小型应急电源系统研究进展及应用*

虞启辉，张旭晓，王前程

(内蒙古科技大学 机械工程学院，内蒙古 包头 014010)

电力作为一种基础能源，在国民经济和人民生活中扮演着举足轻重的角色，然而电力故障突发性强，往往不以人们的意志为转移，一旦突然断电势必会造成严重的社会危机和财产损失，这其中包括2019年阿根廷与乌拉圭“6.16”大停电[1]、2019年英格兰与威尔士“8.9”大停电[2]、2018年巴西“3.21”大停电[3]以及2012年4月10号我国广东省深圳市因变电站出现复合故障造成的大面积停电事故[4]，为减少“因故停电”所带来的损失，应急电源应运而生.

近些年，随着我国城市化建设的快速发展，社会各个行业和领域对电力需求及依赖程度正在逐渐加强，应急电源的规模也在逐渐扩大.以图1我国江浙沪地区为例，该地区应急电源行业增长率由2012年的30%增长到2019年的70%，保持着稳中快速的发展态势，其市场规模于2019年接近7 000亿元.

应急电源作为一种独立于市电之外的电源设备，可以及时满足非正常情况下的用电需求[5].在市电故障和异常时，能够继续向负载供电，确保正常运转，从而降低因电力故障而带来的经济损失，保障人们的生活和生产质量.应急电源能够为不同场合的用电设备提供应急电力，事故照明、电器、装备维修、医疗救护、军事实战演练、高层建筑应急供电、交通、商业等诸多领域都有应用[6-11].

目前应急能源系统为了提升应急抢险的救援效率以及用户需求，逐渐向“小、快、灵”及多功能化方向发展.常见的小型应急电源按工作原理可分为3类[12]：一是独立于正常电源的小型柴油发电机应急电源系统；二是以电池为载体的电池应急电源系统；三是利用压缩空气为动力源的小型压缩空气应急电源系统.

为了更好地了解上述3种小型应急电源系统，将对其工作原理、国内外发展现状、现阶段主要存在的问题为后续该领域研究提供有益参考.

1 小型柴油发电机系统

1.1 工作原理

小型柴油发电机系统是一款柴油机驱动发电机运转，将柴油的能量转化为电能的系统，原理见图2[13]，其内部有1个或多个气缸，在气缸内，经空气滤清器过滤后的新鲜空气与喷油器喷射出的高压雾状柴油充分混合，在活塞上行挤压下，体积变小、温度快速升高，达到柴油的燃点后形成高压气体推动活塞下行做功，将动能传送给柴油原动机同轴连接的发电机，从而实现输出电压，带动负载工作[14，15].

1.2 研究现状

小型柴油发电机具有30%～46%燃油热效率、可节省28%～30%的运行成本以及高输出扭矩等特性，但工作时也会存在70～80 dB(A)的噪声、长时间工作输出稳定性不足以及低温或高海拔环境启动困难的问题.为了解决上述问题，学者们展开了以下研究.

1.2.1噪声研究

为改善噪声问题，研究人员主要从噪声源、噪声特性等方向展开说明.毕凤荣等[16]结合括扑优化、遗传算法设计和优化通风管道结构3种方法对板结构质量进行改良，最终使小型柴油发电机系统7 m处的噪声降至60.7 dB(A).杨晓[17]采用声全息方法并结合结构变化对隔声罩内空气流动影响，完成了对隔声罩的优化.优化后的管道传递损失接近30.3 dB(A)，提升了34.7%，整机噪声也降低至60.8 dB(A).胡联雄等[18]运用消声、隔声等四种方法，设计了一款静音箱.经测量，该静音箱能降低25～30 dB(A)的噪声.杨培斌[19]结合隔声、吸音等技术设计了静音箱、减振器等消声结构.经测试，安装了此消声结构的系统，可降低30 dB(A)的噪声.黄东升等[20]设计了一款如图3所示的主动降噪系统，仿真结果显示残余噪声趋于0.吴鹏等[21]设计了一款满足小型柴油发电机减噪减震需求的箱装体.数据显示，该箱体隔振、隔声效果分别达到53，26 dB(A).

