江西泰豪軍工集團(tuán)有限公司 吳 敏 陳永清

應(yīng)急電源作為后備電源，以其特有的優(yōu)越性與靈活性越來越受到重視，并廣泛應(yīng)用于重要負(fù)荷供電。近年來，隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展及新能源發(fā)電技術(shù)的日趨成熟，接入風(fēng)力發(fā)電、光伏發(fā)電等清潔能源的應(yīng)急電源系統(tǒng)逐漸成為應(yīng)急電源發(fā)展趨勢。

1 風(fēng)光儲智能應(yīng)急電源系統(tǒng)運(yùn)行原理

風(fēng)光儲智能應(yīng)急電源系統(tǒng)在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，應(yīng)急電源是市電線路產(chǎn)生斷路中斷之后，由蓄電池小組或其他電源提供電力負(fù)荷的應(yīng)急電力供應(yīng)設(shè)備和裝置，其中市電結(jié)構(gòu)中的交流線路處于正常狀態(tài)時，主要由市電連接靜態(tài)系統(tǒng)開關(guān)或機(jī)電設(shè)備為重要設(shè)備提供電力能量，市電交流線路產(chǎn)生中斷或穩(wěn)定問題不能提供電力設(shè)備所需基礎(chǔ)負(fù)載時，則需將靜態(tài)開關(guān)設(shè)備投入至應(yīng)急電源系統(tǒng)的逆變設(shè)備中，實(shí)現(xiàn)為線路的基礎(chǔ)負(fù)載進(jìn)行電力供應(yīng)。

傳統(tǒng)系統(tǒng)電能主要來源于電池的能量儲存，從本質(zhì)上來看市電線路處于正常運(yùn)轉(zhuǎn)模式時，首先需要利用市電交流通過整流設(shè)備及電池充電設(shè)備，能為蓄電池充電電力，當(dāng)市電線路受到阻礙中斷之后，在由蓄電池的直流電能經(jīng)過逆變設(shè)備輸出交流電力，有效為電力線路提供基礎(chǔ)負(fù)荷，其中線路電力供應(yīng)時間的長短主要由蓄電池設(shè)備的基礎(chǔ)容量所決定，其中如果基礎(chǔ)負(fù)荷容量較大，則需蓄電池自身能源儲存系統(tǒng)更加完善，因此此種線路系統(tǒng)所投入的經(jīng)濟(jì)成本較高，不利于后續(xù)日常維護(hù)和管理，同時由于該系統(tǒng)需要蓄電池自身儲存量較大，為此作為后備電源來說造成了嚴(yán)重的電力能源浪費(fèi)[1]。

隨著新能源電力管理技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，更多市電線路簡化風(fēng)力發(fā)電及太陽能發(fā)電等可再生的能源發(fā)電作為智能化應(yīng)急電源結(jié)構(gòu)，并逐漸成為全新智能應(yīng)急電源系統(tǒng)。

市電正常工作模式。當(dāng)市電處于正常運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)時，主要由全控制設(shè)備零部件所構(gòu)成的靜態(tài)開關(guān)投切至市電線路基礎(chǔ)電力供應(yīng)線路，其中,市電交流線路所產(chǎn)生電能主要由市電輸入線路、靜態(tài)線路開關(guān)STS 以及線路輸出閘K4等位負(fù)載線路進(jìn)行電力供應(yīng)。如果檢測到電池處于虧電狀態(tài)，則可以將K2閘門合死，線路由電壓為380V 的市電經(jīng)過電流三項(xiàng)全面控制觸電設(shè)備整流充電。如果電力線路的外部光照條件和基礎(chǔ)風(fēng)力條件符合標(biāo)準(zhǔn)要求，則可以直接關(guān)閉K5線路閘，隨后將市電風(fēng)光儲智能應(yīng)急電源系統(tǒng)中的光伏陣列和風(fēng)機(jī)發(fā)電連接至EPS 系統(tǒng)中，并通過風(fēng)光互補(bǔ)充電控制設(shè)備針對蓄電池進(jìn)行電力補(bǔ)充。

