水庫工作閘門中新能源儲能式啟閉系統的應用

許 杰

(寧波原水有限公司橫溪水庫分公司，浙江 寧波 315100)

0 引 言

通過對各水庫及周邊水閘啟閉機類型的調研，現有啟閉機主要類型為卷揚式啟閉機、液壓式啟閉機、螺桿式啟閉機。現有大部分閘門的啟閉機系統當主電源故障情況下，一般采用發電機作為后備電源來應急，由于很多發電機使用年限較久且長期處于待機狀態，在應急啟動時容易出現故障，而在這種緊急情況下大部分閘門的開啟和閉合采用人工卷繞+減速機的方式來實現，而人工卷繞的速率太慢且人工容易疲勞，無法滿足緊急狀態下的開啟需求，因此需要有一種高可靠性備用系統能替代人工方式來快速實現閘門的開啟與閉合。

在這種緊急應用的需求下，我們采用超級電容+鋰電池作為高可靠后備電源，結合電機形成啟閉機應急動力系統，可完美的解決現有啟閉機系統緊急情況下實現閘門的開啟與閉合。采用后備電源+電機的模式來替代柴油發電機，直接接駁到主電源配電箱，當主電源出現故障的情況下，可以快速投切到后備電源工作狀態，能迅速實現閘門的啟閉。該后備電源采用超級電容和鋰電池的組合，超級電容提供啟閉機啟動瞬間大功率的輸出需求，鋰電池提供閘門運行的較長時間的能量需求，超級電容模組和鋰電池模塊分別通過電容管理系統(CMS) 和電池管理系統(BMS) 進行管理，及時將超級電容和鋰電池的狀態反饋給系統的控制模塊，該控制系統既可實現本地人工指令的執行，也可實現遠程控制。該系統留有通訊接口，可遠程控制通訊實現應急動力系統的執行，起到執行的雙重保障，規避現場人員不到位帶來的隱患。該系統可替代人工卷繞，但需改造手搖滑動軸承及齒輪匹配，適合電動機轉速，實現啟閉機的應急開啟與閉合。該系統可實現啟閉機十分鐘內完全開啟，十分鐘內完成閉合，可以根據需要調整配置儲能動力單元，實現負載工作情況下的連續供電，本系統定制額定輸出功率5.5kW (最大可輸出功率7.5kW)，負載工作超過1h。

1 新能源儲能式啟閉系統的主要技術

1.1 后備電源模塊組成

后備電源采用超級電容和鋰電池的組合，超級電容提供啟閉機啟動瞬間大功率的輸出需求，鋰電池提供閘門運行的較長時間的能量需求，超級電容模組和鋰電池模塊分別通過電容管理系統(CMS)和電池管理系統(BMS)進行管理,及時將超級電容和鋰電池的狀態反饋給系統的控制模塊，而系統的控制模塊可實現對整套系統的控制，根據主電源的狀態，自動投切到后備電源工作狀態。

1.2 控制系統可實現遠程控制

該控制系統既可實現本地指令的執行，同時留出通訊端口與遠程控制系統進行通訊，可遠程實現應急動力系統的執行，起到執行的雙重保障，規避現場人員不到位帶來的隱患。

圖1 電氣原理及軟件控制

圖2 電池管理系統單線圖

1.3 模塊化設計

①核心模塊:充電模塊、儲能動力模塊、電機驅動模塊、控制顯示模塊、開關及斷路器模塊等。②儲能動力模塊:電池+電容儲能模塊，配備相應的管理電路，實時監控內部單元狀態。③充電模塊:定制化設計的充電模塊,可根據動力模塊的反饋信息動態調整充電。④電機驅動模塊:通過電機驅動模塊,將儲能動力模塊內部儲存的能量轉化為可直接驅動電機的能量，直接驅動電機為系統提供機械動力。⑤控制顯示模塊:配備就地液晶屏、遠程通訊控制、手動按鈕操作等多種控制方式。

1.4 工作模式

①等待模式:主動力系統正常情況下，應急動力裝置處于等待模式，執行儲能超級電容充電以及等待啟動指令。②運行模式:主動力系統異常，用戶就地或遠程啟動應急動力裝置，裝置處于運行狀態，運行模式通過混合儲能單元供電。③應急動力提供模式:當主動力系統出現異常，無法正常提供動力時，通過混合儲能單元向電機驅動單元提供能量，由電機驅動單元驅動電機為系統提供機械動力。④應急充電模式:電網、儲能單元均沒有電情況下，可通過發電機應急充電。

1.5 工作原理

市電輸入時，經過系統自動檢測電池電容電壓,電量不足時，系統自動對電池電容進行補電，同時為用電設備供電。若市電斷電或不穩定時，系統自動切換為逆變狀態，由電池及電容經過逆變器，給用電設備供電。

打開配電柜門板，把電動機供電開關由主回路狀態圖3切換到備用回路圖4。注意該開關有3個狀態，最上處檔位為主電源(市電)，中間為空檔，最下處檔位為備用電源(鋰電 UPS)。當市電恢復時，需把該切換開關恢復至最上檔位(市電模式)處，關閉配電柜門。

圖3

圖4

圖5是所示是控制柜，雙電源互鎖開關，市電處于常開狀態。在無市電情況下，需要開啟備用電源，啟動電機，打開閘門時，將右邊備用電源開關上推，使其處于閉合狀態，給控制柜供電[1]。