1.2.2稳定性研究

小型柴油发电机系统输出功率稳定性与柴油机转速密切相关[22]，该系统连续运行超过12 h，会出现输出功率低于90%额定功率的现象[23，24].唐文科[25]提出燃油喷射系统的方案，能够使柴油发电机系统快速达到全负荷状态，并保持最快地稳定转速.章义平等[26]在小型柴油发电机系统安装了一款转动惯量可变的飞轮，通过仿真第1 s时刻突减100%和50%的额定负荷后状态，发现安装飞轮的系统转速波动得到了有效抑制，而未安装的系统转速会出现1 500～2 000 r·min-1的波动.赵梅等[27]基于MATLAB/Simulink软件，仿真分析了突加、突减100%负载对小型柴油发电机的工作状态的影响，得出可通过添加前馈/反馈复合控制调速器来调节因转速造成的柴油发电机经济性差的结论.汪凯[28]提出了一种模糊变结构的控制算法应用到柴油发电机的控制器中.基于MATLAB/Simulink仿真，该算法能够在0.5 s内达到1 500( r·min-1)标定转速状态.李亚玮[29]分析了常规PID控制、自适应PID控制、模糊PID控制和人工神经网络控制4种算法调速的优缺点及应用，认为人工神经网络控制与其他3种算法相比，其具有操作简单、容错性好、适应能力强优点.陈传勇[30]通过分析人工神经网络控制算法调速，得出其维护性强、储存分布，同时还能加快相应速度.

1.2.3低温、高海拔启动研究

由于气温低、散热快等因素，小型柴油发电机系统在低温、高海拔环境会出现启动困难、功率降低等现象.徐余慧[31]对小型柴油发电机系统进行改造，将燃油油路设计由开始的开环控制设计为闭环控制，同时改进了润滑油更换方式，通过仿真分析，改进后的系统实现了在-10 ℃环境下正常启动.

潘小兵等[32]通过在润滑系统中安装加热器采用含氧燃料、改装增压器等措施，实现3 kW小型柴油发电机在海拔4 000 m、温度-12 ℃环境下正常运转.王刚等[33]认为提高柴油机低温启动的核心是降低启动时间.即采取添加电加热塞、低温蓄电池、低温启动液等方法，突破了小型柴油发电机在-40 ℃环境下启动的极限.许乃强等[34]优化了润滑油对柴油机摩擦及可靠性影响，并引入光伏、风力等新能源发电，提供一种预加热辅助系统，使机组的能耗降低5%以上.郭宗武[35]设计了一款用于缸体冷却液加温的柴油发电机低温辅助系统.可满足海拔机组在海拨812 m，-25 ℃环境下正常启动的需求.

1.3 应用

小型柴油发电机因发电效率接近90%，且投入成本较低，是目前市场上应用较多的应急电源[36-37].据统计，我国小型柴油机市场的销售量于2010年就已接近228亿[38].柴治国等[39]将柴油发电机推广到水运港口项目中，以满足码头10 kW进线电源可靠性要求.王志学[40]根据负荷、适用场所和设计要求，将0.4 kV和10 kV小型柴油发电机分别投入到低消防可靠性和高消防可靠性的建筑物当中.孟曙光等[41]结合某公司的应急电源系统，将10 kV小型柴油发电机作为应急供电设备，以保障停电8 s内完成应急供电.白敬中[42]针对农村只有一回10 kV公用架空线路的问题，将小型柴油发电机投入到允许中断供电时间大于15 s的小型污水处理泵站当中. 纪国庆[43]设计了一种应用在燃气系统的小型柴油发电应急装置，当燃气系统10 kW供电系统全停电时，能够在10 min内及时准确地投入到燃气生产中.黄通文等[44]将柴油发电机投入到偏远农村和郊县广播设备当中，完成1～3 h不间断应急供电.

小型柴油发电机系统因功率范围广、操作简单、运行成本低、负荷能力强等优点深受大众喜爱，但是其对燃料要求较高，会带来排气污染，因此，小型柴油发电系统适用于公路交通、抢险救灾等复杂的室外环境.

