储能和柴油发电机两级应急电源供电策略

何 宇，邢小平，于 帅

应用研究

储能和柴油发电机两级应急电源供电策略

何 宇，邢小平，于 帅

（武汉第二船舶设计研究院，武汉 430064）

本文针对特别重要的负载需要配置应急电源的应用场合，提出了一种含混合储能以及柴油发电机两级应急电源的电源供电系统。该系统具有4种工作状态，阐述了其控制原则，并建立了相应数学模型，完成了系统各状态之间切换控制策略的仿真验证。

双电源供电系统 柴油发电机 储能

0 引言

采用两路电网电源供电的双电源供电系统，在两路电源切换中不可避免存在负载侧断电时间，且如遇到大停电事故，两路电网电源同时断电时，负载将失去供电，造成重大损失。为了解决上述问题，双电源切换装置需要配置有应急电源。

基于上述考虑，为减少切换过程中负载断电时间，进一步提升供电系统可靠性，本文针对交流低压系统，提出一种含有混合储能装置和柴油发电机两级应急电源的双电源供电系统结构。储能装置作为一级应急电源，能够用于消除电源切换过程中断电时间，并用于柴油发电机启动过程中的临时电源。柴油发电机作为二级应急电源，能在电网大停电时，起到持久的应急供电作用。

1 供电系统拓扑结构

含混合储能装置和柴油发电机两级应急电源的双电源供电系统的拓扑结构如图1所示。系统电源包含常用电源、备用电源、混合储能装置、柴油发电机。常用电源和备用电源均是电网电源，分别通过常用电源开关和备用电源开关连接至交流母线。储能装置由混合储能单元经过三相逆变器和储能开关连接至交流母线。柴油发电机通过柴油发电机开关连接至交流母线。

考虑到柴油发电机和混合储能装置的容量有限，为避免柴油发电机和储能装置过载，保证其对负载正常供电，依据负载的重要程度，将负载分为重要负载和不重要负载，其分别通过重要负载开关和不重要负载开关与母线连接。在常用电源或备用电源供电时，不重要负载开关闭合，保证重要负载和不重要负载都能正常供电。在柴油发电机供电时，不重要负载开关断开，保证柴油发电机不过载。

图1 带储能和柴油发电机两级应急电源的供电系统拓扑结构图

2 供电系统控制原则

含混合储能和柴油发电机两级应急电源的双电源供电系统的控制原则如下：

1）禁止常用电源和备用电源并联供电；

2）优先使用电网电源，柴油发电机作为常用电源和备用电源都发生故障时的紧急电源，如常用电源和备用电源有一路正常则不会开启柴油发电机；

3）两路电网电源中优先使用常用电源供电；

4）储能供电系统始终工作，起到改善电能质量和电源切换间隙紧急供电的作用；

5）在柴油发电机应急供电时，需要断开不重要负载以保证柴油发电机对重要负载的正常供电。

在上述控制原则下，系统有4种工作状态：常用电源-储能并联工作状态、备用电源-储能并联工作状态，储能供电工作状态，柴油发电机-储能并联工作状态。各个工作状态之间的切换逻辑如图2所示。图3是系统切换控制流程图，三个子图分别为初始工作状态为常用电源-储能并联的切换控制流程图，初始工作状态为备用电源-储能并联的切换控制流程图和初始工作状态为柴油发电机-储能并联的切换控制流程图。

图2 四个工作状态切换逻辑

3 系统切换策略

3.1 常用电源-储能并联切换到储能单独供电

图4是在常用电源与储能装置并联运行时，常用电源发生故障切换到混合储能单独供电的波形。

在常用电源发生故障前，系统处于常用电源-储能并联工作状态，负载有功功率为4.5 kW，无功功率为1 kVar。混合储能装置工作在并网模式，储能装置输出的三相交流电压与常用电源电压的幅值和相位保持一致，储能装置仅有较小的充电电流。常用电源输出电流等于负载电流和储能装置充电电流之和。常用电源的CA线电压在=0.4 s时发生电压跌落故障，如图4（a）所示。在故障发生后4.2 ms系统检测到常用电源故障，并停止常用电源晶闸管驱动信号。在故障发生后10 ms，检测到常用电源晶闸管完全断开，系统切换到储能装置单独供电工作状态。

