清洁智能储存式应急电源系统的设计

郭康宁，王吉友，宋文乐，宋杏然

( 国网河北省电力公司沧州供电分公司，河北沧州061001)

1 概述

传统保电接线方式由于应急供电车不能长时间空载运行，无法做到不间断供电，难以满足保电任务对应急电源的要求。常规铅酸电池储能式UPS电源无法做到“大容量、可移动”，难以满足保电任务对负荷容量及灵活机动性的要求。随着风力发电和光伏发电技术的成熟和成本的降低，采用清洁能源方式进行能源的收集已成为趋势。因此提出了一种基于清洁智能储存式的应急电源系统。该系统采用大容量锂离子电池组作为储能介质，应用大功率逆变电源和光伏、风力发电的新能源技术完成电池的电源输出及浮充，并由智能蓄电池动态管理系统对电池组和逆变电源进行智能化管理，在保证供电可靠、环保节能的同时构建清洁智能的储存式应急电源系统，以满足多种工况下的供电需求。

2 系统总体设计

清洁智能储能式应急电源系统包括整流逆变子系统、新能源管理子系统和智能监控子系统。其中整流逆变子系统包括整流器和逆变器，采用电力电子技术中AC-DC-AC转换模式实现电压电流的变换；新能源管理子系统包括磷酸亚铁锂电池组、光伏电池阵列、风力发电机、充电机等，采用电力电子技术和典型的充电技术相结合，利用新能源实现对电池组的充电；智能监控子系统采用工控机通过RS485的通信方式对系统中的仪器仪表实行监控，系统采用工业控制网络技术，实时对各交直流回路进行电压和电流监测、对系统进行状态监测。为了满足系统灵活移动的要求，风力发电机和光伏电池，采用电动折叠的设计，便于随系统整体移动。应急电源系统结构如图1所示。

图1 清洁智能储存式应急电源系统

3 整流逆变子系统设计

3.1 工作模式

整流逆变中市电和发电车输入到输出部分是经典的整流逆变部分，即AC-DC-AC转换模式；当市电由于故障无法输出电能时，锂电池输出直流电经过逆变器变为交流电作为输出电能，即为DC-AC转换模式；若市电需给锂电池充电，则为AC-DC转换模式[1]。以下制定了4种工作模式，满足多种工作需求。

a. UPS模式是市电正常的工作模式，此时市电经由整流器至逆变器提供负载所需电源，同时整流器对电池组进行智能充电管理，逆变供电处于备自投状态，确保不间断供电。

b. 电池组充电模式是系统维护的工作模式，当系统没有负荷情况下，可以通过新能源管理系统利用风力发电、光伏发电或市电对电池组进行充电储能管理。

c. 电池组供电模式是无市电或市电异常的工作模式，此种情况下通过逆变电源供电，保障市电线路维护时对重要负荷不间断供电，便于及时查找线路故障。

d. 手动旁路模式是系统本体异常的工作模式，由市电直接对负载进行供电，整套系统除旁路电路外均处于断开状态，可以在不间断供电情况下对系统进行维护。

3.2 控制策略

AC-DC和DC-AC模式可以采用DSP控制IGBT开断来控制，以下重点介绍逆变电源投切控制策略。当系统工作在UPS模式时，逆变部分处于备用投切状态，当检测到市电出现问题时，系统应立即切除整流器及其交流供电端，直接由直流锂电池进行逆变供电，其流程如图2 所示。

图2 锂电池投切流程

3.3 投切试验结果分析

将30 kW交流负载接至系统，模拟市电断电时逆变电源的投切能力，试验结果如图3所示。第一阶段，负载由市电输出供电，工作状态正常；第二阶段，在某时刻，切断市电输入，系统检测到该变化后，自动将系统输出投切至锂电池逆变输出，中断时间为3.25 ms，输出波形良好，幅值和电网基本一致，保证了用电设备的供电连续性。图3中(a)为市电向锂电池放电投切整个过程的波形图，图3中(b)为投切过程放大后波形图。

(a) 市电向锂电池放电投切

(b) 投切过程放大后波形

4 新能源管理子系统设计

4.1 风光互补发电的控制管理

风光互补发电系统主要由风力发电机组、太阳能光伏电池组、控制器、逆变器、蓄电池等部分组成，系统引入MPPT(Maximum Power Point Tracking)最大功率点跟踪控制策略，可以大大提高系统的能源利用效率。当风电起主要作用时，可以将控制得到的最大功率点看做风机的最大功率点；当光伏发电起主要作用时，系统跟踪光伏的最大功率点；当电能匮乏时，二者全部提供功率，充分利用能源[2-3]。设计三路DC/DC串、并联的模式，实现光伏和风电对锂电池组充电的同步控制。其主电路拓扑如图4所示。

