移動式重要場合停電零感知不間斷保供電作業方案研究

鄭利江，俞劍軍，樓智炯

（諸暨市東白電力安裝工程有限公司，浙江 諸暨 311800）

0 引 言

隨著社會和經濟發展，用戶對電力部門供電可靠性的要求越來越高。一方面一些重要的場合，如高級別的會議、醫院、體育賽事等對供電連續性有著極高的要求，一旦發生突發停電事故,將造成巨大的政治影響和經濟損失，因此需要實現突發意外停電下用戶停電零感知的電源切換和后續不間斷供電。另一方面配網在檢修、處理故障等操作時,通常采用應急柴油發電車為移動應急電源來保障，市電突然斷電后發電車和電網的無縫切換存在較多困難，同時在綠色環保、節能減排的要求下也需要研究新的移動式高可靠性保供電方案來代替傳統的作業[1]。

1 應急保電電源類別和特點

應急保電電源可分為柴油應急發電車和移動儲能供電2大類[2]。

柴油發電車作為移動應急電源被普遍使用，但缺點在于啟動時間較長，即使是快速啟動的柴油發電機，也需要5～30 s，供電電壓、頻率波動大、效率低，并且造成一定的環境和噪聲污染[3]。與之相對的移動儲能系統啟動迅速，穩定性好、供電電壓和頻率波動較小，能夠限制在1 V/0.1 Hz以內。

近年來儲能產業蓬勃發展，儲能技術在電力系統中的應用愈加廣泛。隨著電池技術的不斷發展,體積小、重量輕、循環次增長、能量密度高、可大電流快速充放電的鋰電池迅速崛起[4]，使移動式電化學儲能系統在電力保供電方面的應用得到進一步推廣。

2 移動式重要場合停電零感知不間斷供電作業的目標和難點

2.1 目 標

近年來，特別重要的、需要進行高可靠性保障的負荷點逐步增多。據不完全統計，浙江省各類重大會議和活動頻繁舉行，每年僅重要體育賽事就有近200余項。

對這些重要場合的保供電，要滿足突發停電時負荷“零閃動”，停電“零感知”的保電剛性需求，需實現以下幾點。

（1）移動應急電源和保障裝置實現車載等移動式轉場應用，能匹配不同的用戶負荷場景，適用面廣，一次投入能多次應用，提高投入產出比。

（2）因每次保供電都屬于臨時保障，因此需有簡單快速的與負載和電網的連接方案。

（3）電網突發性停電后，應有ms級快速平穩切換，能在20 ms（1個周期）內切換至應急電源，確保用戶負載停電零感知。

（4）在成本可控的前提下，不間斷供電時間應足夠長，需充分保障重要場合活動持續平穩進行。

2.2 難點和問題

要實現上述目標，現階段存在較多難點和困難。

（1）現階段主要應用柴油發電車保電，市電停電后投運需要啟動時間，無法實現在線供電模式。

（2）選用鋰電池組等儲能系統做備用電源能解決在線不間斷供電問題，但限于儲能系統容量和造價，很難做到經濟的長時間供電。

（3）常規的技術裝置實現市電和應急電源之間切換，如雙電源自動切換開關（Automatic Transfer Switch，ATS），切換時間長，實測最短也要200 ms以上。停電超過1個交流周期（20 ms），一部分負載會失電，無法實現真正的全面停電零感知保障。

（4）目前傳統的保供電方案，接入負載都采用傳統的銅鼻子冷壓端子連接方式，連接耗時長，安全和可靠性低，無法實現“即插即用”。

3 高可靠性保供電技術設備研究

根據上述研究和分析，要實現重要場合停電零感知不間斷供電作業，首先要將主備用電源由柴油發電車改為鋰離子電池組，使作業具備在線模式供電的基礎。同時應考慮鋰電池組等儲能系統供電的成本和時長的平衡，尋求長時間應急供電要求下的幾種電源方案的結合。其次應考慮電池組充電和放電的設計，兼顧經濟性和移動式應用的規格尺寸的要求。再次應研究ms級切換的開關設備，實現市電掉電后和備用電源在20 ms內平穩切換，確保負載停電零感知。最后應研究保供電接入的接口設計，保證現場作業的快捷和可靠。

3.1 鋰離子電池

在本研究中，儲能電池作為市電斷電后的應急備用電源, 供電安全性能和供電時間長短是關鍵因素，應選用安全性高、充電時間短、使用壽命長的電池類別。

通過綜合比較幾種儲能電池,考慮本次研究設計的應急電源保障的負載功率較大,因此選擇鋰離子電池作為本研究的儲能電池。表1是幾種鋰離子電池的性能對比[4]。

表1 鋰離子電池不同正極材料的性能對比表

從表1中可以看出，磷酸鐵鋰電池在安全性、大電流放電特性、循環次數、耐高溫等性能指標上有明顯優勢，適合在負荷波動和供電功率較大的場合下使用。

結合上述研究，我們進一步調研后認為：本作業方案選用系統充電放電電流不大于1C的磷酸鐵鋰電池，同時電池系統電池管理系統（Battery Management System，BMS）能和作業方案的其他設備配合。

3.2 儲能變流器

雙向儲能變流器（Power Control System，PCS）是電網和電池之間的轉換裝置，可對電池進行充放電。可以把來自于電池的直流電逆變為可并入電網的交流電，還可以把電網的交流電整流為可充入電池的直流電。雙向儲能變流器可用于并網模式或離網模式。并網模式中，實現電網和電池組雙向轉換，在電網負荷低谷期給電池組充電，在電網負荷高峰期回饋電網。在離網模式中，在電網失電或處于獨立系統時，處于放電狀態，給用戶負荷供電。