2 电池应急电源系统

2.1 工作原理

目前以电池为载体的应急电源系统主要有EPS(Emergency Power Supply)应急电源和UPS(Uninterruptible Power System)不间断电源.通过表1[45-50]性能对比，可分析出EPS具有寿命长、适应负载能力强、效率高等优势.

表1 UPS与EPS性能对比

EPS应急电源是一款集辅助电源、整流充电器、逆变器、蓄电池及CPU控制器于一体高科技“绿色”型发电装置[51]，原理如图4[52]所示.

在市电正常时，EPS处于充电饱和的“睡眠状态”；当市电供电中断或市电电压超±15%或±20%额定输入电压时，EPS通过逆变器迅速完成向电网转换，提供30～120 min的应急供电；当市电恢复正常时，EPS控制中心发出对逆变器执行自动关机操作信号，完成逆变器供电向交流旁路供电的双向切换操作.

2.2 研究现状

基于EPS应急电源系统工作原理，分析出该系统工作时需要蓄电池来完成放电任务，但是目前其内部蓄电池往往处于设置分散、无专人管理状态，长时间处于过充电或过放电状态，一定程度上会影响EPS的使用年限和工作状态.若上述问题未能及时解决，可能会因为停电状态下无法为重要照明设备提供紧急电源而造成社会恐慌、人员伤亡或经济损失.为确保蓄电池能及时有效地保障EPS应急电源处于良好的工作状态，学者们对其内部蓄电池展开研究.

2.2.1蓄电池管理研究

谷明等[53]设计了一种基于相关向量机(Relevance Vector Machine，RVM)的蓄电池在线健康状态估计(State Of Health，SOH)系统.基于MATLAB仿真分析该系统最大相对误差小于1.5%.

周航等[54]运用RVM方法建立了蓄电池的SOH估计模型，实验了蓄电池在40 A恒流放电、54个循环充放电条件下的状态，数据显示最大相对误差小于3%.王翔等[55]设计了一款风光互补蓄电池能量管理系统，据MATLAB/Simulink仿真，该系统可在蓄电池SOH小于等于或大于80%时，自动完成充电和放电工作.孟洪民等[56]引入整型变量来模拟蓄电池限流充电和恒压充电两种工作模式.当蓄电池荷电状态SOC(State Of Charge)达到限值96%时，可自动从限流模式切换为恒压控制模式，从而限制SOC增长.刘兵[57]根据25 ℃以上每升高10 ℃时蓄电池使用寿命减半的特性，结合单片机等技术，设计出一种如图5所示的EPS内部蓄电池智能管理系统.

权利刚[58]设计了一种基于双向主动均衡电路的蓄电池能量管理系统，通过对额定容量为80 A·h的蓄电池实验后显示，该管理系统误差小于0.1.

2.2.1蓄电池容量及安全性研究

铅酸电池和三元锂电池是目前较为常见的EPS应急电源内部蓄电池[59].通过对比，三元锂电池具有自放电率低、循环次数多、放电平台高等优势，正因如此，三元锂电池得到了井喷式发展.截止到2018年，三元锂电池就占领整个蓄电池市场50%份额[60]，到了2019上半年，接近67.37%[61].详细对比见表2，3，4[62-64].

表3 循环寿命对比

表4 特性对比

随着三元锂电池占电池市场份额的比例不断增多，其安全性也成为当前日益突出和亟待解决的问题，学者们都在不断加快对更高比容量、更高电压平台和更高安全性的三元锂电池研究.YANG Y等[65]通过改变冷却液的进、出口位置，设计了不同流量的三元锂电池热管理系统，并提出了优化冷却效率的策略，实现电池在1 C放电速率下，最大温差减少0.52 ℃.黄锋涛[66]研制出了1 300 mAh的三元锂电池.经性能测验，该电池在5 C以上倍率下仍可以达到1 C倍率的99%的放电容量，同时完成1 000循环放电后，电池容量接近最初容量的80%.

