鄭利江，俞劍軍，樓智炯

（諸暨市東白電力安裝工程有限公司，浙江 諸暨 311800）

0 引 言

隨著社會(huì)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展，用戶對(duì)電力部門(mén)供電可靠性的要求越來(lái)越高。一方面一些重要的場(chǎng)合，如高級(jí)別的會(huì)議、醫(yī)院、體育賽事等對(duì)供電連續(xù)性有著極高的要求，一旦發(fā)生突發(fā)停電事故,將造成巨大的政治影響和經(jīng)濟(jì)損失，因此需要實(shí)現(xiàn)突發(fā)意外停電下用戶停電零感知的電源切換和后續(xù)不間斷供電。另一方面配網(wǎng)在檢修、處理故障等操作時(shí),通常采用應(yīng)急柴油發(fā)電車為移動(dòng)應(yīng)急電源來(lái)保障，市電突然斷電后發(fā)電車和電網(wǎng)的無(wú)縫切換存在較多困難，同時(shí)在綠色環(huán)保、節(jié)能減排的要求下也需要研究新的移動(dòng)式高可靠性保供電方案來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的作業(yè)[1]。

1 應(yīng)急保電電源類別和特點(diǎn)

應(yīng)急保電電源可分為柴油應(yīng)急發(fā)電車和移動(dòng)儲(chǔ)能供電2大類[2]。

柴油發(fā)電車作為移動(dòng)應(yīng)急電源被普遍使用，但缺點(diǎn)在于啟動(dòng)時(shí)間較長(zhǎng)，即使是快速啟動(dòng)的柴油發(fā)電機(jī)，也需要5～30 s，供電電壓、頻率波動(dòng)大、效率低，并且造成一定的環(huán)境和噪聲污染[3]。與之相對(duì)的移動(dòng)儲(chǔ)能系統(tǒng)啟動(dòng)迅速，穩(wěn)定性好、供電電壓和頻率波動(dòng)較小，能夠限制在1 V/0.1 Hz以內(nèi)。

近年來(lái)儲(chǔ)能產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，儲(chǔ)能技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用愈加廣泛。隨著電池技術(shù)的不斷發(fā)展,體積小、重量輕、循環(huán)次增長(zhǎng)、能量密度高、可大電流快速充放電的鋰電池迅速崛起[4]，使移動(dòng)式電化學(xué)儲(chǔ)能系統(tǒng)在電力保供電方面的應(yīng)用得到進(jìn)一步推廣。

2 移動(dòng)式重要場(chǎng)合停電零感知不間斷供電作業(yè)的目標(biāo)和難點(diǎn)

2.1 目 標(biāo)

近年來(lái)，特別重要的、需要進(jìn)行高可靠性保障的負(fù)荷點(diǎn)逐步增多。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，浙江省各類重大會(huì)議和活動(dòng)頻繁舉行，每年僅重要體育賽事就有近200余項(xiàng)。

對(duì)這些重要場(chǎng)合的保供電，要滿足突發(fā)停電時(shí)負(fù)荷“零閃動(dòng)”，停電“零感知”的保電剛性需求，需實(shí)現(xiàn)以下幾點(diǎn)。

（1）移動(dòng)應(yīng)急電源和保障裝置實(shí)現(xiàn)車載等移動(dòng)式轉(zhuǎn)場(chǎng)應(yīng)用，能匹配不同的用戶負(fù)荷場(chǎng)景，適用面廣，一次投入能多次應(yīng)用，提高投入產(chǎn)出比。

（2）因每次保供電都屬于臨時(shí)保障，因此需有簡(jiǎn)單快速的與負(fù)載和電網(wǎng)的連接方案。

（3）電網(wǎng)突發(fā)性停電后，應(yīng)有ms級(jí)快速平穩(wěn)切換，能在20 ms（1個(gè)周期）內(nèi)切換至應(yīng)急電源，確保用戶負(fù)載停電零感知。

（4）在成本可控的前提下，不間斷供電時(shí)間應(yīng)足夠長(zhǎng)，需充分保障重要場(chǎng)合活動(dòng)持續(xù)平穩(wěn)進(jìn)行。

2.2 難點(diǎn)和問(wèn)題

要實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，現(xiàn)階段存在較多難點(diǎn)和困難。

（1）現(xiàn)階段主要應(yīng)用柴油發(fā)電車保電，市電停電后投運(yùn)需要啟動(dòng)時(shí)間，無(wú)法實(shí)現(xiàn)在線供電模式。

