基于光柴混合發(fā)電的應(yīng)急供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)

吳曉明 劉念

【摘要】應(yīng)急電源系統(tǒng)（EPS，Emergency Power System）作為一種各類(lèi)一級(jí)和特別重要負(fù)荷的交流后備電源得到廣泛應(yīng)用，是解決供電可靠性的常用途徑，柴油發(fā)電車(chē)和UPS作為電力公司最普及的后備電源在實(shí)際應(yīng)用中存在響應(yīng)慢和可靠性的問(wèn)題而太陽(yáng)能是一種可再生的清潔能源，是新能源發(fā)展的重點(diǎn)。設(shè)計(jì)一套基于柴油發(fā)電車(chē)和光伏發(fā)電的混合供電系統(tǒng)，發(fā)電車(chē)和光伏發(fā)電系統(tǒng)相配合既提高供電可靠性又滿足不間斷供電的要求。這是新能源在傳統(tǒng)供電保電方面的創(chuàng)新應(yīng)用，一方面保證了某些重要場(chǎng)合、重要負(fù)荷和敏感負(fù)荷的供電連續(xù)性，另一方面，即使在遠(yuǎn)離電網(wǎng)的地區(qū)也可實(shí)現(xiàn)負(fù)載的臨時(shí)供電，特別適用于新疆這種光照好，人口密度小、電網(wǎng)可靠性不高的地區(qū)。

【關(guān)鍵詞】混合供電系統(tǒng);供電可靠性;應(yīng)急電源系統(tǒng);光伏發(fā)電;靜態(tài)開(kāi)關(guān);不間斷電源

引言

在經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)地區(qū)電網(wǎng)設(shè)施一般較差，供電可靠性難以滿足，電力公司常用柴油發(fā)電車(chē)作為主要的后備電源。但隨著柴油價(jià)格的上漲、太陽(yáng)能電力的愈加廉價(jià)，這使得太陽(yáng)能成為獲得廉價(jià)電力的途徑之一。設(shè)計(jì)一套基于柴油發(fā)電車(chē)和光伏發(fā)電的供電系統(tǒng)，發(fā)電車(chē)和光伏發(fā)電系統(tǒng)相配合滿足供電可靠性的要求。該系統(tǒng)可使柴油發(fā)電車(chē)和太陽(yáng)能組件同時(shí)進(jìn)行發(fā)電或者選擇性發(fā)電，這一混合式發(fā)電方式將帶動(dòng)偏遠(yuǎn)地區(qū)發(fā)電成本的下降，同時(shí)滿足了日益增長(zhǎng)的政治保電需求。

1.傳統(tǒng)應(yīng)急供電的缺點(diǎn)分析及解決途徑

1.1 傳統(tǒng)應(yīng)急供電的缺點(diǎn)

傳統(tǒng)的保供電多采用“雙電源旁路應(yīng)急供電車(chē)”的接線方式，在保障重要負(fù)荷供電方面也起到了積極作用，同時(shí)也存在如下不足：由于應(yīng)急供電車(chē)中發(fā)電機(jī)組不允許長(zhǎng)時(shí)間小負(fù)荷/空載運(yùn)行。（因?yàn)殚L(zhǎng)時(shí)間小負(fù)荷/空載運(yùn)行會(huì)使柴油機(jī)噴油嘴噴出的柴油不能完全燃燒導(dǎo)致積碳，造成氣門(mén)、活塞環(huán)漏氣。長(zhǎng)期小負(fù)荷/空載運(yùn)行，還會(huì)更嚴(yán)重的導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)部件磨損加劇等導(dǎo)致大修期提前的后果）當(dāng)市電因不可預(yù)見(jiàn)故障斷電后，應(yīng)急供電車(chē)再啟動(dòng)柴油發(fā)電，需要5分鐘左右，因而不能立即投入送電狀態(tài)，無(wú)法做到不間斷供電，如果發(fā)電車(chē)是熱備用方式，切換過(guò)程也需要3秒以上，兩者都難以滿足執(zhí)行重大活動(dòng)及政治保電任務(wù)對(duì)應(yīng)急電源的高標(biāo)準(zhǔn)要求。另外，傳統(tǒng)的UPS是在線式的，先將市電整流再逆變，以這種方式實(shí)現(xiàn)不間斷供電，但是這樣會(huì)出現(xiàn)以下情況：

