三电源供电系统

关键词： 电所 排水泵 采区 供电

三电源供电系统（精选八篇）

三电源供电系统 篇1

从以上规程规定得知, 井下采区变电所必须采用至少两个回路的供电电源, 并且能相互备用供电。如何保证在其中一路供电电源出现故障的情况下, 能迅速地隔离故障电源, 并投入备用电源, 在最短时间内恢复供电, 最大限度地减少因断电所带来的危害, 提高安全供电系数, 是我们需求研究解决的重要问题。

1 国内煤矿采区变电所供电分析

目前我国在井下采区供电系统中, 常见的供电系统是采用双回路供电, 且分列运行, 联络高防的断路器处于分断状态的运行模式, 如图1所示其工作方式。

即:电源进线1#电源从高防断路器QF1进入, 供生产设备运转用电;2#电源从高防断路器QF2进入, 供风专线、主要绞车、排水泵等重要负荷用电;高防QF0断路器作电源母线联络用。这种模式普遍使用, 优点较多, 突出的是以最小的投入而满足了规程的规定, 在实际运行中也是达到了较好的供电效果, 但是随着近年来采区的扩大, 用电设备的增多和大功率采掘设备的投入使用, 这种供电方式就显视出了越来越有些难以满足供电要求。

(1) 如因1#电源侧采掘生产设备多、功率大, 则2#电源侧就不紧只带风专线、瓦斯抽排站, 还得带主要绞车、排水泵、压风机等主要固定设备, 这样就使风专线和瓦斯抽排站侧供电负荷增多使其供电可靠性降低; (2) 如因1#电源侧采掘生产设备多、功率大使其负荷远远超出2#电源侧风专、瓦斯抽排站、绞车、排水泵的用电负荷, 这样当1#电源有故障时, 由联络高防QF0断路器合上, 用2#电源供全部用电负荷时, 2#电源的供电能力就不能满足用电负荷的需要, 只能保证部分用电负荷的供电工作, 并且降低了风专供电可靠性; (3) 两条电源同时出现故障的还是有一定机率, 这样风专线的供电安全可靠性又有了一定的降低。因此, 我们应该考虑新的供电方式来解决以上问题。

2 三电源采区变电所供电分析

三电源供电系统也是一种比较简单的供电方式, 它只是在双电源供电系统中增加一条电源线和两台高防断路开关, 工作运行方式如图2所示。

即:电源进线1#电源从高防断路器QF1进入, 供采掘生产设备运转用电;3#电源从高防断路器QF3进入, 供主要绞车、排水泵、压风机、皮带机等重要固定设备运转用电;2#电源从高防断路器QF2进入, 供风专线、瓦斯抽排站设备运转用电, 实现可靠的三专供电;三条电源之间由高防断路器QF0A、QF0B来联络, 实现分三段式供电, 这种供电方式的优点是将负荷进一步分段、分类供电, 使供电系统更加可靠。

3 双电源与三电源变电所比较分析

(1) 三电源供电可将采掘生产设备供电与主要固定设备供电及风专设备供电分类分段供电比双电系统提高了可靠性; (2) 三电源供电因将负荷分三段供电, 每段上的负荷都比双电源供电系统中的负荷有很大的降低, 从而进一步提高了供电可靠性; (3) 三电源供电系统中三条电源同时发生故障的可能性远远要比双电源供电系统要低的多, 则更进一步提高了供电可靠性; (4) 三电源供电系统只比双电源供电系统多安设了一条电源线和两台高防断路器, 增加了不到三分之一的设备, 但其提高的供电可靠性和对生产供电的保障, 则远远超过了三分之一, 为矿井生产带来比较客观的经济效益。

4 结论

在当前, 随着矿井的发展, 对安全认识的提高, 为安全生产多投入是共识, 所以煤矿采区变电所三电源供电系统将是取替双电源供电系统的一种趋势。

三电源供电系统 篇2

及自备应急电源配置监督管理的意见》

为了加强重要电力用户供电电源及自备应，急电源配置监督管理，提高社会应对电力突发事件的应急能力，有效防止次生灾害发生，维护社会公共安全，提出以下意见：

一、明确重要电力用户范围和管理职能

（一）重要电力用户是指在国家或者一个地区（城市）的社会、政治、经济生活中占有重要地位，对其中断供电将可能造成人身伤亡、较大环境污染、较大政治影响、较大经济损失、社会公共秩序严重混乱的用电单位或对供电可靠性有特殊要求的用电场所。

