儲能和柴油發(fā)電機(jī)兩級應(yīng)急電源供電策略

何 宇，邢小平，于 帥

應(yīng)用研究

儲能和柴油發(fā)電機(jī)兩級應(yīng)急電源供電策略

何 宇，邢小平，于 帥

（武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究院，武漢 430064）

本文針對特別重要的負(fù)載需要配置應(yīng)急電源的應(yīng)用場合，提出了一種含混合儲能以及柴油發(fā)電機(jī)兩級應(yīng)急電源的電源供電系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有4種工作狀態(tài)，闡述了其控制原則，并建立了相應(yīng)數(shù)學(xué)模型，完成了系統(tǒng)各狀態(tài)之間切換控制策略的仿真驗(yàn)證。

雙電源供電系統(tǒng) 柴油發(fā)電機(jī) 儲能

0 引言

采用兩路電網(wǎng)電源供電的雙電源供電系統(tǒng)，在兩路電源切換中不可避免存在負(fù)載側(cè)斷電時間，且如遇到大停電事故，兩路電網(wǎng)電源同時斷電時，負(fù)載將失去供電，造成重大損失。為了解決上述問題，雙電源切換裝置需要配置有應(yīng)急電源。

基于上述考慮，為減少切換過程中負(fù)載斷電時間，進(jìn)一步提升供電系統(tǒng)可靠性，本文針對交流低壓系統(tǒng)，提出一種含有混合儲能裝置和柴油發(fā)電機(jī)兩級應(yīng)急電源的雙電源供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。儲能裝置作為一級應(yīng)急電源，能夠用于消除電源切換過程中斷電時間，并用于柴油發(fā)電機(jī)啟動過程中的臨時電源。柴油發(fā)電機(jī)作為二級應(yīng)急電源，能在電網(wǎng)大停電時，起到持久的應(yīng)急供電作用。

1 供電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

含混合儲能裝置和柴油發(fā)電機(jī)兩級應(yīng)急電源的雙電源供電系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。系統(tǒng)電源包含常用電源、備用電源、混合儲能裝置、柴油發(fā)電機(jī)。常用電源和備用電源均是電網(wǎng)電源，分別通過常用電源開關(guān)和備用電源開關(guān)連接至交流母線。儲能裝置由混合儲能單元經(jīng)過三相逆變器和儲能開關(guān)連接至交流母線。柴油發(fā)電機(jī)通過柴油發(fā)電機(jī)開關(guān)連接至交流母線。

考慮到柴油發(fā)電機(jī)和混合儲能裝置的容量有限，為避免柴油發(fā)電機(jī)和儲能裝置過載，保證其對負(fù)載正常供電，依據(jù)負(fù)載的重要程度，將負(fù)載分為重要負(fù)載和不重要負(fù)載，其分別通過重要負(fù)載開關(guān)和不重要負(fù)載開關(guān)與母線連接。在常用電源或備用電源供電時，不重要負(fù)載開關(guān)閉合，保證重要負(fù)載和不重要負(fù)載都能正常供電。在柴油發(fā)電機(jī)供電時，不重要負(fù)載開關(guān)斷開，保證柴油發(fā)電機(jī)不過載。

圖1 帶儲能和柴油發(fā)電機(jī)兩級應(yīng)急電源的供電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

2 供電系統(tǒng)控制原則

含混合儲能和柴油發(fā)電機(jī)兩級應(yīng)急電源的雙電源供電系統(tǒng)的控制原則如下：

1）禁止常用電源和備用電源并聯(lián)供電；

2）優(yōu)先使用電網(wǎng)電源，柴油發(fā)電機(jī)作為常用電源和備用電源都發(fā)生故障時的緊急電源，如常用電源和備用電源有一路正常則不會開啟柴油發(fā)電機(jī)；

