風光儲智能應急電源系統(tǒng)研究

江西泰豪軍工集團有限公司 吳 敏 陳永清

應急電源作為后備電源，以其特有的優(yōu)越性與靈活性越來越受到重視，并廣泛應用于重要負荷供電。近年來，隨著電力電子技術的發(fā)展及新能源發(fā)電技術的日趨成熟，接入風力發(fā)電、光伏發(fā)電等清潔能源的應急電源系統(tǒng)逐漸成為應急電源發(fā)展趨勢。

1 風光儲智能應急電源系統(tǒng)運行原理

風光儲智能應急電源系統(tǒng)在運轉過程中，應急電源是市電線路產生斷路中斷之后，由蓄電池小組或其他電源提供電力負荷的應急電力供應設備和裝置，其中市電結構中的交流線路處于正常狀態(tài)時，主要由市電連接靜態(tài)系統(tǒng)開關或機電設備為重要設備提供電力能量，市電交流線路產生中斷或穩(wěn)定問題不能提供電力設備所需基礎負載時，則需將靜態(tài)開關設備投入至應急電源系統(tǒng)的逆變設備中，實現為線路的基礎負載進行電力供應。

傳統(tǒng)系統(tǒng)電能主要來源于電池的能量儲存，從本質上來看市電線路處于正常運轉模式時，首先需要利用市電交流通過整流設備及電池充電設備，能為蓄電池充電電力，當市電線路受到阻礙中斷之后，在由蓄電池的直流電能經過逆變設備輸出交流電力，有效為電力線路提供基礎負荷，其中線路電力供應時間的長短主要由蓄電池設備的基礎容量所決定，其中如果基礎負荷容量較大，則需蓄電池自身能源儲存系統(tǒng)更加完善，因此此種線路系統(tǒng)所投入的經濟成本較高，不利于后續(xù)日常維護和管理，同時由于該系統(tǒng)需要蓄電池自身儲存量較大，為此作為后備電源來說造成了嚴重的電力能源浪費[1]。

隨著新能源電力管理技術的不斷發(fā)展和成熟，更多市電線路簡化風力發(fā)電及太陽能發(fā)電等可再生的能源發(fā)電作為智能化應急電源結構，并逐漸成為全新智能應急電源系統(tǒng)。

市電正常工作模式。當市電處于正常運轉狀態(tài)時，主要由全控制設備零部件所構成的靜態(tài)開關投切至市電線路基礎電力供應線路，其中,市電交流線路所產生電能主要由市電輸入線路、靜態(tài)線路開關STS 以及線路輸出閘K4等位負載線路進行電力供應。如果檢測到電池處于虧電狀態(tài)，則可以將K2閘門合死，線路由電壓為380V 的市電經過電流三項全面控制觸電設備整流充電。如果電力線路的外部光照條件和基礎風力條件符合標準要求，則可以直接關閉K5線路閘，隨后將市電風光儲智能應急電源系統(tǒng)中的光伏陣列和風機發(fā)電連接至EPS 系統(tǒng)中，并通過風光互補充電控制設備針對蓄電池進行電力補充。

市電異常工作模式。當市電線路電力停止供應或電力能量供應質量產生異常情況不能進行電力供應時，線路靜態(tài)開關STS 將切換至EPS 逆變電源輸出模式，并由蓄電池小組的電能設備，經過線路三項逆變電路輸出線路為交流線路提供基礎的用電負荷。如電池設備長期處于虧電狀態(tài)，則在外部環(huán)境光照和風力條件允許的情況下關閉K5線路閘，隨后將光伏陣列及風機發(fā)電設備連接至EPS 系統(tǒng)中，隨后通過風光儲智能應急電源系統(tǒng)針對蓄電池設備進行充電操作。此外，電源系統(tǒng)內部結構中還應獨立設計維修線路，如需針對系統(tǒng)各個區(qū)域進行單獨維護，可將手動控制維修線路進行空開操作，經維護后為基礎負載供應電力[2]。

2 風光儲智能應急電源系統(tǒng)結構設計

在風光儲智能應急電源系統(tǒng)運轉過程中，當風力以及太陽能光照時間充足時，可以利用系統(tǒng)所搭配的風力發(fā)電設備及光伏電池小組陣列針對蓄電池小組進行電力補充，有效利用風能及太陽能兩種清潔能源完成風光儲智能應急電源系統(tǒng)的日常維護和管理。

