應急發(fā)電機和蓄電池相結(jié)合的應急照明系統(tǒng)

廖宇春

摘 要：本文介紹了一種新船舶應急照明系統(tǒng)的方案，使得應急電源系統(tǒng)供電失效時，主動轉(zhuǎn)為蓄電池供電。打破了常規(guī)的應急照明系統(tǒng)要么由應急發(fā)電機供電，要么由蓄電池供電。

關鍵詞：應急發(fā)電機 蓄電池 逆變器 應急照明系統(tǒng)

目前一般貨船的應急照明系統(tǒng)由應急發(fā)電機系統(tǒng)供電，或者由蓄電池作為應急電源供電。但是這兩種供電方式都存在著不同的缺點，為彌補這些缺點本文介紹了由應急發(fā)電機和蓄電池組合的應急照明系統(tǒng)設計。

1.傳統(tǒng)應急照明系統(tǒng)供電模式的缺點

1.1應急發(fā)電機提供應急照明系統(tǒng)供電的缺點

由于應急發(fā)電機屬于內(nèi)燃機發(fā)電，一旦照明系統(tǒng)出現(xiàn)故障，應急發(fā)電機無法及時啟動，從發(fā)生故障到應急發(fā)電機啟動正常供電中間需要一段時間，若此時有突發(fā)狀況應急照明系統(tǒng)無法正常工作，若照明系統(tǒng)中接入導航、海事電話等重要設備和儀器，這時會造成設備和儀器的失靈，并引發(fā)不必要的事故。另一方面應急發(fā)電機的供電電壓會隨著負荷的增大而降低，這樣電壓會造成波動，這種波動嚴重時會對設備造成損害。

1.2蓄電池提供應急照明系統(tǒng)供電的缺點

由蓄電池提供應急照明系統(tǒng)供電，這樣蓄電池就要一直連接在照明系統(tǒng)中，在連接中雖然蓄電池未向照明系統(tǒng)供電，但其始終處于放電狀態(tài)，雖然電流很小，當時間長了電池內(nèi)的剩余電荷就會減少，造成蓄電池電壓不足，當照明系統(tǒng)需要應急供電時，蓄電池的電壓會達不到標準值，或造成供電時間縮短，同樣也會造成應急照明或所帶儀器儀表的損壞。

2.應急發(fā)電機和蓄電池相結(jié)合的應急照明系統(tǒng)設計

2.1應急發(fā)電機和蓄電池相結(jié)合的應急照明系統(tǒng)設計構(gòu)想

應急發(fā)電機和蓄電池相結(jié)合的應急照明系統(tǒng)其構(gòu)想就是將蓄電池作為儲能設備，當應急照明系統(tǒng)發(fā)生故障后，由儲能的蓄電池直接供電，待應急發(fā)電機啟動后可以正常供電時，應急發(fā)電機供電，同時應急發(fā)電機向儲能電池進行充電，待電池充電結(jié)束后由應急發(fā)電機單獨供電。如果應急照明系統(tǒng)不工作，電池SOC（ SOC全稱是State of Charge，荷電狀態(tài)，也叫剩余電量，代表的是電池使用一段時間或長期擱置不用后的剩余容量與其完全充電狀態(tài)的容量的比值，常用百分數(shù)表示。其取值范圍為0～1，當SOC=0時表示電池放電完全，當SOC=1時表示電池完全充滿。）低于正常值時，應急發(fā)電機自動啟機對儲能電池進行充電，使儲能電池的SOC始終處于高位。

2.2應急發(fā)電機和蓄電池相結(jié)合的應急照明系統(tǒng)設計方案

這系統(tǒng)的主要組成部分為：充電機、逆變器（接口換流器）、蓄電池組、繼電器，原理如圖一。

2.3應急發(fā)電機和蓄電池相結(jié)合的應急照明系統(tǒng)工作原理

應急發(fā)電機和蓄電池相結(jié)合的應急照明系統(tǒng)工作原理分三種情況：單純的對儲能電池進行充電，即當應急配電板有電的時，繼電器K1通電，常閉觸點K1斷開，逆變器斷開跟匯流排連接，充電/逆變的匯流排由應急配電板供電，并且給蓄電池充電。儲能電池的放電，即當應急配電板失電時，逆變器工作，充電/逆變的匯流排由度電池組供電。