（1）在電網(wǎng)可靠，UPS出故障的情況時(shí)不能對(duì)外供電，降低供電可靠性。（2）電池充電只有市電充電方式，難以滿足戶外長(zhǎng)時(shí)間工作和井礦類(lèi)保電。（3）一般UPS采用蓄電池，比較笨重，選擇鋰電池很輕便，可實(shí)現(xiàn)靈活可移動(dòng)的電源車(chē)。（4）在市電正常時(shí)，整流、逆變都會(huì)產(chǎn)生損耗，降低系統(tǒng)的效率。

1.2 傳統(tǒng)應(yīng)急電源問(wèn)題的解決途徑

設(shè)計(jì)一套基于光伏發(fā)電和柴油發(fā)電相結(jié)合的應(yīng)急供電系統(tǒng)，以不間斷供電的方式提高供電可靠性。利用磷酸鐵鋰電池作為儲(chǔ)能介質(zhì)，應(yīng)用太陽(yáng)能發(fā)電作為充電電源，利用靜態(tài)開(kāi)關(guān)（STS，Static Transfer Switch）作為自動(dòng)投切裝置，進(jìn)行以光伏發(fā)電為平臺(tái)的應(yīng)急電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電控制，及系統(tǒng)輸出的智能判斷和快速切換。并由智能鋰電池動(dòng)態(tài)管理系統(tǒng)對(duì)電池組和逆變電源進(jìn)行智能化管理，在傳統(tǒng)發(fā)電車(chē)的配合下保證供電可靠、環(huán)保節(jié)能的同時(shí)滿足多種工況下的低成本供電需求。 與傳統(tǒng)應(yīng)急電源相比，基于光伏發(fā)電和柴油發(fā)電相結(jié)合的應(yīng)急供電系統(tǒng)具有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）比獨(dú)立的柴油發(fā)電有更快的響應(yīng)速度，真正滿足不間斷供電;離線式EPS比在線UPS損耗更小。（2）在獨(dú)立系統(tǒng)中因?yàn)榭稍偕茉吹淖兓筒环€(wěn)定會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)供電不能滿足負(fù)載需求的情況，也就是存在負(fù)載缺電情況，使用混合系統(tǒng)則會(huì)大大的降低負(fù)載缺電率。（3）和單用柴油發(fā)電機(jī)的系統(tǒng)相比，具有較少的維護(hù)和使用較少的燃料。（4）較高的燃油效率。在低負(fù)荷的情況下，柴油機(jī)的燃油利用率很低，會(huì)造成燃油的浪費(fèi)。在混合系統(tǒng)中可以進(jìn)行綜合控制使得柴油機(jī)在額定功率附近工作，從而提高燃油效率。（5）負(fù)載匹配更佳的靈活性。使用混合系統(tǒng)之后，因?yàn)椴裼桶l(fā)電機(jī)可以即時(shí)提供較大的功率。所以混合系統(tǒng)可以適用于范圍更加廣泛的負(fù)載系統(tǒng)，例如可以使用較大的交流負(fù)載，沖擊載荷等。還可以更好的匹配負(fù)載和系統(tǒng)的發(fā)電。只要在負(fù)載的高峰時(shí)期打開(kāi)備用能源即可簡(jiǎn)單的辦到。有時(shí)候，負(fù)載的大小決定了需要使用混合系統(tǒng)，大的負(fù)載需要很大的電流和很高的電壓。如果只是使用太陽(yáng)能成本就會(huì)很高。

2.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 主回路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

光柴混合發(fā)電的供電系統(tǒng)包括新能源管理系統(tǒng)、逆變電源供電系統(tǒng)（變流器）和監(jiān)控系統(tǒng)等三部分，其中新能源管理系統(tǒng)包括磷酸鐵鋰電池組、光伏電池陣列、光伏充電控制器等環(huán)節(jié)，逆變電源供電系統(tǒng)主要由充電（整流）器、逆變器、靜態(tài)開(kāi)關(guān)和控制器等環(huán)節(jié)組成。發(fā)電車(chē)和負(fù)載通過(guò)接口箱接入，其電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 應(yīng)急供電系統(tǒng)電路拓?fù)?/p>