（2）選用鋰電池組等儲(chǔ)能系統(tǒng)做備用電源能解決在線不間斷供電問(wèn)題，但限于儲(chǔ)能系統(tǒng)容量和造價(jià)，很難做到經(jīng)濟(jì)的長(zhǎng)時(shí)間供電。

（3）常規(guī)的技術(shù)裝置實(shí)現(xiàn)市電和應(yīng)急電源之間切換，如雙電源自動(dòng)切換開(kāi)關(guān)（Automatic Transfer Switch，ATS），切換時(shí)間長(zhǎng)，實(shí)測(cè)最短也要200 ms以上。停電超過(guò)1個(gè)交流周期（20 ms），一部分負(fù)載會(huì)失電，無(wú)法實(shí)現(xiàn)真正的全面停電零感知保障。

（4）目前傳統(tǒng)的保供電方案，接入負(fù)載都采用傳統(tǒng)的銅鼻子冷壓端子連接方式，連接耗時(shí)長(zhǎng)，安全和可靠性低，無(wú)法實(shí)現(xiàn)“即插即用”。

3 高可靠性保供電技術(shù)設(shè)備研究

根據(jù)上述研究和分析，要實(shí)現(xiàn)重要場(chǎng)合停電零感知不間斷供電作業(yè)，首先要將主備用電源由柴油發(fā)電車改為鋰離子電池組，使作業(yè)具備在線模式供電的基礎(chǔ)。同時(shí)應(yīng)考慮鋰電池組等儲(chǔ)能系統(tǒng)供電的成本和時(shí)長(zhǎng)的平衡，尋求長(zhǎng)時(shí)間應(yīng)急供電要求下的幾種電源方案的結(jié)合。其次應(yīng)考慮電池組充電和放電的設(shè)計(jì)，兼顧經(jīng)濟(jì)性和移動(dòng)式應(yīng)用的規(guī)格尺寸的要求。再次應(yīng)研究ms級(jí)切換的開(kāi)關(guān)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)市電掉電后和備用電源在20 ms內(nèi)平穩(wěn)切換，確保負(fù)載停電零感知。最后應(yīng)研究保供電接入的接口設(shè)計(jì)，保證現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的快捷和可靠。

3.1 鋰離子電池

在本研究中，儲(chǔ)能電池作為市電斷電后的應(yīng)急備用電源, 供電安全性能和供電時(shí)間長(zhǎng)短是關(guān)鍵因素，應(yīng)選用安全性高、充電時(shí)間短、使用壽命長(zhǎng)的電池類別。

通過(guò)綜合比較幾種儲(chǔ)能電池,考慮本次研究設(shè)計(jì)的應(yīng)急電源保障的負(fù)載功率較大,因此選擇鋰離子電池作為本研究的儲(chǔ)能電池。表1是幾種鋰離子電池的性能對(duì)比[4]。

表1 鋰離子電池不同正極材料的性能對(duì)比表

從表1中可以看出，磷酸鐵鋰電池在安全性、大電流放電特性、循環(huán)次數(shù)、耐高溫等性能指標(biāo)上有明顯優(yōu)勢(shì)，適合在負(fù)荷波動(dòng)和供電功率較大的場(chǎng)合下使用。

結(jié)合上述研究，我們進(jìn)一步調(diào)研后認(rèn)為：本作業(yè)方案選用系統(tǒng)充電放電電流不大于1C的磷酸鐵鋰電池，同時(shí)電池系統(tǒng)電池管理系統(tǒng)（Battery Management System，BMS）能和作業(yè)方案的其他設(shè)備配合。

3.2 儲(chǔ)能變流器

雙向儲(chǔ)能變流器（Power Control System，PCS）是電網(wǎng)和電池之間的轉(zhuǎn)換裝置，可對(duì)電池進(jìn)行充放電?？梢园褋?lái)自于電池的直流電逆變?yōu)榭刹⑷腚娋W(wǎng)的交流電，還可以把電網(wǎng)的交流電整流為可充入電池的直流電。雙向儲(chǔ)能變流器可用于并網(wǎng)模式或離網(wǎng)模式。并網(wǎng)模式中，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)和電池組雙向轉(zhuǎn)換，在電網(wǎng)負(fù)荷低谷期給電池組充電，在電網(wǎng)負(fù)荷高峰期回饋電網(wǎng)。在離網(wǎng)模式中，在電網(wǎng)失電或處于獨(dú)立系統(tǒng)時(shí)，處于放電狀態(tài)，給用戶負(fù)荷供電。