在常用电源断开后，储能装置的输出电流增加至等于负载电流，负载完全由储能装置供电。在常用电源故障后，储能装置直流侧电流由接近0 A增加至9 A。锂电池承担输出功率的低频部分，其输出电流谐波较小。超级电容承担输出功率的高频部分，在储能装置功率突增的瞬间，超级电容输出电流出现一个尖峰，进入稳态后，超级电容输出谐波电流。在切换过程中，储能装置直流电压基本没有变化。

图4 常用电源-储能并联切换到储能单独供电波形

3.2 常用电源-储能并联切换到备用电源-储能并联策略

含储能和柴油发电机两级应急电源的双电源供电系统在正常工作时，系统工作在常用电源-储能并联工作状态，储能装置工作在并网模式。常用电源发生故障后，常用电源开关断开，为了缩短负载的断电时间，储能装置在常用电源开关断开后，切换到孤网模式，储能装置单独给负载供电。由于储能装置容量有限，如备用电源正常，需尽快将储能装置与备用电源并联。如此时直接将备用电源与储能装置并联，由于备用电源电压幅值和相角与储能装置有差别，会出现较大的冲击电流。为降低备用电源投入时的冲击，储能装置调整输出电压的相位和幅值至与备用电源一致，随后合闸备用电源开关，储能装置切换至并网模式。系统进入备用电源-储能并联工作状态。

常用电源的电压如式（1）所示：

备用电源的电压如式（2）所示：

常用电源故障断开后，储能装置进入单独供电状态，为减少常用电源断开后对负载的冲击，储能装置输出电压的幅值和相角和常用电源保持一致，所以有式（3）：

备用电源电压幅值为常用电源幅值的1.1倍，且备用电源电压相角落后常用电源电压相角15°。负载有功功率为4.5 kW，无功功率为1 kVar。常用电源在=0.1 s时发生了电压跌落故障，常用电源开关断开，随即储能装置输出电流增加至负载电流，储能装置单独给负载供电。为了减少常用电源故障断开的冲击，储能装置输出电压的幅值和相角与常用电源一致。在=0.3 s时，储能装置直接与备用电源并联。由于储能装置与备用电源并联瞬间，储能装置输出电压与备用电源电压存在一定的幅值差和相角差，负载电压和电流出现了较大的冲击，且储能装置冲击电流峰值达到了210 A。

在储能装置与备用电源并联后，储能装置重新切换到并网运行模式，输出电压的幅值和相角在t=0.305 s时突变至与备用电源一致。可见，储能装置单独给负载供电时，如不调整输出电压幅值和相角，直接与备用电源并联，会给供电系统带来较大的冲击。

为消除储能装置与备用电源并联时刻的冲击，则储能装置输出电压的幅值和相角需要在并联备用电源时调整至与备用电源一致。储能装置单独供电的时间为cn，则储能装置单独供电阶段，其输出电压幅值和相角的变化率如式（4）所示：

图5是储能装置调整幅值和相角后与备用电源并联的波形图。备用电源电压幅值同样为常用电源幅值的1.1倍，且备用电源电压相角同样落后常用电源电压相角15°。常用电源也是在0.1 s时刻发生电压跌落故障，故障发生后，常用电源断开，储能装置单独供电，备用电源在0.3 s时刻与储能装置并联。在0.1 s至0.3 s期间，储能装置输出电压的幅值和相角逐渐变化至与备用电源一致。储能装置与备用电源并联时的冲击电流峰值减小到了20 A，且负载电流电压在并联时刻未发生明显突变，减少了负载受到的冲击。且储能装置单独供电期间，其输出电压的幅值和相角的变化率较小，对负载影响较小。由此可见，在常用电源断开后，调整储能装置输出电压的幅值和相角与备用电源保持一致，可以明显的降低储能装置与备用电源并联时的冲击。

