儲能和柴油發電機兩級應急電源供電策略

何 宇，邢小平，于 帥

應用研究

儲能和柴油發電機兩級應急電源供電策略

何 宇，邢小平，于 帥

（武漢第二船舶設計研究院，武漢 430064）

本文針對特別重要的負載需要配置應急電源的應用場合，提出了一種含混合儲能以及柴油發電機兩級應急電源的電源供電系統。該系統具有4種工作狀態，闡述了其控制原則，并建立了相應數學模型，完成了系統各狀態之間切換控制策略的仿真驗證。

雙電源供電系統 柴油發電機 儲能

0 引言

采用兩路電網電源供電的雙電源供電系統，在兩路電源切換中不可避免存在負載側斷電時間，且如遇到大停電事故，兩路電網電源同時斷電時，負載將失去供電，造成重大損失。為了解決上述問題，雙電源切換裝置需要配置有應急電源。

基于上述考慮，為減少切換過程中負載斷電時間，進一步提升供電系統可靠性，本文針對交流低壓系統，提出一種含有混合儲能裝置和柴油發電機兩級應急電源的雙電源供電系統結構。儲能裝置作為一級應急電源，能夠用于消除電源切換過程中斷電時間，并用于柴油發電機啟動過程中的臨時電源。柴油發電機作為二級應急電源，能在電網大停電時，起到持久的應急供電作用。

1 供電系統拓撲結構

含混合儲能裝置和柴油發電機兩級應急電源的雙電源供電系統的拓撲結構如圖1所示。系統電源包含常用電源、備用電源、混合儲能裝置、柴油發電機。常用電源和備用電源均是電網電源，分別通過常用電源開關和備用電源開關連接至交流母線。儲能裝置由混合儲能單元經過三相逆變器和儲能開關連接至交流母線。柴油發電機通過柴油發電機開關連接至交流母線。

考慮到柴油發電機和混合儲能裝置的容量有限，為避免柴油發電機和儲能裝置過載，保證其對負載正常供電，依據負載的重要程度，將負載分為重要負載和不重要負載，其分別通過重要負載開關和不重要負載開關與母線連接。在常用電源或備用電源供電時，不重要負載開關閉合，保證重要負載和不重要負載都能正常供電。在柴油發電機供電時，不重要負載開關斷開，保證柴油發電機不過載。

圖1 帶儲能和柴油發電機兩級應急電源的供電系統拓撲結構圖

2 供電系統控制原則

含混合儲能和柴油發電機兩級應急電源的雙電源供電系統的控制原則如下：

1）禁止常用電源和備用電源并聯供電；

2）優先使用電網電源，柴油發電機作為常用電源和備用電源都發生故障時的緊急電源，如常用電源和備用電源有一路正常則不會開啟柴油發電機；

3）兩路電網電源中優先使用常用電源供電；

4）儲能供電系統始終工作，起到改善電能質量和電源切換間隙緊急供電的作用；

5）在柴油發電機應急供電時，需要斷開不重要負載以保證柴油發電機對重要負載的正常供電。

在上述控制原則下，系統有4種工作狀態：常用電源-儲能并聯工作狀態、備用電源-儲能并聯工作狀態，儲能供電工作狀態，柴油發電機-儲能并聯工作狀態。各個工作狀態之間的切換邏輯如圖2所示。圖3是系統切換控制流程圖，三個子圖分別為初始工作狀態為常用電源-儲能并聯的切換控制流程圖，初始工作狀態為備用電源-儲能并聯的切換控制流程圖和初始工作狀態為柴油發電機-儲能并聯的切換控制流程圖。

圖2 四個工作狀態切換邏輯

3 系統切換策略

3.1 常用電源-儲能并聯切換到儲能單獨供電

圖4是在常用電源與儲能裝置并聯運行時，常用電源發生故障切換到混合儲能單獨供電的波形。

在常用電源發生故障前，系統處于常用電源-儲能并聯工作狀態，負載有功功率為4.5 kW，無功功率為1 kVar。混合儲能裝置工作在并網模式，儲能裝置輸出的三相交流電壓與常用電源電壓的幅值和相位保持一致，儲能裝置僅有較小的充電電流。常用電源輸出電流等于負載電流和儲能裝置充電電流之和。常用電源的CA線電壓在=0.4 s時發生電壓跌落故障，如圖4（a）所示。在故障發生后4.2 ms系統檢測到常用電源故障，并停止常用電源晶閘管驅動信號。在故障發生后10 ms，檢測到常用電源晶閘管完全斷開，系統切換到儲能裝置單獨供電工作狀態。

