儲(chǔ)能型微電網(wǎng)新技術(shù)在多功能移動(dòng)邊防哨所的應(yīng)用案例

袁必誠(chéng)

上海電機(jī)學(xué)院電氣學(xué)院 上海 201306

一、儲(chǔ)能型微電網(wǎng)新技術(shù)在多功能邊防移動(dòng)哨所應(yīng)用的必要性分析

由于我國(guó)國(guó)界線穿越崇山峻嶺、湖泊沙漠，地理?xiàng)l件十分復(fù)雜，大部分國(guó)界線市政供電網(wǎng)絡(luò)尚未通達(dá)，沿邊防線全覆蓋建設(shè)固定哨所及供電網(wǎng)絡(luò)耗資巨大，因此，采用“光伏優(yōu)先、柴電備用、鋰電池儲(chǔ)能型微電網(wǎng)技術(shù)”為多功能移動(dòng)邊防哨所供電的解決方案應(yīng)運(yùn)而生，這樣的哨所具有可即時(shí)在熱點(diǎn)地區(qū)部署、節(jié)約大額固定投資的優(yōu)點(diǎn)。

二、多功能邊防移動(dòng)哨所微電網(wǎng)系統(tǒng)的負(fù)載條件計(jì)算與分析

每套多功能移動(dòng)邊防哨所由工作、后勤保障兩個(gè)方艙組成，各自搭載一輛全拖掛底盤(pán)，部署時(shí)軍用卡車(chē)拖掛移動(dòng)到任務(wù)點(diǎn)，兩個(gè)哨所方艙及其拖掛底盤(pán)駐留用于邊防值守，卡車(chē)開(kāi)走用于其他方面。儲(chǔ)能型微電網(wǎng)系統(tǒng)將根據(jù)邊防值守官兵的用電負(fù)載設(shè)計(jì)：春秋季節(jié)，官兵值守時(shí)空調(diào)或電地暖等大功率用電器很少啟用，負(fù)載額定總功率、沖擊功率峰值遠(yuǎn)小于夏冬季節(jié)，夏季大功率負(fù)載空調(diào)系感性負(fù)載易對(duì)微電網(wǎng)造成較高的峰值沖擊功率，冬季大功率電地暖是阻性負(fù)載，不會(huì)對(duì)微電網(wǎng)造成峰值沖擊功率，因此，將多功能移動(dòng)邊防哨所夏季負(fù)載作為微電網(wǎng)的設(shè)計(jì)條件。現(xiàn)對(duì)兩個(gè)方艙夏季用電負(fù)載統(tǒng)計(jì)如下：

表1 多功能移動(dòng)邊防哨所儲(chǔ)能型微電網(wǎng)夏季負(fù)載情況統(tǒng)計(jì)表

續(xù)表

三、多功能移動(dòng)邊防哨所儲(chǔ)能型微電網(wǎng)的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

(1)系統(tǒng)設(shè)計(jì)了市電和柴油發(fā)電機(jī)備用電源互鎖切換的接觸器：設(shè)置一對(duì)常開(kāi)和常閉控制開(kāi)關(guān)，默認(rèn)常閉連接柴油發(fā)電機(jī)。如哨所使用區(qū)域可以連接市政電網(wǎng)，則將開(kāi)關(guān)切換到市電供電一側(cè)，市電作為備用電源，而柴油發(fā)電機(jī)處于停機(jī)待用狀態(tài)。(2)地暖和空調(diào)也設(shè)有用電互鎖接觸器：默認(rèn)地暖模式，確保兩者不同時(shí)工作。為了減小負(fù)載的峰值沖擊功率、峰值用電量，避免超過(guò)設(shè)計(jì)值造成系統(tǒng)故障，冬季采暖模式只能是地暖而不能共用空調(diào)。(3)系統(tǒng)操作和切換的模式均通過(guò)觸摸屏實(shí)現(xiàn)，非按鈕或其他切換模式。(4)柴油發(fā)電機(jī)自帶液晶顯示，可提供完整功能的狀態(tài)和故障查詢。(5)移動(dòng)邊防哨所微電網(wǎng)系統(tǒng)原理圖。

圖1

四、多功能移動(dòng)邊防哨所儲(chǔ)能型微電網(wǎng)的匹配性設(shè)計(jì)