3.3 靜態切換開關

靜態切換開關（Static Transfer Switch，STS）是一種先進的快速切換開關，主要用于在2路電源之間進行無間斷切換[5]。在主電源正常工作時，負載一直由主電源供電。如主電源發生故障，則負載自動切換到備用電源，主電源恢復正常后，負載自動切換到主電源。

STS靜態切換開關的功率組件是由可控硅整流器（Silicon Controlled Rectifier，SCR）組成，SCR的通斷速度快并且不會產生大電流中的拉弧現象，其接通效果好。

相對于常用的ATS轉換開關，STS靜態切換開關的最大不同處在于切換時間快。STS靜態切換開關最快可實現在10 ms內負載供電電源的轉換。ATS轉換開關要200 ms以上才能轉換到另一路電源上，會造成負載斷電。

根據本作業方案的要求，可選配STS開關作為模塊和PCS結合，組成1個獨立的柜體結構。實現在市電掉電后，在并網和離網模式之間快速切換，快速切換至儲能獨立供電，切換時間小于20 ms。同樣的，當市電恢復后切換時間亦小于20 ms。

2次切換，用戶負載側都實現了停電零感知。

3.4 高壓充電模塊

根據對PCS和STS的研究，通過儲能系統（鋰電池和PCS）和STS并離網切換的組合，能實現從市電側切換至電池組系統供電的時間不超20 ms，并能夠保證在一定時間內的孤網運行。但電池組限于容量不能長時間離網運行供電，如在電池組放電到設定的最低值之前，市電側搶修未完成，無法恢復供電并零感知切換，則需在電池組繼續放電的同時，應配置有充電裝置，選擇柴油發電車作為移動電源無縫接入后，實現電池組邊充邊放，從而形成長時間不間斷供電。

在常規使用中，單臺PCS的充電和放電在某一時段是單向的，即充電和放電不能同時進行。因PCS造價較高，且需設計成柜體制式，柜體結構尺寸較大。如設計2臺PCS柜和鋰電池柜組合形成一邊充電一邊放電，理論上可行且已有少量應用，但經濟性較差，且整體規格尺寸和重量過大，不利于移動式應用。

因此，研究一種高壓充電模塊，體積小、模塊化，能和鋰電池組合在一起，實現性價比高的單向（AC轉DC）充電方案。

電源模塊的基本工作原理是將380 V三相交流電輸入，經過電磁干擾（Electromagnetic Interference，EMI）濾波及功率因數校正（Power Factor Correction，PFC）對輸入電流進行校正，再經過隔離型DC/DC變換器，輸出穩定可控的電壓電流，如圖1所示。電源模塊參數如表2所示。

表2 電源模塊參數

圖1 電源模塊工作原理圖

3.5 快速插接裝置

保供電現場接入操作需要簡單可靠，經過調研，目前廣泛使用的一種大電流快速插頭和插座能實現快速連接的目的。

本作業方案中設計3組，1組用于接市電，1組用于接柴油發電機，1組用于接負載。如市電側需改造快速插接箱，則插頭和插座根據實際需要設計。使用效果如圖2所示。

圖2 保供電現場接入操作使用效果

4 移動式重要場合停電零感知不間斷保供電作業方案

4.1 作業方案概述

移動式重要場合停電零感知不間斷保供電作業方法能滿足重大場合的高可靠性保電要求。本作業方案的裝置以儲能系統+并離網切換為核心設備，并且通過高壓充電模塊與柴油發電機相結合，實現在用戶負載側停電零感知的情況下，儲能和發電機等外部備用電源和市電不間斷切換和長時間供電。

為提高適用性和經濟性，本方案以全掛式車廂為載體，能轉場各個場合實現移動式應用。與外部連接采用大電流快速插頭和插座連接方式。內部空間能夠容納并離網切換和雙向隔離型PCS柜、電池柜（含高壓充電模塊）和電池系統。作業邏輯圖如圖3所示。

圖3 作業邏輯圖

4.2 作業步驟

圖3虛線框范圍內為1套車廂式裝置（移動式停電零感知不間斷保障車），已固化設計，需要保障時移動至保供電現場，保供電作業無須額外增加其他設備。

現場作業按以下步驟進行。

（1）保障前市電、負載、發電車提前連接，如圖3所示。合上保障車內2號開關后，將配電柜內市電和負載連接的出線開關（1號開關）分斷。

（2）保障期間，如市電正常，則負載一直由市電供電，PCS和鋰電熱備用。

（3）如市電意外故障掉電，則裝置在20 ms內自動切換至鋰電，此過程負載停電零感知，鋰電可保證100 kW阻性負載（高電能質量精密設備除外）1個小時持續供電，如1個小時內市電恢復，則市電正常送電后裝置20 ms內自動切換至市電，此過程同樣停電零感知。

（4）如市電搶修等待時間超過1 h，在鋰電設定的最低值之前發電車手動送電，裝置可自動使發電車成功并網送電，此過程負載停電零感知。市電維修完畢后，將發電車停止供電，然后市電正常送電，裝置在20 ms內切換至市電供電，而負載停電零感知。

（5）保障完畢后，合上1號開關，分斷2號開關，拆除外部接線。

5 結 論

本文研究重要場合市電突發停電后高可靠性保電的技術方案。根據這類保供電工作的目標和難點，深入研究了各類技術裝備，提出了完善的作業方案。下一步將在作業方案研究的基礎上，進行實際轉化，盡快應用到今后的重要場合保供電工作中去。