（二）根据供电可靠性的要求以及中断供电危害程度，重要电力用户可以分为特级、一级、二级重要电力用户和临时性重要电力用户。

1．特级重要用户，是指在管理国家事务中具有特别重要作用，中断供电将可能危害国家安全的电力用户。

2．一般重要用户，是指中断供电将可能产生下列后果之一的：

（1）直接引友人身伤亡的；

（2）造成严重环境污染的；

（3）发生中毒、爆炸或火灾的；

（4）造成重大政治影响的；

（5）造成重大经济损失的；

（6）造成较大范围社会公共秩序严重混乱的。

3．二级重要用户，是指中断供电将可能产生下列后果之一的；

（1）造成较大环境污染的；

（2）造成较大政治影响的；

（3）造成较大经济损失的；

（4）造成一定范围社会公共秩序严重混乱的。

4．临时性重要电力用户，是指需要临时特殊供电保障的电力用户。

（三）供电企业要根据地方人民政府有关部门确定的重要电力用户的行业范围及用电负荷特性，提出重要电力用户名单，经地方人民政府有关部门批准后，报电力监管机构备案。

（四）电力监管机构要按照地方人民政府有关部门确定的重要电力用户名单，加强对重要电力用户供电电源配置情况的监督管理，并与地方人民政府有关部门共同做好重要电力用户自备应急电源配置管理工作。

二、合理配置供电电源和自备应急电源

（五）重要电力用户供电电源的配置至少应符合以下要求：

1．特级重要电力用户具备三路电源供电条件，其中的两路电源应当来自两个不同的变电站，当任何两路电源发生故障时，第三路电源能保证独立正常供电；

2．一级重要电力用户具备两部电源供电条件，两路电源应当来自两个不同的变电站，当一路电源发生故障时，另一路电源能保证独立正常供电；

3．二级重要电力用户具备双回路供电条件，供电电源可以来自同一个变电站的不同母线段；

4．临时性重要电力用户按照供电负荷重要性，在条件允许情况下，可以通过临时架线等方式具备双回路或两路以上电源供电条件；

5．重要电力用户供电电源的切换时间和切换方式要满足重要电力用户允许中断供电时间的要求。

（六）重要电力用户应配置自备应急电源，并加强安全使用管理。重要电力用户的自备应急电源配置应符合以下要求：

1．自备应急电源配置容量标准应达到保安负荷的120％；

2．自备应急电源启动时间应满足安全要求；

3．自备应急电源与电网电源之间应装设可靠的电气或机械闭锁装置，防止倒送电；

4．临时性重要电力用户可以通过租用应急发电车（机）等方式，配置自备应急电源。

三、安全规范使用自备应急电源

（七）重要电力用户选用的自备应，急电源设备要符合国家有关安全、消防、节能、环保等技术规范和标准要求。

（八）重要电力用户新装自备应急电源及其业务变更要向供电企业办理相关手续，并与供电企业签订自备应急电源使用协议，明确供用电双方的安全责任后方可投入使用。自备应急电源的建设、运行、维护和管理由重要电力用户自行负责。

（九）重要电力用户新装自备应急电源投入切换装置技术方案要符合国家有关标准和所

接入电力系统安全要求。重要电力用户保安负荷由供电企业与重要电力用户共同协商确定，并报当地电力监管机构备案。

（十）供电企业要掌握重要电力用户自备应急电源的配置和使用情况，建立基础档案数据库，并指导重要电力用户排查治理安全用电隐患，安全使用自备应急电源。

（十一）重要电力用户如需要拆装自备应急电源、更换接线方式、拆除或者移动闭锁装置，要向供电企业办理相关手续，并修订相关协议。

（十二）重要电力用户要按照国家和电力行业有关规程、规范和标准的要求，对自备应急电源定期进行安全检查、预防性试验、启机试验和切换装置的切换试验。

（十三）重要电力用户要制订自备应急电源运行操作、维护管理的规程制度和应急处置预案，并定期（至少每年一次）进行应急演练。

（十四）重要电力用户运行维护自备应急电源的人员应持有电力监管机构颁发的《电工进网作业许可证》，持证上岗。

（十五）重要电力用户的自备应急电源在使用过程中应杜绝和防止以下情况发生：

1．自行变更自备应急电源接线方式；

2．自行拆除自备应急电源的闭锁装置或者使其失效；

3．自备应急电源发生故障后长期不能修复并影响正常运行；

4．擅自将自备应急电源引入，转供其他用户；

两路电源供电的三绕组变压器的设计 篇3

1 方案的选择

该梯级水电站分为上下两级, 水电站Ⅰ装机容量为1 100 k W, 水电站Ⅱ装机容量为2 000 k W, 两个水电站之间相距约5 km。这两台机组的容量都比较小, 不符合单独向电网输电的要求, 所以必须采取联合上网。由于水电站Ⅱ地势相对开阔一些, 同时离电网较近, 所以选择在水电站Ⅱ布置升压变压器, 向电网输电。当地的电网电压为35 k V, 于是联合上网可以采用如下的两个接线方案。

方案1的接线方式如图1所示。水电站Ⅱ的发电机2F发出的电通过一台10 k V级升压变压器升压到10 k V, 接着和水电站Ⅰ的发电机1F发出的电并联接至一台35 k V级升压变压器, 然后送入到35 k V级高压电网。