2.2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

因?yàn)槭褂昧硕喾N能源，所以系統(tǒng)需要監(jiān)控每種能源的工作情況，處理各個(gè)子能源系統(tǒng)之間的相互影響、協(xié)調(diào)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)作，這樣就導(dǎo)致其控制系統(tǒng)比獨(dú)立系統(tǒng)復(fù)雜，本系統(tǒng)采用工控機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)管理。監(jiān)控系統(tǒng)與其它部分之間采用RS485總線通訊方式，實(shí)時(shí)對(duì)交直流回路進(jìn)行電壓和電流監(jiān)測(cè)及對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)。單個(gè)模塊的通訊接口為支持全雙工模式的RS485端口，這種通訊結(jié)構(gòu)既提高了數(shù)據(jù)和指令的交互效率，又保證了系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴Ｆ渫ㄓ嵔Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 應(yīng)急供電系統(tǒng)通訊結(jié)構(gòu)

3.工作原理

整套光柴混合發(fā)電的供電系統(tǒng)的運(yùn)行控制由工控機(jī)和DSP完成。工控機(jī)通過(guò)485串行總線讀取系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)同時(shí)通過(guò)顯示器進(jìn)行顯示。操作員通過(guò)工控機(jī)給DSP下達(dá)運(yùn)行指令，DSP執(zhí)行工控機(jī)指令，通過(guò)控制相應(yīng)IGBT和接觸器的開(kāi)斷，直接控制發(fā)電系統(tǒng)的運(yùn)行模式。

3.1 主回路工作原理

主控板實(shí)現(xiàn)信號(hào)的采樣和調(diào)理，整流/逆變和磷酸鐵鋰電池充放電控制，靜態(tài)開(kāi)關(guān)控制及保護(hù)和報(bào)警等。如圖1所示，設(shè)備可通過(guò)光伏陣列向磷酸鐵鋰電池組充電，也可由三相380V市電充電。設(shè)備投入工作時(shí)，首先檢查市電，若市電輸入正常，則由市電經(jīng)過(guò)靜態(tài)開(kāi)關(guān)裝置向負(fù)載供電，同時(shí)充電器對(duì)磷酸鐵鋰電池組進(jìn)行智能充電，當(dāng)市電中斷或超出正常電壓范圍時(shí)，由控制器提供逆變信號(hào)，啟動(dòng)逆變電源，同時(shí)靜態(tài)開(kāi)關(guān)迅速切換至逆變輸出，繼續(xù)給負(fù)載提供標(biāo)準(zhǔn)正弦交流電源，此時(shí)鋰電池存儲(chǔ)的電能逆變后作為后備電源向負(fù)載供電。緊接著啟動(dòng)柴油發(fā)電車(chē)，等到市電恢復(fù)前而電池不足時(shí)投入使用。當(dāng)市電恢復(fù)正常時(shí)，應(yīng)急電源自動(dòng)恢復(fù)市電電網(wǎng)供電。監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)光柴混合發(fā)電系統(tǒng)當(dāng)前電壓電流和功率，而且如同混合動(dòng)力汽車(chē)內(nèi)的計(jì)算機(jī)一樣，可判斷采用蓄電池還是燃油驅(qū)動(dòng);這款控制器可采用最高效的發(fā)電方式，市電中斷后采用鋰電池組逆變還是柴油發(fā)電車(chē)保證負(fù)載不間斷供電。

