大型移動保供電電源儲能元件選型分析*

杜兆斌，鄧桂萍，席云華，吳國沛，曹慶洲，陳海濤

（1.華南理工大學，廣東廣州 510640）；2.廣州電力設計院，廣東廣州 510620）；3.廣州供電局有限公司，廣東廣州 510620）

0 引言

保供電電源的作用是在市電短時或較長時間發(fā)生中斷時，能夠為用戶提供連續(xù)的供電，直至后備電源投入使用?？梢姡诒９╇娭?，電源的配置是十分重要的[1]。供電企業(yè)常根據(jù)應用場合的特點選取合適的保供電電源，常用的包括：外部電網(wǎng)提供備用線路、不間斷電源UPS（Uninterrupted Power Supply）、應急電源EPS（Emergency Power Supply）和柴油發(fā)電機等。針對數(shù)百kVA容量、停電允許時間毫秒級的高可靠性的大用戶而言，UPS往往是首選[2-4]。

UPS 主要依靠其儲能裝置提供了不間斷電力供應。因此，研究保供電電源中的儲能技術十分重要。構成UPS 儲能部分的方式主要有磁飛輪、超級電容、蓄電池[5-8]。磁飛輪儲能UPS 屬于動態(tài)UPS，具有高可靠性和安全性、高效低能耗、綠色環(huán)保、體積小等優(yōu)勢，但能量比較小，難以滿足大容量用戶的需要[5]。此外，長時間停用后每次重新投入前的準備時間比較長，移動使用較不便。超級電容儲能UPS 受制于體積和成本，儲能容量有限，與磁飛輪一樣在常見的分鐘級別保供電應用中缺乏競爭優(yōu)勢，同時存在限流充電、多電容串聯(lián)均衡和系統(tǒng)放電穩(wěn)壓的問題[6]。蓄電池UPS 是靜態(tài)型UPS，蓄電池具有較大的電能容量和輸出功率，可快速充放電。后備時間較長，一般為10～30 min，或者根據(jù)配置進行后備時間的延長。蓄電池UPS技術成熟，市場應用范圍廣[7-8]。

目前UPS 和儲能技術大多是根據(jù)固定式需求配置，較少考慮到移動式的應用需求。而現(xiàn)在大型活動的舉行并不是全都固定在一個地方，有時還會選擇在偏遠的地方或者臨時選用一處作為舉辦場所，電源設置并不完備，這種情況下更需要有完善的保供電措施。根據(jù)市場需求，保供電應考慮移動的情況，實際應用中可以采用車載的方式。

對于車載保供電電源中的儲能蓄電池，在應用中存在有如下問題：（1）車載對于安裝空間和重量的限制對選擇蓄電池的影響；（2）車載移動帶來的震動問題對蓄電池使用效果和性能的影響；（3）蓄電池的安裝要考慮車載的震動[4]。

蓄電池的種類繁多，不同的蓄電池由于性能的不同，在移動車載式保供電電源中的表現(xiàn)不一，效果也有優(yōu)劣。同種蓄電池產(chǎn)品由不同的廠家生產(chǎn)，其規(guī)格參數(shù)和性能也不盡相同。本文針對特定的負載和UPS 產(chǎn)品，根據(jù)不同類型和品牌的蓄電池產(chǎn)品規(guī)格參數(shù)設計一個車載移動式電源的儲能部分，對不同的供電容量要求推薦合適的方案，為未來保供電電源選擇和設計提供相關的工程經(jīng)驗。

1 基本算法

UPS 選擇儲能設備時，首先是要選擇蓄電池的種類和品牌型號，接下來是根據(jù)選出來的蓄電池進行安裝配置。因此，先要了解如何選擇蓄電池。下面將介紹兩種通用的方法：放電電流法[2，7]和估算法[2]。

（1）放電電流法

先根據(jù)UPS 逆變器的工作電壓U逆和蓄電池的額定電壓求出每組蓄電池的個數(shù)N；然后根據(jù)公式[2，7]

算出蓄電池的最大放電電流I。其中：S：UPS 輸出額定功率（VA）；cos φ：UPS 輸出功率因數(shù)；η：UPS輸出逆變器效率（0.85～0.9）；Κ：蓄電池放電效率（取0.95）；Ε：蓄電池組臨界放電電壓，等于蓄電池個數(shù)與臨界電壓之積。通常選用在規(guī)定的高倍率放電條件下的臨界電壓值，2 V蓄電池臨界電壓約為1.7 V。再根據(jù)I 查詢廠家提供的蓄電池恒電流放電參數(shù)表，選擇對應的蓄電池。