方案2的接线方式如图2所示。水电站Ⅰ发出的电经10 k V级输电线路输送到水电站Ⅱ, 然后和水电站Ⅱ发出来的电分别接至一台35 k V级三绕组升压变压器的10 k V侧和0.4 k V侧, 升压后送入到35 k V级高压电网。

方案1中35 k V级主变布置在水电站Ⅱ的开关站。那么水电站Ⅱ就有两台变压器, 一台10 k V级变压器和一台35 k V级变压器, 以及两台变压器各自配套的辅助设备等。由于水电站位于峡谷之中, 地域狭窄, 这种接线方式给水电站的整体布置带来了极大的困难。而方案2中水电站Ⅱ只有一台变压器, 占地面积大大减少, 辅助设备相应减少, 接线简单, 解决了水电站空间布置的问题, 节省了水电站的投资。而且方案2还会减少运行时整个水电站系统的损耗, 提升了水电站效益。

方案2的关键设备是一台双电源供电的三绕组变压器。常见的升压变压器是一个电源端输入, 两个负载端输出。而两个电源进线的变压器则是两个电源端输入, 一个负载端输出, 且这两个电源的电压、容量之间还不同, 所以须合理选择变压器参数。

2 变压器的参数确定

2.1 变压器的额定容量

发电机的功率因数cosδ这里按0.8选取。于是可以根据下式求出发电机的额定容量:

式中:S1F、S2F为发电机额定容量, k VA;P1F、P2F为发电机额定功率, k W。

为了保证变压器有较高的工作效率, 并留出一定的容量安全裕度, 确定10k V线路对应的变压器容量为1600k VA, 0.4k V线路对应的变压器容量为2900k VA, 变压器总的容量 (额定容量) 为4500k VA。

2.2 变压器的额定电压比和联结组别

发电机1F的出口电压为10.5 k V。由于它离变压器的距离较远, 考虑了线路上存在压降, 所以变压器10 k V侧的额定电压取10 k V。变压器0.4 k V侧的额定电压取发电机的出口电压0.4 k V。输出端的电压则按照普通的升压变压器选取, 考虑到变压器阻抗压降和线路压降等因素, 该电压取38.5 k V。由于现在的电网电压较稳定, 该变压器采用无励磁调压, 电压调整范围为38.5±2×2.5%k V。根据线路连接的要求和变压器的电磁特性, 35 k V侧采用Y接, 10 k V侧采用d接, 0.4 k V侧采用y接;同时为满足站用电和中性点接地的要求, 在0.4 k V侧加了零线输出, 于是变压器的整体联结组别为Yd11yn0。

2.3 变压器的阻抗电压

2.3.1 阻抗电压选取

根据水电站技术部门的要求, 以及为了尽量降低两个电源之间的相互影响, 变压器每相3个绕组排列成如图3所示, 从铁心柱往外, 依次套装着绕组1、绕组2、绕组3。经过测算, 暂定变压器的各个绕组间的阻抗电压如下所示:UK12=11%, UK13=30%, UK23=14%。其中, UK12为绕组1和绕组2之间的阻抗电压, UK13为绕组1和绕组3之间的阻抗电压, UK23为绕组2和绕组3之间的阻抗电压。

这样变压器3个绕组及其连接的线路的电气关系可以等效成如图4所示的线路图。绕组1通过线路1连接发电机2F形成支路1;绕组2通过线路2连接电网形成支路2;绕组3通过线路3连接发电机1F形成支路3。

其中, XK1、XK2、XK3为支路1、支路2、支路3的阻抗, 从图4可以看出, 支路2输出的容量是支路1、支路3输入容量的和, 而支路1和支路3之间的容量分配又受制于各自支路上的阻抗。为了让两个水电站的发电机都能够满发, 又不会有环流产生, 图4中A1点和A2点的电压标幺值就必须相等。这两点的电压标幺值可以根据以下公式进行计算:

式中:VA1为A1点的电压标幺值;VA2为A2点的电压标幺值;SJ为计算时的基准容量, 为了计算方便本文取变压器的额定容量4 500 k VA。

当VA1=VA2时, 有S1F/S2F=XK1/XK3, 这就要设计时合理匹配两个支路的阻抗, 所以方案2的成功与否在于各支路阻抗的选取, 而变压器的阻抗是系统中最重要的阻抗之一。现在对选取的阻抗电压是否合理进行验证。

2.3.2 阻抗电压验证

从方案2的系统图中可以看出, 支路1上的阻抗主要有绕组1对应的等效阻抗、发电机2F的阻抗;支路2上的阻抗主要有绕组3对应的等效阻抗、10 k V线路的阻抗、发电机1F的阻抗。通过分别计算各个支路上的阻抗来验证变压器阻抗选择是否合理。