(一)系統(tǒng)關(guān)鍵參數(shù)的匹配設(shè)計(jì)

表2

(二)多功能移動(dòng)邊防哨所儲(chǔ)能型微電網(wǎng)系統(tǒng)功能的匹配設(shè)計(jì)

(1)柴油發(fā)電機(jī)的啟動(dòng)受主控單元干接點(diǎn)控制：閉合時(shí)，啟動(dòng)發(fā)電機(jī)；斷開(kāi)時(shí)，關(guān)閉發(fā)電機(jī)。(2)柴油發(fā)電機(jī)對(duì)控制信號(hào)提供書(shū)面規(guī)格說(shuō)明：干接點(diǎn)的耐壓和電流要求，在收到干接點(diǎn)后多長(zhǎng)時(shí)間可啟動(dòng)發(fā)電機(jī)；在接收到干接點(diǎn)信號(hào)后，啟動(dòng)過(guò)程自動(dòng)完成，不需要其他手動(dòng)操作。(3)發(fā)電機(jī)通過(guò)通信協(xié)議給主控發(fā)送如下信號(hào)，且必須顯示在主控單元的顯示屏上：①采用Mod bus協(xié)議，請(qǐng)?zhí)峁﹨f(xié)議文本；發(fā)送電壓、電流、功率、頻率、功率因數(shù)、發(fā)動(dòng)機(jī)艙溫度。②發(fā)送工作正常、故障和保護(hù)狀態(tài)；具體故障狀態(tài)直接在發(fā)電機(jī)顯示屏上查詢。③發(fā)送油箱剩余油量信號(hào)，發(fā)送剩余油量可發(fā)電量的預(yù)測(cè)數(shù)值。(4)低溫情況下，發(fā)電機(jī)第一次啟動(dòng)后，會(huì)一直維持油路加熱，保證隨時(shí)可啟動(dòng)；儲(chǔ)能系統(tǒng)增加DCDC，為柴油發(fā)電機(jī)的啟動(dòng)電池持續(xù)供電。(5)柴油發(fā)電機(jī)燃油爐控制：將燃油爐控制回路接入PLC，監(jiān)測(cè)柴油機(jī)反饋溫度，對(duì)油路加熱進(jìn)行控制。

(三)多功能移動(dòng)邊防哨所儲(chǔ)能型微電網(wǎng)鋰電池儲(chǔ)電量的匹配性

在負(fù)載功率恒定的情況下，鋰電池的容量越大，放電電流越小，發(fā)熱量越小，系統(tǒng)造價(jià)就越高；鋰電池的容量越小，放電電流就越大，發(fā)熱量就大，電池的安全性降低、壽命縮短，系統(tǒng)造價(jià)就低。分析本系統(tǒng)的負(fù)載情況鋰電池儲(chǔ)電量最終選定20kWh。

五、多功能移動(dòng)邊防哨所儲(chǔ)能型微電網(wǎng)系統(tǒng)的工作模式設(shè)計(jì)

(一)默認(rèn)油儲(chǔ)工作模式

正常情況下，儲(chǔ)能系統(tǒng)+柴油機(jī)為后勤和工作方艙供電。逆變器內(nèi)有自動(dòng)控制的旁路開(kāi)關(guān)；外部增加手動(dòng)旁路開(kāi)關(guān)，在逆變器及其自動(dòng)旁路開(kāi)關(guān)均損壞時(shí)，通過(guò)手動(dòng)旁路開(kāi)關(guān)恢復(fù)供電。

(二)市電模式

有市電時(shí)，通過(guò)工作、后勤方艙的交流接口接入市電分別為工作方艙、后勤方艙供電。

(三)儲(chǔ)能系統(tǒng)工作為電池優(yōu)先模式

(1)在電池有電的情況下，由電池通過(guò)逆變器為負(fù)載供電；在電池容量小于30%的時(shí)候，系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng)柴油機(jī)為負(fù)載供電，同時(shí)為電池充電；電池充電到100%系統(tǒng)自動(dòng)關(guān)閉柴油機(jī)，繼續(xù)由電池為負(fù)載供電。(2)由智能控制單元控制逆變器自動(dòng)切換，切換時(shí)間小于10ms，不影響負(fù)載正常工作。(3)當(dāng)逆變器故障狀態(tài)下，逆變器自動(dòng)轉(zhuǎn)旁路。

