董麗燕 李雪剛 涂思東 傅 博 林 森 張 遠(yuǎn)

北京首都機(jī)場節(jié)能技術(shù)服務(wù)有限公司 北京 101312

一直以來，APU可以提供飛機(jī)在地面等待過程所需要的電源，但是APU存在著以下的缺點(diǎn)，如環(huán)境污染嚴(yán)重、功率消耗大以及所產(chǎn)生的聲音大等問題?；诖耍窈骄痔岢隽恕稒C(jī)場使用橋載設(shè)備替代飛機(jī)APU推廣工作》，要求全面落實(shí)節(jié)能減排的工作，持續(xù)推進(jìn)“綠色機(jī)場”建設(shè)的步伐，飛機(jī)APU逐步被全國各大機(jī)場使用靠橋航班使用橋載設(shè)備取代。但是，APU的代替過程仍然很漫長，面臨著施工成本高和改造困難等一系列問題[1]。使用可移動儲能式靜變電源，該系統(tǒng)具備為飛機(jī)及機(jī)載設(shè)備提供啟動、檢查和維修電能的功能，此外該系統(tǒng)還具有使用方便快捷、噪音污染小、運(yùn)行成本低等優(yōu)點(diǎn)。

1 靜變電源系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)組成

飛機(jī)電源系統(tǒng)的組成有主電源、應(yīng)急電源和二次電源，其中主電源有115V/200V交流電源系統(tǒng)、28V低壓直流系統(tǒng)、270V高壓直流系統(tǒng)等[2]。本文研究的儲能式靜變電源系統(tǒng)由以下幾個方面組成：(1)儲能系統(tǒng)(200kWh)，包括電池芯、電池組和電池系統(tǒng)，可以滿足交流不間斷供電2小時以上；(2)電源系統(tǒng)，包括逆變電源和調(diào)頻電源，可以滿足所有機(jī)型使用，兼容60kVA；(3)一體化管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互；(4)移動底盤，保證設(shè)備能夠長期穩(wěn)定停放；(5)航空連接器及電纜，電纜采用六類導(dǎo)體，航空連接器滿足《飛機(jī)地面電源連接器》HB 6184相關(guān)要求等組成。如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成

1.2 基本功能

1.2.1 實(shí)現(xiàn)不間斷的電源轉(zhuǎn)換

(1)NBPT的完全兼容性功能；

(2)12脈沖寬度調(diào)制技術(shù)；

(3)IGBT穩(wěn)頻、穩(wěn)壓功率調(diào)節(jié)。

1.2.2 實(shí)現(xiàn)故障自我報警

(1)開機(jī)自檢；

(2)故障報警指示燈顯示；

(3)故障記錄復(fù)歸。

1.2.3 實(shí)現(xiàn)控制顯示/遠(yuǎn)程監(jiān)控

(1)啟動/停止，支持遠(yuǎn)程控制；

(2)電壓、電流、頻率、電池信息顯示；

(3)緊急關(guān)閉。

1.2.4 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲

(1)事件順序、保護(hù)事項記錄；

(2)電源開/關(guān)狀態(tài)記錄、裝置開機(jī)自檢記錄；

(3)保存最近200次運(yùn)行記錄。

1.2.5 保護(hù)功能

(1)過壓、欠壓、過流保護(hù)；

(2)超溫脫離、短路保護(hù)；

(3)控制電路故障保護(hù)。

2 儲能管理系統(tǒng)設(shè)計

2.1 BMS的結(jié)構(gòu)

BMS系統(tǒng)可以檢測收集并計算實(shí)時狀態(tài)參數(shù)，并且可以根據(jù)檢測的數(shù)據(jù)與允許范圍內(nèi)數(shù)據(jù)的比對關(guān)系，以此來控制供電回路的通斷；將采集到的數(shù)據(jù)上報給控制器，然后接收控制器的指令，與其他的系統(tǒng)協(xié)調(diào)配合工作。目前市場上的電池系統(tǒng)根據(jù)其配置可分為集中式和分布式兩種類型。由于磷酸鐵鋰來源廣，無污染，故將該材料應(yīng)用到電池儲能系統(tǒng)中，并采用分布式結(jié)構(gòu)[3]，如圖2所示。

圖2 BMS分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

采用3.2V/280Ah高性能、高可靠性磷酸鐵鋰電池芯進(jìn)行成組，可以大幅度提升電池系統(tǒng)的安全性，配合90kVA靜變電源，實(shí)現(xiàn)在滿負(fù)荷輸出情況下為飛機(jī)提供交流不間斷供電。

