移动应急电源容量提高方法研究

孙学锋，王　涛，刘兴华，周　涛，郑春旭

（国网山东省电力公司淄博供电公司，山东　淄博　255000）

移动应急电源容量提高方法研究

孙学锋，王涛，刘兴华，周涛，郑春旭

（国网山东省电力公司淄博供电公司，山东淄博255000）

提出一种利用同期检测并列实现提高应急电源容量的方法。该方法利用同期检测并列技术，通过移动应急电源柔性并联接入输出装置，将不同容量、型号的移动应急电源车并列运行，提高应急保电容量，并能提供0.4 kV、6 kV及10 kV的电压输出，满足大容量客户的应急保电需求，突破传统移动应急电源车单机容量小、输出电压等级单一的限制，提高供电服务质量。

移动应急电源车；同期检测；并列运行；可调档升压变压器；应急电源容量；多电压等级

0　引言

我国智能电网建设的快速推进，使得电力系统的供电可靠性逐步提高，但采用多电源供电的煤矿、化工等重要客户仍有停电风险，移动应急电源车在大客户的保电需求以及大型活动（奥运会、博览会等）的应急保电中扮演着极其重要的角色。

然而，目前各地市供电公司的应急电源容量多为50～800 kW不等，电压等级为0.4 kV，无论是容量还是电压等级均不能完全满足事故应急抢险和紧急备用的要求，成为进一步提升供电优质服务水平的瓶颈。据市场调研，市售发电车单机最大容量为2 400 kW，只能输出一种电压等级，且单机造价昂贵（1 450万元），利用率低，不适合推广使用。

充分利用现有的应急发电资源，基于同期检测并列技术，通过移动应急电源柔性并联接入输出装置，将各种型号应急发电设备，利用同期并列装置，实现电源并列运行，不仅能解决电源容量不足、单个电源供电时间短、无法连续供电等问题，而且可以实现在低压（0.4 kV）和高压（6 kV/10 kV）的多电压等级输出。

1　移动应急电源车

移动应急电源车是由汽车、柴油发电机组、输配电及操控系统、高效隔音降噪箱体、进排风降噪系统、排气消声系统、照明系统、液压支撑系统、线缆绞盘及工具器材舱等组成［1］。由于其机动性能良好、操作简单、低噪声运行等优点，广泛应用于重大会议、事故保电、通信、抢险和军事等活动［2］，目前各供电公司都配备有不同容量的移动应急电源车。

同蒸汽发电机组类似，柴油发电机组由柴油机及其调速系统、同步发电机及其励磁系统组成，系统结构框图如图1所示。

图1　柴油发电机组系统结构

柴油机提供原动力，调速系统实时检测发电机实际转速，通过反馈调节柴油机的输出动力大小，构成转速的闭环控制，保证发电机的转速稳定，即保证电压的频率稳定。发电机的励磁系统实时检测发电机端电压和负载电流调节励磁电流大小，构成电压的闭环控制，调节其输出无功功率，保证发电机的输出电能的质量［3］。

2　同期检测并列方式

发电机组在设计和制造时，虽然保证了输出的电压波形为正弦波以及电压相序为正相序，但各台发电机组独立运行的机端电压参数不尽相同。发电机组并网运行或发电机组之间的并列运行，必须满足一定条件才能进行，即同期条件。

在电力系统中，同期方式有准同期和自同期两种。由于自同期合闸方式的合闸瞬间发电机定子吸收大量无功功率，导致系统电压下降较多，对其他用电设备的正常工作产生不利影响，因此该方法现已很少采用。相比之下，准同期并列方式的冲击电流小，不会对电网产生大的扰动，对发电机组产生的损伤小，目前被发电厂和变电所广泛采用［4］。

准同期并列的理想条件是：断路器合闸瞬间待并发电机组机端电压与系统电压 （或已运行发电机组）满足电压幅值差、电压角频率差以及相角差均为零［5］。但在实际并列操作中很难做到，一般只需满足电压幅值差不大于额定值的10%，频率差不大于0.5 Hz，相位差不大于5°［6］。

