基于磷酸铁锂电池储能的应急电源集成应用研究
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第４０卷第６期 ２０１７年１２月 广西电力 ＧＵＡＮＧＸＩ ＥＬＥＣＴＲＩＣ ＰＯＷＥＲ Ｖｏ１．４０ ＮＯ．６
Ｄｅｃ．２０ｌ７
基于磷酸铁锂电池储能的 应急电源集成应用研究
杨艺云 ，林小峰 （１．广西大学电气工程学院，广西南宁５３０００４；２．广西电网有限责任公司电力科学研究院，广西南宁５３００２３）
摘要：针对一种基于磷酸铁锂电池的应急电源系统，介绍其基本结构和智能化一体化监控系统，并对其电气原理及工作模 式进行了探讨。最后，结合现场实际需求，对应急电源系统不间断供电工作模式切换、动态电压瞬变响应等主要工作性能进行 了测试，测试结果表明，该应急电源整体性能优良，可以满足现场应用要求。 关键词：磷酸铁锂电池；应急电源；性能测试 中图分类号：ＴＮ８６ 文献标志码：Ｂ文章编号：１６７１—８３８０（２０１７）０６—００６０—０５
Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ａｐｐｌｉｅｄ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ Ｅｎｅｒｇｙ。・。ｓｔｏｒｉｎｇ ｅｍｅｒｇｅｎｃｙ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ｖｅｈｉｃｌｅｓ Ｂａｓｅ ｏｎ Ｌｉｔｈｉｕｍ ｉｒｏｎ ｐｈｏｓｐｈａｔｅ ｂａｔｔｅｒｙ
ＹＡＮＧ Ｙｉｙｕｎ ，－．ＬＩＮ Ｘｉａｏｆｅｎｇ （１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｇｕａｎｇｘｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｇｕａｎｇｘｉ Ｎａｎｎｉｎｇ ５３０００４，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｐｏｗｅｒ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｇｕａｎｇｘｉ Ｐｏｗｅｒ Ｇｒｉｄ Ｃｏ．，Ｌｔｄ．，Ｇｕａｎｇｘｉ Ｎａｎｎｉｎｇ ５３００２３，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａｉｍｉｎｇ ａｔ ａｎ ｅｍｅｒｇｅｎｃｙ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｅｎｅｒｇｙ ｓｔｏｒａｇｅ ｏｆ ｌｉｔｈｉｕｍ ｉｒｏｎ ｐｈｏｓｐｈａｔｅ ｂａｔｔｅｒｙ，ｉｔｓ ｂａｓｉｃ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ａｎｄ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ａｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ，ａｎｄ ｉｔｓ ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ａｎｄ ｗｏｒｋｉｎｇ ｍｏｄｅ ａｒｅ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ． Ｆｉｎａｌｌｙ，ｃｏｍｂｉｎｉｎｇ ｗｉｔｈ ａｃｔｕａｌ ｄｅｍａｎｄ ｉｎ ｆｉｅｌｄ，ｍａｉｎ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｅｍｅｒｇｅｎｃｙ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ｓｙｓｔｅｍ ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｔｈｅ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｏｆ ｕｎｉｎｔｅｒｒｕｐｔｅｄ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ｍｏｄｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｄｙｎａｍｉｃ ｖｏｌｔａｇｅ ｔｒａｎｓｉｅｎｔ ｒｅｓｐｏｎｓｅ ａｒｅ ｔｅｓｔｅｄ．Ｔｅｓｔ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｏｖｅｒａｌｌ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｅｍｅｒｇｅｎｃｙ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ｖｅｈｉｃｌｅ ｉｓ ｅｘｃｅｌｌｅｎｔ ｗｈｉｃｈ ｃａｎ ｓａｔｉｓｆｉｅｓ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｆｉｅｌｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｌｉｔｈｉｕｍ ｉｒｏｎ ｐｈｏｓｐｈａｔｅ ｂａｔｔｅｒｙ；ｅｍｅｒｇｅｎｃｙ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ；ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｔｅｓｔｉｎｇ
