基于光柴混合发电的应急供电系统设计

【摘要】应急电源系统（EPS，Emergency Power System）作为一种各类一级和特别重要负荷的交流后备电源得到广泛应用，是解决供电可靠性的常用途径，柴油发电车和UPS作为电力公司最普及的后备电源在实际应用中存在响应慢和可靠性的问题而太阳能是一种可再生的清洁能源，是新能源发展的重点。设计一套基于柴油发电车和光伏发电的混合供电系统，发电车和光伏发电系统相配合既提高供电可靠性又满足不间断供电的要求。这是新能源在传统供电保电方面的创新应用，一方面保证了某些重要场合、重要负荷和敏感负荷的供电连续性，另一方面，即使在远离电网的地区也可实现负载的临时供电，特别适用于新疆这种光照好，人口密度小、电网可靠性不高的地区。

【关键词】混合供电系统;供电可靠性;应急电源系统;光伏发电;静态开关;不间断电源

引言

在经济欠发达地区电网设施一般较差，供电可靠性难以满足，电力公司常用柴油发电车作为主要的后备电源。但随着柴油价格的上涨、太阳能电力的愈加廉价，这使得太阳能成为获得廉价电力的途径之一。设计一套基于柴油发电车和光伏发电的供电系统，发电车和光伏发电系统相配合满足供电可靠性的要求。该系统可使柴油发电车和太阳能组件同时进行发电或者选择性发电，这一混合式发电方式将带动偏远地区发电成本的下降，同时满足了日益增长的政治保电需求。

1.传统应急供电的缺点分析及解决途径

1.1 传统应急供电的缺点

传统的保供电多采用“双电源旁路应急供电车”的接线方式，在保障重要负荷供电方面也起到了积极作用，同时也存在如下不足：由于应急供电车中发电机组不允许长时间小负荷/空载运行。（因为长时间小负荷/空载运行会使柴油机喷油嘴喷出的柴油不能完全燃烧导致积碳，造成气门、活塞环漏气。长期小负荷/空载运行，还会更严重的导致运动部件磨损加剧等导致大修期提前的后果）当市电因不可预见故障断电后，应急供电车再启动柴油发电，需要5分钟左右，因而不能立即投入送电状态，无法做到不间断供电，如果发电车是热备用方式，切换过程也需要3秒以上，两者都难以满足执行重大活动及政治保电任务对应急电源的高标准要求。另外，传统的UPS是在线式的，先将市电整流再逆变，以这种方式实现不间断供电，但是这样会出现以下情况：

（1）在电网可靠，UPS出故障的情况时不能对外供电，降低供电可靠性。（2）电池充电只有市电充电方式，难以满足户外长时间工作和井矿类保电。（3）一般UPS采用蓄电池，比较笨重，选择锂电池很轻便，可实现灵活可移动的电源车。（4）在市电正常时，整流、逆变都会产生损耗，降低系统的效率。

1.2 传统应急电源问题的解决途径

设计一套基于光伏发电和柴油发电相结合的应急供电系统，以不间断供电的方式提高供电可靠性。利用磷酸铁锂电池作为储能介质，应用太阳能发电作为充电电源，利用静态开关（STS，Static Transfer Switch）作为自动投切装置，进行以光伏发电为平台的应急电源系统的设计，实现储能系统的充放电控制，及系统输出的智能判断和快速切换。并由智能锂电池动态管理系统对电池组和逆变电源进行智能化管理，在传统发电车的配合下保证供电可靠、环保节能的同时满足多种工况下的低成本供电需求。 与传统应急电源相比，基于光伏发电和柴油发电相结合的应急供电系统具有如下优点：

（1）比独立的柴油发电有更快的响应速度，真正满足不间断供电;离线式EPS比在线UPS损耗更小。（2）在独立系统中因为可再生能源的变化和不稳定会导致系统出现供电不能满足负载需求的情况，也就是存在负载缺电情况，使用混合系统则会大大的降低负载缺电率。（3）和单用柴油发电机的系统相比，具有较少的维护和使用较少的燃料。（4）较高的燃油效率。在低负荷的情况下，柴油机的燃油利用率很低，会造成燃油的浪费。在混合系统中可以进行综合控制使得柴油机在额定功率附近工作，从而提高燃油效率。（5）负载匹配更佳的灵活性。使用混合系统之后，因为柴油发电机可以即时提供较大的功率。所以混合系统可以适用于范围更加广泛的负载系统，例如可以使用较大的交流负载，冲击载荷等。还可以更好的匹配负载和系统的发电。只要在负载的高峰时期打开备用能源即可简单的办到。有时候，负载的大小决定了需要使用混合系统，大的负载需要很大的电流和很高的电压。如果只是使用太阳能成本就会很高。