根據現有風光儲智能應急電源系統(tǒng)運轉原理和內部結構，能充分了解連接新能源系統(tǒng)內部結構，需通過光伏設備所發(fā)出的直流電進行DC/DC 功率轉化輸出，以此得到符合基礎要求的電壓及電流參數，實現對鋰電池小組進行充電。而風機發(fā)電設備在經過不控制整流后，同樣需經過一級DC/DC 轉化設備針對鋰電池進行電力補充，為此，風光儲智能應急電源系統(tǒng)將光伏充電線路與風電充電線路合并為相同充電設備，此種系統(tǒng)被稱為風光互補充電控制設備，由此可見風力發(fā)電生產得電力能源經過不控制整流后會轉變直流電力。由于風光互補充電控制設備主要利用DC/DC 升降壓進行系統(tǒng)轉化，以便于風光互補充電控制器主要電路之間建立拓撲結構[3]。

2.1 升壓電路

在升壓電路系統(tǒng)運轉過程中，直流轉變設備又被稱為斬波電路，主要通過系統(tǒng)開關系統(tǒng)零部件的引導結構及關閘結構將恒定電壓直流電力轉變?yōu)榭烧{節(jié)的直流電力。

其中升壓斬波電路所輸出的平均直流電壓明顯高于直流輸入電壓參數，為此升壓電路主要由電感能量儲存設備、功率開關管道、二級管道及輸出過濾電容設備等構成。系統(tǒng)基礎工作原理主要包含：高頻PWM 線路一旦觸發(fā)脈沖控制開關的聯通之后，由于線路聯通時間較短、影響線路輸出電壓的參數大小，當線路脈沖電路為高電平時，需要開關線路引導聯通區(qū)域，此時直流電源經過開關管道實現對電感設備補充電力，為此電感設備兩端所產生的電壓為輸入直流電壓，此時電感電流呈現出直線上升狀態(tài)。當觸發(fā)電流脈沖為低電平時開關管道處于斷開狀態(tài)，致使直流線路電源和電感所產生的能量傳輸至負載，此時電感電流呈現出下降趨勢，致使線路輸出電壓明顯高于輸入電壓之后，實現升壓最終目的。

2.1.1 電感電流連續(xù)供電模式

該模式從本質上看，是當開關管道阻斷后，電感電流呈現出流線型下降趨勢，但整個線路沒有降低至0，為此需根據線路開關管道的聯通和阻斷形式確保電路至少經歷2個開關狀態(tài)。其中當T 為0時線路開關管道處于聯通模式，此時直流電源所產生的電流會經過電感設備回流至負極區(qū)域，此時線路二極管會截止線路的輸入和輸出。

當線路直流輸入電力能量儲存在電感中無法傳輸至系統(tǒng)負載區(qū)域時，電感電流處于上升狀態(tài)，直至t 為t1時線路開關管道會截止，此時線路中的二極管處于引導聯通狀態(tài)，確保直流電源輸入的電力能量與電感所儲存的電能共同傳輸至負載區(qū)域，致使電流線性參數不斷減少[4]。

根據線路電荷守恒定律，當風光儲智能應急電源系統(tǒng)電感兩端所產生的電壓在一個電路周期內部的電流積分為0時，電路基礎輸出電壓須大于輸入電壓，且兩者的極限性能應保證相同。但在線路系統(tǒng)運轉過程中需要格外關注的是，D 為1時Uo 則呈現出無限狀態(tài)，所以為了避免造成電路損壞，D 不能無線接近與1。同時在連續(xù)電流模式下升壓變換器可等效為一個直流變壓器，但是等效電壓變比始終大于1，只能升高電壓，輸出電壓可通過控制開關的占空比連續(xù)調制。

2.1.2 電感電流斷續(xù)工作模式

當線路開關管道阻斷后電感會不斷釋放電力能量，致使電感的電流呈現流線型下降趨勢，直至在下一個引導聯通時間段達到后電感電流已經下降為0，此時被稱為電感電流斷續(xù)工作模式。當線路轉化為斷續(xù)工作模式之后，電感電流的所產生的輸出電壓以及線路基礎占空比已經無法滿足線路運轉公式。所以，此種模式一般應用在升壓線路環(huán)境下，針對工作現狀設計線路基礎參數時，通常需要保證電流的連續(xù)工作質量，并且結合電感數值以及輸出電壓數值，需要格外關注的是線路正式進入電感電流斷續(xù)工作模式之后，負載電流越小Uo 數值則越高，當輸出空載時Uo 呈現出無限狀態(tài)，長此以往輸出電壓過高容易造成電路中元器件的損壞，因此升壓電路不能空載運行。