图4 风光互补充电控制器电路拓扑

风光互补充电机输入电压为0～400 V DC，工作电压为250～400 V DC，主电路为利用MOSFET构成的DC/DC斩波电路。光伏电池阵列输出可直接接至充电机，风力发电机的输出需要经过整流为直流后再接至充电机。充电控制器前级为DC/DC升压、稳压环节，将光板和风机的电压调节为500 V DC；后级为DC/DC降压、充电环节，通过PWM调制技术进行控制，对锂电池组进行充电。

4.2 基于三段式的智能充电设计

目前充电电池一般分为3种：普通充电、快速充电、电池更换[4]，充电机常用的充电模式有：恒流限压、恒压限流、阶段充电(先恒流再恒压)、脉冲充电等。目前锂电池电池组充电模式较多采用恒流-恒压两阶段充电模式，在开始阶段由于电池电势较低，电池具有很大的充电电流，必须要对充电电流进行限制，故选择恒流充电；随着电池的电势上升，充电电压也不断上升，当电池电压上升到允许的最高充电电压时，应该保持恒压充电，直到电池被充满。考虑到磷酸亚铁锂电池的充电特性，该系统在两阶段充电后加入一个涓流充电过程，充电曲线图如图5所示，恒流充电时采用1/4倍率制，针对360 V/200 Ah电池组，充电电流为50PA(P为并联组数)；恒压充电过充限压值为405 V，涓流充电电压为380 V。

图5 三阶段充电特性曲线

5 智能监控子系统设计

5.1 概述

监控系统包括主控装置、被监控设备和通信网络，采用两层结构：上层主控装置(工控机)，下层为被监控设备，包括风光互补控制器、逆变电源、电池管理系统、充电桩充电器、蓄电池充电器，通信网络为485总线。监控系统具有无线遥控功能，通过无线控制器与工控机通信，对工控机控制的配套设备进行控制。监控系统对系统设备运行状态及工作参数进行实时采集和显示，包括对电池、变流器及其他配套辅助设备等进行全面完善的监控。

5.2 界面设计

系统的主界面按功能分为4个部分。

a. 实时监测部分，包括电池管理系统(BMS)、逆变电源供电系统(EPS)、充电机系统、报警信息的实时监测数据。

b. 历史数据查询部分，包括记录时限范围内的电池管理系统(BMS)、逆变电源供电系统(EPS)、充电机系统及报警信息的历史监测数据，并可实现数据的EXCEL文件导出功能。

c.系统图监测部分，包括电路系统图和充电特性曲线图。其中电池组充电控制参数设置界面，给出了三阶段充电特性曲线示意图，可以通过修改特性曲线调整恒流阶段充电电流、恒压阶段充电电压、浮充阶段充电电压、转入浮充的电流门槛值。

d. 用户管理部分，主要是对用户的权限进行管理。用户管理功能包括查询、添加、删除、保存等。用户根据管理员提供的密码进行登录。普通用户只能查询数据，管理员可以使用系统提供的所有功能，包括用户管理和权限分配功能。实时监测系统监测界面如图6所示。

图6 实时监测系统监测界面

6 应用情况及应用效果

该系统已在国网河北省电力公司沧州供电分公司投入运行，并在2012年“两会”保电等重大活动中发挥积极作用。通过投运测试，电池组输出容量可达60 kVA，供电恢复时间低至3.25 ms，SOC剩余容量计算精度达97%，电压波形畸变率低于2.8%，防护等级达到Ip65，满足多种工况下的保电及应急供电需求，有利于保障重要用户的供电安全和履行供电企业的社会责任。该系统实现了风能、光能、市电协同运行控制方式，与传统应急设备相比该系统具有可移动性强、供电连续性可靠、能源清洁环保等优点。

参考文献：

[1] 张灵改，陈道炼. Buck-Boost型变换器电路结构及其演化[J].电力电子技术，2009，43(4):30-32.

[2] 王群京，王 涛，李国丽.小型风光互补MPPT控制研究[J].电气传动，2009，39(5)：40-42.

[3] 李 炜,朱新坚.光伏系统最大功率点跟踪控制仿真模型[J].计算机仿真,2006,23(6):239-243.

[4] 何占军，刘 捷，王志本.大功率电动汽车充电机的设计[J].今日电子，2010(9)：58-60.