移動式儲能靜變電源在民航供電中的應用

董麗燕 李雪剛 涂思東 傅 博 林 森 張 遠

北京首都機場節能技術服務有限公司 北京 101312

一直以來，APU可以提供飛機在地面等待過程所需要的電源，但是APU存在著以下的缺點，如環境污染嚴重、功率消耗大以及所產生的聲音大等問題。基于此，民航局提出了《機場使用橋載設備替代飛機APU推廣工作》，要求全面落實節能減排的工作，持續推進“綠色機場”建設的步伐，飛機APU逐步被全國各大機場使用靠橋航班使用橋載設備取代。但是，APU的代替過程仍然很漫長，面臨著施工成本高和改造困難等一系列問題[1]。使用可移動儲能式靜變電源，該系統具備為飛機及機載設備提供啟動、檢查和維修電能的功能，此外該系統還具有使用方便快捷、噪音污染小、運行成本低等優點。

1 靜變電源系統設計

1.1 系統組成

飛機電源系統的組成有主電源、應急電源和二次電源，其中主電源有115V/200V交流電源系統、28V低壓直流系統、270V高壓直流系統等[2]。本文研究的儲能式靜變電源系統由以下幾個方面組成：(1)儲能系統(200kWh)，包括電池芯、電池組和電池系統，可以滿足交流不間斷供電2小時以上；(2)電源系統，包括逆變電源和調頻電源，可以滿足所有機型使用，兼容60kVA；(3)一體化管理系統，實現人機交互；(4)移動底盤，保證設備能夠長期穩定停放；(5)航空連接器及電纜，電纜采用六類導體，航空連接器滿足《飛機地面電源連接器》HB 6184相關要求等組成。如圖1所示。

圖1 系統組成

1.2 基本功能

1.2.1 實現不間斷的電源轉換

(1)NBPT的完全兼容性功能；

(2)12脈沖寬度調制技術；

(3)IGBT穩頻、穩壓功率調節。

1.2.2 實現故障自我報警

(1)開機自檢；

(2)故障報警指示燈顯示；

(3)故障記錄復歸。

1.2.3 實現控制顯示/遠程監控

(1)啟動/停止，支持遠程控制；

(2)電壓、電流、頻率、電池信息顯示；

(3)緊急關閉。

1.2.4 實現數據存儲

(1)事件順序、保護事項記錄；

(2)電源開/關狀態記錄、裝置開機自檢記錄；

(3)保存最近200次運行記錄。

1.2.5 保護功能

(1)過壓、欠壓、過流保護；

(2)超溫脫離、短路保護；

(3)控制電路故障保護。

2 儲能管理系統設計

2.1 BMS的結構

BMS系統可以檢測收集并計算實時狀態參數，并且可以根據檢測的數據與允許范圍內數據的比對關系，以此來控制供電回路的通斷；將采集到的數據上報給控制器，然后接收控制器的指令，與其他的系統協調配合工作。目前市場上的電池系統根據其配置可分為集中式和分布式兩種類型。由于磷酸鐵鋰來源廣，無污染，故將該材料應用到電池儲能系統中，并采用分布式結構[3]，如圖2所示。

圖2 BMS分布式系統結構圖

采用3.2V/280Ah高性能、高可靠性磷酸鐵鋰電池芯進行成組，可以大幅度提升電池系統的安全性，配合90kVA靜變電源，實現在滿負荷輸出情況下為飛機提供交流不間斷供電。

2.2 供電補電方式

2.2.1 供電模式

通過調查發現，傳統的電源車是利用燃油發電來滿足飛機用電需求的，在使用過程中產生很大的噪音，污染嚴重，維修成本高，不符合綠色環保的發展趨勢。隨著靜變供電技術的發展，目前，機場采用的供電網絡通常可分為分散式供電與集中式供電。由于分散式供電可靠性較高、承受故障的能力較強，并且有移動式分散供電和固定式分散供電兩種方式[4]，故本文選擇使用靈活、智能程度高、操作便捷的移動式分散供電方式，此方式具有三種供電模式：

(1)電池直流供電帶載模式，利用鋰電池儲能系統的高壓直流電源通過逆變器為中頻交流電輸出給飛機負載。

(2)市電交流供電帶載模式，在有市電接入的情況下，直接通過靜變電源給飛機供電。

(3)在無市電交流供電的情況下，系統可以提供220V/380V、50Hz的電源，給現場施工、檢修等設備提供穩定的市電電壓供應。

在儲能電池模塊充滿電后，控制開關切換模塊處于模式3，以此控制靜變電源，實現儲能系統為飛機供電，如圖3所示。

圖3 供電模式3

2.2.2 充電模式

具有兩種充電模式，可隨時用380V工業電源或直流充電樁充電，在90kW充電功率下，2.5小時以內即可完成充電。

(1)在電網輸入充足且儲能模塊虧電時，控制開關切換模塊處于模式1、控制DC-AC雙向變流模塊處于直交變換狀態且控制其輸出參數，實現前端電源對儲能電池模塊充電，如圖4所示：

圖4 充電模式1

(2)在充電樁輸入充足且儲能電池模塊虧電時，控制開關切換模塊處于模式2、控制DC-DC單向變流模塊處于變換狀態且控制其輸出參數，實現前端電源對儲能電池模塊充電，如圖5所示：

圖5 充電模式2

2.3 系統安全性保障

級別一：過壓和過流保護。當管理系統識別到過流現象時，控制接觸器斷開，同時切斷電池輸出和靜變電源輸出，確保系統不受電流危害。

級別二：隔離開關。當直流接觸器因直流過流拉弧而不能拉斷時，斷路器可以實現進一步的過流保護與短路保護。

級別三：熔斷器保護。當斷路器也失效無法斷開回路時，則由熔斷器確保系統的安全。

級別四：一體化管理系統。分別為電芯層級、電池模組層級及電氣設備層級，實現整個儲能充電系統的安全監控。具備過充、過放、過流、過溫、低溫保護，多級故障診斷保護[5]，多重故障檢測等安全功能，從而實現儲能充電系統的故障、告警、保護、診斷四位一體的安全保護機制。

級別五：遠程監控。可以實現監控的實時工作狀態，故障報警及推送，遇到特殊情況時可以緊急控制停機。

3 在民航供電中的應用

在靜變電源應用之前，民航供電主要采用中頻機組，應用規模小，操作簡單，同時還存在布局分散、抗擾動能力差、效率低、噪音大、環境污染嚴重等缺點，不僅降低了供電系統的總體效率，而且限制了性能的提高。

如今采用儲能式靜變電源，能夠很好地適應航空供電的工作環境，電力變換效率高，輸出電壓穩定，品質好，而且當負載變化時，瞬態特性幅值小、恢復快[6]，在提高系統的穩定性和輸出電力質量等方面具有明顯的優勢，并且移動式儲能靜變電源使用更加快捷方便，操作流程簡單，不但可以解決目前民航供電中存在的問題，而且可以滿足民航未來供電的發展要求，提高航空供電系統的安全穩定運行能力[7]。

結語

通過調查發現，目前市場上取得“儲能式靜變電源”民航認證的廠家只有一家，所以該方向在未來有很大的發展潛力。移動式儲能靜變電源可以減少能源的消耗，降低噪聲，提高飛行過程中的安全，還可以提高民航業的經濟效益，滿足國家提倡的可持續發展戰略要求，真正打造“綠色機場”[8]。