儲能型微電網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絡尚未通達，沿邊防線全覆蓋建設固定哨所及供電網絡耗資巨大，因此，采用“光伏優先、柴電備用、鋰電池儲能型微電網技術”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部署、節約大額固定投資的優點。

二、多功能邊防移動哨所微電網系統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。儲能型微電網系統將根據邊防值守官兵的用電負載設計：春秋季節，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，夏季大功率負載空調系感性負載易對微電網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的設計條件。現對兩個方艙夏季用電負載統計如下：

表1 多功能移動邊防哨所儲能型微電網夏季負載情況統計表

續表

三、多功能移動邊防哨所儲能型微電網的系統設計

(1)系統設計了市電和柴油發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電機。如哨所使用區域可以連接市政電網，則將開關切換到市電供電一側，市電作為備用電源，而柴油發電機處于停機待用狀態。(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故障，冬季采暖模式只能是地暖而不能共用空調。(3)系統操作和切換的模式均通過觸摸屏實現，非按鈕或其他切換模式。(4)柴油發電機自帶液晶顯示，可提供完整功能的狀態和故障查詢。(5)移動邊防哨所微電網系統原理圖。

圖1

四、多功能移動邊防哨所儲能型微電網的匹配性設計

(一)系統關鍵參數的匹配設計

表2

(二)多功能移動邊防哨所儲能型微電網系統功能的匹配設計

(1)柴油發電機的啟動受主控單元干接點控制：閉合時，啟動發電機；斷開時，關閉發電機。(2)柴油發電機對控制信號提供書面規格說明：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)發電機通過通信協議給主控發送如下信號，且必須顯示在主控單元的顯示屏上：①采用Mod bus協議，請提供協議文本；發送電壓、電流、功率、頻率、功率因數、發動機艙溫度。②發送工作正常、故障和保護狀態；具體故障狀態直接在發電機顯示屏上查詢。③發送油箱剩余油量信號，發送剩余油量可發電量的預測數值。(4)低溫情況下，發電機第一次啟動后，會一直維持油路加熱，保證隨時可啟動；儲能系統增加DCDC，為柴油發電機的啟動電池持續供電。(5)柴油發電機燃油爐控制：將燃油爐控制回路接入PLC，監測柴油機反饋溫度，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，發熱量越小，系統造價就越高；鋰電池的容量越小，放電電流就越大，發熱量就大，電池的安全性降低、壽命縮短，系統造價就低。分析本系統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系統的工作模式設計

(一)默認油儲工作模式

正常情況下，儲能系統+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)儲能系統工作為電池優先模式

(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%系統自動關閉柴油機，繼續由電池為負載供電。(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)當逆變器故障狀態下，逆變器自動轉旁路。

(四)夜間電池優先模式

每晚23：00前保證電池為滿電狀態；23：00后不啟動柴油機發電機。

(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系統關鍵設備選型

(一)逆變控制柜的選型

(1)逆變控制柜的關鍵參數：

表3

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

(二)逆變器的選型

(1)逆變控制柜的關鍵參數：

(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)柴油發電機的選型及關鍵參數

表5

(1)機組自啟動模式：柴油發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，干接點斷開時發電機組分閘，降速，停機；柴油發電機組啟動成功后45秒內可以帶滿載。(2)機組控制器：采用國際標準MODBUS通信協議(可免費提供)，RS485通信接口，可實現發電機組的遙控、遙信、遙測功能，便于發電機組的遠端集中監控。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：

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：

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。