3）兩路電網(wǎng)電源中優(yōu)先使用常用電源供電；

4）儲能供電系統(tǒng)始終工作，起到改善電能質(zhì)量和電源切換間隙緊急供電的作用；

5）在柴油發(fā)電機(jī)應(yīng)急供電時，需要斷開不重要負(fù)載以保證柴油發(fā)電機(jī)對重要負(fù)載的正常供電。

在上述控制原則下，系統(tǒng)有4種工作狀態(tài)：常用電源-儲能并聯(lián)工作狀態(tài)、備用電源-儲能并聯(lián)工作狀態(tài)，儲能供電工作狀態(tài)，柴油發(fā)電機(jī)-儲能并聯(lián)工作狀態(tài)。各個工作狀態(tài)之間的切換邏輯如圖2所示。圖3是系統(tǒng)切換控制流程圖，三個子圖分別為初始工作狀態(tài)為常用電源-儲能并聯(lián)的切換控制流程圖，初始工作狀態(tài)為備用電源-儲能并聯(lián)的切換控制流程圖和初始工作狀態(tài)為柴油發(fā)電機(jī)-儲能并聯(lián)的切換控制流程圖。

圖2 四個工作狀態(tài)切換邏輯

3 系統(tǒng)切換策略

3.1 常用電源-儲能并聯(lián)切換到儲能單獨(dú)供電

圖4是在常用電源與儲能裝置并聯(lián)運(yùn)行時，常用電源發(fā)生故障切換到混合儲能單獨(dú)供電的波形。

在常用電源發(fā)生故障前，系統(tǒng)處于常用電源-儲能并聯(lián)工作狀態(tài)，負(fù)載有功功率為4.5 kW，無功功率為1 kVar?；旌蟽δ苎b置工作在并網(wǎng)模式，儲能裝置輸出的三相交流電壓與常用電源電壓的幅值和相位保持一致，儲能裝置僅有較小的充電電流。常用電源輸出電流等于負(fù)載電流和儲能裝置充電電流之和。常用電源的CA線電壓在=0.4 s時發(fā)生電壓跌落故障，如圖4（a）所示。在故障發(fā)生后4.2 ms系統(tǒng)檢測到常用電源故障，并停止常用電源晶閘管驅(qū)動信號。在故障發(fā)生后10 ms，檢測到常用電源晶閘管完全斷開，系統(tǒng)切換到儲能裝置單獨(dú)供電工作狀態(tài)。

在常用電源斷開后，儲能裝置的輸出電流增加至等于負(fù)載電流，負(fù)載完全由儲能裝置供電。在常用電源故障后，儲能裝置直流側(cè)電流由接近0 A增加至9 A。鋰電池承擔(dān)輸出功率的低頻部分，其輸出電流諧波較小。超級電容承擔(dān)輸出功率的高頻部分，在儲能裝置功率突增的瞬間，超級電容輸出電流出現(xiàn)一個尖峰，進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，超級電容輸出諧波電流。在切換過程中，儲能裝置直流電壓基本沒有變化。

圖4 常用電源-儲能并聯(lián)切換到儲能單獨(dú)供電波形

3.2 常用電源-儲能并聯(lián)切換到備用電源-儲能并聯(lián)策略

含儲能和柴油發(fā)電機(jī)兩級應(yīng)急電源的雙電源供電系統(tǒng)在正常工作時，系統(tǒng)工作在常用電源-儲能并聯(lián)工作狀態(tài)，儲能裝置工作在并網(wǎng)模式。常用電源發(fā)生故障后，常用電源開關(guān)斷開，為了縮短負(fù)載的斷電時間，儲能裝置在常用電源開關(guān)斷開后，切換到孤網(wǎng)模式，儲能裝置單獨(dú)給負(fù)載供電。由于儲能裝置容量有限，如備用電源正常，需盡快將儲能裝置與備用電源并聯(lián)。如此時直接將備用電源與儲能裝置并聯(lián)，由于備用電源電壓幅值和相角與儲能裝置有差別，會出現(xiàn)較大的沖擊電流。為降低備用電源投入時的沖擊，儲能裝置調(diào)整輸出電壓的相位和幅值至與備用電源一致，隨后合閘備用電源開關(guān)，儲能裝置切換至并網(wǎng)模式。系統(tǒng)進(jìn)入備用電源-儲能并聯(lián)工作狀態(tài)。

常用電源的電壓如式（1）所示：

備用電源的電壓如式（2）所示：

常用電源故障斷開后，儲能裝置進(jìn)入單獨(dú)供電狀態(tài)，為減少常用電源斷開后對負(fù)載的沖擊，儲能裝置輸出電壓的幅值和相角和常用電源保持一致，所以有式（3）：