市電異常工作模式。當(dāng)市電線路電力停止供應(yīng)或電力能量供應(yīng)質(zhì)量產(chǎn)生異常情況不能進(jìn)行電力供應(yīng)時，線路靜態(tài)開關(guān)STS 將切換至EPS 逆變電源輸出模式，并由蓄電池小組的電能設(shè)備，經(jīng)過線路三項(xiàng)逆變電路輸出線路為交流線路提供基礎(chǔ)的用電負(fù)荷。如電池設(shè)備長期處于虧電狀態(tài)，則在外部環(huán)境光照和風(fēng)力條件允許的情況下關(guān)閉K5線路閘，隨后將光伏陣列及風(fēng)機(jī)發(fā)電設(shè)備連接至EPS 系統(tǒng)中，隨后通過風(fēng)光儲智能應(yīng)急電源系統(tǒng)針對蓄電池設(shè)備進(jìn)行充電操作。此外，電源系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)中還應(yīng)獨(dú)立設(shè)計(jì)維修線路，如需針對系統(tǒng)各個區(qū)域進(jìn)行單獨(dú)維護(hù)，可將手動控制維修線路進(jìn)行空開操作，經(jīng)維護(hù)后為基礎(chǔ)負(fù)載供應(yīng)電力[2]。

2 風(fēng)光儲智能應(yīng)急電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在風(fēng)光儲智能應(yīng)急電源系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，當(dāng)風(fēng)力以及太陽能光照時間充足時，可以利用系統(tǒng)所搭配的風(fēng)力發(fā)電設(shè)備及光伏電池小組陣列針對蓄電池小組進(jìn)行電力補(bǔ)充，有效利用風(fēng)能及太陽能兩種清潔能源完成風(fēng)光儲智能應(yīng)急電源系統(tǒng)的日常維護(hù)和管理。

根據(jù)現(xiàn)有風(fēng)光儲智能應(yīng)急電源系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)原理和內(nèi)部結(jié)構(gòu)，能充分了解連接新能源系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，需通過光伏設(shè)備所發(fā)出的直流電進(jìn)行DC/DC 功率轉(zhuǎn)化輸出，以此得到符合基礎(chǔ)要求的電壓及電流參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對鋰電池小組進(jìn)行充電。而風(fēng)機(jī)發(fā)電設(shè)備在經(jīng)過不控制整流后，同樣需經(jīng)過一級DC/DC 轉(zhuǎn)化設(shè)備針對鋰電池進(jìn)行電力補(bǔ)充，為此，風(fēng)光儲智能應(yīng)急電源系統(tǒng)將光伏充電線路與風(fēng)電充電線路合并為相同充電設(shè)備，此種系統(tǒng)被稱為風(fēng)光互補(bǔ)充電控制設(shè)備，由此可見風(fēng)力發(fā)電生產(chǎn)得電力能源經(jīng)過不控制整流后會轉(zhuǎn)變直流電力。由于風(fēng)光互補(bǔ)充電控制設(shè)備主要利用DC/DC 升降壓進(jìn)行系統(tǒng)轉(zhuǎn)化，以便于風(fēng)光互補(bǔ)充電控制器主要電路之間建立拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[3]。

2.1 升壓電路

在升壓電路系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，直流轉(zhuǎn)變設(shè)備又被稱為斬波電路，主要通過系統(tǒng)開關(guān)系統(tǒng)零部件的引導(dǎo)結(jié)構(gòu)及關(guān)閘結(jié)構(gòu)將恒定電壓直流電力轉(zhuǎn)變?yōu)榭烧{(diào)節(jié)的直流電力。

其中升壓斬波電路所輸出的平均直流電壓明顯高于直流輸入電壓參數(shù)，為此升壓電路主要由電感能量儲存設(shè)備、功率開關(guān)管道、二級管道及輸出過濾電容設(shè)備等構(gòu)成。系統(tǒng)基礎(chǔ)工作原理主要包含：高頻PWM 線路一旦觸發(fā)脈沖控制開關(guān)的聯(lián)通之后，由于線路聯(lián)通時間較短、影響線路輸出電壓的參數(shù)大小，當(dāng)線路脈沖電路為高電平時，需要開關(guān)線路引導(dǎo)聯(lián)通區(qū)域，此時直流電源經(jīng)過開關(guān)管道實(shí)現(xiàn)對電感設(shè)備補(bǔ)充電力，為此電感設(shè)備兩端所產(chǎn)生的電壓為輸入直流電壓，此時電感電流呈現(xiàn)出直線上升狀態(tài)。當(dāng)觸發(fā)電流脈沖為低電平時開關(guān)管道處于斷開狀態(tài)，致使直流線路電源和電感所產(chǎn)生的能量傳輸至負(fù)載，此時電感電流呈現(xiàn)出下降趨勢，致使線路輸出電壓明顯高于輸入電壓之后，實(shí)現(xiàn)升壓最終目的。