2.系统结构

2.1 主回路系统结构

光柴混合发电的供电系统包括新能源管理系统、逆变电源供电系统（变流器）和监控系统等三部分，其中新能源管理系统包括磷酸铁锂电池组、光伏电池阵列、光伏充电控制器等环节，逆变电源供电系统主要由充电（整流）器、逆变器、静态开关和控制器等环节组成。发电车和负载通过接口箱接入，其电路拓扑结构如图1所示。

图1 应急供电系统电路拓扑

2.2 控制系统结构

因为使用了多种能源，所以系统需要监控每种能源的工作情况，处理各个子能源系统之间的相互影响、协调整个系统的运作，这样就导致其控制系统比独立系统复杂，本系统采用工控机进行系统管理。监控系统与其它部分之间采用RS485总线通讯方式，实时对交直流回路进行电压和电流监测及对系统运行状态监测。单个模块的通讯接口为支持全双工模式的RS485端口，这种通讯结构既提高了数据和指令的交互效率，又保证了系统内部数据传输的可靠性。其通讯结构如图2所示。

图2 应急供电系统通讯结构

3.工作原理

整套光柴混合发电的供电系统的运行控制由工控机和DSP完成。工控机通过485串行总线读取系统运行数据同时通过显示器进行显示。操作员通过工控机给DSP下达运行指令，DSP执行工控机指令，通过控制相应IGBT和接触器的开断，直接控制发电系统的运行模式。

3.1 主回路工作原理

主控板实现信号的采样和调理，整流/逆变和磷酸铁锂电池充放电控制，静态开关控制及保护和报警等。如图1所示，设备可通过光伏阵列向磷酸铁锂电池组充电，也可由三相380V市电充电。设备投入工作时，首先检查市电，若市电输入正常，则由市电经过静态开关装置向负载供电，同时充电器对磷酸铁锂电池组进行智能充电，当市电中断或超出正常电压范围时，由控制器提供逆变信号，启动逆变电源，同时静态开关迅速切换至逆变输出，继续给负载提供标准正弦交流电源，此时锂电池存储的电能逆变后作为后备电源向负载供电。紧接着启动柴油发电车，等到市电恢复前而电池不足时投入使用。当市电恢复正常时，应急电源自动恢复市电电网供电。监控系统实时监测光柴混合发电系统当前电压电流和功率，而且如同混合动力汽车内的计算机一样，可判断采用蓄电池还是燃油驱动;这款控制器可采用最高效的发电方式，市电中断后采用锂电池组逆变还是柴油发电车保证负载不间断供电。

3.2 市电中断后自动投切原理

系统实时监测主/副回路的输出状态，通过静态开关（STS，Static Transfer Switch）进行电源切换。利用高频开关管作为投切器件，此处选用德国英飞凌的IGBT，配合主控模块的控制可实现15kHz的开关频率，其结构如图3所示。U1、V1、W1为主回路市电输出，U2、V2、W2为副回路逆变输出，U、V、W为系统实际输出。当系统检测到市电输入正常时，控制STS的IGBT，使主回路输出作为系统输出向负载供电;当市电中断时，STS进行投切，将副回路的逆变电能输出至负载。主/副回路的切换时间小于5ms，可有效保证重要负荷的连续供电，减少突然断电对负荷造成的影响[4]。

图3 静态开关结构

4.控制策略

系统采用TI的TMS320F28335系列DSP作为控制核心，实现电压电流等数据高速采集处理并下达控制指令。作为一款高速浮点型控制器，它具有150MHz的高速处理能力，具备32位浮点处理单元，与以往的定点DSP相比，精度高，功耗低，外设集成度高，AD转换更精确快速，使得系统的控制和响应更加的快速准确。控制器采用先进的检测算法和全控型开关IGBT，开关频率15k，保证了恢复供电转换时间只需3.260ms。

