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(xué)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(yīng)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(yīng)急電源車在不同供電保障場景的應(yīng)用情況進(jìn)行詳細(xì)的測試研究。測試結(jié)果表明，移動式應(yīng)急電源車運行性能良好，保障了重要負(fù)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(yīng)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(yīng)急供電保障方案的制定提供參考，具有較強(qiáng)的現(xiàn)實意義。
關(guān)鍵詞： 移動式應(yīng)急電源車；飛輪儲能；固態(tài)切換開關(guān)；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(yīng)單位，在國家重大政治、經(jīng)濟(jì)、文化活動中承擔(dān)著極為重要的政治供電保障任務(wù)。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(cè)設(shè)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(yán)重影響用戶側(cè)用電負(fù)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(jié)構(gòu)和提高運維管理水平；另一方面北京公司配置了多種先進(jìn)的移動式應(yīng)急電源車，如：移動式飛輪儲能應(yīng)急電源車（簡稱飛輪儲能電源車）、移動式固態(tài)切換開關(guān)應(yīng)急電源車（固態(tài)切換開關(guān)，Solid State Transfer Switch，SSTS，簡稱SSTS電源車）以及移動式電池儲能應(yīng)急電源車（簡稱電池儲能電源車）等。移動式應(yīng)急電源車具有輸出功率大、機(jī)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(rèn)可。
1 移動式應(yīng)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(zhuǎn)換為內(nèi)部直流。內(nèi)部直流負(fù)責(zé)對飛輪儲能進(jìn)行旋轉(zhuǎn)儲能，同時為逆變器供電。逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為高質(zhì)量的交流電，并輸出到負(fù)載。采用3路電源輸入（市電1#、市電2#、柴油發(fā)電機(jī)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(jī)組。
當(dāng)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(fù)載提供優(yōu)質(zhì)交流電，與此同時柴油發(fā)電機(jī)組在6～8 s內(nèi)完成啟動，并輸送電能至整流器。當(dāng)輸入市電恢復(fù)正常時，柴油發(fā)電機(jī)組繼續(xù)運行一段時間（如20 s）才停機(jī)。柴油發(fā)電機(jī)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(guān)PS1、PS2和PS3，反并聯(lián)晶閘管開關(guān)TS1、TS2和TS3，以及電力開關(guān)Q1、Q2、Q3和Q4等組成。正常運行時，電源Ⅰ路給負(fù)載一供電，電源Ⅱ路給負(fù)載二供電，即兩個負(fù)載由兩個獨立電源供電，此時PS1和PS2閉合。當(dāng)電源Ⅰ路發(fā)生電壓暫降，并且暫降幅值超過負(fù)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(guān)斷，同時觸發(fā)TS1導(dǎo)通，電流立即轉(zhuǎn)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(dǎo)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(guān)斷。隨后觸發(fā)另一側(cè)的晶閘管開關(guān)TS3導(dǎo)通，電源Ⅱ路開始給負(fù)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(dǎo)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(dāng)SSTS需要維護(hù)時，通過電力開關(guān)Q3或者Q4來給負(fù)載一或負(fù)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(gòu)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(zhuǎn)換開關(guān)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(bǔ)償技術(shù)的充電器，延長電池使用壽命。逆變器采用IGBT功率開關(guān)器件及脈寬調(diào)制技術(shù)，將直流母線電壓變換回交流電壓，輸出至負(fù)荷。
在正常運行時，整流器和逆變器同時工作，給負(fù)荷供電的同時對電池組進(jìn)行浮充電。當(dāng)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(fù)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(fù)正常，雙變換UPS系統(tǒng)將關(guān)機(jī)。電池放電終止電壓預(yù)先設(shè)定，對于380 VAC供電系統(tǒng)，電池放電終止電壓設(shè)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(guān)機(jī)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(fù)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(yīng)急電源車在供電保障中的應(yīng)用
2.1 飛輪儲能電源車應(yīng)用
某供電保障場所，需要保障的重要負(fù)荷有金屬鹵化燈、音響、電子投票器等。通過現(xiàn)場負(fù)荷梳理和重新分配，將重要負(fù)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(zhuǎn)換開關(guān)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(yīng)情況。測試采用多通道同步采集裝置，取自動轉(zhuǎn)換開關(guān)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(fù)正?！，F(xiàn)場值守人員未發(fā)現(xiàn)所保障的負(fù)荷異常工作或停機(jī)。測試結(jié)果表明飛輪儲能電源車運行狀態(tài)良好，可保障所帶負(fù)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(fù)荷多為單相負(fù)荷，且分散接在不同相上，每相負(fù)荷數(shù)量、容量均不相同，現(xiàn)場不易將這些負(fù)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(fù)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(quán)并允許，電力公司將移動式SSTS應(yīng)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(yīng)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(yīng)急電源車輸出響應(yīng)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(guān)處A相電流（IA3）、402開關(guān)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(fù)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(fù)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(fù)荷異常工作或停機(jī)。測試結(jié)果表明SSTS電源車運行狀態(tài)良好，可保障所帶負(fù)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(yīng)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(zhuǎn)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(yīng)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(jié)果表明電池儲能電源車運行狀態(tài)良好，可保障所帶負(fù)荷零間斷運行。
3 結(jié)論
北京公司通過配置先進(jìn)的移動式應(yīng)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(fù)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(yīng)急電源車在不同應(yīng)用場合的應(yīng)用效果進(jìn)行詳細(xì)的測試，測試結(jié)果表明移動式應(yīng)急電源車運行性能良好，有力保障了重要負(fù)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(yīng)急電源車，還可為后續(xù)同類型應(yīng)急裝備購置提供技術(shù)數(shù)據(jù)參考。
參考文獻(xiàn)
[1] 劉志良.固態(tài)切換開關(guān)SSTS在化工企業(yè)供配電系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電力科學(xué)與工程，2011，27(4)：68-71.
[2] TAKEDA M，JOCHI S.Development of advanced solid-statetransfer switch using novel hybrid switch devices[C].Sixth International Conference on Advances in Power System Control，Operation and Management，Hong Kong，China，2003.
[3] Cheng Potai，Chen Yu hsing.An in-rush current sup-pression technique for the solid-state transfer switch system[C]. Power Conversion Conference，Nagoya，Japan，2007.