1) 各绕组的等效阻抗标幺值

式中:ZK1为绕组1对应的等效阻抗;ZK2为绕组2对应的等效阻抗, 它可用于计算变压器的抗短路能力等;ZK3为绕组3对应的等效阻抗。

2) 水电站Ⅰ和水电站Ⅱ之间输电线路电抗标幺值XXL

式中:x1为架空线每千米的电抗值, 取0.4Ω;L为架空线的长度, km;UJ为线路所在电压级的基准电压, 取10k V。

3) 1F、2F水轮发电机阻抗标幺值

式中:X1F为发电机1F的阻抗标幺值;X2F为发电机2F的阻抗标幺值;UKF为水轮发电机次暂态电抗标幺值, 取0.21。

4) 两个支路的阻抗

根据以上计算可得出:XK1/XK3=0.513/0.934=0.55, S1F/S2F=1 375/2 500=0.55。满足S1F/S2F=XK1/XK3, 从中可以看出本台变压器的参数选择是合理的, 在两个水电站都满容量运行时, A1点和A2点的电压标幺值是相等的, 能够满足水电站运行的要求。

3 变压器的结构设计

变压器采用油浸自冷式结构, 与普通中小型无励磁调压油浸式三绕组变压器比较, 在器身结构、出线套管布置、低压引线、油箱等方面存在特殊性。

3.1 器身结构

变压器铁心为常规的三相三柱叠铁心结构。全部绕组为层式结构, 绕组1由于电流很大, 采用铜箔绕制;绕组2、绕组3采用纸包铜线绕制。内部器身各相绕组和铁心的相对位置如图3排列。这样布置有两个好处:一是能满足变压器整体的阻抗需要, 加大一二次侧绕组的耦合程度, 减小一次侧两个绕组之间的相互影响;二是利用0.4 k V侧电压低优势, 缩小绕组和铁心之间的距离, 提高铁心窗口侧的填充系数。绕组间绝缘具体如图5所示。由于35 k V侧绕组排列中间, 又有分接抽头从绕组上引出, 为了保证分接引线对外侧绕组的绝缘强度, 同时又缩小两个绕组之间的主空道尺寸, 在绕组2、绕组3之间加了绝缘角环, 形成了油道、纸板、角环、油道的复合绝缘结构。而绕组1、绕组2之间由于阻抗计算的需要主空道已经很大, 所以只用纸板加油道绝缘。

3.2 外部平面布置

由于水电站处在一个小峡谷中, 地域狭小, 无法平行排列下10 k V和0.4 k V两路进线, 所以它们呈90°转角排列。为了满足水电站的整体布置的方便, 文中突破了变压器套管平行于油箱长轴中心线双面布置的传统习惯, 根据水电站的线路布置把三个电压等级的套管分为三个方向布置。变压器平面布置如图6所示。由于0.4 k V侧电流较大, 采用两个套管并联, 但是对于升压变压器来说, 三相电流比较平衡, 通过零线的电流很小, 所以零线只用一个套管。这样, 发电机出线可以直接通过母排和变压器连接, 减少了中间的转向。同时为了山区道路运输方便, 采用了可拆卸的片式散热器和储油柜。

3.3 低压 (0.4 k V侧) 引线和油箱的结构

从图6中可以看出, 类似于常规的变压器, 套管A、B、C、Am、Bm、Cm和绕组位置相对应, 因此它们的引线布置和常规变压器相同, 这里将不再赘述。由于套管a、b、c和三相绕组排列不对应, 所以必须如图7采用铜排把套管和相应绕组引出线连接起来。按照用户的意思, 零线套管布置在a相侧, 也就是图7中圆圈O处。

为了连接方便和缩短绕组到套管a、b、c的引线距离, 把所有的低压引线铜排集中布置在油箱上半部。这样在油箱右端只有上半部的套管和连接铜排, 下半部没有任何部件。为了减少变压器油和钢板的重量, 参考了有载分接变压器的设计经验采用了如图8所示的上大下小的油箱。油箱右端突出一块, 专门用于套管和引线排的布置, 油箱下半部以B相中心线对称。该油箱为桶式油箱, 最上端的箱沿法兰, 用于和箱盖连接;最下边的底座, 用于和变压器基础的连接。采用了这种油箱, 和上下大小一样的油箱箱壁, 可以节省了280 kg变压器油和35 kg钢板, 降低了变压器的成本。

常规的中小型变压器在箱顶上安装一个带吸湿器的储油柜, 当油箱内的变压器油热胀冷缩时通过吸湿器进行呼吸。由于水电站处于峡谷当中, 湿度非常大, 吸湿器中吸湿硅胶很容易因为水分饱和而失效。为了避免变压器油受到水汽的污染, 改变了以往通过吸湿器进行干燥空气的结构, 采用了全密封的胶囊储油柜, 油的热胀冷缩通过胶囊进行补偿, 从而完全隔绝了变压器油和空气的接触, 保证了油长期保持在极低的含水量。并在储油柜上安装了一个具有反映油位高低远距离报警功能的油位计, 防止了胶囊的过度收缩或膨胀带来的损害。

4 两个方案的比较

如果该梯级水电站采用方案1, 则也选择了相应的变压器, 图1中变压器2B为S9-4500/35, 变压器1B为S9-2900/10。经过测算方案1和方案2的部分参数比较如表1所示。

