儲能型微電網(wǎng)新技術在多功能移動邊防哨所的應用案例

袁必誠

上海電機學院電氣學院 上海 201306

一、儲能型微電網(wǎng)新技術在多功能邊防移動哨所應用的必要性分析

由于我國國界線穿越崇山峻嶺、湖泊沙漠，地理條件十分復雜，大部分國界線市政供電網(wǎng)絡尚未通達，沿邊防線全覆蓋建設固定哨所及供電網(wǎng)絡耗資巨大，因此，采用“光伏優(yōu)先、柴電備用、鋰電池儲能型微電網(wǎng)技術”為多功能移動邊防哨所供電的解決方案應運而生，這樣的哨所具有可即時在熱點地區(qū)部署、節(jié)約大額固定投資的優(yōu)點。

二、多功能邊防移動哨所微電網(wǎng)系統(tǒng)的負載條件計算與分析

每套多功能移動邊防哨所由工作、后勤保障兩個方艙組成，各自搭載一輛全拖掛底盤，部署時軍用卡車拖掛移動到任務點，兩個哨所方艙及其拖掛底盤駐留用于邊防值守，卡車開走用于其他方面。儲能型微電網(wǎng)系統(tǒng)將根據(jù)邊防值守官兵的用電負載設計：春秋季節(jié)，官兵值守時空調或電地暖等大功率用電器很少啟用，負載額定總功率、沖擊功率峰值遠小于夏冬季節(jié)，夏季大功率負載空調系感性負載易對微電網(wǎng)造成較高的峰值沖擊功率，冬季大功率電地暖是阻性負載，不會對微電網(wǎng)造成峰值沖擊功率，因此，將多功能移動邊防哨所夏季負載作為微電網(wǎng)的設計條件?，F(xiàn)對兩個方艙夏季用電負載統(tǒng)計如下：

表1 多功能移動邊防哨所儲能型微電網(wǎng)夏季負載情況統(tǒng)計表

續(xù)表

三、多功能移動邊防哨所儲能型微電網(wǎng)的系統(tǒng)設計

(1)系統(tǒng)設計了市電和柴油發(fā)電機備用電源互鎖切換的接觸器：設置一對常開和常閉控制開關，默認常閉連接柴油發(fā)電機。如哨所使用區(qū)域可以連接市政電網(wǎng)，則將開關切換到市電供電一側，市電作為備用電源，而柴油發(fā)電機處于停機待用狀態(tài)。(2)地暖和空調也設有用電互鎖接觸器：默認地暖模式，確保兩者不同時工作。為了減小負載的峰值沖擊功率、峰值用電量，避免超過設計值造成系統(tǒng)故障，冬季采暖模式只能是地暖而不能共用空調。(3)系統(tǒng)操作和切換的模式均通過觸摸屏實現(xiàn)，非按鈕或其他切換模式。(4)柴油發(fā)電機自帶液晶顯示，可提供完整功能的狀態(tài)和故障查詢。(5)移動邊防哨所微電網(wǎng)系統(tǒng)原理圖。

圖1

四、多功能移動邊防哨所儲能型微電網(wǎng)的匹配性設計

(一)系統(tǒng)關鍵參數(shù)的匹配設計

表2

(二)多功能移動邊防哨所儲能型微電網(wǎng)系統(tǒng)功能的匹配設計

(1)柴油發(fā)電機的啟動受主控單元干接點控制：閉合時，啟動發(fā)電機；斷開時，關閉發(fā)電機。(2)柴油發(fā)電機對控制信號提供書面規(guī)格說明：干接點的耐壓和電流要求，在收到干接點后多長時間可啟動發(fā)電機；在接收到干接點信號后，啟動過程自動完成，不需要其他手動操作。(3)發(fā)電機通過通信協(xié)議給主控發(fā)送如下信號，且必須顯示在主控單元的顯示屏上：①采用Mod bus協(xié)議，請?zhí)峁﹨f(xié)議文本；發(fā)送電壓、電流、功率、頻率、功率因數(shù)、發(fā)動機艙溫度。②發(fā)送工作正常、故障和保護狀態(tài)；具體故障狀態(tài)直接在發(fā)電機顯示屏上查詢。③發(fā)送油箱剩余油量信號，發(fā)送剩余油量可發(fā)電量的預測數(shù)值。(4)低溫情況下，發(fā)電機第一次啟動后，會一直維持油路加熱，保證隨時可啟動；儲能系統(tǒng)增加DCDC，為柴油發(fā)電機的啟動電池持續(xù)供電。(5)柴油發(fā)電機燃油爐控制：將燃油爐控制回路接入PLC，監(jiān)測柴油機反饋溫度，對油路加熱進行控制。