在常用電源斷開后，儲能裝置的輸出電流增加至等于負載電流，負載完全由儲能裝置供電。在常用電源故障后，儲能裝置直流側電流由接近0 A增加至9 A。鋰電池承擔輸出功率的低頻部分，其輸出電流諧波較小。超級電容承擔輸出功率的高頻部分，在儲能裝置功率突增的瞬間，超級電容輸出電流出現一個尖峰，進入穩態后，超級電容輸出諧波電流。在切換過程中，儲能裝置直流電壓基本沒有變化。

圖4 常用電源-儲能并聯切換到儲能單獨供電波形

3.2 常用電源-儲能并聯切換到備用電源-儲能并聯策略

含儲能和柴油發電機兩級應急電源的雙電源供電系統在正常工作時，系統工作在常用電源-儲能并聯工作狀態，儲能裝置工作在并網模式。常用電源發生故障后，常用電源開關斷開，為了縮短負載的斷電時間，儲能裝置在常用電源開關斷開后，切換到孤網模式，儲能裝置單獨給負載供電。由于儲能裝置容量有限，如備用電源正常，需盡快將儲能裝置與備用電源并聯。如此時直接將備用電源與儲能裝置并聯，由于備用電源電壓幅值和相角與儲能裝置有差別，會出現較大的沖擊電流。為降低備用電源投入時的沖擊，儲能裝置調整輸出電壓的相位和幅值至與備用電源一致，隨后合閘備用電源開關，儲能裝置切換至并網模式。系統進入備用電源-儲能并聯工作狀態。

常用電源的電壓如式（1）所示：

備用電源的電壓如式（2）所示：

常用電源故障斷開后，儲能裝置進入單獨供電狀態，為減少常用電源斷開后對負載的沖擊，儲能裝置輸出電壓的幅值和相角和常用電源保持一致，所以有式（3）：

備用電源電壓幅值為常用電源幅值的1.1倍，且備用電源電壓相角落后常用電源電壓相角15°。負載有功功率為4.5 kW，無功功率為1 kVar。常用電源在=0.1 s時發生了電壓跌落故障，常用電源開關斷開，隨即儲能裝置輸出電流增加至負載電流，儲能裝置單獨給負載供電。為了減少常用電源故障斷開的沖擊，儲能裝置輸出電壓的幅值和相角與常用電源一致。在=0.3 s時，儲能裝置直接與備用電源并聯。由于儲能裝置與備用電源并聯瞬間，儲能裝置輸出電壓與備用電源電壓存在一定的幅值差和相角差，負載電壓和電流出現了較大的沖擊，且儲能裝置沖擊電流峰值達到了210 A。

在儲能裝置與備用電源并聯后，儲能裝置重新切換到并網運行模式，輸出電壓的幅值和相角在t=0.305 s時突變至與備用電源一致。可見，儲能裝置單獨給負載供電時，如不調整輸出電壓幅值和相角，直接與備用電源并聯，會給供電系統帶來較大的沖擊。

為消除儲能裝置與備用電源并聯時刻的沖擊，則儲能裝置輸出電壓的幅值和相角需要在并聯備用電源時調整至與備用電源一致。儲能裝置單獨供電的時間為cn，則儲能裝置單獨供電階段，其輸出電壓幅值和相角的變化率如式（4）所示：

圖5是儲能裝置調整幅值和相角后與備用電源并聯的波形圖。備用電源電壓幅值同樣為常用電源幅值的1.1倍，且備用電源電壓相角同樣落后常用電源電壓相角15°。常用電源也是在0.1 s時刻發生電壓跌落故障，故障發生后，常用電源斷開，儲能裝置單獨供電，備用電源在0.3 s時刻與儲能裝置并聯。在0.1 s至0.3 s期間，儲能裝置輸出電壓的幅值和相角逐漸變化至與備用電源一致。儲能裝置與備用電源并聯時的沖擊電流峰值減小到了20 A，且負載電流電壓在并聯時刻未發生明顯突變，減少了負載受到的沖擊。且儲能裝置單獨供電期間，其輸出電壓的幅值和相角的變化率較小，對負載影響較小。由此可見，在常用電源斷開后，調整儲能裝置輸出電壓的幅值和相角與備用電源保持一致，可以明顯的降低儲能裝置與備用電源并聯時的沖擊。