表1中仅仅是变压器部分的参数。从表1中可以看出, 方案2比方案1空载损耗低了3.9 k W, 负载损耗低了8.1 k W。现在假定水电站一年满负荷运行4 560 h, 那么每年仅变压器部分就可以降低损耗71 100度。水电站卖给电力公司一度电为0.35元, 那么每年多卖的电费约2.5万元。方案2比方案1光变压器就节省了11万元, 其它省掉的设备还没有统计进去。特别是方案2比方案1变压器的净占地面积节省了3.7 m2, 加上其它辅助设备, 以及各个设备之间的安全间距等等, 占地面积大约能节省20 m2, 这对地域狭窄的水电站来说是极为重要的。

从两个方案的比较中可以看出方案2比方案1少用了一台变压器, 简化了水电站的整体布置, 节约了大量的土地, 特别适合于地域狭小、陡峭的峡谷中的水电站。方案2在水电站的初期投资和后期运行费用比方案1都有可观的节省, 提高了水电站的经济性和节能效果。

5 结语

三电源三风机改造方案 篇4

为有效预防煤矿井下掘进工作面因停电、停风而造成的瓦斯爆炸、瓦斯窒息等事故的发生, 《煤矿安全规程》对不同瓦斯等级矿井安装使用“三专两闭锁”和双风机双电源作出了专门规定, 以保障供电的稳定、可靠性和作业人员的安全性。

《煤矿安全规程》第一百二十八条明确规定: 高瓦斯矿井、煤 ( 岩) 与瓦斯 ( 二氧化碳) 突出矿井、低瓦斯矿井中高瓦斯区的煤巷、半煤岩巷和有瓦斯涌出的岩巷掘进工作面正常工作的局部通风机必须配备安装同等能力的备用局部通风机, 并能自动切换。正常工作的局部通风机必须采用三专 ( 专用开关、专用电缆、专用变压器) 供电。备用局部通风机电源必须取自同时带电的另一电源, 当正常工作的局部通风机故障时, 备用局部通风机能自动启动, 保持掘进工作面能正常通风。根据在实际应用中发现的问题, 如正常工作的局部通风机因停电、故障等原因无法运行, 在倒换至备用局部通风机时, 备用局部通风机以及开关等发生故障时, 则双风机全部停止运行, 无法保证通风, 造成瓦斯超限等, 严重制约着安全和生产。

2现有技术的双风机双电源倒台操作

目前国际和国内通用的风机倒台操作方式为, 风机倒台开关通过时间继电器、单片机程序等实现主风机和备用风机开关的通、断, 主风机与备用风机通过风机倒台开关可以相互自动切换: 正常情况下在主风机运行, 主风机出现断电停机或故障时, 通过风机倒台开关自动切换至另一回路的备用风机; 如备用风机运行中出现断电停机或故障时, 风机倒台开关同样自动切换至另一回路主风机侧。这种操作方式简单, 但是安全性能不高, 在主风机因故障无法运行时, 切换至备用风机的途中因开关、风机等故障极易造成备用风机不能正常开启, 导致采掘头面瓦斯超限, 影响矿井安全。

对此, 我们进行研究, 能不能设计一种装置, 在开关、风机出现问题的情况下, 依然能够确保矿井通风, 保证矿井安全生产, 即一种三风机三电源装置。

3具体改造方案

根据上述问题, 我们进行研究, 决定对矿井双风机双三专进行改造, 设计一种三风机三电源装置, 降低了双风机停运后造成的瓦斯超限。具体方案如下。

3. 1第3 台风机的控制线路设计

增加外围控制回路, 通过控制外围电路中时间继电器的通断和时间继电器的延时, 进而控制第3 台风机的开停。在原来主、副风机控制线路的基础上。从主、副风机控制电路中分别增加继电器KM3 和KM4, 在主副风机开关中, 中间继电器的常开点控制KM3 和KM4 通断状态, KM3 和KM4 通过自身的触点保持处于吸合状态, KM3 和KM4 中两个常开点并在一起, 后串联在时间继电器的控制回路中, 在第3 台风机开关中增加时间继电器SJ3 和SJ4, 分别延时10S和15S, 其中时间继电器的常开点并接在第3 风机开关的启动按钮两端, 时间继电器的控制电源同时接在两回路电源中, 再分别将各开关中间继电器的常闭点串联在时间继电器的控制回路中。

主、副、第3 台风机运行及互相控制情况如下: 正常运行中主副风机正常倒台, 第3 台风机带电备用, 主副风机正常倒台时, 时间继电器SJ3、SJ4 延时时间未到, 第3 台风机启动按钮不动作, 风机不启动。当主副风机出现故障, 无法正常切换、运行时, 主副风机双停, 时间继电器延时动作, 第3 台风机启动按钮动作, 风机运行。

第3 台风机运行后, 若主、副风机电源、开关等故障恢复正常, 手动停第三风机。人工启动主风机或副风机 ( 应在10 s内完成操作) , 主风机或副风机正常运行后, 第3 台风机开关带电备用, 为下一次主、副风机均停止运行后自行启动准备了条件, 如图1 所示。

