钱叶牛1，汪剑波2，孙 健1，刘志红3
(1.国网北京市电力公司电力科学研究院，北京100075；2.国网北京市电力公司通州供电公司，北京101100；3.国网北京市电力公司丰台供电公司，北京100071)
摘 要： 首先阐述了国网北京市电力公司现有的三种移动式应急电源车工作原理，然后利用多通道同步采集装置对移动式应急电源车在不同供电保障场景的应用情况进行详细的测试研究。测试结果表明，移动式应急电源车运行性能良好，保障了重要负荷供电的连续性，满足了重要用户特殊时期苛刻的供电保障需求，降低了用户投诉。移动式应急电源车接入系统方案和测试数据可为其他重要用户应急供电保障方案的制定提供参考，具有较强的现实意义。
关键词： 移动式应急电源车；飞轮储能；固态切换开关；电池储能
0 引言
国网北京市电力公司（简称北京公司）作为北京地区电力供应单位，在国家重大政治、经济、文化活动中承担着极为重要的政治供电保障任务。但受城市供电电网自身特性限制，北京公司也同样面临着电网侧设备故障或外力破坏等因素引发短时供电中断或电压暂降问题。这些问题严重影响用户侧用电负荷安全稳定运行，尤其在重要用户重大活动期间，会对整个活动造成不可估量的影响。为了解决这个问题，一方面北京公司逐年加大电网投资力度，不断完善电网网架结构和提高运维管理水平；另一方面北京公司配置了多种先进的移动式应急电源车，如：移动式飞轮储能应急电源车（简称飞轮储能电源车）、移动式固态切换开关应急电源车（固态切换开关，Solid State Transfer Switch，SSTS，简称SSTS电源车）以及移动式电池储能应急电源车（简称电池储能电源车）等。移动式应急电源车具有输出功率大、机动性能好、操作简单、功能多样等优点，成为北京电网不可或缺的电力保障装备，被广大用户普遍认可。
1 移动式应急电源车工作原理
1.1 飞轮储能电源车工作原理
图1为飞轮储能电源车工作原理图。输入市电（市电1#或市电2#）正常时，市电经过整流器将交流电转换为内部直流。内部直流负责对飞轮储能进行旋转储能，同时为逆变器供电。逆变器将直流电转换为高质量的交流电，并输出到负载。采用3路电源输入（市电1#、市电2#、柴油发电机组）的多重冗余方式，最大程度地增加供电可靠性，其中优先级为市电#1>市电#2>柴油发电机组。
当输入市电发生故障时，飞轮储能释放电能，为逆变器提供直流，使逆变器能持续向负载提供优质交流电，与此同时柴油发电机组在6～8 s内完成启动，并输送电能至整流器。当输入市电恢复正常时，柴油发电机组继续运行一段时间（如20 s）才停机。柴油发电机组配备有燃料油箱，在市电完全失去的情况下，能至少连续稳定运行8 h。
北京公司250 kVA飞轮储能电源车内部布局如图2所示。
1.2 SSTS电源车工作原理
图3为SSTS电源车工作原理图。SSTS主要由并联快速开关PS1、PS2和PS3，反并联晶闸管开关TS1、TS2和TS3，以及电力开关Q1、Q2、Q3和Q4等组成。正常运行时，电源Ⅰ路给负载一供电，电源Ⅱ路给负载二供电，即两个负载由两个独立电源供电，此时PS1和PS2闭合。当电源Ⅰ路发生电压暂降，并且暂降幅值超过负载一正常运行所能承受的限值时，SSTS控制系统发出动作指令，PS1关断，同时触发TS1导通，电流立即转移到晶闸管上，在PS1打开时，几乎不会有电弧，即使有也会因为晶闸管的导通而迅速熄灭。然后撤销TS1的触发信号，晶闸管将在此后电流第一次过零时关断。随后触发另一侧的晶闸管开关TS3导通，电源Ⅱ路开始给负载一供电。此时，实际上己经完成了切换。待经过一段时间稳定后，控制系统再发出闭合PS3的命令，此时晶闸管TS3还在导通，两端压降接近于零，闭合PS3不会产生电弧，然后撤销TS3的触发信号完成整个切换过程。当SSTS需要维护时，通过电力开关Q3或者Q4来给负载一或负载二不间断供电[1-3]。
北京公司1500A SSTS电源车内部布局如图4所示。
1.3 电池储能电源车工作原理
图5为电池储能电源车工作原理图。其核心是双变换UPS系统和后备电池组。双变换UPS系统由整流器和逆变器构成。整流器由6脉冲或12脉冲全控桥组成，其作用是将自动转换开关输出的380 V交流电整流为430 V直流电。整流器采用斜坡启动，直流母线电压在10 s内由0 V升高至430 V，对电网冲击较小。直流母线电压同时为后备电池组充电和逆变器供电。电池充电采用带温度补偿技术的充电器，延长电池使用寿命。逆变器采用IGBT功率开关器件及脉宽调制技术，将直流母线电压变换回交流电压，输出至负荷。