郭栋等[67]采用成分为氟化锂、氮化亚铜纳米颗粒的人工固态电解质膜，可使电池在完成50周循环后，容量保持率可提升26.5%.余剑[68]提出了2种改善三元锂电池结构以提高其安全性能的方法.第一种将壳体与正极相连，负极与壳体采用绝缘垫隔离，能有效防止过充现象发生；第二种是在三元锂电池盖板结构上设置防爆阀，能有效防止电池因能量积聚发生爆炸.李中祥等[69]通过对三元锂电池进行了参考特性测试和寿命循环测试，得到电池静态容量衰减速率与电池放电深度上下限电压、电池放电容量与电池利用率呈正相关的结论.张少禹等[70]进行了三元锂电池在不同氧气体积分数环境下热失控实验.当氧气体积分数为21%下电池热失控时，会出现先喷射连续火焰后喷射火星的现象，而氧气体积分数为10.64%低氧条件下时，电池则始终喷射火星且未形成连续火焰.陈元丽等[71]测试了高低温对三元锂电池放电的影响.电池处于高温55 ℃环境下，会出现放电容量变大的现象，而处于低温-20 ℃下，则会出现放电容量大幅度衰减的现象.

通过对蓄电池地研究，不仅改善蓄电池因长时间充电不用、浮充电导致的循环寿命下降等安全问题，还能够了解温度对蓄电池的影响，有效地保证EPS应急电源运行的可靠性.

2.3 应用

以电池为载体的EPS应急电源多适用于有消防设施的场合.贾维聪[72]将EPS投入到地铁车站当中，可实现供电中断3 ms内完成市电向应急照明的切换，并供电时间持续1.5 h.陈景轩[73]利用电磁暂态仿真软件对医院EPS应急电源切换策略进行了仿真.仿真结果显示，EPS在断电0.5 s内完成切换供电，切换期间EPS所提供应急电源的一级负荷输入相电压为0 V，验证了其作为医院的应急用电装置的可行性.邱旭[74]根据转炉电机驱动特性，将EPS应用到贵冶熔炼车间转炉驱动系统中，能够满足转炉的多种极限操作下的应急驱动供电.罗欣[75]基于EPS应急照明系统，提出采用增加并联控制回路的方式，来提高在非火灾时的应急条件下启动应急照明的功能，投入到小型建筑中消防应急照明系统中.张城辉等[76]设计了一款整机容量1.5 kW，切换时间小于4 ms的EPS应急电源，可满足小型服务器、计算机和高效照明灯具等精密电子设备的应急用电需求.胡凯等[77]结合升压电路和电压型三相全桥逆变电路两类电路，设计/研发了一款额定输出功率2 kW的两级式拓扑结构EPS应急电源.经测试，该样机输出电压THD (Total Harmonic Distortion)小于4%，输出电压、电压频率和转换效率分别达到了200 V，36 Hz，94%，投入到城轨车辆供电故障时车厢内通风/换气设备应急供电当中.

基于上述研究，分析出以电池为载体的EPS应急电源系统启动速度快，供电稳定，可自动完成切换，但是其对环境条件要求较高，同时废旧电池污染严重，因此适合电感性、电容性及综合性负载设备.

3 小型压缩空气应急电源系统

开发/利用可再生能源发电已成为全球范围的重要能源战略之一.与小型柴油机发电系统、电池应急电源系统相比，利用压缩空气发电具有清洁、使用寿命长、适用范围广、无污染等优势，因此受到学者们的广泛关注[78].

3.1 工作原理

早在20世纪40年代，压缩空气技术就广泛应用在制造业的能量载体或流动载体场合，直到2015年，才由清华大学研究团队通过空气透平膨胀机直联高速发电机的方式，将压缩空气技术应用在小型应急电源领域[79].

小型压缩空气应急电源系统如图6[80]所示：用户需要将空气储存在高压储气罐中，若遇上市电因某些突发状况引起供电中断或供电不足时，储存在储气室内的压缩空气经过减压阀减压后保持平稳压力流入膨胀机内驱动膨胀机做功，进而驱动小型发电机发电，从而完成压力能—机械能—电能的转换.膨胀机做功后的废气，压力近似于大气压，直接释放到空气中[81-83].