3.3 柴油发电机与储能装置协调控制策略

图6为柴油发电机与储能装置并联运行时的功率分配图，在（0-t1）时间段，系统由常用电源供电，储能装置与常用电源并联，且不输出功率。在t1时刻，常用电源发生故障，且备用电源故障，常用电源开关断开，（t1-t2）时间段，负载仅由储能装置供电，同时柴油发电机空载启动。在t2时刻，柴油发电机启动完成，储能装置与柴油发电机并联。在（t2-t3）时间段，负载功率逐渐由储能装置承担切换为由柴油发电机承担。在（t3-t4）时间段，负载功率完全由柴油发电机承担，储能装置一直和柴油发电机并联。在t4时刻，负载突增，相应的，柴油发电机输出功率增加，由于柴油发电机的加载过程比储能装置的加载过程更长，在柴油发电机的功率未完全提升至负载功率时，储能装置补充输出柴油发电机输出功率和负载功率的差值，处于放电状态。在t5时刻，负载突减，柴油发电机输出功率下降，由于柴油发电机减载需要时间，在柴油发电机的功率未完全降低至负载功率时，储能装置吸收柴油发电机多输出的功率，处于充电状态。

常用电源-储能并联工作状态时，常用电源发生故障，如备用电源也有故障，则系统切换到柴油发电机与储能装置并联的控制策略。切换策略与前述切换到备用电源-储能并联的策略一致。

图6 柴油发电机与储能装置功率分配

柴油发电机与负载并联工作状态负载增减的波形如图7所示。开始时负载功率为0，此时负载侧电压幅值和频率都处于额定值。在2 s时，负载的有功功率增至415 kW，无功功率增至250 kVar。可以看出柴油发电机的转速从额定转速下降至0.93 p.u.，相应的负载侧电压频率下降至0.93 p.u.，且负载侧电压幅值下降至0.9 p.u.。此时负载侧的电压幅值和频率都低于额定值，储能装置开始输出功率。同时柴油发电机开始增加有功功率和无功功率输出。负载侧电压幅值和频率逐渐增至额定值的过程中，储能装置的输出功率功率逐渐减小。在7 s时，负载侧的电压幅值和频率重新回到额定值，此时储能装置的输出功率为零。在8s时，负载的有功功率下降至207 kW，无功功率下降至125 kVar。此时柴油发电机的转速从额定转速上升至1.03 p.u.，相应的负载侧电压频率上升至1.03 p.u.，且负载侧电压幅值上升至1.05 p.u.。此时负载侧电压幅值和频率都高于额定值，储能装置开始吸收功率。同时柴油发电机开始降低有功功率和无功功率输出。负载侧电压幅值和频率逐渐降低至额定值的过程中，储能装置的吸收功率逐渐减小。在11 s时，负载侧电压幅值和频率重新回到额定值，此处储能装置的输出功率恢复至零。在负载波动的过程中，混合储能装置直流侧电压值基本不变。

图7 柴油发电机-储能并联状态负载增减波形

4 小结

本文针对两路电网电源互为备用的供电系统的两路电源同时故障的情况不能对特别重要负载进行供电以及其在切换过程中负载存在短时断电等问题，提出了一种含混合储能以及柴油发电机两级应急电源的供电系统拓扑结构及其协调控制策略，提出了各种工作状态之间互相切换的控制逻辑和具体流程，并进行了仿真计算验证。

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Power Supply Strategy of Dual Two Level Emergency Power Sources Based on Energy Storage And Diesel Generator

He Yu, Xing Xiaoping, Yu Shuai

（Wuhan Second Ship Design and Research Institute, Wuhan 430064,China）

TU85

A

1003-4862（2021）09-0030-05

2021-06-09

何宇（1989-），男，工程师，研究方向：船舶电力系统设计与控制。E-mail：857360213@qq.com