備用電源電壓幅值為常用電源幅值的1.1倍，且備用電源電壓相角落后常用電源電壓相角15°。負(fù)載有功功率為4.5 kW，無功功率為1 kVar。常用電源在=0.1 s時發(fā)生了電壓跌落故障，常用電源開關(guān)斷開，隨即儲能裝置輸出電流增加至負(fù)載電流，儲能裝置單獨(dú)給負(fù)載供電。為了減少常用電源故障斷開的沖擊，儲能裝置輸出電壓的幅值和相角與常用電源一致。在=0.3 s時，儲能裝置直接與備用電源并聯(lián)。由于儲能裝置與備用電源并聯(lián)瞬間，儲能裝置輸出電壓與備用電源電壓存在一定的幅值差和相角差，負(fù)載電壓和電流出現(xiàn)了較大的沖擊，且儲能裝置沖擊電流峰值達(dá)到了210 A。

在儲能裝置與備用電源并聯(lián)后，儲能裝置重新切換到并網(wǎng)運(yùn)行模式，輸出電壓的幅值和相角在t=0.305 s時突變至與備用電源一致。可見，儲能裝置單獨(dú)給負(fù)載供電時，如不調(diào)整輸出電壓幅值和相角，直接與備用電源并聯(lián)，會給供電系統(tǒng)帶來較大的沖擊。

為消除儲能裝置與備用電源并聯(lián)時刻的沖擊，則儲能裝置輸出電壓的幅值和相角需要在并聯(lián)備用電源時調(diào)整至與備用電源一致。儲能裝置單獨(dú)供電的時間為cn，則儲能裝置單獨(dú)供電階段，其輸出電壓幅值和相角的變化率如式（4）所示：

圖5是儲能裝置調(diào)整幅值和相角后與備用電源并聯(lián)的波形圖。備用電源電壓幅值同樣為常用電源幅值的1.1倍，且備用電源電壓相角同樣落后常用電源電壓相角15°。常用電源也是在0.1 s時刻發(fā)生電壓跌落故障，故障發(fā)生后，常用電源斷開，儲能裝置單獨(dú)供電，備用電源在0.3 s時刻與儲能裝置并聯(lián)。在0.1 s至0.3 s期間，儲能裝置輸出電壓的幅值和相角逐漸變化至與備用電源一致。儲能裝置與備用電源并聯(lián)時的沖擊電流峰值減小到了20 A，且負(fù)載電流電壓在并聯(lián)時刻未發(fā)生明顯突變，減少了負(fù)載受到的沖擊。且儲能裝置單獨(dú)供電期間，其輸出電壓的幅值和相角的變化率較小，對負(fù)載影響較小。由此可見，在常用電源斷開后，調(diào)整儲能裝置輸出電壓的幅值和相角與備用電源保持一致，可以明顯的降低儲能裝置與備用電源并聯(lián)時的沖擊。

3.3 柴油發(fā)電機(jī)與儲能裝置協(xié)調(diào)控制策略

圖6為柴油發(fā)電機(jī)與儲能裝置并聯(lián)運(yùn)行時的功率分配圖，在（0-t1）時間段，系統(tǒng)由常用電源供電，儲能裝置與常用電源并聯(lián)，且不輸出功率。在t1時刻，常用電源發(fā)生故障，且備用電源故障，常用電源開關(guān)斷開，（t1-t2）時間段，負(fù)載僅由儲能裝置供電，同時柴油發(fā)電機(jī)空載啟動。在t2時刻，柴油發(fā)電機(jī)啟動完成，儲能裝置與柴油發(fā)電機(jī)并聯(lián)。在（t2-t3）時間段，負(fù)載功率逐漸由儲能裝置承擔(dān)切換為由柴油發(fā)電機(jī)承擔(dān)。在（t3-t4）時間段，負(fù)載功率完全由柴油發(fā)電機(jī)承擔(dān)，儲能裝置一直和柴油發(fā)電機(jī)并聯(lián)。在t4時刻，負(fù)載突增，相應(yīng)的，柴油發(fā)電機(jī)輸出功率增加，由于柴油發(fā)電機(jī)的加載過程比儲能裝置的加載過程更長，在柴油發(fā)電機(jī)的功率未完全提升至負(fù)載功率時，儲能裝置補(bǔ)充輸出柴油發(fā)電機(jī)輸出功率和負(fù)載功率的差值，處于放電狀態(tài)。在t5時刻，負(fù)載突減，柴油發(fā)電機(jī)輸出功率下降，由于柴油發(fā)電機(jī)減載需要時間，在柴油發(fā)電機(jī)的功率未完全降低至負(fù)載功率時，儲能裝置吸收柴油發(fā)電機(jī)多輸出的功率，處于充電狀態(tài)。