3.3 靜態(tài)切換開(kāi)關(guān)

靜態(tài)切換開(kāi)關(guān)（Static Transfer Switch，STS）是一種先進(jìn)的快速切換開(kāi)關(guān)，主要用于在2路電源之間進(jìn)行無(wú)間斷切換[5]。在主電源正常工作時(shí)，負(fù)載一直由主電源供電。如主電源發(fā)生故障，則負(fù)載自動(dòng)切換到備用電源，主電源恢復(fù)正常后，負(fù)載自動(dòng)切換到主電源。

STS靜態(tài)切換開(kāi)關(guān)的功率組件是由可控硅整流器（Silicon Controlled Rectifier，SCR）組成，SCR的通斷速度快并且不會(huì)產(chǎn)生大電流中的拉弧現(xiàn)象，其接通效果好。

相對(duì)于常用的ATS轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，STS靜態(tài)切換開(kāi)關(guān)的最大不同處在于切換時(shí)間快。STS靜態(tài)切換開(kāi)關(guān)最快可實(shí)現(xiàn)在10 ms內(nèi)負(fù)載供電電源的轉(zhuǎn)換。ATS轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)要200 ms以上才能轉(zhuǎn)換到另一路電源上，會(huì)造成負(fù)載斷電。

根據(jù)本作業(yè)方案的要求，可選配STS開(kāi)關(guān)作為模塊和PCS結(jié)合，組成1個(gè)獨(dú)立的柜體結(jié)構(gòu)。實(shí)現(xiàn)在市電掉電后，在并網(wǎng)和離網(wǎng)模式之間快速切換，快速切換至儲(chǔ)能獨(dú)立供電，切換時(shí)間小于20 ms。同樣的，當(dāng)市電恢復(fù)后切換時(shí)間亦小于20 ms。

2次切換，用戶負(fù)載側(cè)都實(shí)現(xiàn)了停電零感知。

3.4 高壓充電模塊

根據(jù)對(duì)PCS和STS的研究，通過(guò)儲(chǔ)能系統(tǒng)（鋰電池和PCS）和STS并離網(wǎng)切換的組合，能實(shí)現(xiàn)從市電側(cè)切換至電池組系統(tǒng)供電的時(shí)間不超20 ms，并能夠保證在一定時(shí)間內(nèi)的孤網(wǎng)運(yùn)行。但電池組限于容量不能長(zhǎng)時(shí)間離網(wǎng)運(yùn)行供電，如在電池組放電到設(shè)定的最低值之前，市電側(cè)搶修未完成，無(wú)法恢復(fù)供電并零感知切換，則需在電池組繼續(xù)放電的同時(shí)，應(yīng)配置有充電裝置，選擇柴油發(fā)電車作為移動(dòng)電源無(wú)縫接入后，實(shí)現(xiàn)電池組邊充邊放，從而形成長(zhǎng)時(shí)間不間斷供電。

在常規(guī)使用中，單臺(tái)PCS的充電和放電在某一時(shí)段是單向的，即充電和放電不能同時(shí)進(jìn)行。因PCS造價(jià)較高，且需設(shè)計(jì)成柜體制式，柜體結(jié)構(gòu)尺寸較大。如設(shè)計(jì)2臺(tái)PCS柜和鋰電池柜組合形成一邊充電一邊放電，理論上可行且已有少量應(yīng)用，但經(jīng)濟(jì)性較差，且整體規(guī)格尺寸和重量過(guò)大，不利于移動(dòng)式應(yīng)用。

因此，研究一種高壓充電模塊，體積小、模塊化，能和鋰電池組合在一起，實(shí)現(xiàn)性價(jià)比高的單向（AC轉(zhuǎn)DC）充電方案。

電源模塊的基本工作原理是將380 V三相交流電輸入，經(jīng)過(guò)電磁干擾（Electromagnetic Interference，EMI）濾波及功率因數(shù)校正（Power Factor Correction，PFC）對(duì)輸入電流進(jìn)行校正，再經(jīng)過(guò)隔離型DC/DC變換器，輸出穩(wěn)定可控的電壓電流，如圖1所示。電源模塊參數(shù)如表2所示。

表2 電源模塊參數(shù)