2.1.1 電感電流連續(xù)供電模式

該模式從本質(zhì)上看，是當(dāng)開關(guān)管道阻斷后，電感電流呈現(xiàn)出流線型下降趨勢，但整個線路沒有降低至0，為此需根據(jù)線路開關(guān)管道的聯(lián)通和阻斷形式確保電路至少經(jīng)歷2個開關(guān)狀態(tài)。其中當(dāng)T 為0時線路開關(guān)管道處于聯(lián)通模式，此時直流電源所產(chǎn)生的電流會經(jīng)過電感設(shè)備回流至負(fù)極區(qū)域，此時線路二極管會截止線路的輸入和輸出。

當(dāng)線路直流輸入電力能量儲存在電感中無法傳輸至系統(tǒng)負(fù)載區(qū)域時，電感電流處于上升狀態(tài)，直至t 為t1時線路開關(guān)管道會截止，此時線路中的二極管處于引導(dǎo)聯(lián)通狀態(tài)，確保直流電源輸入的電力能量與電感所儲存的電能共同傳輸至負(fù)載區(qū)域，致使電流線性參數(shù)不斷減少[4]。

根據(jù)線路電荷守恒定律，當(dāng)風(fēng)光儲智能應(yīng)急電源系統(tǒng)電感兩端所產(chǎn)生的電壓在一個電路周期內(nèi)部的電流積分為0時，電路基礎(chǔ)輸出電壓須大于輸入電壓，且兩者的極限性能應(yīng)保證相同。但在線路系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)過程中需要格外關(guān)注的是，D 為1時Uo 則呈現(xiàn)出無限狀態(tài)，所以為了避免造成電路損壞，D 不能無線接近與1。同時在連續(xù)電流模式下升壓變換器可等效為一個直流變壓器，但是等效電壓變比始終大于1，只能升高電壓，輸出電壓可通過控制開關(guān)的占空比連續(xù)調(diào)制。

2.1.2 電感電流斷續(xù)工作模式

當(dāng)線路開關(guān)管道阻斷后電感會不斷釋放電力能量，致使電感的電流呈現(xiàn)流線型下降趨勢，直至在下一個引導(dǎo)聯(lián)通時間段達(dá)到后電感電流已經(jīng)下降為0，此時被稱為電感電流斷續(xù)工作模式。當(dāng)線路轉(zhuǎn)化為斷續(xù)工作模式之后，電感電流的所產(chǎn)生的輸出電壓以及線路基礎(chǔ)占空比已經(jīng)無法滿足線路運(yùn)轉(zhuǎn)公式。所以，此種模式一般應(yīng)用在升壓線路環(huán)境下，針對工作現(xiàn)狀設(shè)計(jì)線路基礎(chǔ)參數(shù)時，通常需要保證電流的連續(xù)工作質(zhì)量，并且結(jié)合電感數(shù)值以及輸出電壓數(shù)值，需要格外關(guān)注的是線路正式進(jìn)入電感電流斷續(xù)工作模式之后，負(fù)載電流越小Uo 數(shù)值則越高，當(dāng)輸出空載時Uo 呈現(xiàn)出無限狀態(tài)，長此以往輸出電壓過高容易造成電路中元器件的損壞，因此升壓電路不能空載運(yùn)行。

2.2 降壓電路

降壓電路轉(zhuǎn)化設(shè)備在使用過程中屬于單管非隔離轉(zhuǎn)化設(shè)備，由于設(shè)備以及線路基礎(chǔ)輸出平均電壓普遍小于或者等于輸入電壓，所以又被稱為降壓轉(zhuǎn)化設(shè)備。在線路建設(shè)和使用過程中，降壓電路所使用的電子元件與升壓線路相同，但是安裝位置和順序卻不相同，降壓電路主要由控制類型線路零部件、二極管、輸出電感設(shè)備以及濾波電容小組共同構(gòu)成。

與升壓電路具有相似性，降壓電路基礎(chǔ)工作原理為：當(dāng)線路高頻PWM 區(qū)域觸發(fā)脈沖控制開關(guān)區(qū)域時，線路所產(chǎn)生的電力由引導(dǎo)連同時間控制，其中當(dāng)脈沖為高電平模式時開關(guān)管道為聯(lián)通狀態(tài)，此時直流電源經(jīng)過開關(guān)管道和能源儲存電感之后傳輸至負(fù)載區(qū)域，此時電感電流基礎(chǔ)參數(shù)呈現(xiàn)出上升趨勢。當(dāng)觸發(fā)脈沖為低電平時，開關(guān)管道處于斷開狀態(tài)，由電感儲能進(jìn)行持續(xù)輸出至負(fù)載區(qū)域，為此需要將降壓電路開關(guān)周期設(shè)定為Ts，其線路占空比例為D ＝ton/toff，此時則根據(jù)開關(guān)管關(guān)斷后電感放電時電流能否達(dá)到0值，將電路分為電感電流連續(xù)和電感電流斷續(xù)兩種模式。

