移动式重要场合停电零感知不间断保供电作业方案研究

郑利江，俞剑军，楼智炯

（诸暨市东白电力安装工程有限公司，浙江 诸暨 311800）

0 引 言

随着社会和经济发展，用户对电力部门供电可靠性的要求越来越高。一方面一些重要的场合，如高级别的会议、医院、体育赛事等对供电连续性有着极高的要求，一旦发生突发停电事故,将造成巨大的政治影响和经济损失，因此需要实现突发意外停电下用户停电零感知的电源切换和后续不间断供电。另一方面配网在检修、处理故障等操作时,通常采用应急柴油发电车为移动应急电源来保障，市电突然断电后发电车和电网的无缝切换存在较多困难，同时在绿色环保、节能减排的要求下也需要研究新的移动式高可靠性保供电方案来代替传统的作业[1]。

1 应急保电电源类别和特点

应急保电电源可分为柴油应急发电车和移动储能供电2大类[2]。

柴油发电车作为移动应急电源被普遍使用，但缺点在于启动时间较长，即使是快速启动的柴油发电机，也需要5～30 s，供电电压、频率波动大、效率低，并且造成一定的环境和噪声污染[3]。与之相对的移动储能系统启动迅速，稳定性好、供电电压和频率波动较小，能够限制在1 V/0.1 Hz以内。

近年来储能产业蓬勃发展，储能技术在电力系统中的应用愈加广泛。随着电池技术的不断发展,体积小、重量轻、循环次增长、能量密度高、可大电流快速充放电的锂电池迅速崛起[4]，使移动式电化学储能系统在电力保供电方面的应用得到进一步推广。

2 移动式重要场合停电零感知不间断供电作业的目标和难点

2.1 目 标

近年来，特别重要的、需要进行高可靠性保障的负荷点逐步增多。据不完全统计，浙江省各类重大会议和活动频繁举行，每年仅重要体育赛事就有近200余项。

对这些重要场合的保供电，要满足突发停电时负荷“零闪动”，停电“零感知”的保电刚性需求，需实现以下几点。

（1）移动应急电源和保障装置实现车载等移动式转场应用，能匹配不同的用户负荷场景，适用面广，一次投入能多次应用，提高投入产出比。

（2）因每次保供电都属于临时保障，因此需有简单快速的与负载和电网的连接方案。

（3）电网突发性停电后，应有ms级快速平稳切换，能在20 ms（1个周期）内切换至应急电源，确保用户负载停电零感知。

（4）在成本可控的前提下，不间断供电时间应足够长，需充分保障重要场合活动持续平稳进行。

2.2 难点和问题

要实现上述目标，现阶段存在较多难点和困难。

（1）现阶段主要应用柴油发电车保电，市电停电后投运需要启动时间，无法实现在线供电模式。

（2）选用锂电池组等储能系统做备用电源能解决在线不间断供电问题，但限于储能系统容量和造价，很难做到经济的长时间供电。

（3）常规的技术装置实现市电和应急电源之间切换，如双电源自动切换开关（Automatic Transfer Switch，ATS），切换时间长，实测最短也要200 ms以上。停电超过1个交流周期（20 ms），一部分负载会失电，无法实现真正的全面停电零感知保障。

（4）目前传统的保供电方案，接入负载都采用传统的铜鼻子冷压端子连接方式，连接耗时长，安全和可靠性低，无法实现“即插即用”。

3 高可靠性保供电技术设备研究

根据上述研究和分析，要实现重要场合停电零感知不间断供电作业，首先要将主备用电源由柴油发电车改为锂离子电池组，使作业具备在线模式供电的基础。同时应考虑锂电池组等储能系统供电的成本和时长的平衡，寻求长时间应急供电要求下的几种电源方案的结合。其次应考虑电池组充电和放电的设计，兼顾经济性和移动式应用的规格尺寸的要求。再次应研究ms级切换的开关设备，实现市电掉电后和备用电源在20 ms内平稳切换，确保负载停电零感知。最后应研究保供电接入的接口设计，保证现场作业的快捷和可靠。

3.1 锂离子电池

在本研究中，储能电池作为市电断电后的应急备用电源, 供电安全性能和供电时间长短是关键因素，应选用安全性高、充电时间短、使用寿命长的电池类别。

通过综合比较几种储能电池,考虑本次研究设计的应急电源保障的负载功率较大,因此选择锂离子电池作为本研究的储能电池。表1是几种锂离子电池的性能对比[4]。

表1 锂离子电池不同正极材料的性能对比表

从表1中可以看出，磷酸铁锂电池在安全性、大电流放电特性、循环次数、耐高温等性能指标上有明显优势，适合在负荷波动和供电功率较大的场合下使用。

结合上述研究，我们进一步调研后认为：本作业方案选用系统充电放电电流不大于1C的磷酸铁锂电池，同时电池系统电池管理系统（Battery Management System，BMS）能和作业方案的其他设备配合。

3.2 储能变流器

双向储能变流器（Power Control System，PCS）是电网和电池之间的转换装置，可对电池进行充放电。可以把来自于电池的直流电逆变为可并入电网的交流电，还可以把电网的交流电整流为可充入电池的直流电。双向储能变流器可用于并网模式或离网模式。并网模式中，实现电网和电池组双向转换，在电网负荷低谷期给电池组充电，在电网负荷高峰期回馈电网。在离网模式中，在电网失电或处于独立系统时，处于放电状态，给用户负荷供电。