2.2 降壓電路

降壓電路轉化設備在使用過程中屬于單管非隔離轉化設備，由于設備以及線路基礎輸出平均電壓普遍小于或者等于輸入電壓，所以又被稱為降壓轉化設備。在線路建設和使用過程中，降壓電路所使用的電子元件與升壓線路相同，但是安裝位置和順序卻不相同，降壓電路主要由控制類型線路零部件、二極管、輸出電感設備以及濾波電容小組共同構成。

與升壓電路具有相似性，降壓電路基礎工作原理為：當線路高頻PWM 區(qū)域觸發(fā)脈沖控制開關區(qū)域時，線路所產生的電力由引導連同時間控制，其中當脈沖為高電平模式時開關管道為聯通狀態(tài)，此時直流電源經過開關管道和能源儲存電感之后傳輸至負載區(qū)域，此時電感電流基礎參數呈現出上升趨勢。當觸發(fā)脈沖為低電平時，開關管道處于斷開狀態(tài)，由電感儲能進行持續(xù)輸出至負載區(qū)域，為此需要將降壓電路開關周期設定為Ts，其線路占空比例為D ＝ton/toff，此時則根據開關管關斷后電感放電時電流能否達到0值，將電路分為電感電流連續(xù)和電感電流斷續(xù)兩種模式。

3 風光儲智能應急電源系統(tǒng)優(yōu)化策略

3.1 電路升壓優(yōu)化策略

由于風光儲智能應急電源系統(tǒng)在內部結構設定環(huán)節(jié)上，主要由光伏電池輸出端口壓力低于電池小組的端口壓力，因此首先需要將電力升壓至500伏，隨后在通過升壓設備針對鋰電池進行充電操作，確保線路兩極之間產生電容耦合，并且根據系統(tǒng)進行獨立控制和管理。其中該線路結構中升壓線路除了可實現升壓操作以外，一定程度上還能夠完成最大功率的系統(tǒng)跟蹤和控制。

根據現階段線路運轉實際情況進行詳細分析，風光儲智能應急電源系統(tǒng)的升壓電路控制設備通過光伏電池有效輸出電壓以及電流，同時結合MPPT系統(tǒng)計算方式最終得出光伏列陣的最大功率參數，將其與電池端頭的壓力數值進行詳細對比之后，所得到誤差信號求和得出基礎空占比信號，經過系統(tǒng)載波優(yōu)化之后，升壓線路的引導聯通需要及時關閉，以此實現線路直流設備輸出電壓調節(jié)和控制，完成線路升壓功能以及光伏陣列的MPPT 控制[5]。

3.2 蓄電池充電優(yōu)化策略

為了保證蓄電池充電質量，在不影響電池設備的前提條件下，提升充電時間成為了蓄電池探索主要方向和目標。其中蓄電池充電時間與電流大小呈現出正比，即線路電流越大充電時間則越短，其中電流處于恒流充電操作時，隨著充電進行電池電壓的不斷提升，尤其是當電池接近充電末期時電壓會不斷上升，造成電池正極加速氧化電解溶液，從而產生大量熱量和氣體物質，此種現狀被稱為過充反應現狀，嚴重損壞電池設備的使用壽命。

針對此種現狀，設備產生過充問題之前，首先需要減少電池充點電流防止過充。為此本次實驗使用恒流充電模式與限流充電模式，并且根據恒流充電過程中的電壓上升狀態(tài)判斷充電狀態(tài)，當充電電壓提高至極限數值時需要使用恒壓充電模式，以此減少充電電流，確保充電末期時間的電解液體所產生的沸騰現狀不斷降低，以此降低氣體數量，防止電池過度充電。

根據現階段鋰電池設備充電特點，需要通過在線檢測鋰電池的充電狀態(tài)，完成蓄電池充電模式的有效轉化。其中，電池恒流充電模式通常使用四分之一效率，需要對360V/200A·h 的鋰電池組，充電電流為50A；恒壓充電時過充電壓限值為405V，浮充電壓為380V。并且在實際控制實施過程中，采用定時功能與電流判據相結合，控制均充、浮充兩種狀態(tài)的轉換，可避免蓄電池的過充或欠充，并且為避免控制模式的反復切換，均設定了相應的滯環(huán)帶寬。

4 結語

本文實現對風光儲智能應急電源系統(tǒng)內部結構的研究和探索，本系統(tǒng)經過STS 系統(tǒng)完成了市電的正常供電以及中斷供電量模式下的電力供應切換，并且狀態(tài)轉化實現始終小于10ms，從根本上確保電力設備使用連續(xù)性和穩(wěn)定性。