（2）估算法

對于產(chǎn)品缺乏恒電流或恒功率放電數(shù)據(jù)時，可采用估算法。估算法主要是根據(jù)容量對蓄電池進行選擇，由公式[2]

求出需要蓄電池放出的容量C。其中：S、cos ?、η、U逆的定義見上文；t：UPS的后備時間；C：蓄電池需要放出的容量，等于蓄電池的額定容量與蓄電池的放電效率之積。主要是因為蓄電池在放電時的電流受內(nèi)部化學反應的影響并不是與時間成比例關系，因此放出的容量也不是線性的關系，需要一個修正系數(shù)才能符合實際放出的容量。蓄電池的放電效率與放電時間、放電電量有關，如表1 所示。求出蓄電池需要放出的容量后，即可得出符合選型的蓄電池的額定容量。

表1 蓄電池放電效率與放電時間/電量的關系表

2 蓄電池實例選型和計算

市場上閥控式鉛酸蓄電池的生產(chǎn)廠家數(shù)量眾多，而不同品牌蓄電池的性能和規(guī)格不盡相同，在蓄電池選型時，原則上是選用品質和口碑都為優(yōu)的品牌。綜合閥控式鉛酸蓄電池產(chǎn)品的公開參數(shù)和用戶應反饋，本文將選用德國陽光膠體A600系列[9]、美國德克8G 系列膠體蓄電池和Unigy Ⅱ系列[10]、艾默生蓄電池[11]，根據(jù)上述廠家提供的產(chǎn)品信息進行選型計算和對比分析。德國陽光電池是國內(nèi)外知名高品質電池；美國德克8G系列電池能量重量比高；Unigy Ⅱ系列蓄電池組具有鋼模架固定，預留了散熱通道，蓄電池組可以直接堆疊使用，無需電池柜，抗震能力強；艾默生蓄電池為UPS 原配電池，手冊上已列出電池的配置方案，此處作為參考使用。鋰離子電池選用中航鋰電磷酸鐵鋰電池[12]和溫斯頓稀土鋰釔電池[13]。保供電備用時間為15分鐘。

移動式保供電電源車一般選用二軸或三軸半掛車，因此在蓄電池選型時要以車廂長10 m，寬2.5 m，高4 m 作為一個參考標準。其中，電池柜在布置時需預留維修通道和其他設備的空間。

UPS 選用的是艾默生Hipulse U 300 kVA/270 kW不間斷電源系統(tǒng)，其結構參數(shù)如表2。

表2 艾默生Hipulse U300 kVA UPS結構參數(shù)[11]

2.1 德國陽光A600系列的選型

A600 系列單體電池的額定電壓為2 V，每條支路蓄電池個數(shù)為192。設單體電池放電臨界電壓為1.75 V，蓄電池所需的放電功率：

如果僅用一組電池（一條支路）供電，則需要選用大容量的型號A602/1200。如果考慮并聯(lián)兩組，則每組單個電池所需的放電功率為1644.7/2=822.35（W/cell）。而蓄電池數(shù)為384只，選擇型號A602/490。以并聯(lián)兩組電池方案為例，計算電池組的重量和體積，參考表3。

表3 陽光A602/490規(guī)格參數(shù)[9]

蓄電池采用立式放置的方式。電池柜選用2列4 層，采用2 個電池柜，則每層電池柜放置2×24 個蓄電池。電池柜的長度L 為4 272 mm，寬度W（含電池間空隙）為516 mm。高度H（含電池間空隙）為2 460 mm。

蓄電池總重為14 976 kg，電池柜主要的作用是固定蓄電池同時具有一定的防震效果，重量設為500 kg，總重量為15 976 kg。蓄電池費用（參考報價5 820 元/組）若為223.488 萬元。

從長度分析，電池柜總寬約為1 m，車寬限制為2.5 m，維修通道寬度一般約為0.5 m，加上電池柜與車廂的間距，1.5 m 的寬度足夠滿足要求。高為2.5 m左右，小于車高?？紤]UPS，則總長為6 552 mm，小于7 m。從重量上看，UPS和儲能設備總重為17 176 kg，約17.2 t。綜合分析，該蓄電池配置具有可行性。

表4 后備時間15 min不同電池方案比較

表4 中兩個方案蓄電池配置都具有可行性，并聯(lián)方案在重量上占有明顯的優(yōu)勢，提高了保供電電源的移動性和靈活性。

2.2 中航鋰電蓄電池選型

中航鋰電有SE系列和CA系列，其中SE系列的電池容量從40Ah～400Ah不等，CA系列的則為35Ah～400Ah不等。在下面的選型中考慮SE系列鋰離子電池?？紤]選用型號SE180 的鋰離子電池，SE180的規(guī)格參數(shù)如表5所示。