3.3 柴油發電機與儲能裝置協調控制策略

圖6為柴油發電機與儲能裝置并聯運行時的功率分配圖，在（0-t1）時間段，系統由常用電源供電，儲能裝置與常用電源并聯，且不輸出功率。在t1時刻，常用電源發生故障，且備用電源故障，常用電源開關斷開，（t1-t2）時間段，負載僅由儲能裝置供電，同時柴油發電機空載啟動。在t2時刻，柴油發電機啟動完成，儲能裝置與柴油發電機并聯。在（t2-t3）時間段，負載功率逐漸由儲能裝置承擔切換為由柴油發電機承擔。在（t3-t4）時間段，負載功率完全由柴油發電機承擔，儲能裝置一直和柴油發電機并聯。在t4時刻，負載突增，相應的，柴油發電機輸出功率增加，由于柴油發電機的加載過程比儲能裝置的加載過程更長，在柴油發電機的功率未完全提升至負載功率時，儲能裝置補充輸出柴油發電機輸出功率和負載功率的差值，處于放電狀態。在t5時刻，負載突減，柴油發電機輸出功率下降，由于柴油發電機減載需要時間，在柴油發電機的功率未完全降低至負載功率時，儲能裝置吸收柴油發電機多輸出的功率，處于充電狀態。

常用電源-儲能并聯工作狀態時，常用電源發生故障，如備用電源也有故障，則系統切換到柴油發電機與儲能裝置并聯的控制策略。切換策略與前述切換到備用電源-儲能并聯的策略一致。

圖6 柴油發電機與儲能裝置功率分配

柴油發電機與負載并聯工作狀態負載增減的波形如圖7所示。開始時負載功率為0，此時負載側電壓幅值和頻率都處于額定值。在2 s時，負載的有功功率增至415 kW，無功功率增至250 kVar。可以看出柴油發電機的轉速從額定轉速下降至0.93 p.u.，相應的負載側電壓頻率下降至0.93 p.u.，且負載側電壓幅值下降至0.9 p.u.。此時負載側的電壓幅值和頻率都低于額定值，儲能裝置開始輸出功率。同時柴油發電機開始增加有功功率和無功功率輸出。負載側電壓幅值和頻率逐漸增至額定值的過程中，儲能裝置的輸出功率功率逐漸減小。在7 s時，負載側的電壓幅值和頻率重新回到額定值，此時儲能裝置的輸出功率為零。在8s時，負載的有功功率下降至207 kW，無功功率下降至125 kVar。此時柴油發電機的轉速從額定轉速上升至1.03 p.u.，相應的負載側電壓頻率上升至1.03 p.u.，且負載側電壓幅值上升至1.05 p.u.。此時負載側電壓幅值和頻率都高于額定值，儲能裝置開始吸收功率。同時柴油發電機開始降低有功功率和無功功率輸出。負載側電壓幅值和頻率逐漸降低至額定值的過程中，儲能裝置的吸收功率逐漸減小。在11 s時，負載側電壓幅值和頻率重新回到額定值，此處儲能裝置的輸出功率恢復至零。在負載波動的過程中，混合儲能裝置直流側電壓值基本不變。

圖7 柴油發電機-儲能并聯狀態負載增減波形

4 小結

本文針對兩路電網電源互為備用的供電系統的兩路電源同時故障的情況不能對特別重要負載進行供電以及其在切換過程中負載存在短時斷電等問題，提出了一種含混合儲能以及柴油發電機兩級應急電源的供電系統拓撲結構及其協調控制策略，提出了各種工作狀態之間互相切換的控制邏輯和具體流程，并進行了仿真計算驗證。

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Power Supply Strategy of Dual Two Level Emergency Power Sources Based on Energy Storage And Diesel Generator

He Yu, Xing Xiaoping, Yu Shuai

（Wuhan Second Ship Design and Research Institute, Wuhan 430064,China）

TU85

A

1003-4862（2021）09-0030-05

2021-06-09

何宇（1989-），男，工程師，研究方向：船舶電力系統設計與控制。E-mail：857360213@qq.com