錢葉牛1，汪劍波2，孫 健1，劉志紅3
(1.國網(wǎng)北京市電力公司電力科學研究院，北京100075；2.國網(wǎng)北京市電力公司通州供電公司，北京101100；3.國網(wǎng)北京市電力公司豐臺供電公司，北京100071)
摘 要： 首先闡述了國網(wǎng)北京市電力公司現(xiàn)有的三種移動式應急電源車工作原理，然后利用多通道同步采集裝置對移動式應急電源車在不同供電保障場景的應用情況進行詳細的測試研究。測試結果表明，移動式應急電源車運行性能良好，保障了重要負荷供電的連續(xù)性，滿足了重要用戶特殊時期苛刻的供電保障需求，降低了用戶投訴。移動式應急電源車接入系統(tǒng)方案和測試數(shù)據(jù)可為其他重要用戶應急供電保障方案的制定提供參考，具有較強的現(xiàn)實意義。
關鍵詞： 移動式應急電源車；飛輪儲能；固態(tài)切換開關；電池儲能
0 引言
國網(wǎng)北京市電力公司（簡稱北京公司）作為北京地區(qū)電力供應單位，在國家重大政治、經(jīng)濟、文化活動中承擔著極為重要的政治供電保障任務。但受城市供電電網(wǎng)自身特性限制，北京公司也同樣面臨著電網(wǎng)側設備故障或外力破壞等因素引發(fā)短時供電中斷或電壓暫降問題。這些問題嚴重影響用戶側用電負荷安全穩(wěn)定運行，尤其在重要用戶重大活動期間，會對整個活動造成不可估量的影響。為了解決這個問題，一方面北京公司逐年加大電網(wǎng)投資力度，不斷完善電網(wǎng)網(wǎng)架結構和提高運維管理水平；另一方面北京公司配置了多種先進的移動式應急電源車，如：移動式飛輪儲能應急電源車（簡稱飛輪儲能電源車）、移動式固態(tài)切換開關應急電源車（固態(tài)切換開關，Solid State Transfer Switch，SSTS，簡稱SSTS電源車）以及移動式電池儲能應急電源車（簡稱電池儲能電源車）等。移動式應急電源車具有輸出功率大、機動性能好、操作簡單、功能多樣等優(yōu)點，成為北京電網(wǎng)不可或缺的電力保障裝備，被廣大用戶普遍認可。
1 移動式應急電源車工作原理
1.1 飛輪儲能電源車工作原理
圖1為飛輪儲能電源車工作原理圖。輸入市電（市電1#或市電2#）正常時，市電經(jīng)過整流器將交流電轉換為內(nèi)部直流。內(nèi)部直流負責對飛輪儲能進行旋轉儲能，同時為逆變器供電。逆變器將直流電轉換為高質量的交流電，并輸出到負載。采用3路電源輸入（市電1#、市電2#、柴油發(fā)電機組）的多重冗余方式，最大程度地增加供電可靠性，其中優(yōu)先級為市電#1>市電#2>柴油發(fā)電機組。
當輸入市電發(fā)生故障時，飛輪儲能釋放電能，為逆變器提供直流，使逆變器能持續(xù)向負載提供優(yōu)質交流電，與此同時柴油發(fā)電機組在6～8 s內(nèi)完成啟動，并輸送電能至整流器。當輸入市電恢復正常時，柴油發(fā)電機組繼續(xù)運行一段時間（如20 s）才停機。柴油發(fā)電機組配備有燃料油箱，在市電完全失去的情況下，能至少連續(xù)穩(wěn)定運行8 h。
北京公司250 kVA飛輪儲能電源車內(nèi)部布局如圖2所示。
1.2 SSTS電源車工作原理