3 風(fēng)光儲智能應(yīng)急電源系統(tǒng)優(yōu)化策略

3.1 電路升壓優(yōu)化策略

由于風(fēng)光儲智能應(yīng)急電源系統(tǒng)在內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)定環(huán)節(jié)上，主要由光伏電池輸出端口壓力低于電池小組的端口壓力，因此首先需要將電力升壓至500伏，隨后在通過升壓設(shè)備針對鋰電池進(jìn)行充電操作，確保線路兩極之間產(chǎn)生電容耦合，并且根據(jù)系統(tǒng)進(jìn)行獨(dú)立控制和管理。其中該線路結(jié)構(gòu)中升壓線路除了可實(shí)現(xiàn)升壓操作以外，一定程度上還能夠完成最大功率的系統(tǒng)跟蹤和控制。

根據(jù)現(xiàn)階段線路運(yùn)轉(zhuǎn)實(shí)際情況進(jìn)行詳細(xì)分析，風(fēng)光儲智能應(yīng)急電源系統(tǒng)的升壓電路控制設(shè)備通過光伏電池有效輸出電壓以及電流，同時結(jié)合MPPT系統(tǒng)計(jì)算方式最終得出光伏列陣的最大功率參數(shù)，將其與電池端頭的壓力數(shù)值進(jìn)行詳細(xì)對比之后，所得到誤差信號求和得出基礎(chǔ)空占比信號，經(jīng)過系統(tǒng)載波優(yōu)化之后，升壓線路的引導(dǎo)聯(lián)通需要及時關(guān)閉，以此實(shí)現(xiàn)線路直流設(shè)備輸出電壓調(diào)節(jié)和控制，完成線路升壓功能以及光伏陣列的MPPT 控制[5]。

3.2 蓄電池充電優(yōu)化策略

為了保證蓄電池充電質(zhì)量，在不影響電池設(shè)備的前提條件下，提升充電時間成為了蓄電池探索主要方向和目標(biāo)。其中蓄電池充電時間與電流大小呈現(xiàn)出正比，即線路電流越大充電時間則越短，其中電流處于恒流充電操作時，隨著充電進(jìn)行電池電壓的不斷提升，尤其是當(dāng)電池接近充電末期時電壓會不斷上升，造成電池正極加速氧化電解溶液，從而產(chǎn)生大量熱量和氣體物質(zhì)，此種現(xiàn)狀被稱為過充反應(yīng)現(xiàn)狀，嚴(yán)重?fù)p壞電池設(shè)備的使用壽命。

針對此種現(xiàn)狀，設(shè)備產(chǎn)生過充問題之前，首先需要減少電池充點(diǎn)電流防止過充。為此本次實(shí)驗(yàn)使用恒流充電模式與限流充電模式，并且根據(jù)恒流充電過程中的電壓上升狀態(tài)判斷充電狀態(tài)，當(dāng)充電電壓提高至極限數(shù)值時需要使用恒壓充電模式，以此減少充電電流，確保充電末期時間的電解液體所產(chǎn)生的沸騰現(xiàn)狀不斷降低，以此降低氣體數(shù)量，防止電池過度充電。

根據(jù)現(xiàn)階段鋰電池設(shè)備充電特點(diǎn)，需要通過在線檢測鋰電池的充電狀態(tài)，完成蓄電池充電模式的有效轉(zhuǎn)化。其中，電池恒流充電模式通常使用四分之一效率，需要對360V/200A·h 的鋰電池組，充電電流為50A；恒壓充電時過充電壓限值為405V，浮充電壓為380V。并且在實(shí)際控制實(shí)施過程中，采用定時功能與電流判據(jù)相結(jié)合，控制均充、浮充兩種狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，可避免蓄電池的過充或欠充，并且為避免控制模式的反復(fù)切換，均設(shè)定了相應(yīng)的滯環(huán)帶寬。

4 結(jié)語

本文實(shí)現(xiàn)對風(fēng)光儲智能應(yīng)急電源系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的研究和探索，本系統(tǒng)經(jīng)過STS 系統(tǒng)完成了市電的正常供電以及中斷供電量模式下的電力供應(yīng)切換，并且狀態(tài)轉(zhuǎn)化實(shí)現(xiàn)始終小于10ms，從根本上確保電力設(shè)備使用連續(xù)性和穩(wěn)定性。