近年来，应急电源车由于具有不受地域限制、 便于快速部署、能够提供一定时间的应急供电等特 点，得到了供电、矿业、通信等部门的青睐，广泛应 用于重要的保供电场所中 。但传统应急电源存 在操作过程繁琐、智能化程度低、工作模式单一等 问题。随着微处理器在应急电源上的应用越来越 广泛，应急电源智能化技术水平得到提升，主要体 现在系统运行状态自动识别和控制、系统故障自诊 断、蓄电池自动检测与管理、信息检测和通信等方 面。智能化技术水平的提升有效解决了传统应急 电源存在的问题，提高了应急电源的可靠性，也适 应了市场要求。 收稿１３期：２０１７—１０—０９；修回日期：２０１７—１０—２６ 本文介绍了一种基于磷酸铁锂电池储能的１００ ｋＶＡ应急电源系统的主要结构特征以及智能式一 体化结构，并对应急电源系统工作原理进行详细阐 述，最后通过实际测试验证了系统性能状况。
１ 应急电源系统结构 应急电源系统基本部件包括磷酸铁锂电池组、 充电机、整流器、逆变器、静态切换开关、交直流配 电单元、防雷保护接地设备以及智能式一体化可视 监控系统等。所有电力设备和电气装置均纳入可 视监控系统的监测和控制之中，工作状态受控，并 且对电源系统的工作模式达到“一键操作”的便捷 第４０卷第６期 广西电力 ６Ｉ 程度，实现全智能化管理。 １．１ 应急电源结构设计 应急电源系统集成于车厢内部，与车辆集成后 可灵活部署于重要保供电场所中。应急电源整体 效果如图ｌ所示，主要由７部分组成。
图１ 应急电源的整体效果图 （１）磷酸铁锂电池：共２４０只单体电芯１２５ Ａｈ／ ３．２ Ｖ，先２只并构成ｌ串２５０ Ａｈ组合电池，再由１２０ 串组合电池串联成组，构成直流母线３８４ Ｖ／９６ ｋＷｈ 的后备电源； （２）充电机：恒流恒压４５０ Ｖ／３０ Ａ； （３）整流器：可控硅６脉冲整流单元； （４）逆变器：额定容量１００ ｋＶＡ； （５）静态切换开关； （６）智能式一体化可视监控系统； （７）交直流配电单元、接口以及其他设备、辅助 设施等。
１．２智能式一体化监控系统 为了实现移动应急电源系统智能化、可视化和
一体化，需要将车内所有弱电系统、强电系统和显 示控制部分纳入统一的可视化操控界面中进行高 效科学的系统集成和管理。为此，设计了一整套智 能式一体化监测系统（以下简称“智能监控系统”）， 该系统主要包含可视化人机界面、智能操作机构、 上位机软件、电池管理系统、电力测控装置、直流母 线绝缘监测模块、无线测温模块、智能充电管理、电 动汽车充电接口协议等。其原理结构如图２所示。
２应急电源工作原理
２．１ 系统电气原理 应急电源系统电气拓扑原理框图如图３所示， 输入采用市电电网供电，并兼容柴油发电机接口。 若现场备有柴油发电机，市电和柴油发电机输出接 入到自动转换开关，实现两路电源二选一的作用。 在市电正常时，由市电作为主路电源进入到配电 柜，通过内部转换后为负载供电；在市电断电或供 电质量超出规定范围时，自动转换开关发出发电机 启动命令，转换到由柴油发电机供电。 电源系统内部供电方式为工频双变换纯在线 模式，外部交流电能通过整流逆变后给负载供电， 备用电池组处于待命状态；在外部电源故障或切换 过程中，由备用电池组逆变输出，实现负载供电的 不问断。
２．２运行模式 应急电源系统内部共有７种运行模式。 （１）市电模式 电源系统常用工作模式：采用市电经整流、逆 变后优先供电。当市电输入每相电压为１６５～２７５ Ｖ
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Ｎ０５ 图２应急电源智能监控系统连接示意图 杨艺云，等：基于磷酸铁锂电池储能的应急电源集成应用研究 维修旁路开关 Ｋ。 静态开关
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， Ｌ—．＿１塑堂竺 茎墨Ｊ 充电 图３应急电源系统电气拓扑图
（即电网波动≤±２５％）时，市电通过整流开关、整流 器、逆变器、静态开关对负载提供高品质电能。 （２）旁路模式 当输出过载或逆变单元内部出现故障，导致不 能正常工作时，市电经旁路开关和静态开关直接对 负载供电，电源系统工作在旁路模式。故障消失 后，又会自动切换回市电模式。在旁路模式下，如 果市电异常，电源系统会切换到电池模式，由电池 逆变后对负载供电。 （３）电池模式 当市电掉电或波动范围超出了正常范围，如市 电任意一相电压低于１６５ Ｖ或高于２７５ Ｖ，整流器关 闭，备用电池组所储存的能量经逆变器、静态开关 对负载放电，电源系统工作在电池模式。 （４）手动维修旁路模式 当电源系统需要进行不断电在线维修时，先关 掉逆变器，使电源系统切换到旁路模式，再用螺丝 刀拧开保险卡座，直接合上手动维修旁路开关，断 开输出开关、整流开关、电池开关和市电旁路开关， 这样就将逆变器和静态开关电路部分与输人、输出 完全隔离而不会中断用户的输出。 （５）快充电模式 在应急抢险或紧急任务中，需要对备用电池组 快速充电时，可将电源车开往附近的电动汽车充电 站，利用充电站的直流充电桩为电池快速充电。电 源车带有ＣＡＮ总线标准接口，可与直流充电桩实时 通信，在线设置充电参数，监测充电过程。 （６）智能充电模式 锂电池存在自放电现象，且锂电池在使用过程 中会因老化而导致内阻增加，容量不一致性增大， 因此需要定期对锂电池组进行充电维护。根据电 池实际情况，采用恒压充电、恒流充电、恒压限流充 Ｉ Ｏ．ＵＴ 竺馨 涌保护器 电、恒流分段充电、间断式充电等多种模式进行智 能充电管理。 （７）静置模式 在应急电源系统处于非工作状态，即静置储存 时，内部所有电气开关处于断开位置，所有电子电 气设备处于停机状态，整个电源系统是零功耗存 放。
３主要性能集成应用测试 应急电源系统采用了整流与逆变两级变换电 路，将电网电源转换为质量较高的交流电源，此外 还具备了旁路转换功能与锂电池后备供电功能，使 得供电可靠性大为提高。为考核该系统不问断供 电可靠性及其智能化水平，对储能式应急电源车的 不间断供电性能以及电池响应水平进行了测试。
３．１ 不间断供电工作模式的切换测试 市电输入由可编程电源开关提供三相四线制 交流电，可任意设置输入电压值，以便模拟不同的 切换情况；系统直流输入由磷酸铁锂电池组提供； 系统交流输出接到三相可调纯阻性负载。本次测 试设置交流输入电压为额定电压ＡＣ３８０ Ｖ，频率５０ Ｈｚ，三相阻性负载８０ ｋ ，电池标称电压为ＤＣ３８４ Ｖ。利用示波器测试市电整流逆变与电池逆变切换 的不间断过程。接线原理图如图４所示。
图４测试接线原理图