主、副、第3 台风机运行流程如下: 正常情况下3 台风机只需要工作1 台, 一般情况下主风机处于长期工作状态, 副风机作为备用风机, 第3 台风机作为次级备用风机。主风机出现断电或故障停机后, 风机开关自动切换至副风机侧, 此时主风机处于故障状态, 副风机处于工作, 第3 台风机作为备用风机, 而此时如副风机出现故障停机, 则第3 台风机自动启动, 仍满足《煤矿安全规程》中的要求。

3. 2风机电源布置方案

为了解决上级电源可靠性这一问题, 风机安装时主、副、第3 台风机电源来自变电所两条回路中3 台不同高压馈电开关所带的低压馈电。若变电所有三条或四条进线, 则主、副、第3 台风机电源取自三条或四条回路中的不同回路, 但必须保证主、副风机电源来自地面变电站不同回路。采取此电源布置方案, 即使地面变电站有一条回路停电也能保证风机电源有一条不停电, 这样就有效提高了局部通风机上级电源供电可靠性。

若变电所只有两回路供电, 则本方案自动变更为两电源三风机, 风机启动原理不变, 风机电源引自同回路的变电所电源, 如图2 所示。

3. 3第三台风机与风筒的连接

风机与风筒的连接, 如图3 所示。

4 结语

并联开关电源供电系统设计 篇5

并联供电系统主要由DC-DC变换器、并联电流分配模块、电流采样放大模块以及总控制器等构成。系统框图如图1所示。

1.1 DC-DC变换器的设计

方案一:正激式BUCK拓扑

正激式变换器具有拓扑简洁、输入输出电气隔离、电压降范围宽、使用元器件少等优点。如图2所示, PWM控制器通过控制加载到正激式变压器一次侧绕组上的PWM波的占空比实现稳压输出。但是, 正激变换器必须附加复位电路来实现功率开关截止期间变压器铁心磁复位, 以避免变压器饱和, 效率很大程度上依赖于脉冲变压器的转换效率。

方案二:非隔离式BUCK拓扑

非隔离式DC-DC变换器使用元器件少, 且损耗只包括开关导通损耗和续流二极管的损耗。如图3所示, 开关管导通时, 对电感进行充电;开关管断开时, 通过续流二极管向负载供电。电路通过控制开关器件的占空比来控制输出电压。

方案二, 电路结构简单, 工作稳定可靠, 控制灵活方便, 损耗较小, 效率较高, 在负载调整率、电源效率方面较方案一均有改善。因此, 选择方案二实现DC-DC变换。

1.2 均流控制方法

方案一:最大电流均流法 (自主均流法)

采用负载共享控制器实现均流控制。在DC-DC模块正常工作时, 将两路控制器的均流母线连接, 自动选出电流最大的一路, 并将此路电源作为主电源。均流母线上的电压由主电源的输出电流决定, 控制器从电源的接收到母线上的信号后, 会控制该路DC-DC模块调整输出电压。通过减小从电源与主电源的电压差来提高该路输出电流, 从而达到均流。缺点是外部电路复杂, 需要连接的外围元件较多, 对器件有很大的依赖性。

方案二:主从控制法

一个单元作为主控单元, 工作在电压源 (CV) 方式, 另一个单元工作于电流源 (CC) 方式, 利用来自输出电流的误差电压△U来实现均流控制。实际上是由电压环 (外环) 和电流环 (内环) 构成电流控制型的双环控制。采用这种均流法, 精度很高, 控制结构简单, 模块间连线少, 易于拓展为多路。

主从控制法较自主均流法使用元件少, 成本低, 结构简单, 故选择方案二。

2 理论分析与电路设计

2.1 DC-DC变换器

基于非隔离式DC-DC变换器, 选用MPS公司生产的高集成度降压型DC-DC脉宽调制芯片MP1593作为DC-DC模块的主控芯片。MP1593允许输入的电压范围为4.75~28V, 输出电流最高可达3A, 最高工作效率可达95%, 外围电路也十分简单, 非常容易应用。DC-DC变换器电路图如图4所示。

(1) 稳压输出计算

取R4=10k, 则R3=55k。

(2) 电感的选择

根据电感的计算公式:

式中, 输入电压VIN=24.0V, 输出电压VOUT=8.0V, 输出额定电流ILOAD=2.0A, MP1593的开关频率fS=385kHz, 取ΔIL=0.3ILOAD。

求得:L=5.7μH, 选用SPQ104-7R0M型号的电感 (L=7.0μH, IDC=4.8A) 。

(3) 反馈环路的设计

方案采用二型反馈环路, 补偿网络由R6、C6和C8组成, 根据公式:

式中, GEA=800μA/V, G cs=5.9A/V, fC=1/6fs, 取RESR=200mΩ, C2=47μF。

求得:R6=15k, C6=510pF, C8=4.7nF。

2.2 并联供电控制

采用主从法控制两路电源按指定比例分配输出, 具体电路如图5所示。将两路电源的电流的取样电压送到精密运放OP07的两个输入端, 控制IRF3502的状态, 通过调节采样电阻的比值实现电流按指定比例分配。

2.3 电流电压检测

实时检测精密采样电阻上的电流信号, 经过A/D转换输送到MPS430且在LCD1602上显示。采用电阻分压方式得到输出电压表征值, 经A/D采样后送到MPS430处理并显示。

2.4 过流保护

通过采样电阻实时检测每路电源的输出电流, 经放大、比较后输出特征电平, 快速的反馈到MP1593芯片的使能 (EN) 端。当电流超过设定的极限值时, 保护电路输出低电平送到MP1593的EN端, MP1593停止工作, 直到排除故障;当电流在限定值以内时, 保护电路反馈高电平, 芯片正常工作。

3 性能测试与分析

3.1 性能测试

本设计各项性能的测试结果如表1。

3.2 测试结果分析

1) 系统输出电压控制在UO=8.0±0.1范围内。

2) 在额定工作状态下, 系统效率η=83.1%。

3) 调整负载电阻, 使负载电流IO在1.5~3.5A之间变化时, 每个模块的输出电流相对误差的绝对值在1.9%以内。

4) 调整负载电阻, 使两模块输出电流之和IO=4.0A且按I1:I2=1:1时, 输出电流相对误差的绝对值均为14%。

5) 当负载电流达到4.45A时, 系统停止输出, 同时报警灯点亮;一旦电流小于4.36A, 系统恢复工作。

摘要：针对电源并联供电的要求, 采用主从控制法自动分配两路电源的输出电流, 通过选用精密电阻采样控制, 实现了分配电流的高精度输出。DC-DC模块采用非隔离式BUCK拓扑结构, 具有拓扑简洁、使用元器件少、效率高等优点, 应用高集成度脉宽调制 (PWM) 芯片MP1593作为DC-DC模块的主控芯片, 极大程度地降低了损耗, 达到了小型化、高效率的目标。

关键词：并联供电,主从控制,均流

参考文献

[1]黄争.德州仪器高性能单片机和模拟器件在高校中的应用和选型指南[M].德州仪器大学计划部, 2010, 6.

[2]高吉祥.模拟电子线路设计[M].北京:电子工业出版社, 2007, 5.

电源组件试验系统 篇6

1.1 测试需求

电源组件试验系统由三部分组成:

①弹上电源模拟装置;

②机载电源模拟装置;

③电源综合控制装置。

弹上电源模拟装置能够模拟弹上直流电源;机载电源模拟装置能够模拟载机电源,满足GJB181A《飞机电源供电特性》;电源综合控制装置用于多路DC/DC,DC/AC的自动化测试。

1.2 系统设计

系统主要由计算机主机、数据采集和控制卡、程控交流电源、程控直流电源、电子负载、测试电路组成(见图1)。可以测试电源模块的输出电压、源效应(电压调整率)、负载效应(电流调整率)、效率等;可以创建电源模块数据库,并可以对测试数据进行分析、处理和显示。

2 系统的方案设计

电源组件试验系统以计算机系统为中心,整个系统可以作为整体使用,又可以各自独立地为各弹上部件和机载产品供电。整套系统集成于标准机柜内,程控直流电源和程控交流电源选用标准上架式结构,计算机系统采用PXI便携式机箱,结构紧凑、坚固耐用、便于搬运。

2.1 硬件设计

2.1.1 PXI便携式机箱

PXI具有适用于测量、工业自动化与数据采集的开放式工业规范,具备机械、电气与软件等多方面的专业性。PXI总线的传输速率可达132MBs,且采用模块化仪器结构,具有模拟I/O、数字I/O、定时计数器、示波器、图像采集和信号调理等广泛应用的仪器模块产品和“即插即用”的仪器驱动程序等特点可实现准确而快速的测量,是一种坚固的模块化仪器平台。PXI计算机通过RS485/RS422接口控制程控直流电源和程控交流电源,使其工作在不同的状态,模拟不同的工况。同时根据需要,对系统内的电源和电池参数进行监控。

2.1.2 程控交流电源

程控交流电源的功能是根据输入电源的要求来输出交流电源。系统采用自耦变压器的方式来产生需要的各路电源。变压器输入为∽220V,输出部分的各组输出采用继电器切换的方式来获得需要的各路电源。

2.1.3 程控直流电源

程控直流电源的功能是根据输入电源的要求来输出直流电源。采用变压器降压,然后整流、滤波的形式得到直流电源,最后根据系统的要求,由计算机的D/A输出口根据调整功率管的工作范围得到所需的调整后电源。