准同期并列方式的条件中，有一个及以上不满足时的并列都称为非同期并列［7］。非同期并列会产生很大的冲击电流，发电机、变压器受到巨大的电动力作用和引起强烈发热而造成损伤。

3　可调档升压变压器

可调档变压器既不同于普通的三绕组变压器，也不同于普通的可调分接头的两绕组变压器，可调档升压变压器在高压侧绕组上设置两个电压等级的档位调节分接头，实现高压侧输出不同电压等级。双调档升压变压器原理示意图如图2所示。

图2　双调档升压变压器原理

档位可调升压变压器通过高压侧Y-△转换装置改变绕组变压比，将电压由0.4 kV升高到6.3 kV/10 kV，可向用电设备提供6.3 kV或10 kV两个电压等级的供电电源，实现不同电压等级的负荷直接接入，以满足现场保电的多电压等级需求。

4　电动机无功补偿

电力系统及工业用电中的大部分设备，如变压器、电动机、交直流稳压器、日光灯等，均为感性负载，不仅消耗有功功率，还要吸收很多无功功率，对供用电质量带来很大不利影响。无功补偿不仅能提高电网及发电机组的功率因数，而且可以维持节点电压水平，降低供电变压器及输送线路损耗，提高供电效率，改善供电环境。合理地选择补偿设备装置，可以做到最大限度减少电网损耗，提高供电质量。

4.1电动机启动仿真实验

通过对电动机启动过程仿真可知，电动机在启动过程中，需要消耗大量有功和无功，尤其是对无功的需求，可达正常运行时的8～10倍。所建立的仿真模型及电动机参数如图3、图4所示。

模型中，三相电源为0.4 kV，50 Hz；三相异步电动机0.4 kV，额定功率75 KW，选用系统自带标幺值模型，仿真结果取标幺值。电动机启动过程的转速、电流、转矩变化及有功、无功变化分别如图5、图6所示。

图3　三相异步电动机参数

图4　电机启动仿真实验模型

图5　三相异步电动机启动过程中转速、电流和转矩变化

从仿真结果中看出，在电动机启动的1 s时间内，消耗的有功约为正常运行的2倍，而无功的吸收达到了将近10倍的正常运行值，而且启动瞬间的冲击电流比正常运行值高出了3～4倍。高压大容量三相电动机启动过程中也会有同样的变化，势必会对电网、电动机自身以及电网其他设备造成损害［8］，因此，为克服电动机的启动困难问题，一般采用软启动方式，即采用降压启动或无功补偿方式启动。

图6　三相异步电动机启动过程中有功、无功变化

4.2无功补偿设备

无功补偿设备有同步调相机、并联电容器、并联电抗器、电压无功电压综合控制装置、静止无功补偿器、静止无功发生器、静止同步补偿器等［9］，根据现场的不同需求，可选择相应的补偿设备。

5　提高移动应急电源容量技术

设计研制移动应急电源柔性并联接入输出装置，将各发电车并列运行，提高应急电源容量。该装置（并列发电单元）分为低压室和高压室两部分，低压室包括同期测控单元、低压扩展输出单元、低压同步线性无功补偿单元、升压变低压单元及3个同期并列单元；高压室包括6 kV、10 kV两个电压等级档位可调的升压变压器、升压变高压输出单元、电压互感器单元、高压无功补偿单元、高压扩展输出单元。低压室和高压室封装在可吊装的一体化箱体内。装置整体示意如图7所示。

图7　移动应急电源柔性并联接入输出装置

各单元功能如下。

1）同期测控单元控制3台发电车同期并列，并能调节已并列的发电车运行参数，具备电压频率调节、虚拟电厂远方监控等功能。

2）低压同期并列单元检测并输出应急车频率、电压、相位信息，接收测控单元同期并列指令，实现发电车与低压母线并列。

3）低压扩展输出单元提供0.4 kV电源输出接口，既能直接向用电设备供电，又能实现与其他多阵列电源的同期并列。

4）低压同步无功补偿单元采用零过渡过程动态补偿，具有同步柔性动态调整能力，补偿容量为3台发电机最大总容量的20%。补偿单元自动跟随当前负荷的功率因数，同步柔性补偿无功，20 ms即可完成一次补偿，将发电单元的功率因数控制在0.85～0.9之间，响应时间0.5 ms。