常用電源-儲能并聯(lián)工作狀態(tài)時，常用電源發(fā)生故障，如備用電源也有故障，則系統(tǒng)切換到柴油發(fā)電機(jī)與儲能裝置并聯(lián)的控制策略。切換策略與前述切換到備用電源-儲能并聯(lián)的策略一致。

圖6 柴油發(fā)電機(jī)與儲能裝置功率分配

柴油發(fā)電機(jī)與負(fù)載并聯(lián)工作狀態(tài)負(fù)載增減的波形如圖7所示。開始時負(fù)載功率為0，此時負(fù)載側(cè)電壓幅值和頻率都處于額定值。在2 s時，負(fù)載的有功功率增至415 kW，無功功率增至250 kVar?？梢钥闯霾裼桶l(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速從額定轉(zhuǎn)速下降至0.93 p.u.，相應(yīng)的負(fù)載側(cè)電壓頻率下降至0.93 p.u.，且負(fù)載側(cè)電壓幅值下降至0.9 p.u.。此時負(fù)載側(cè)的電壓幅值和頻率都低于額定值，儲能裝置開始輸出功率。同時柴油發(fā)電機(jī)開始增加有功功率和無功功率輸出。負(fù)載側(cè)電壓幅值和頻率逐漸增至額定值的過程中，儲能裝置的輸出功率功率逐漸減小。在7 s時，負(fù)載側(cè)的電壓幅值和頻率重新回到額定值，此時儲能裝置的輸出功率為零。在8s時，負(fù)載的有功功率下降至207 kW，無功功率下降至125 kVar。此時柴油發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速從額定轉(zhuǎn)速上升至1.03 p.u.，相應(yīng)的負(fù)載側(cè)電壓頻率上升至1.03 p.u.，且負(fù)載側(cè)電壓幅值上升至1.05 p.u.。此時負(fù)載側(cè)電壓幅值和頻率都高于額定值，儲能裝置開始吸收功率。同時柴油發(fā)電機(jī)開始降低有功功率和無功功率輸出。負(fù)載側(cè)電壓幅值和頻率逐漸降低至額定值的過程中，儲能裝置的吸收功率逐漸減小。在11 s時，負(fù)載側(cè)電壓幅值和頻率重新回到額定值，此處儲能裝置的輸出功率恢復(fù)至零。在負(fù)載波動的過程中，混合儲能裝置直流側(cè)電壓值基本不變。

圖7 柴油發(fā)電機(jī)-儲能并聯(lián)狀態(tài)負(fù)載增減波形

4 小結(jié)

本文針對兩路電網(wǎng)電源互為備用的供電系統(tǒng)的兩路電源同時故障的情況不能對特別重要負(fù)載進(jìn)行供電以及其在切換過程中負(fù)載存在短時斷電等問題，提出了一種含混合儲能以及柴油發(fā)電機(jī)兩級應(yīng)急電源的供電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其協(xié)調(diào)控制策略，提出了各種工作狀態(tài)之間互相切換的控制邏輯和具體流程，并進(jìn)行了仿真計(jì)算驗(yàn)證。

[1] 王永凱. 雙電源自動切換開關(guān)在南水北調(diào)工程中的應(yīng)用[J]. 水電站機(jī)電技術(shù). 2019(42): 53-54.

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Power Supply Strategy of Dual Two Level Emergency Power Sources Based on Energy Storage And Diesel Generator

He Yu, Xing Xiaoping, Yu Shuai

（Wuhan Second Ship Design and Research Institute, Wuhan 430064,China）

TU85

A

1003-4862（2021）09-0030-05

2021-06-09

何宇（1989-），男，工程師，研究方向：船舶電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)與控制。E-mail：857360213@qq.com