在蓄電池并網(wǎng)放電過程中，需要逆變器產(chǎn)生的交流電電壓、相位等電量與電網(wǎng)相同，同時還要求逆變的交流電中諧波的含量盡可能少，才能達到相應的控制要求。逆變器控制中，為實現(xiàn)其網(wǎng)側(cè)有功、無功功率控制，需動態(tài)獲取電網(wǎng)電壓相位信息，這就要求采用鎖相環(huán)對電網(wǎng)電壓進行鎖相。 鎖相環(huán)的性能直接影響逆變器的并網(wǎng)控制效果。鎖相環(huán)采用基于正、負序的雙同步坐標系結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)正、負序的解耦，能夠較好地適應三相不平衡的電網(wǎng)，同時對頻率變化、電壓突變等不利條件也有較好的適應能力。

3.儲能電池的選取

3.1儲能電池種類的選擇

考慮到應急發(fā)電機和蓄電池相結(jié)合的應急照明系統(tǒng)的經(jīng)濟性，不僅要對系統(tǒng)的工作原理進行合理的策略管理，同時要對系統(tǒng)中儲能電池的容量進行合理的選擇。目前做為儲能電池的品種有很多，基于我們的設計的使用場所和系統(tǒng)容量多采用便攜式二次可充電電池，這些電池以化學能的形式儲存電力，并通過電化學反應過程產(chǎn)生電力。通常，便攜式二次可充電電池由兩個電極組成，即陽極和陰極；電解質(zhì)、隔膜 和一個外殼。便攜式二次可充電電池具有良好的特性，如高能量，高功率密度，平坦的放電曲線，低電阻，無記憶，和寬范圍的溫度性能。但是，大多數(shù)電池含有有毒物質(zhì)。因此，電池處置過程中的生態(tài)影響必須考慮。由于其先進的技術和合理的成本，在儲能應用中，主要由蓄電池提供具有高能量密度，高功率密度的蓄電系統(tǒng)。各種類型的便攜式二次可充電電池主要包括鉛酸（LA），鎳基（Ni-Fe，Ni-Zn，Ni-Cd，Ni-MH，Ni-H 2），鋅 - 鹵素（Zn-Cl 2，Zn-Br 2），金屬空氣基（Fe-Air，Al-Air，Zn-Air），鈉-β（Na-S，Na-NiCl 2），高溫鋰（Li-Al-FeS ，Li-Al-FeS 2）和一般環(huán)境鋰聚合物（鋰聚合物），鋰離子電池（磷酸鐵鋰）。在這些儲能電池中鉛酸最便宜，但是重量最重，但是其技術成熟便于維護，而鋰離子電池重量最輕，但價格較為昂貴?；谖覀兊脑O計主要用于貨船對于重量考慮因素較小，可以選用更為經(jīng)濟的鉛酸或鎳基蓄電池。

3.2儲能蓄電池容量的選擇

在對儲能蓄電池種類選取的基礎上，為確保系統(tǒng)的合理運行，還要對儲能蓄電池的容量有合理的選擇，結(jié)合應急發(fā)電機的功率和儲能蓄電池的充放電次數(shù)的要求，綜合考慮設計成本，擬定應急發(fā)電機和蓄電池相結(jié)合的應急照明系統(tǒng)額定容量為20 kW，儲能電池最大放電深度為 0.8，儲能充放電效率為 70 %，儲能電池的循環(huán)壽命為 10000 次，我們可以得出電池的容量為400AH/96的電池容量。如果是15kw，其電池容量為300 AH/96的電池。

4.應急發(fā)電機和蓄電池相結(jié)合的應急照明系統(tǒng)的可擴展性

由于該應急發(fā)電機和蓄電池相結(jié)合的應急照明系統(tǒng)設計主要是基于貨船使用，貨船一般船身寬大有較多的空余空間，如果在其空余空間的頂部安裝一些太陽能電池板，利用光伏發(fā)電板對系統(tǒng)作為擴充設計，在設計中將逆變器（接口換流器）由原來的雙向 DC /AC 換流器，改為為雙向 DC / DC 逆變器，這樣一方面使設計增加了一些環(huán)保元素，另一方面也可以降低一些使用成本。

5.儲能蓄電池的保養(yǎng)

在設計系統(tǒng)中儲能蓄電池在使用中常處于部分放電的狀態(tài)，只有少量活性物質(zhì)參加工作，長此下去，不參加化學反應的活性物質(zhì)會收縮硬化，不能使用，使蓄電池容量下降。為迫使全部的活性物質(zhì)都能參加工作，每隔3 個月進行一次充 / 放電循環(huán)的充電方法叫做充/ 放電鍛煉循環(huán)。即在電池正常充足后，用 20 小時內(nèi)放完電，再正常充電后即可使用。

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