移动式储能静变电源在民航供电中的应用

董丽燕 李雪刚 涂思东 傅 博 林 森 张 远

北京首都机场节能技术服务有限公司 北京 101312

一直以来，APU可以提供飞机在地面等待过程所需要的电源，但是APU存在着以下的缺点，如环境污染严重、功率消耗大以及所产生的声音大等问题。基于此，民航局提出了《机场使用桥载设备替代飞机APU推广工作》，要求全面落实节能减排的工作，持续推进“绿色机场”建设的步伐，飞机APU逐步被全国各大机场使用靠桥航班使用桥载设备取代。但是，APU的代替过程仍然很漫长，面临着施工成本高和改造困难等一系列问题[1]。使用可移动储能式静变电源，该系统具备为飞机及机载设备提供启动、检查和维修电能的功能，此外该系统还具有使用方便快捷、噪音污染小、运行成本低等优点。

1 静变电源系统设计

1.1 系统组成

飞机电源系统的组成有主电源、应急电源和二次电源，其中主电源有115V/200V交流电源系统、28V低压直流系统、270V高压直流系统等[2]。本文研究的储能式静变电源系统由以下几个方面组成：(1)储能系统(200kWh)，包括电池芯、电池组和电池系统，可以满足交流不间断供电2小时以上；(2)电源系统，包括逆变电源和调频电源，可以满足所有机型使用，兼容60kVA；(3)一体化管理系统，实现人机交互；(4)移动底盘，保证设备能够长期稳定停放；(5)航空连接器及电缆，电缆采用六类导体，航空连接器满足《飞机地面电源连接器》HB 6184相关要求等组成。如图1所示。

图1 系统组成

1.2 基本功能

1.2.1 实现不间断的电源转换

(1)NBPT的完全兼容性功能；

(2)12脉冲宽度调制技术；

(3)IGBT稳频、稳压功率调节。

1.2.2 实现故障自我报警

(1)开机自检；

(2)故障报警指示灯显示；

(3)故障记录复归。

1.2.3 实现控制显示/远程监控

(1)启动/停止，支持远程控制；

(2)电压、电流、频率、电池信息显示；

(3)紧急关闭。

1.2.4 实现数据存储

(1)事件顺序、保护事项记录；

(2)电源开/关状态记录、装置开机自检记录；

(3)保存最近200次运行记录。

1.2.5 保护功能

(1)过压、欠压、过流保护；

(2)超温脱离、短路保护；

(3)控制电路故障保护。

2 储能管理系统设计

2.1 BMS的结构

BMS系统可以检测收集并计算实时状态参数，并且可以根据检测的数据与允许范围内数据的比对关系，以此来控制供电回路的通断；将采集到的数据上报给控制器，然后接收控制器的指令，与其他的系统协调配合工作。目前市场上的电池系统根据其配置可分为集中式和分布式两种类型。由于磷酸铁锂来源广，无污染，故将该材料应用到电池储能系统中，并采用分布式结构[3]，如图2所示。

图2 BMS分布式系统结构图

采用3.2V/280Ah高性能、高可靠性磷酸铁锂电池芯进行成组，可以大幅度提升电池系统的安全性，配合90kVA静变电源，实现在满负荷输出情况下为飞机提供交流不间断供电。

2.2 供电补电方式

2.2.1 供电模式

通过调查发现，传统的电源车是利用燃油发电来满足飞机用电需求的，在使用过程中产生很大的噪音，污染严重，维修成本高，不符合绿色环保的发展趋势。随着静变供电技术的发展，目前，机场采用的供电网络通常可分为分散式供电与集中式供电。由于分散式供电可靠性较高、承受故障的能力较强，并且有移动式分散供电和固定式分散供电两种方式[4]，故本文选择使用灵活、智能程度高、操作便捷的移动式分散供电方式，此方式具有三种供电模式：

(1)电池直流供电带载模式，利用锂电池储能系统的高压直流电源通过逆变器为中频交流电输出给飞机负载。

(2)市电交流供电带载模式，在有市电接入的情况下，直接通过静变电源给飞机供电。

(3)在无市电交流供电的情况下，系统可以提供220V/380V、50Hz的电源，给现场施工、检修等设备提供稳定的市电电压供应。

在储能电池模块充满电后，控制开关切换模块处于模式3，以此控制静变电源，实现储能系统为飞机供电，如图3所示。

图3 供电模式3

2.2.2 充电模式

具有两种充电模式，可随时用380V工业电源或直流充电桩充电，在90kW充电功率下，2.5小时以内即可完成充电。

(1)在电网输入充足且储能模块亏电时，控制开关切换模块处于模式1、控制DC-AC双向变流模块处于直交变换状态且控制其输出参数，实现前端电源对储能电池模块充电，如图4所示：

图4 充电模式1

(2)在充电桩输入充足且储能电池模块亏电时，控制开关切换模块处于模式2、控制DC-DC单向变流模块处于变换状态且控制其输出参数，实现前端电源对储能电池模块充电，如图5所示：

图5 充电模式2

2.3 系统安全性保障

级别一：过压和过流保护。当管理系统识别到过流现象时，控制接触器断开，同时切断电池输出和静变电源输出，确保系统不受电流危害。

级别二：隔离开关。当直流接触器因直流过流拉弧而不能拉断时，断路器可以实现进一步的过流保护与短路保护。

级别三：熔断器保护。当断路器也失效无法断开回路时，则由熔断器确保系统的安全。

级别四：一体化管理系统。分别为电芯层级、电池模组层级及电气设备层级，实现整个储能充电系统的安全监控。具备过充、过放、过流、过温、低温保护，多级故障诊断保护[5]，多重故障检测等安全功能，从而实现储能充电系统的故障、告警、保护、诊断四位一体的安全保护机制。

级别五：远程监控。可以实现监控的实时工作状态，故障报警及推送，遇到特殊情况时可以紧急控制停机。

3 在民航供电中的应用

在静变电源应用之前，民航供电主要采用中频机组，应用规模小，操作简单，同时还存在布局分散、抗扰动能力差、效率低、噪音大、环境污染严重等缺点，不仅降低了供电系统的总体效率，而且限制了性能的提高。

如今采用储能式静变电源，能够很好地适应航空供电的工作环境，电力变换效率高，输出电压稳定，品质好，而且当负载变化时，瞬态特性幅值小、恢复快[6]，在提高系统的稳定性和输出电力质量等方面具有明显的优势，并且移动式储能静变电源使用更加快捷方便，操作流程简单，不但可以解决目前民航供电中存在的问题，而且可以满足民航未来供电的发展要求，提高航空供电系统的安全稳定运行能力[7]。

结语

通过调查发现，目前市场上取得“储能式静变电源”民航认证的厂家只有一家，所以该方向在未来有很大的发展潜力。移动式储能静变电源可以减少能源的消耗，降低噪声，提高飞行过程中的安全，还可以提高民航业的经济效益，满足国家提倡的可持续发展战略要求，真正打造“绿色机场”[8]。