小型應急電源系統(tǒng)研究進展及應用

樊兆寶，王京亮

（貴州梅嶺電源有限公司，貴州 遵義 563003）

0 引 言

電力系統(tǒng)與人們的生活息息相關(guān)，當電力系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，應急電源系統(tǒng)就會運轉(zhuǎn)，為其提供源源不斷的電能，以滿足人們的生活需求或生產(chǎn)經(jīng)營需求。結(jié)合實際需求，合理應用小型應急電源系統(tǒng)。無論是小型柴油發(fā)電機，還是電池應急電源系統(tǒng)，都需要結(jié)合自身特性進行整改優(yōu)化，以此滿足新時代背景下人們對于電能輸送的需求。

1 小型應急電源系統(tǒng)概述

電力是我國重要的基礎(chǔ)能源，無論是人們的日常生活還是經(jīng)濟發(fā)展都離不開電力，然而電力的輸送環(huán)節(jié)會受到多種因素影響，例如環(huán)境因素、人為因素等。倘若電力設(shè)備出現(xiàn)故障或者受到破壞，就會導致不可預估的后果。例如，2019年烏拉圭地區(qū)因電力設(shè)備受損導致地區(qū)大面積停電，給當?shù)厝藗兊纳钤斐蓢乐赜绊憽榱朔乐鼓骋坏貐^(qū)突然停電而造成嚴重影響，應急電源系統(tǒng)應運而生[1]。

近年來，隨著我國社會經(jīng)濟的高速發(fā)展，各行各業(yè)對電力能源的需求逐漸增加，應急電源的建設(shè)規(guī)模也在逐漸擴大。以我國江浙地區(qū)為例，應急電源行業(yè)呈現(xiàn)出快速增長的態(tài)勢，市場規(guī)模越來越龐大。不同于傳統(tǒng)電力設(shè)備，應急電源是獨立于市電的電源設(shè)備。當電力設(shè)備發(fā)生故障時，可以利用應急電源來確保人們的日常生活及自身需求不會受到影響，減少經(jīng)濟損失。結(jié)合實際情況，在不同場合選擇不同類型的應急電源，以此充分發(fā)揮應急電源的真正作用[2]。

隨著時代的發(fā)展，應急電源的實際價值也在不斷發(fā)生改變，逐漸朝著多功能方向發(fā)展。設(shè)計人員需要結(jié)合應急電源的工作原理對其進行細致劃分，以此來滿足用戶的不同需求。當前我國應急能源系統(tǒng)主要分為2種，分別是正常電源的小型柴油發(fā)電機應急電源系統(tǒng)和電池應急電源系統(tǒng)。通過分析這2種應急能源系統(tǒng)的工作原理及國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，并結(jié)合現(xiàn)階段存在的問題進行綜合探討，從而為未來發(fā)展提供數(shù)據(jù)支持[3]。

2 小型柴油發(fā)電機系統(tǒng)

2.1 工作原理

以小型柴油發(fā)電機系統(tǒng)為例，主要包括調(diào)速系統(tǒng)、柴油機、同步發(fā)電機、用電負荷以及監(jiān)測系統(tǒng)5個模塊。小型柴油發(fā)電機以柴油為驅(qū)動，可以將柴油轉(zhuǎn)化為電能。柴油發(fā)電機內(nèi)部有多個氣缸，氣缸中的過濾器會將新進空氣與高壓霧狀柴油氣體進行混合，通過活塞運動的方式使其溫度迅速升高，從而產(chǎn)生高壓氣體推動小型柴油發(fā)電機發(fā)電。小型柴油發(fā)電機的發(fā)電效率僅有40%左右，但是這種發(fā)電機系統(tǒng)能夠減少大約30%的運行成本。由于小型柴油發(fā)電機在實際應用過程中會產(chǎn)生較大的噪聲，因此并不適用于居民區(qū)或人群較為密集的地方。此外，小型柴油發(fā)電機系統(tǒng)的輸出不穩(wěn)定，在高溫、高壓或高海拔環(huán)境的工作效率會受到嚴重影響[4]。

2.2 噪聲研究

采取遺傳算法對小型柴油發(fā)電機的通風管道進行多次優(yōu)化，可以將小型柴油發(fā)電機的噪聲降低至60.7 dB。此外，采用聲全息方法對小型柴油發(fā)電機的隔聲罩進行優(yōu)化，以降低管道傳遞損失，在減少小型柴油發(fā)電機運行噪聲的同時，一定程度上還能節(jié)約運行成本。此外，設(shè)計人員還結(jié)合小型柴油發(fā)電機自身特性設(shè)計了靜音箱和減震器等構(gòu)件，進一步降低柴油發(fā)電機在工作過程中產(chǎn)生的噪聲。柴油機降噪系統(tǒng)主要包括揚聲器音頻處理模塊、非聲學傳感器、麥克風傳感器以及數(shù)字信號處理（Digital Signal Processing，DSP）控制器。其中麥克風傳感器能夠?qū)π⌒筒裼桶l(fā)電機實際工作過程中產(chǎn)生的噪聲進行監(jiān)測，并且接收整個系統(tǒng)揚聲器發(fā)出的信息。通過非聲學傳感器，將柴油發(fā)電機在工作期間產(chǎn)生的噪聲通過同步信號轉(zhuǎn)換傳輸?shù)紻SP傳感器。DSP傳感器將數(shù)據(jù)傳輸?shù)揭纛l處理模塊中，之后再傳輸?shù)綋P聲器[5]。