5）升压变低压单元联络升压变压器，具备相应保护功能。

6）档位可调升压变压器通过高压侧Y-△角转换装置改变绕组变压比，将电压由0.4 kV升高到6 kV/10 kV，可向用电设备提供6 kV或10 kV两个电压等级的供电电源。

7）升压变高压输出单元联络升压变压器，具备相应保护功能。

8）电压互感器单元利用双变比电压互感器，通过检测高压侧电源的频率、幅值、相角，为同期并列、远方监控提供主动控制信息。

9）高压无功补偿单元采用固定式分组投切补偿，补偿总容量为变压器容量的40%，根据待启动高压电动机的容量，闭合对应的压板，选择适当的电容器容量和电压等级。补偿单元在电动机启动的瞬间自动投入，待电动机的启动电流下降至1.2倍的额定电流时，再自动退出，电动机进入正常运行状态。能够避免供电电压瞬间跌落，提高同等容量发电单元对大电机的启动能力。

10）高压扩展单元提供6 kV/10 kV电源输出接口，既能直接向用电设备供电，又能实现与其他多阵列电源的同期并列。

装置的系统接线如图8所示，3个同期并列单元最大均可满足800 kW的发电车接入。

图8　移动应急电源柔性并联接入输出装置系统接线

利用同期检测并列技术，不仅可以实现3台应急发电机（车）序列同期投入并列，而且可以实现与其他多阵列应急电源的同期并列，提高了应急保电总容量，同时可提供0.4 kV、6.3 kV、10 kV 3个电压等级的应急电源输出。装置外观如图9所示。

图9　移动应急电源柔性并联接入输出装置

6结语

基于同期检测并列技术，设计研制的移动应急电源柔性接入输出装置，通过并联不同容量的应急发电电源，实现应急电源的并列运行，增大移动应急保电容量，解决电源容量不足、电压

［1］张笛，李云峰.移动电源车行业探析［J］.科技创业月刊，2014（1）：50-51.

［2］陈伟明，徐云德，庄衍平.低噪声应急电源车的开发应用［J］.供用电，2008（1）：32-33.

［3］张淑兴.应急柴油发电机组仿真研究［D］.大连：大连理工大学，2009.

［4］孙明磊.同步发电机自动准同期并列算法与装置研究［D］.郑州：郑州大学，2009.

［5］李子涵.基于PC104的嵌入式微机自动准同期实验装置的开发和研究［D］.北京：燕山大学，2014.

［6］高石炳.非同期并列的危害及闭锁装置的应用［J］.科技情报开发与经济，2003（7）：115-116.

［7］尹立亚.发电机非同期并列事故及防范［J］.煤炭科技，2004（1）：55-56.

［8］陈刚.具有无功补偿的电机软起动装置研制［D］.武汉：武汉理工大学，2012.

［9］郑晶晶，杨勇.无功补偿设备的几种类型及应用［C］∥全国电力系统无功/电压技术交流研讨会，2006.

Methods of Improving Capacity for Removable Emergency Power Supply

SUN Xuefeng，WANG Tao，LIU Xinghua，ZHOU Tao，ZHENG Chunxu
（State Grid Zibo Power Supply Company，Zibo 255000，China）

A method of improving the capacity utilizing the synchronism detection parallel is proposed for the emergency power. Using the synchronism detection parallel technique，removable emergency power vehicles with different capacities and models can run in parallel through the removable emergency power flexibly paralleled connection and output device.Therefore，using the method can get a larger capacity of emergency power supply and offer 0.4 kV，6 kV and 10 kV output voltages to meet the emergency power demand of large-capacity customers.The proposed technique breaks the small capacity and single output voltage level limitations of the traditional removable emergency power vehicle，to improve the quality of power supply services.

removable emergency power vehicle；synchronism detection；parallel running；adjustable gear step-up transformer；emergency power capacity；multi-voltage level

TM624

B

1007-9904（2015）11-0025-04

2015-10-27

孙学锋（1964），男，高级工程师，从事电网设备运维检修管理工作。