2 新能源儲能式啟閉系統的優勢

2.1 地面積小、靈活

相較于柴油發電機，本產品占地面積小，靈活。安置柴油發電機都需要一個獨立的房間來放置柴油發電機,而本產品外形尺寸為長×高×寬:620mm×1400mm×650mm，占地面積僅為0.4m2，占地面積小，且底部裝有小輪子，需要時可進行短距離的移動，更加靈活方便。

圖5

2.2 更加環保

相較于柴油發電機，本產品更加環保。柴油發電機開啟后，會產生大量的廢氣污染和噪聲污染。而本產品儲存電能，需要時可直接進行供電，無污染。

2.3 更加安全

相較于柴油發電機，本產品更加安全。為了保證柴油發電機的持續工作，一般都會在柴油發電機室內備有一定數量的柴油，當柴油儲存不當時，揮發到密閉的環境中，容易引發安全事故，人員、設備安全得不到保障[2]。

2.4 維護更加方便

相較于柴油發電機，本產品維護更加方便。柴油發電機需要組織人員定期對其的冷卻水水位、柴油油位、機油油位、蓄電池電量進行檢查;而本產品自帶顯示控制屏，在屏幕可即時查看設備故障，伴隨故障報警如接入遠控模塊，可在電腦上查看設備發生的所有事件，有效監視設備是否發生故障，如有故障也會提示報警。可實現現地和遠控雙重保障。本產品的電池、電容基本免維護，通過電池管理系統(BMS)及電容管理系統(CMS) 的保護，能讓鋰電池和電容擁有更長的使用壽命，超級電容模組壽命為10年或100000次充放電，超級電容和鋰電池壽命到期后更換十分方便，經濟實惠。

2.5 切換更加方便

相較于柴油發電機，本產品切換更加方便。柴油發電機在切換時，需要先進行倒閘操作，開啟柴油發電機需先怠速運行3-5min，再進行啟動，而本產品操作簡單方便快捷，失電后可以快速投切到本產品供電，更具有時效性。

2.6 更加具有經濟性

相較于柴油發電機，本產品更加具有經濟性。本產品可以免除柴油發電機室的基建費用，可以減少柴油儲備的費用，并且當本產品充滿電后(約7.5度電)，保持電池電壓穩定所產生的電量也可忽略不計。新能源混合動力(超級電容與鋰電池組合)已廣泛運用到風力發電、城軌、動車等設備上，技術相對成熟，也保障了本產品的安全性及可靠性[3]。

3 新能源儲能式啟閉系統的效益

3.1 提高閘門開啟效率，保證人員生命財產安全

當閘門啟閉機系統主電源出現故障情況下，一般采用發電機作為后備電源來應急，由于很多發電機使用年限較久且長期處于待機狀態，在應急啟動時容易出現故障，而在這種緊急情況下大部分閘門的開啟和閉合采用人工卷繞+減速機的方式來實現，而人工卷繞的速率太慢且人工容易疲勞，無法滿足緊急狀態下的開啟需求。新能源儲能式啟閉系統采用后備電源+電機的模式來替代人工卷繞，與應急軸相匹配，實現啟閉機的應急開啟與閉合，可實現啟閉機十分鐘內完全開啟。從而保證閘門在緊急情況下開啟的需求，保證水庫下游人員的生命財產安全。

3.2 改變人工傳統操作模式，大大節約管理成本

大幅減少人力、資金的投入。在主電源出現故障的情況下，一般都采用柴油發電機作為應急備用電源。首先，柴油發電機需要單獨的房間來放置，無法放置到啟閉機閘室內。人員在操作過程中，需要同時兼顧發電機運行情況和啟閉機運行情況，或者增加人員分別管理柴油發電機運行情況和閘門運行情況。柴油存放過程中也存在一定危險性。新能源儲能式啟閉系統(應急動力系統)與柴油發電機比較，優點在于占地面積小，放置地點只需0.5個平方，可以直接放置在啟閉機閘室內，大大減少了房屋建造成本。在主電源出現故障的情況下，可以快速切換至新能源儲能式啟閉系統(應急動力系統)，由新能源儲能式啟閉系統(應急動力系統)作為備用電源，實現啟閉機的開啟和閉合。總的來說，在管理成本、人員投入方面大幅降低[4]。

3.3 社會效益

隨著科技的發展，新能源產品逐漸被市場接受和推廣。柴油發電機作為傳統的應急產品，因其使用的柴油為不可再生資源，且柴油在發生燃燒后產生的廢氣嚴重污染環境，在室內產生的廢氣也對人體具有一定的危害，操作人員在使用過程中必須做好自身的防護工作。目前國家正提倡綠水青山就是金山銀山理念，隨著新能源產品的發展，很多傳統的產品被逐漸取代。新能源儲能式啟閉系統(應急動力系統)使用的是可再生的電能，在使用過程中不會產生有害的氣體，對人體也沒有危害，是作為替代柴油發電機的不二選擇。

4 結 語

新能源儲能式啟閉系統(應急動力系統)應用研究的應急動力系統技術采用超級電容和鋰電池的混合儲能形式，通過電容管理系統(CWS)和電池管理系統(BMS) 進行管理，及時將超級電容和鋰電池的狀態反饋給系統控制模塊，實現對整套系統的控制。該系統可根據主電源的狀態自動投切，并可實現現地與遠控的切換。該成果具有創新性。新能源儲能式啟閉系統(應急動力系統)已在橫溪水庫工作閘門中安裝調試，成功實現啟閉機的應急開啟和閉合，該設備操作簡單，運行正常，功能完備，滿足作為后備電源的要求。該項目研究成果對今后同類水閘、水庫等啟閉系統的應急動力系統應用具有較大的推廣應用價值。