3.2 市電中斷后自動(dòng)投切原理

系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)主/副回路的輸出狀態(tài)，通過(guò)靜態(tài)開(kāi)關(guān)（STS，Static Transfer Switch）進(jìn)行電源切換。利用高頻開(kāi)關(guān)管作為投切器件，此處選用德國(guó)英飛凌的IGBT，配合主控模塊的控制可實(shí)現(xiàn)15kHz的開(kāi)關(guān)頻率，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。U1、V1、W1為主回路市電輸出，U2、V2、W2為副回路逆變輸出，U、V、W為系統(tǒng)實(shí)際輸出。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到市電輸入正常時(shí)，控制STS的IGBT，使主回路輸出作為系統(tǒng)輸出向負(fù)載供電;當(dāng)市電中斷時(shí)，STS進(jìn)行投切，將副回路的逆變電能輸出至負(fù)載。主/副回路的切換時(shí)間小于5ms，可有效保證重要負(fù)荷的連續(xù)供電，減少突然斷電對(duì)負(fù)荷造成的影響[4]。

圖3 靜態(tài)開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)

4.控制策略

系統(tǒng)采用TI的TMS320F28335系列DSP作為控制核心，實(shí)現(xiàn)電壓電流等數(shù)據(jù)高速采集處理并下達(dá)控制指令。作為一款高速浮點(diǎn)型控制器，它具有150MHz的高速處理能力，具備32位浮點(diǎn)處理單元，與以往的定點(diǎn)DSP相比，精度高，功耗低，外設(shè)集成度高，AD轉(zhuǎn)換更精確快速，使得系統(tǒng)的控制和響應(yīng)更加的快速準(zhǔn)確?？刂破鞑捎孟冗M(jìn)的檢測(cè)算法和全控型開(kāi)關(guān)IGBT，開(kāi)關(guān)頻率15k，保證了恢復(fù)供電轉(zhuǎn)換時(shí)間只需3.260ms。

光伏充電控制器控制策略：

當(dāng)光線條件充足時(shí)，可利用系統(tǒng)配置的光伏電池陣列對(duì)鋰電池組進(jìn)行充電，有效利用太陽(yáng)能這種清潔能源。電池陣列安裝于集裝箱頂，其布局如下：

圖4 光伏電池陣列布局

如圖4所示，新能源管理系統(tǒng)、逆變電源供電系統(tǒng)（變流器）和監(jiān)控系統(tǒng)等三部分都在集裝箱內(nèi)部，只有光伏電池陣列在集裝箱頂。光伏電池陣列采用抽屜式結(jié)構(gòu)，不需光伏充電時(shí)，陣列中的4塊收縮在箱頂，鋰電池需要充電時(shí)電池板在直流伺服電機(jī)的推動(dòng)下沿安裝導(dǎo)軌展開(kāi)，給電池浮充。在實(shí)際的光伏發(fā)電系統(tǒng)中，由于太陽(yáng)能電池的輸出特性與日照條件和環(huán)境溫度直接相關(guān)，而且太陽(yáng)能電池在一定的日照條件和環(huán)境溫度下，存在唯一的最大輸出功率點(diǎn)（MPP）。由于天氣不斷變化，照射到光板表面的光照強(qiáng)度也跟著變化，容易導(dǎo)致光伏電池發(fā)出的功率有明顯波動(dòng)，光伏充電控制器可能頻繁合閘跳閘，此時(shí)充電器的性能直接影響到系統(tǒng)的發(fā)電量、電能質(zhì)量和系統(tǒng)可靠性。本系統(tǒng)中的光伏充電控制器設(shè)計(jì)兩路DC/DC串聯(lián)的模式，并采用最大功率點(diǎn)跟蹤控制（MPPT）算法，實(shí)現(xiàn)超寬電壓輸入范圍工作，穩(wěn)定輸出電壓，天氣變化時(shí)能快速準(zhǔn)確尋找新的MPP，并且在該點(diǎn)實(shí)現(xiàn)無(wú)振蕩地工作。最終克服光伏發(fā)電系統(tǒng)固有的能量不穩(wěn)定性，保證光伏電池對(duì)鋰電池組充電，保證能量利用的效率最高化 [5，6]。其主電路拓?fù)淙鐖D5所示。