2.3 穩(wěn)定性研究

為了進一步探究柴油發(fā)電機的穩(wěn)定性，技術(shù)人員需要明確發(fā)電機系統(tǒng)輸出功率與其轉(zhuǎn)速之間的關(guān)系。在小型柴油發(fā)電機內(nèi)部安裝一個飛輪，通過仿真1 s的方式模擬飛輪運行速度。實驗開始時，技術(shù)人員發(fā)現(xiàn)未安裝飛輪的系統(tǒng)轉(zhuǎn)速并沒有達到最快，在接近臨界值時就被有效抑制。利用數(shù)學建模軟件對其進行仿真，通過優(yōu)化算法的方式提升小型柴油發(fā)電機的速度。此外，還可以通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預測模型來優(yōu)化小型柴油發(fā)電機的存儲分布，從而提高其工作效率[6]。

2.4 低溫高海拔啟動研究

在實際工作中，小型柴油發(fā)電機的工作效率會受到周圍環(huán)境因素的影響。如果周圍環(huán)境氣溫較低，會導致柴油發(fā)電散熱較快，最終影響柴油發(fā)電機的啟動速率和運行功率。通過對小型柴油發(fā)電機的內(nèi)部系統(tǒng)進行改造，將開環(huán)控制設(shè)計為閉環(huán)控制，保障小型柴油發(fā)電機能夠在低溫環(huán)境下正常啟動。此外，通過在潤滑系統(tǒng)中增添加熱器，還能保障發(fā)動機在高海拔地區(qū)正常運轉(zhuǎn)。部分學者認為柴油機在低溫啟動過程中存在問題的主要原因在于潤滑油對柴油機摩擦造成影響，對此可以設(shè)計一款缸體冷卻液，通過加溫的方式使其能夠在較為惡劣的環(huán)境下正常啟動[7]。

小型柴油發(fā)電機的發(fā)電效率高且成本較低，結(jié)合小型柴油發(fā)電機的負荷和自身設(shè)計要求，將其用于某公司的應急電源系統(tǒng)。在公司電力系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，小型柴油發(fā)電機能夠?qū)崿F(xiàn)3 h不間斷的應急供電[8]。小型柴油發(fā)電機會產(chǎn)生較大的排氣污染，不適用于狹小復雜的室外環(huán)境，具體投入使用時需要結(jié)合現(xiàn)場實際狀況進行綜合考量[9]。

3 電池應急電源系統(tǒng)

3.1 工作原理

當前我國以電池為載體的應急電源系統(tǒng)主要分為2種，分別是緊急電力供給（Emergency Power Supply，EPS）系統(tǒng)和不間斷電源（Uninterruptible Power Supply，UPS）系統(tǒng)。UPS系統(tǒng)的啟動時間為0～10 ms，效率為70%～85%，但該系統(tǒng)的價格較貴，企業(yè)需要結(jié)合自身的經(jīng)濟實力進行選擇。EPS系統(tǒng)的啟動時間為0.1～0.2 s，電網(wǎng)正常時休眠，效率大于90%，價格相對較低[10]。

EPS應急電源主要包括蓄電池、逆變器、用戶負載、交流配電以及系統(tǒng)控制器。當市電正常時，應急電源會處于中間飽和狀態(tài)。當通電中斷時，應急電源會通過逆變器迅速向電網(wǎng)傳輸電能；當電力恢復正常時，該應急電源系統(tǒng)又會對逆變器發(fā)出指令，此時逆變器就會執(zhí)行關(guān)機信號并完成雙向切換操作。當該應急電源系統(tǒng)長期處于過充電狀態(tài)時，一定程度上會影響自身使用壽命。如果運維人員沒有及時發(fā)現(xiàn)這些問題，將會導致應急電源系統(tǒng)在停電狀態(tài)下無法為主要設(shè)備供電。為了確保應急電源設(shè)備能夠在關(guān)鍵時刻發(fā)揮重要作用，相關(guān)人員需要細致研究應急電源設(shè)備的內(nèi)部蓄電池。

3.2 蓄電池管理研究

通過對應急電源系統(tǒng)的蓄電池狀態(tài)進行檢測，再利用數(shù)學建模軟件對其進行仿真模擬，最終有效減少應急電源系統(tǒng)的誤差。結(jié)合實際情況設(shè)計風光互補的蓄電池能量管理系統(tǒng)，在蓄電池容量小于80%的情況下自動完成充電和放電工作。該智能電池管理系統(tǒng)主要包括液晶顯示器、時鐘芯片、51單片機控制系統(tǒng)以及電池檢測系統(tǒng)等，能夠有效控制蓄電池的工作狀態(tài)。蓄電池性能對比如表1所示。

表1 蓄電池性能對比

3.3 蓄電池容量及安全性研究

EPS應急電源多種多樣，鉛酸電池和三元鋰電池是常見的內(nèi)部蓄電池。三元鋰電池的循環(huán)次數(shù)較多，相較于鉛酸電池性價比更高。從宏觀角度來看，三元鋰電池在我國市場所占份額較多。隨著三元鋰電池所占市場份額比例不斷增加，其安全性已經(jīng)成為人們重點關(guān)注的問題之一，設(shè)計人員需要結(jié)合多種情況設(shè)計容量更高且安全系數(shù)更高的三元鋰電池。表2為蓄電池綜合投資收益表。

表2 蓄電池綜合投資收益表

4 結(jié) 論

綜上所述，通過對小型應急電源系統(tǒng)中的小型柴油發(fā)電機和電池應急電源系統(tǒng)進行特性分析，明確其具體應用。柴油發(fā)電機的應用范圍較廣，能夠滿足多數(shù)情況下的供電需求。而電池應急電源在運行過程中對環(huán)境要求較高，技術(shù)人員需要結(jié)合現(xiàn)場實際需求合理選擇。