采用1/4倍率制，針對360 V/200 Ah電池組，充電電流為50PA(P為并聯組數)；恒壓充電過充限壓值為405 V，涓流充電電壓為380 V。

圖5 三階段充電特性曲線

5 智能監控子系統設計

5.1 概述

監控系統包括主控裝置、被監控設備和通信網絡，采用兩層結構：上層主控裝置(工控機)，下層為被監控設備，包括風光互補控制器、逆變電源、電池管理系統、充電樁充電器、蓄電池充電器，通信網絡為485總線。監控系統具有無線遙控功能，通過無線控制器與工控機通信，對工控機控制的配套設備進行控制。監控系統對系統設備運行狀態及工作參數進行實時采集和顯示，包括對電池、變流器及其他配套輔助設備等進行全面完善的監控。

5.2 界面設計

系統的主界面按功能分為4個部分。

a. 實時監測部分，包括電池管理系統(BMS)、逆變電源供電系統(EPS)、充電機系統、報警信息的實時監測數據。

b. 歷史數據查詢部分，包括記錄時限范圍內的電池管理系統(BMS)、逆變電源供電系統(EPS)、充電機系統及報警信息的歷史監測數據，并可實現數據的EXCEL文件導出功能。

c.系統圖監測部分，包括電路系統圖和充電特性曲線圖。其中電池組充電控制參數設置界面，給出了三階段充電特性曲線示意圖，可以通過修改特性曲線調整恒流階段充電電流、恒壓階段充電電壓、浮充階段充電電壓、轉入浮充的電流門檻值。

d. 用戶管理部分，主要是對用戶的權限進行管理。用戶管理功能包括查詢、添加、刪除、保存等。用戶根據管理員提供的密碼進行登錄。普通用戶只能查詢數據，管理員可以使用系統提供的所有功能，包括用戶管理和權限分配功能。實時監測系統監測界面如圖6所示。

圖6 實時監測系統監測界面

6 應用情況及應用效果

該系統已在國網河北省電力公司滄州供電分公司投入運行，并在2012年“兩會”保電等重大活動中發揮積極作用。通過投運測試，電池組輸出容量可達60 kVA，供電恢復時間低至3.25 ms，SOC剩余容量計算精度達97%，電壓波形畸變率低于2.8%，防護等級達到Ip65，滿足多種工況下的保電及應急供電需求，有利于保障重要用戶的供電安全和履行供電企業的社會責任。該系統實現了風能、光能、市電協同運行控制方式，與傳統應急設備相比該系統具有可移動性強、供電連續性可靠、能源清潔環保等優點。

參考文獻：

[1] 張靈改，陳道煉. Buck-Boost型變換器電路結構及其演化[J].電力電子技術，2009，43(4):30-32.

[2] 王群京，王 濤，李國麗.小型風光互補MPPT控制研究[J].電氣傳動，2009，39(5)：40-42.

[3] 李 煒,朱新堅.光伏系統最大功率點跟蹤控制仿真模型[J].計算機仿真,2006,23(6):239-243.

[4] 何占軍，劉 捷，王志本.大功率電動汽車充電機的設計[J].今日電子，2010(9)：58-60.