光伏充电控制器控制策略：

当光线条件充足时，可利用系统配置的光伏电池阵列对锂电池组进行充电，有效利用太阳能这种清洁能源。电池阵列安装于集装箱顶，其布局如下：

图4 光伏电池阵列布局

如图4所示，新能源管理系统、逆变电源供电系统（变流器）和监控系统等三部分都在集装箱内部，只有光伏电池阵列在集装箱顶。光伏电池阵列采用抽屉式结构，不需光伏充电时，阵列中的4块收缩在箱顶，锂电池需要充电时电池板在直流伺服电机的推动下沿安装导轨展开，给电池浮充。在实际的光伏发电系统中，由于太阳能电池的输出特性与日照条件和环境温度直接相关，而且太阳能电池在一定的日照条件和环境温度下，存在唯一的最大输出功率点（MPP）。由于天气不断变化，照射到光板表面的光照强度也跟着变化，容易导致光伏电池发出的功率有明显波动，光伏充电控制器可能频繁合闸跳闸，此时充电器的性能直接影响到系统的发电量、电能质量和系统可靠性。本系统中的光伏充电控制器设计两路DC/DC串联的模式，并采用最大功率点跟踪控制（MPPT）算法，实现超宽电压输入范围工作，稳定输出电压，天气变化时能快速准确寻找新的MPP，并且在该点实现无振荡地工作。最终克服光伏发电系统固有的能量不稳定性，保证光伏电池对锂电池组充电，保证能量利用的效率最高化 [5，6]。其主电路拓扑如图5所示。

光伏电池阵列输出电压为0～400VDC，光伏充电控制器工作电压为250～500VDC，主电路为利用MOSFET构成的DC/DC斩波电路。光伏电池阵列输出可直接接至充电控制器。充电控制器前级为DC/DC降压、最大功率点跟踪环节;通过控制Buck电路的占空比D来连续调节连接在光伏电池两端的等效负载，最终达到负载匹配，使其输出最大功率，MPPT调节原理图如图5所示，对于Buck电路，当占空比为D时。

图5 光伏充电控制器电路拓扑

（1）

（2）

（3）

由（3）式可知通过连续调节占空比D，进而实现调节光伏电池两端的等效电阻Req。后级为DC/DC充电控制环节，根据最大功率点，在稳住直流母线电压的前提下通过PWM调制技术进行控制功率输出，对锂电池组进行三阶段充电。

5.实验

5.1 实验参数

该系统光伏电池阵列单板峰值功率290Wp，开路电压44.8V，短路电流8.51A，最大功率电压37.2V，最大功率电流7.80A，9块串联。储能系统主体采用磷酸铁锂电池组，由3.2V/100Ah的功率型磷酸铁锂电池100节串联而成，开路电压320V，储能容量32kWh，最大持续放电功率30kW，额定充电电流25A。

5.2 实验过程及结果

应急电源内的空调，白炽灯，工控机监控系统，车库的卷帘门统一接在输出侧，合上市电（主电）观察市电中断后负载是否连续运行不间断。手动将市电输入开关断开，模拟市电断电时应急电源投切速度，故障录波仪接在输出端口，用来记录实验过程，实验结果如图6所示。

图6 市电输出向逆变电源输出投切

第一阶段，负载由市电输出供电，工作状态正常，负载上的电压为正弦波;第二阶段，在某时刻，切断市电输入，系统检测到该变化后，经由STS自动将系统输出投切至磷酸铁锂电池逆变输出，中断时间为3.260ms，输出波形良好，幅值、波形和电网一致，空调和照明灯正常工作，没有出现中断，工控机没有重启，白炽灯无闪烁，卷帘门正常工作。该应急电源快速反应保证了对用电设备的不间断供电，保证供电可靠性。

6.结论

本文设计了一套基于光柴混合发电的应急供电系统，实现对负荷的不间断供电，该系统具有较高的系统实用性。该应急电源可提高供电可靠性满足各种保电任务的要求，以显著提升供电企业的应急反应能力，增强机动性能，提高社会效益，是城市应急机制中的必要设备之一，在重大活动保电、电力抢险和抗灾抢险的工作中更是必要的核心装备。帮助减少事故发生，维护社会稳定。该应急电源系统不紧满足一般供电可靠性的要求还可以作为很多偏远无电地区的通信电源和民航导航设备电源，以求达到最好的性价比。甚至可以推广到我国西北、云南等偏远地区。

参考文献

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