圖3為SSTS電源車工作原理圖。SSTS主要由并聯(lián)快速開關PS1、PS2和PS3，反并聯(lián)晶閘管開關TS1、TS2和TS3，以及電力開關Q1、Q2、Q3和Q4等組成。正常運行時，電源Ⅰ路給負載一供電，電源Ⅱ路給負載二供電，即兩個負載由兩個獨立電源供電，此時PS1和PS2閉合。當電源Ⅰ路發(fā)生電壓暫降，并且暫降幅值超過負載一正常運行所能承受的限值時，SSTS控制系統(tǒng)發(fā)出動作指令，PS1關斷，同時觸發(fā)TS1導通，電流立即轉移到晶閘管上，在PS1打開時，幾乎不會有電弧，即使有也會因為晶閘管的導通而迅速熄滅。然后撤銷TS1的觸發(fā)信號，晶閘管將在此后電流第一次過零時關斷。隨后觸發(fā)另一側的晶閘管開關TS3導通，電源Ⅱ路開始給負載一供電。此時，實際上己經(jīng)完成了切換。待經(jīng)過一段時間穩(wěn)定后，控制系統(tǒng)再發(fā)出閉合PS3的命令，此時晶閘管TS3還在導通，兩端壓降接近于零，閉合PS3不會產(chǎn)生電弧，然后撤銷TS3的觸發(fā)信號完成整個切換過程。當SSTS需要維護時，通過電力開關Q3或者Q4來給負載一或負載二不間斷供電[1-3]。
北京公司1500A SSTS電源車內(nèi)部布局如圖4所示。
1.3 電池儲能電源車工作原理
圖5為電池儲能電源車工作原理圖。其核心是雙變換UPS系統(tǒng)和后備電池組。雙變換UPS系統(tǒng)由整流器和逆變器構成。整流器由6脈沖或12脈沖全控橋組成，其作用是將自動轉換開關輸出的380 V交流電整流為430 V直流電。整流器采用斜坡啟動，直流母線電壓在10 s內(nèi)由0 V升高至430 V，對電網(wǎng)沖擊較小。直流母線電壓同時為后備電池組充電和逆變器供電。電池充電采用帶溫度補償技術的充電器，延長電池使用壽命。逆變器采用IGBT功率開關器件及脈寬調制技術，將直流母線電壓變換回交流電壓，輸出至負荷。
在正常運行時，整流器和逆變器同時工作，給負荷供電的同時對電池組進行浮充電。當輸入電源（電源1#、電源2#）異常時，整流器停止工作，由電池組經(jīng)逆變器向負荷供電；若電池組電壓下降到放電終止電壓，而市電還未恢復正常，雙變換UPS系統(tǒng)將關機。電池放電終止電壓預先設定，對于380 VAC供電系統(tǒng)，電池放電終止電壓設置為330 VDC。輸入電源異常，電池組維持雙變換UPS系統(tǒng)繼續(xù)工作，直至電池電壓降到電池放電終止電壓而關機的時間稱為后備時間。后備時間的長短取決于電池的容量和所帶負載的大小?？紤]到電池儲能電源車重量、操控性等諸多因素的限制，北京公司300 kVA電池儲能電源車后備時間為15 min左右，電源車內(nèi)部布局如圖6所示。
2 移動式應急電源車在供電保障中的應用
2.1 飛輪儲能電源車應用
某供電保障場所，需要保障的重要負荷有金屬鹵化燈、音響、電子投票器等。通過現(xiàn)場負荷梳理和重新分配，將重要負荷分配至飛輪儲能電源車輸出處，如圖7所示。為了掌握飛輪儲能電源車運行情況，做如下測試：將自動轉換開關1#輸出斷開，模擬市電1#和市電2#完全失去，觀察飛輪儲能電源車輸出響應情況。測試采用多通道同步采集裝置，取自動轉換開關1#輸出處三相電壓UA1、UB1、UC1以及飛輪儲能電源車輸出處三相電壓UA2、UB2、UC2為測量量。測試波形如圖8～圖10所示。