3.2 研究现状

目前小型压缩空气发电系统存在着系统参数匹配性能相对较差，能量利用率低，整体发电效率还不够高(40%～50%)等问题，严重阻碍其广泛应用.针对上述问题，学者们展开以下研究.汉田[84]仿真分析了进气压力等控制变量对系统发电效率的影响.当进气压力3.7 bar，膨胀机转速976 rpm，进气温度328 K时，系统稳定发电400 W，若控制变量分别提升至4.3 bar，1 211 rpm和339 K时，系统处于最优输出功率状态600 W，效率也从38.6%提升至41.42%.

张臻臻[85]借助MATLAB/Simulink仿真得到以下4点结论：(1)效率会随着储气罐中压缩气体压力的升高而逐渐降低，而且当储气罐中气体的初始压力是膨胀机进气压力的10倍以内时，效率降低较快(0.83～0.43)；(2)效率随着膨胀机体积膨胀比的增大(1～8)先增大后减小(0.5～0.8～0.45)；(3)效率随着膨胀机进气压力的增大(0.4～0.6～0.9)而不断升高，但其增长速率是逐步减小的(0.56～0.8～0.93)；(4)效率随着泄漏系数的增大(0～0.2～0.4)而直线下降(0.86～0.79～0.73).唐小庆[86]通过Aspen Plus软件对系统进行了数值模拟，得出提高膨胀机的进气压力是提升系统发电效率的最优选择，其次是提升膨胀比，最后是提升膨胀机的进气温度的结论.顾伟等[87]通过实验发现膨胀机处于4 589 r/min最优转速时，系统实现最大输出功率0.74 W.孙健[88]通过数值模拟求解，分析出进气压力越大，膨胀机转速、容积流量和出口压力逐渐增大，与之匹配的发电机的电流、电压和发电量也随之提升.

基于上述研究分析出，合理提升进气压力、温度等控制变量可提升小型压缩空气应急电源系统功率转换效率以及发电能力.

3.3 应用

鉴于小型压缩空气应急电源系统的特性，其主要应用于矿井、军工、油田、防爆等无法用电启动的防爆领域.赵娟等[89]设计了一种可应用于铁路货车气路系统中的小型压缩空气应急电源装置.通过一个周期的的实验，该装置发电时长为1.5 min，休止时长为4 min，可在5.5 min内发电2.04 kW·h.

BEUKES J等[90]设计了一款如图7所示的额定发电功率为2 kW的小型家用压缩空气应急发电系统.该系统预计工作寿命长达20 a，且每年只需要4次检查补气外，无任何维修成本.赵光耀[91]设计出一款应用于车用内燃机余热回收系统领域的小型压缩空气电源装置，该装置最大负载电压值为20.4 V.张红光等[92]设计了一款应用于车用发动机尾气余热的小型压缩空气应急电源装置.经测试，该装置在进气压力为0.19 MPa时，可输出功率19.0 W.刘念鹏[93]设计了一款满足车载发电的要求的活塞式压缩空气发电装置，该装置能够输出功率3.1 kW,但发电效率仅38.4%.许永红等[94]将设计出的新型压缩空气应急电源系统投入到小型车用有机朗肯循环余热回收领域中.经测试，该系统最大输出电压、功率和效率分别为78 V，676 W，94%.张英华等[95]结合井下避险系统，设计出如图8所示的小型压缩空气应急电源系统，可提供375.78 W的设备用电.

小型压缩空气电源系统作为一种新能源发电技术，所产生的功率相对较小，可直接作为某些用电负载的应急电源，使用十分便捷，同时其流出的残余气体对大气毫无污染，常应用于如制药厂等对环境清洁度要求较高的领域.

4 结论

通过分析，对上述3种小型应急电源系统的特性及优缺点总结如表5，6所示.

表5 3种小型应急电源优缺点比较

表6 3种小型应急电源特性比较

(1)小型柴油发电机系统作为传统应急电源，技术较为成熟，负荷适应能力强，加上其功率范围广，适用于公路交通、抢险救灾、野外工地等复杂的室外环境；(2)电池应急电源系统启动速度快，噪声低，供电电压稳定，满足高层建筑消防照明设施、医院等精密场合；(3)小型压缩空气应急发电系统作为一种可靠的绿色应急电源，使用寿命长，不受地理环境所限制，适用于矿井、军工、油气田、制药厂等无法用电启动的防爆场合和对环境要求清洁度较高的领域.