3.3 静态切换开关

静态切换开关（Static Transfer Switch，STS）是一种先进的快速切换开关，主要用于在2路电源之间进行无间断切换[5]。在主电源正常工作时，负载一直由主电源供电。如主电源发生故障，则负载自动切换到备用电源，主电源恢复正常后，负载自动切换到主电源。

STS静态切换开关的功率组件是由可控硅整流器（Silicon Controlled Rectifier，SCR）组成，SCR的通断速度快并且不会产生大电流中的拉弧现象，其接通效果好。

相对于常用的ATS转换开关，STS静态切换开关的最大不同处在于切换时间快。STS静态切换开关最快可实现在10 ms内负载供电电源的转换。ATS转换开关要200 ms以上才能转换到另一路电源上，会造成负载断电。

根据本作业方案的要求，可选配STS开关作为模块和PCS结合，组成1个独立的柜体结构。实现在市电掉电后，在并网和离网模式之间快速切换，快速切换至储能独立供电，切换时间小于20 ms。同样的，当市电恢复后切换时间亦小于20 ms。

2次切换，用户负载侧都实现了停电零感知。

3.4 高压充电模块

根据对PCS和STS的研究，通过储能系统（锂电池和PCS）和STS并离网切换的组合，能实现从市电侧切换至电池组系统供电的时间不超20 ms，并能够保证在一定时间内的孤网运行。但电池组限于容量不能长时间离网运行供电，如在电池组放电到设定的最低值之前，市电侧抢修未完成，无法恢复供电并零感知切换，则需在电池组继续放电的同时，应配置有充电装置，选择柴油发电车作为移动电源无缝接入后，实现电池组边充边放，从而形成长时间不间断供电。

在常规使用中，单台PCS的充电和放电在某一时段是单向的，即充电和放电不能同时进行。因PCS造价较高，且需设计成柜体制式，柜体结构尺寸较大。如设计2台PCS柜和锂电池柜组合形成一边充电一边放电，理论上可行且已有少量应用，但经济性较差，且整体规格尺寸和重量过大，不利于移动式应用。

因此，研究一种高压充电模块，体积小、模块化，能和锂电池组合在一起，实现性价比高的单向（AC转DC）充电方案。

电源模块的基本工作原理是将380 V三相交流电输入，经过电磁干扰（Electromagnetic Interference，EMI）滤波及功率因数校正（Power Factor Correction，PFC）对输入电流进行校正，再经过隔离型DC/DC变换器，输出稳定可控的电压电流，如图1所示。电源模块参数如表2所示。

表2 电源模块参数

图1 电源模块工作原理图

3.5 快速插接装置

保供电现场接入操作需要简单可靠，经过调研，目前广泛使用的一种大电流快速插头和插座能实现快速连接的目的。

本作业方案中设计3组，1组用于接市电，1组用于接柴油发电机，1组用于接负载。如市电侧需改造快速插接箱，则插头和插座根据实际需要设计。使用效果如图2所示。

图2 保供电现场接入操作使用效果

4 移动式重要场合停电零感知不间断保供电作业方案

4.1 作业方案概述

移动式重要场合停电零感知不间断保供电作业方法能满足重大场合的高可靠性保电要求。本作业方案的装置以储能系统+并离网切换为核心设备，并且通过高压充电模块与柴油发电机相结合，实现在用户负载侧停电零感知的情况下，储能和发电机等外部备用电源和市电不间断切换和长时间供电。

为提高适用性和经济性，本方案以全挂式车厢为载体，能转场各个场合实现移动式应用。与外部连接采用大电流快速插头和插座连接方式。内部空间能够容纳并离网切换和双向隔离型PCS柜、电池柜（含高压充电模块）和电池系统。作业逻辑图如图3所示。

图3 作业逻辑图

4.2 作业步骤

图3虚线框范围内为1套车厢式装置（移动式停电零感知不间断保障车），已固化设计，需要保障时移动至保供电现场，保供电作业无须额外增加其他设备。

现场作业按以下步骤进行。

（1）保障前市电、负载、发电车提前连接，如图3所示。合上保障车内2号开关后，将配电柜内市电和负载连接的出线开关（1号开关）分断。

（2）保障期间，如市电正常，则负载一直由市电供电，PCS和锂电热备用。

（3）如市电意外故障掉电，则装置在20 ms内自动切换至锂电，此过程负载停电零感知，锂电可保证100 kW阻性负载（高电能质量精密设备除外）1个小时持续供电，如1个小时内市电恢复，则市电正常送电后装置20 ms内自动切换至市电，此过程同样停电零感知。

（4）如市电抢修等待时间超过1 h，在锂电设定的最低值之前发电车手动送电，装置可自动使发电车成功并网送电，此过程负载停电零感知。市电维修完毕后，将发电车停止供电，然后市电正常送电，装置在20 ms内切换至市电供电，而负载停电零感知。

（5）保障完毕后，合上1号开关，分断2号开关，拆除外部接线。

5 结 论

本文研究重要场合市电突发停电后高可靠性保电的技术方案。根据这类保供电工作的目标和难点，深入研究了各类技术装备，提出了完善的作业方案。下一步将在作业方案研究的基础上，进行实际转化，尽快应用到今后的重要场合保供电工作中去。