從測試波形可以看出：飛輪儲能電源車A、B、C三相輸出電壓在市電斷開瞬間有2.51 ms的異常，而后恢復正?！，F(xiàn)場值守人員未發(fā)現(xiàn)所保障的負荷異常工作或停機。測試結果表明飛輪儲能電源車運行狀態(tài)良好，可保障所帶負荷不間斷運行。
2.2 SSTS電源車
某重要用戶供電保障場所，所需保障的重要負荷多為單相負荷，且分散接在不同相上，每相負荷數(shù)量、容量均不相同，現(xiàn)場不易將這些負荷梳理出來。用戶提出供電保障期間供電電源電壓暫降或短時中斷時間不超過50 ms，否則會引起部分負荷異常影工作，造成重大政治影響。綜合考慮用戶現(xiàn)場情況和實際需求，經(jīng)用戶委托、授權并允許，電力公司將移動式SSTS應急電源車直接串入用戶低壓配電系統(tǒng)，如圖11所示。為了掌握移動式SSTS應急電源車運行情況，做如下測試：將電源Ⅰ路斷開，模擬Ⅰ路電源完全失去；將電源Ⅱ路斷開，模擬Ⅱ路電源完全失去。觀察這兩種情況下，移動式SSTS應急電源車輸出響應情況。測試采用多通道同步采集裝置，取電源Ⅰ路A相電壓和電流（UA1、IA1）、電源Ⅱ路A相電壓和電流（UA2、IA2）、401開關處A相電流（IA3）、402開關處A相電流（IA4）為測量量。測試波形如圖12～圖13所示。
從測試波形可以看出：SSTS電源車在電源Ⅰ路切換至電源Ⅱ路過程中輸出電壓有2.04 ms的異常，而后恢復正常；在電源Ⅱ路切換至電源Ⅰ路過程中輸出電壓有2.42 ms的異常，而后恢復正常。在兩次切換過程中現(xiàn)場值守人員均未發(fā)現(xiàn)所保障的負荷異常工作或停機。測試結果表明SSTS電源車運行狀態(tài)良好，可保障所帶負荷不間斷運行。
2.3 電池儲能電源車
某重大政治活動期間，應某國家級電視臺需求，電力公司出動電池儲能電源車給該電視臺活動現(xiàn)場移動電視轉播車提供零間斷供電電源。為了提高供電可靠性，輸入電源1#取自現(xiàn)場市電電源，輸入電源2#取自柴油發(fā)電車，且處于熱備用狀態(tài)。電池儲能電源車接入系統(tǒng)如圖14所示。為了掌握電池儲能電源車運行情況，做如下測試：將電源1#輸出斷開，模擬電源1#完全失去；將電源2#輸出斷開，模擬電源2#完全失去。觀察這兩種情況下，電池儲能電源車輸出響應情況。測試采用多通道同步采集裝置，取電源1#輸出三相電壓（UA1、UB1、UC1）、電源2#輸出三相電壓（UA2、UB2、UC2）以及電池儲能電源車輸出三相電壓（UA3、UB3、UC3）為測量量。測試波形如圖15～圖20所示。
從測試波形可以看出：電池儲能電源車在電源1#輸出斷開和電源2#輸出斷開兩種情況下輸出電壓波形均未發(fā)生異常。測試結果表明電池儲能電源車運行狀態(tài)良好，可保障所帶負荷零間斷運行。
3 結論
北京公司通過配置先進的移動式應急電源車滿足本地區(qū)重要場所重大政治活動高規(guī)格供電保障需求，實現(xiàn)重要負荷高可靠性、高安全性不間斷供電。本文對北京公司現(xiàn)有的三種移動式應急電源車在不同應用場合的應用效果進行詳細的測試，測試結果表明移動式應急電源車運行性能良好，有力保障了重要負荷連續(xù)穩(wěn)定用電。本文測試數(shù)據(jù)可用來客觀評價不同類型移動式應急電源車，還可為后續(xù)同類型應急裝備購置提供技術數(shù)據(jù)參考。
參考文獻
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