2.2 供電補(bǔ)電方式

2.2.1 供電模式

通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，傳統(tǒng)的電源車是利用燃油發(fā)電來滿足飛機(jī)用電需求的，在使用過程中產(chǎn)生很大的噪音，污染嚴(yán)重，維修成本高，不符合綠色環(huán)保的發(fā)展趨勢。隨著靜變供電技術(shù)的發(fā)展，目前，機(jī)場采用的供電網(wǎng)絡(luò)通?？煞譃榉稚⑹焦╇娕c集中式供電。由于分散式供電可靠性較高、承受故障的能力較強(qiáng)，并且有移動式分散供電和固定式分散供電兩種方式[4]，故本文選擇使用靈活、智能程度高、操作便捷的移動式分散供電方式，此方式具有三種供電模式：

(1)電池直流供電帶載模式，利用鋰電池儲能系統(tǒng)的高壓直流電源通過逆變器為中頻交流電輸出給飛機(jī)負(fù)載。

(2)市電交流供電帶載模式，在有市電接入的情況下，直接通過靜變電源給飛機(jī)供電。

(3)在無市電交流供電的情況下，系統(tǒng)可以提供220V/380V、50Hz的電源，給現(xiàn)場施工、檢修等設(shè)備提供穩(wěn)定的市電電壓供應(yīng)。

在儲能電池模塊充滿電后，控制開關(guān)切換模塊處于模式3，以此控制靜變電源，實(shí)現(xiàn)儲能系統(tǒng)為飛機(jī)供電，如圖3所示。

圖3 供電模式3

2.2.2 充電模式

具有兩種充電模式，可隨時用380V工業(yè)電源或直流充電樁充電，在90kW充電功率下，2.5小時以內(nèi)即可完成充電。

(1)在電網(wǎng)輸入充足且儲能模塊虧電時，控制開關(guān)切換模塊處于模式1、控制DC-AC雙向變流模塊處于直交變換狀態(tài)且控制其輸出參數(shù)，實(shí)現(xiàn)前端電源對儲能電池模塊充電，如圖4所示：

圖4 充電模式1

(2)在充電樁輸入充足且儲能電池模塊虧電時，控制開關(guān)切換模塊處于模式2、控制DC-DC單向變流模塊處于變換狀態(tài)且控制其輸出參數(shù)，實(shí)現(xiàn)前端電源對儲能電池模塊充電，如圖5所示：

圖5 充電模式2

2.3 系統(tǒng)安全性保障

級別一：過壓和過流保護(hù)。當(dāng)管理系統(tǒng)識別到過流現(xiàn)象時，控制接觸器斷開，同時切斷電池輸出和靜變電源輸出，確保系統(tǒng)不受電流危害。

級別二：隔離開關(guān)。當(dāng)直流接觸器因直流過流拉弧而不能拉斷時，斷路器可以實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的過流保護(hù)與短路保護(hù)。

級別三：熔斷器保護(hù)。當(dāng)斷路器也失效無法斷開回路時，則由熔斷器確保系統(tǒng)的安全。

級別四：一體化管理系統(tǒng)。分別為電芯層級、電池模組層級及電氣設(shè)備層級，實(shí)現(xiàn)整個儲能充電系統(tǒng)的安全監(jiān)控。具備過充、過放、過流、過溫、低溫保護(hù)，多級故障診斷保護(hù)[5]，多重故障檢測等安全功能，從而實(shí)現(xiàn)儲能充電系統(tǒng)的故障、告警、保護(hù)、診斷四位一體的安全保護(hù)機(jī)制。

級別五：遠(yuǎn)程監(jiān)控。可以實(shí)現(xiàn)監(jiān)控的實(shí)時工作狀態(tài)，故障報警及推送，遇到特殊情況時可以緊急控制停機(jī)。

3 在民航供電中的應(yīng)用

在靜變電源應(yīng)用之前，民航供電主要采用中頻機(jī)組，應(yīng)用規(guī)模小，操作簡單，同時還存在布局分散、抗擾動能力差、效率低、噪音大、環(huán)境污染嚴(yán)重等缺點(diǎn)，不僅降低了供電系統(tǒng)的總體效率，而且限制了性能的提高。

如今采用儲能式靜變電源，能夠很好地適應(yīng)航空供電的工作環(huán)境，電力變換效率高，輸出電壓穩(wěn)定，品質(zhì)好，而且當(dāng)負(fù)載變化時，瞬態(tài)特性幅值小、恢復(fù)快[6]，在提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和輸出電力質(zhì)量等方面具有明顯的優(yōu)勢，并且移動式儲能靜變電源使用更加快捷方便，操作流程簡單，不但可以解決目前民航供電中存在的問題，而且可以滿足民航未來供電的發(fā)展要求，提高航空供電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行能力[7]。

結(jié)語

通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，目前市場上取得“儲能式靜變電源”民航認(rèn)證的廠家只有一家，所以該方向在未來有很大的發(fā)展?jié)摿?。移動式儲能靜變電源可以減少能源的消耗，降低噪聲，提高飛行過程中的安全，還可以提高民航業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，滿足國家提倡的可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略要求，真正打造“綠色機(jī)場”[8]。