光伏電池陣列輸出電壓為0～400VDC，光伏充電控制器工作電壓為250～500VDC，主電路為利用MOSFET構(gòu)成的DC/DC斬波電路。光伏電池陣列輸出可直接接至充電控制器。充電控制器前級(jí)為DC/DC降壓、最大功率點(diǎn)跟蹤環(huán)節(jié);通過(guò)控制Buck電路的占空比D來(lái)連續(xù)調(diào)節(jié)連接在光伏電池兩端的等效負(fù)載，最終達(dá)到負(fù)載匹配，使其輸出最大功率，MPPT調(diào)節(jié)原理圖如圖5所示，對(duì)于Buck電路，當(dāng)占空比為D時(shí)。

圖5 光伏充電控制器電路拓?fù)?/p>

（1）

（2）

（3）

由（3）式可知通過(guò)連續(xù)調(diào)節(jié)占空比D，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)光伏電池兩端的等效電阻Req。后級(jí)為DC/DC充電控制環(huán)節(jié)，根據(jù)最大功率點(diǎn)，在穩(wěn)住直流母線電壓的前提下通過(guò)PWM調(diào)制技術(shù)進(jìn)行控制功率輸出，對(duì)鋰電池組進(jìn)行三階段充電。

5.實(shí)驗(yàn)

5.1 實(shí)驗(yàn)參數(shù)

該系統(tǒng)光伏電池陣列單板峰值功率290Wp，開(kāi)路電壓44.8V，短路電流8.51A，最大功率電壓37.2V，最大功率電流7.80A，9塊串聯(lián)。儲(chǔ)能系統(tǒng)主體采用磷酸鐵鋰電池組，由3.2V/100Ah的功率型磷酸鐵鋰電池100節(jié)串聯(lián)而成，開(kāi)路電壓320V，儲(chǔ)能容量32kWh，最大持續(xù)放電功率30kW，額定充電電流25A。

5.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程及結(jié)果

應(yīng)急電源內(nèi)的空調(diào)，白熾燈，工控機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，車(chē)庫(kù)的卷簾門(mén)統(tǒng)一接在輸出側(cè)，合上市電（主電）觀察市電中斷后負(fù)載是否連續(xù)運(yùn)行不間斷。手動(dòng)將市電輸入開(kāi)關(guān)斷開(kāi)，模擬市電斷電時(shí)應(yīng)急電源投切速度，故障錄波儀接在輸出端口，用來(lái)記錄實(shí)驗(yàn)過(guò)程，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示。

圖6 市電輸出向逆變電源輸出投切

第一階段，負(fù)載由市電輸出供電，工作狀態(tài)正常，負(fù)載上的電壓為正弦波;第二階段，在某時(shí)刻，切斷市電輸入，系統(tǒng)檢測(cè)到該變化后，經(jīng)由STS自動(dòng)將系統(tǒng)輸出投切至磷酸鐵鋰電池逆變輸出，中斷時(shí)間為3.260ms，輸出波形良好，幅值、波形和電網(wǎng)一致，空調(diào)和照明燈正常工作，沒(méi)有出現(xiàn)中斷，工控機(jī)沒(méi)有重啟，白熾燈無(wú)閃爍，卷簾門(mén)正常工作。該應(yīng)急電源快速反應(yīng)保證了對(duì)用電設(shè)備的不間斷供電，保證供電可靠性。

6.結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一套基于光柴混合發(fā)電的應(yīng)急供電系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)荷的不間斷供電，該系統(tǒng)具有較高的系統(tǒng)實(shí)用性。該應(yīng)急電源可提高供電可靠性滿足各種保電任務(wù)的要求，以顯著提升供電企業(yè)的應(yīng)急反應(yīng)能力，增強(qiáng)機(jī)動(dòng)性能，提高社會(huì)效益，是城市應(yīng)急機(jī)制中的必要設(shè)備之一，在重大活動(dòng)保電、電力搶險(xiǎn)和抗災(zāi)搶險(xiǎn)的工作中更是必要的核心裝備。幫助減少事故發(fā)生，維護(hù)社會(huì)穩(wěn)定。該應(yīng)急電源系統(tǒng)不緊滿足一般供電可靠性的要求還可以作為很多偏遠(yuǎn)無(wú)電地區(qū)的通信電源和民航導(dǎo)航設(shè)備電源，以求達(dá)到最好的性價(jià)比。甚至可以推廣到我國(guó)西北、云南等偏遠(yuǎn)地區(qū)。

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