表5 SE180規(guī)格參數(shù)表[12]

蓄電池每組個數(shù)為384/3.2=120 只，蓄電池需要放出的容量為：

15 min的放電效率取0.4，則需要并聯(lián)的組數(shù)為195.31/（0.4×180）=2.7，即3 組，蓄電池總數(shù)為360 只。考慮2 個2 列4 層的電池柜，每層放2×23個蓄電池，蓄電池采用側放，長寬對調。電池柜長為1 863 mm，總長4 143 mm；電池柜寬為464 mm，總寬1 028 mm；電池柜高為1 516 mm；蓄電池重2 016 kg，電池柜重500 kg，則總重為5 216 kg。單體蓄電池報價為1 555 元，則蓄電池費用為55.98 萬元。

2.3 選型綜合分析

在選型比較中，本文主要對比參照的參數(shù)有體積比能量和重量比能量，以及與此對應的總重量和總體積。蓄電池的體積會對其他設備的布局形成影響，也將是一個對比參考的因素。

選型時蓄電池的并聯(lián)組數(shù)最好不要超過4組，因為并聯(lián)組數(shù)過多，并聯(lián)電路間的環(huán)流就會越明顯，消耗在蓄電池內(nèi)阻上的能量也就越多。此外，蓄電池的個數(shù)也不宜過多，這不僅涉及到重量和體積限制，還因為蓄電池的數(shù)量一旦過多，蓄電池之間的一致性的控制難度就增加，特別是鋰離子電池。而且弱項蓄電池（Weak Battery）存在的可能性也大大增加，而一個蓄電池的失效將會造成同組其他蓄電池壽命的減少，大大增加了后期的運行成本。

對于抗震性能，一般的蓄電池都沒有相關的參數(shù)，這主要是因為蓄電池大多數(shù)情況下是在固定情況下使用的。本次選型中，電池柜的重量都設得比較大，主要是為了防止震動時電池柜的松動以及減少震動對蓄電池的影響。對于蓄電池在選型中的抗震性能比較，在比較時主要是以市場反饋的產(chǎn)品性能進行粗略的比較。

受市場等不可知因素的影響，產(chǎn)品的價格會出現(xiàn)浮動，因此在比較時，不將產(chǎn)品價格作為主要的比較標準，只做輔助參考作用。

經(jīng)過對蓄電池產(chǎn)品的選型分析，得出的選型情況對比（表6）。

（1）從重量比能量上看，鋰離子電池幾乎是鉛酸蓄電池的3～4倍，這是鋰離子電池的一大優(yōu)勢，因此在總重量上，鋰離子電池都是最小的。

（2）從體積比能量上看，鋰離子電池是鉛酸蓄電池的2～3倍左右，這意味著儲存同樣大小的能量，鋰離子電池的體積比鉛酸蓄電池小很多。在選型中，鋰離子電池的電池柜的長度與鉛酸蓄電池相比，基本都比較小。

（3）鋰離子電池在工作時需要注意的一個重要問題是電池之間的一致性。不一致性的存在使鋰離子電池在使用時的維護投入需要的更多，也降低了工作性能的發(fā)揮。

（4）從蓄電池單價上看，鋰離子電池要高于鉛酸蓄電池。因為鉛酸蓄電池的生產(chǎn)技術比較成熟，生產(chǎn)規(guī)模比較大，材料成本較低。但蓄電池的總價受個數(shù)的影響。

表6 后備時間15 min的選型對比

選型結果表明，在移動式UPS 的蓄電池選型中，后備時間比較長時，鋰離子電池由于比能量大，電池電壓高，因此在選型上具有相對明顯的優(yōu)勢。

3 結論

本文是對移動保供電電源UPS 的儲能設備實際應用進行了分析，設計了一個車載式保供電電源的儲能部分。針對百千伏安容量，十分鐘級別的保供電需求，若是從重量和體積上看，鋰離子電池則具有優(yōu)勢，因為比能量比鉛酸蓄電池高很多。在選型時，還需要注意蓄電池并聯(lián)的組數(shù)不要過多，否則會在電路之間形成較大的環(huán)流。蓄電池的個數(shù)也不宜過多，不然在使用時的維護工作難度會加大。

在保供電電源的選擇中，還需要考慮環(huán)境等因素的影響。不同的保供電場合需要對蓄電池的側重點不同，因此要具體問題具體分析。

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