在正常运行时，整流器和逆变器同时工作，给负荷供电的同时对电池组进行浮充电。当输入电源（电源1#、电源2#）异常时，整流器停止工作，由电池组经逆变器向负荷供电；若电池组电压下降到放电终止电压，而市电还未恢复正常，双变换UPS系统将关机。电池放电终止电压预先设定，对于380 VAC供电系统，电池放电终止电压设置为330 VDC。输入电源异常，电池组维持双变换UPS系统继续工作，直至电池电压降到电池放电终止电压而关机的时间称为后备时间。后备时间的长短取决于电池的容量和所带负载的大小。考虑到电池储能电源车重量、操控性等诸多因素的限制，北京公司300 kVA电池储能电源车后备时间为15 min左右，电源车内部布局如图6所示。
2 移动式应急电源车在供电保障中的应用
2.1 飞轮储能电源车应用
某供电保障场所，需要保障的重要负荷有金属卤化灯、音响、电子投票器等。通过现场负荷梳理和重新分配，将重要负荷分配至飞轮储能电源车输出处，如图7所示。为了掌握飞轮储能电源车运行情况，做如下测试：将自动转换开关1#输出断开，模拟市电1#和市电2#完全失去，观察飞轮储能电源车输出响应情况。测试采用多通道同步采集装置，取自动转换开关1#输出处三相电压UA1、UB1、UC1以及飞轮储能电源车输出处三相电压UA2、UB2、UC2为测量量。测试波形如图8～图10所示。
从测试波形可以看出：飞轮储能电源车A、B、C三相输出电压在市电断开瞬间有2.51 ms的异常，而后恢复正常。现场值守人员未发现所保障的负荷异常工作或停机。测试结果表明飞轮储能电源车运行状态良好，可保障所带负荷不间断运行。
2.2 SSTS电源车
某重要用户供电保障场所，所需保障的重要负荷多为单相负荷，且分散接在不同相上，每相负荷数量、容量均不相同，现场不易将这些负荷梳理出来。用户提出供电保障期间供电电源电压暂降或短时中断时间不超过50 ms，否则会引起部分负荷异常影工作，造成重大政治影响。综合考虑用户现场情况和实际需求，经用户委托、授权并允许，电力公司将移动式SSTS应急电源车直接串入用户低压配电系统，如图11所示。为了掌握移动式SSTS应急电源车运行情况，做如下测试：将电源Ⅰ路断开，模拟Ⅰ路电源完全失去；将电源Ⅱ路断开，模拟Ⅱ路电源完全失去。观察这两种情况下，移动式SSTS应急电源车输出响应情况。测试采用多通道同步采集装置，取电源Ⅰ路A相电压和电流（UA1、IA1）、电源Ⅱ路A相电压和电流（UA2、IA2）、401开关处A相电流（IA3）、402开关处A相电流（IA4）为测量量。测试波形如图12～图13所示。
从测试波形可以看出：SSTS电源车在电源Ⅰ路切换至电源Ⅱ路过程中输出电压有2.04 ms的异常，而后恢复正常；在电源Ⅱ路切换至电源Ⅰ路过程中输出电压有2.42 ms的异常，而后恢复正常。在两次切换过程中现场值守人员均未发现所保障的负荷异常工作或停机。测试结果表明SSTS电源车运行状态良好，可保障所带负荷不间断运行。
2.3 电池储能电源车
某重大政治活动期间，应某国家级电视台需求，电力公司出动电池储能电源车给该电视台活动现场移动电视转播车提供零间断供电电源。为了提高供电可靠性，输入电源1#取自现场市电电源，输入电源2#取自柴油发电车，且处于热备用状态。电池储能电源车接入系统如图14所示。为了掌握电池储能电源车运行情况，做如下测试：将电源1#输出断开，模拟电源1#完全失去；将电源2#输出断开，模拟电源2#完全失去。观察这两种情况下，电池储能电源车输出响应情况。测试采用多通道同步采集装置，取电源1#输出三相电压（UA1、UB1、UC1）、电源2#输出三相电压（UA2、UB2、UC2）以及电池储能电源车输出三相电压（UA3、UB3、UC3）为测量量。测试波形如图15～图20所示。
从测试波形可以看出：电池储能电源车在电源1#输出断开和电源2#输出断开两种情况下输出电压波形均未发生异常。测试结果表明电池储能电源车运行状态良好，可保障所带负荷零间断运行。
3 结论
北京公司通过配置先进的移动式应急电源车满足本地区重要场所重大政治活动高规格供电保障需求，实现重要负荷高可靠性、高安全性不间断供电。本文对北京公司现有的三种移动式应急电源车在不同应用场合的应用效果进行详细的测试，测试结果表明移动式应急电源车运行性能良好，有力保障了重要负荷连续稳定用电。本文测试数据可用来客观评价不同类型移动式应急电源车，还可为后续同类型应急装备购置提供技术数据参考。
参考文献
[1] 刘志良.固态切换开关SSTS在化工企业供配电系统中的应用[J].电力科学与工程，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.