(三)多功能移動邊防哨所儲能型微電網(wǎng)鋰電池儲電量的匹配性

在負載功率恒定的情況下，鋰電池的容量越大，放電電流越小，發(fā)熱量越小，系統(tǒng)造價就越高；鋰電池的容量越小，放電電流就越大，發(fā)熱量就大，電池的安全性降低、壽命縮短，系統(tǒng)造價就低。分析本系統(tǒng)的負載情況鋰電池儲電量最終選定20kWh。

五、多功能移動邊防哨所儲能型微電網(wǎng)系統(tǒng)的工作模式設計

(一)默認油儲工作模式

正常情況下，儲能系統(tǒng)+柴油機為后勤和工作方艙供電。逆變器內有自動控制的旁路開關；外部增加手動旁路開關，在逆變器及其自動旁路開關均損壞時，通過手動旁路開關恢復供電。

(二)市電模式

有市電時，通過工作、后勤方艙的交流接口接入市電分別為工作方艙、后勤方艙供電。

(三)儲能系統(tǒng)工作為電池優(yōu)先模式

(1)在電池有電的情況下，由電池通過逆變器為負載供電；在電池容量小于30%的時候，系統(tǒng)自動啟動柴油機為負載供電，同時為電池充電；電池充電到100%系統(tǒng)自動關閉柴油機，繼續(xù)由電池為負載供電。(2)由智能控制單元控制逆變器自動切換，切換時間小于10ms，不影響負載正常工作。(3)當逆變器故障狀態(tài)下，逆變器自動轉旁路。

(四)夜間電池優(yōu)先模式

每晚23：00前保證電池為滿電狀態(tài)；23：00后不啟動柴油機發(fā)電機。

(五)光伏充電工作模式

(1)電池SOC高于30%，負載大于光伏功率，柴油發(fā)電機不啟動，光伏與電池放電一起為負載供電。(2)電池SOC高于30%，負載小于光伏功率，發(fā)電機不啟動，由光伏給負載供電的同時，給電池充電。(3)柴油發(fā)電機啟動時，由柴油機給負載供電，光伏只給電池充電；電池充滿，SOC為100%，負載小于光伏功率，智能控制單元關閉光伏充電器，光伏板和光伏充電器不會損壞。

六、多功能移動邊防哨所儲能型微電網(wǎng)系統(tǒng)關鍵設備選型

(一)逆變控制柜的選型

(1)逆變控制柜的關鍵參數(shù)：

表3

(2)逆變控制柜的選型要點：預留600mm高度作為配電區(qū)域；考慮到油煙，需要特殊風道、濾網(wǎng)以及大通風口設計；運輸時，系統(tǒng)開關要全部處于關斷狀態(tài)，系統(tǒng)停止工作，但保持電纜處于連接狀態(tài)。

(二)逆變器的選型

(1)逆變控制柜的關鍵參數(shù)：

(2)逆變器的選型要點：選擇的逆變器為12kW工頻逆變器大于夏季峰值額定功率的70%；瞬時沖擊功率可達36kW@20秒，大于夏季的沖擊功率的最大值及其持續(xù)時間。結論：逆變器可以滿足負載要求。

(3)逆變器的溫度降額：-20～0℃，逆變器可啟動、運行，功率降額到50%；0～40℃，逆變器滿功率運行；40～50℃，功率降額到50%(超過功率，會保護)。

(三)柴油發(fā)電機的選型及關鍵參數(shù)

表5

(1)機組自啟動模式：柴油發(fā)電機組接受干接點控制信號，干接點接通時機組啟動，升速，自動合閘，干接點斷開時發(fā)電機組分閘，降速，停機；柴油發(fā)電機組啟動成功后45秒內可以帶滿載。(2)機組控制器：采用國際標準MODBUS通信協(xié)議(可免費提供)，RS485通信接口，可實現(xiàn)發(fā)電機組的遙控、遙信、遙測功能，便于發(fā)電機組的遠端集中監(jiān)控。通信接口的連接線建議采用兩芯屏蔽雙絞線。

(四)光伏組件的選型

(1)光伏組件的關鍵參數(shù)：

表6

(2)組件的連接方式：3串2并，總功率2.4kW左右。

圖2

(五)電池包的選型

(1)電池包的關鍵參數(shù)：

表7

(2)電池包的選型要點：16串一個電池包，每個電池包能量：5.12kWh。

(六)系統(tǒng)溫度降額

(1)綜合考慮電池和逆變器，溫度為-10～0℃，功率降低為額定的40%；溫度為0～40℃，滿功率輸出；40～45℃，功率降低為額定功率的40%；低溫-40℃，鋰電池和逆變器儲存不能損壞。(2)超低溫時，儲能系統(tǒng)應能禁止逆變器工作，防止低溫情況下充電或放電，造成電池或逆變器損壞。