圖1 電源模塊工作原理圖

3.5 快速插接裝置

保供電現(xiàn)場(chǎng)接入操作需要簡(jiǎn)單可靠，經(jīng)過(guò)調(diào)研，目前廣泛使用的一種大電流快速插頭和插座能實(shí)現(xiàn)快速連接的目的。

本作業(yè)方案中設(shè)計(jì)3組，1組用于接市電，1組用于接柴油發(fā)電機(jī)，1組用于接負(fù)載。如市電側(cè)需改造快速插接箱，則插頭和插座根據(jù)實(shí)際需要設(shè)計(jì)。使用效果如圖2所示。

圖2 保供電現(xiàn)場(chǎng)接入操作使用效果

4 移動(dòng)式重要場(chǎng)合停電零感知不間斷保供電作業(yè)方案

4.1 作業(yè)方案概述

移動(dòng)式重要場(chǎng)合停電零感知不間斷保供電作業(yè)方法能滿足重大場(chǎng)合的高可靠性保電要求。本作業(yè)方案的裝置以儲(chǔ)能系統(tǒng)+并離網(wǎng)切換為核心設(shè)備，并且通過(guò)高壓充電模塊與柴油發(fā)電機(jī)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)在用戶負(fù)載側(cè)停電零感知的情況下，儲(chǔ)能和發(fā)電機(jī)等外部備用電源和市電不間斷切換和長(zhǎng)時(shí)間供電。

為提高適用性和經(jīng)濟(jì)性，本方案以全掛式車廂為載體，能轉(zhuǎn)場(chǎng)各個(gè)場(chǎng)合實(shí)現(xiàn)移動(dòng)式應(yīng)用。與外部連接采用大電流快速插頭和插座連接方式。內(nèi)部空間能夠容納并離網(wǎng)切換和雙向隔離型PCS柜、電池柜（含高壓充電模塊）和電池系統(tǒng)。作業(yè)邏輯圖如圖3所示。

圖3 作業(yè)邏輯圖

4.2 作業(yè)步驟

圖3虛線框范圍內(nèi)為1套車廂式裝置（移動(dòng)式停電零感知不間斷保障車），已固化設(shè)計(jì)，需要保障時(shí)移動(dòng)至保供電現(xiàn)場(chǎng)，保供電作業(yè)無(wú)須額外增加其他設(shè)備。

現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)按以下步驟進(jìn)行。

（1）保障前市電、負(fù)載、發(fā)電車提前連接，如圖3所示。合上保障車內(nèi)2號(hào)開(kāi)關(guān)后，將配電柜內(nèi)市電和負(fù)載連接的出線開(kāi)關(guān)（1號(hào)開(kāi)關(guān)）分?jǐn)唷?/p>

（2）保障期間，如市電正常，則負(fù)載一直由市電供電，PCS和鋰電熱備用。

（3）如市電意外故障掉電，則裝置在20 ms內(nèi)自動(dòng)切換至鋰電，此過(guò)程負(fù)載停電零感知，鋰電可保證100 kW阻性負(fù)載（高電能質(zhì)量精密設(shè)備除外）1個(gè)小時(shí)持續(xù)供電，如1個(gè)小時(shí)內(nèi)市電恢復(fù)，則市電正常送電后裝置20 ms內(nèi)自動(dòng)切換至市電，此過(guò)程同樣停電零感知。

（4）如市電搶修等待時(shí)間超過(guò)1 h，在鋰電設(shè)定的最低值之前發(fā)電車手動(dòng)送電，裝置可自動(dòng)使發(fā)電車成功并網(wǎng)送電，此過(guò)程負(fù)載停電零感知。市電維修完畢后，將發(fā)電車停止供電，然后市電正常送電，裝置在20 ms內(nèi)切換至市電供電，而負(fù)載停電零感知。

（5）保障完畢后，合上1號(hào)開(kāi)關(guān)，分?jǐn)?號(hào)開(kāi)關(guān)，拆除外部接線。

5 結(jié) 論

本文研究重要場(chǎng)合市電突發(fā)停電后高可靠性保電的技術(shù)方案。根據(jù)這類保供電工作的目標(biāo)和難點(diǎn)，深入研究了各類技術(shù)裝備，提出了完善的作業(yè)方案。下一步將在作業(yè)方案研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)行實(shí)際轉(zhuǎn)化，盡快應(yīng)用到今后的重要場(chǎng)合保供電工作中去。