(四)夜間電池優(yōu)先模式

每晚23：00前保證電池為滿電狀態(tài)；23：00后不啟動(dòng)柴油機(jī)發(fā)電機(jī)。

(五)光伏充電工作模式

(1)電池SOC高于30%，負(fù)載大于光伏功率，柴油發(fā)電機(jī)不啟動(dòng)，光伏與電池放電一起為負(fù)載供電。(2)電池SOC高于30%，負(fù)載小于光伏功率，發(fā)電機(jī)不啟動(dòng)，由光伏給負(fù)載供電的同時(shí)，給電池充電。(3)柴油發(fā)電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，由柴油機(jī)給負(fù)載供電，光伏只給電池充電；電池充滿，SOC為100%，負(fù)載小于光伏功率，智能控制單元關(guān)閉光伏充電器，光伏板和光伏充電器不會(huì)損壞。

六、多功能移動(dòng)邊防哨所儲(chǔ)能型微電網(wǎng)系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備選型

(一)逆變控制柜的選型

(1)逆變控制柜的關(guān)鍵參數(shù)：

表3

(2)逆變控制柜的選型要點(diǎn)：預(yù)留600mm高度作為配電區(qū)域；考慮到油煙，需要特殊風(fēng)道、濾網(wǎng)以及大通風(fēng)口設(shè)計(jì)；運(yùn)輸時(shí)，系統(tǒng)開(kāi)關(guān)要全部處于關(guān)斷狀態(tài)，系統(tǒng)停止工作，但保持電纜處于連接狀態(tài)。

(二)逆變器的選型

(1)逆變控制柜的關(guān)鍵參數(shù)：

(2)逆變器的選型要點(diǎn)：選擇的逆變器為12kW工頻逆變器大于夏季峰值額定功率的70%；瞬時(shí)沖擊功率可達(dá)36kW@20秒，大于夏季的沖擊功率的最大值及其持續(xù)時(shí)間。結(jié)論：逆變器可以滿足負(fù)載要求。

(3)逆變器的溫度降額：-20～0℃，逆變器可啟動(dòng)、運(yùn)行，功率降額到50%；0～40℃，逆變器滿功率運(yùn)行；40～50℃，功率降額到50%(超過(guò)功率，會(huì)保護(hù))。

(三)柴油發(fā)電機(jī)的選型及關(guān)鍵參數(shù)

表5

(1)機(jī)組自啟動(dòng)模式：柴油發(fā)電機(jī)組接受干接點(diǎn)控制信號(hào)，干接點(diǎn)接通時(shí)機(jī)組啟動(dòng)，升速，自動(dòng)合閘，干接點(diǎn)斷開(kāi)時(shí)發(fā)電機(jī)組分閘，降速，停機(jī)；柴油發(fā)電機(jī)組啟動(dòng)成功后45秒內(nèi)可以帶滿載。(2)機(jī)組控制器：采用國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)MODBUS通信協(xié)議(可免費(fèi)提供)，RS485通信接口，可實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)組的遙控、遙信、遙測(cè)功能，便于發(fā)電機(jī)組的遠(yuǎn)端集中監(jiān)控。通信接口的連接線建議采用兩芯屏蔽雙絞線。

(四)光伏組件的選型

(1)光伏組件的關(guān)鍵參數(shù)：

表6

(2)組件的連接方式：3串2并，總功率2.4kW左右。

圖2

(五)電池包的選型

(1)電池包的關(guān)鍵參數(shù)：

表7

(2)電池包的選型要點(diǎn)：16串一個(gè)電池包，每個(gè)電池包能量：5.12kWh。

(六)系統(tǒng)溫度降額

(1)綜合考慮電池和逆變器，溫度為-10～0℃，功率降低為額定的40%；溫度為0～40℃，滿功率輸出；40～45℃，功率降低為額定功率的40%；低溫-40℃，鋰電池和逆變器儲(chǔ)存不能損壞。(2)超低溫時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)能禁止逆變器工作，防止低溫情況下充電或放電，造成電池或逆變器損壞。