2.1.4 信号调理箱

信号调理箱主要完成信号处理等功能。信号调理箱通过专用电缆连接被测电源系统和PXI机箱。测试系统的基本思想是用PXI模块和信号调理控制箱,产生电源系统正常工作的信号,并采集电源系统各类信号,包括各种脉冲信号、过载过流保护信号等。采集得到的信号经过信号调理、控制模块、PXI总线进入计算机,由计算机对这些信号进行分析处理,进而判断其工作状况和性能状态,并通过数据报表给出被测电源系统的性能参数和检测结果。

2.1.5 电子负载

本系统采用功率调整管作为电子负载,在功率管的输出端采样电压和电流信号,采样到的电压信号和电流信号经处理后送计算机进行处理,并与需要的参数值进行比较。

2.2 软件设计

2.2.1 软件开发平台

系统软件选用Windows XP操作系统和Labview/CVI、VC++环境,数据库的建立工具选用Mircrosoft Access 2000环境。Access是一种简单实用的数据库管理系统,它的主要功能是为用户提供大量的数据管理,主要包括表、查询、窗体、报表、宏和模块6大部分。

2.2.2 软件设计框图

界面的分支表述如下:首先进入主界面,在此界面上首先选择“系统自检”,在系统自检界面中选择“上电”则自动显示自检进程和自检结果;自检完成后选择“退出”返回“主界面”,选择“手动检测”或“自动检测”,检测完成后,进入“数据管理状态”查看测试结果并生成数据报表。

“手动测试”功能:在主界面中按“手动检测”按钮即可进入手动测试模式。

“自动测试”功能:在主界面中按“自动检测”按钮即可进入自动测试模式。

“数据管理”功能:在主界面中按“数据管理”按钮即可进入数据管理模式。

3 结束语

随着现代航空武器和精确制导技术的飞速发展,对电源品质的要求也越来越高,然而目前电源系统故障种类繁多,检测手段落后,并且测试可靠性差。

基于虚拟仪器技术和PXI平台设计的新型电源组件试验系统,能够准确模拟电源系统的各种输入信号,并实时采集电源工作时的输出信号,对其性能参数进行自动测试,同时具有测试数据管理、分析和自动生成测试报表等功能,较好地取代了原来的模拟测量方法,实现了测试自动化。

摘要：文中基于虚拟仪器技术和PXI平台设计了新型的电源组件试验系统,它使用以数字调整和计算机分析为主的虚拟测量方法,以替代原来的模拟测量方式,准确、快速地测量电源产品的各项性能指标,实现了测试自动化。

关键词：虚拟仪器技术,电源组件,PXI平台

参考文献

[1]刘思久,张礼勇.自动测试系统与虚拟仪器原理.开发.应用[J].北京:电子工业出版社,2010.

[2]华永平.直流稳压电源的测试设计[J].北京:机械工业出版社,2010.

风光储独立供电系统电源优化配置 篇7

因地制宜地发展风能、太阳能等可再生能源发电系统,对于解决山区、牧场、边防、海岛等边远地区人群的用电问题具有重要意义[1,2,3,4]。由于风能、太阳能的间歇性和随机性,单独使用风力发电或光伏发电都存在供电不稳定的缺陷,为提高其供电可靠性,通常需配置大量储能装置以动态调整系统的功率偏差。而风能和太阳能在时间及地域上有互补性,白天光照最强时风很小,太阳落山后光照很弱,但由于地表温差变化大而风能加强,夏季太阳光照强度大而风小,冬季太阳光照强度弱而风大。相对于单独使用风力发电或光伏发电,采用风光互补发电形式能获得较稳定的电能,并能在满足相同的供电可靠性的前提下减少储能容量配置需求[4,5]。因此,采用风光储互补发电方案是实现独立供电系统的合理选择,也是解决偏远地区用电问题的有效途径。

电源的优化配置是风光储独立供电系统在规划设计阶段的一个重要内容,其对于减小系统投资成本、提高资源利用率、保证系统供电可靠性等方面具有重要意义。本文在建立基本元件模型的基础上,以系统等年值投资费用最低为目标,考虑系统运行约束条件,构建了风光储独立供电系统的电源优化配置模型,并提出基于粒子群优化算法的数值求解方法。

1 风光储独立供电系统的电源模型

1.1 风光储独立供电系统结构

典型风光储独立供电系统结构见图1。系统中供选择的可再生能源子系统有风力发电机(风机)和光伏发电系统(光伏),供选择的储能设备有蓄电池组和电解槽-储氢罐-燃料电池循环系统,实际系统只能选用一种储能设备进行配置,各电源均直接与直流(DC)母线相连,并通过DC/AC逆变器与交流(AC)母线相连,系统中包含直流负荷和交流负荷。

1.2 风力发电机输出功率模型

风力发电机的输出功率随风速变化而变化,而风速随高度的增加而变化,气象局提供的风特性数据一般都在9 m高度附近测得。使用时,必须折算成风力发电机转轴高度处的风速,可用指数公式折算[6]:

其中,v、v0分别为H、H0高度处的风速(m/s);修正指数n与地面平整程度(粗糙度)、大气稳定度等因素有关,取1/8~1/2,开阔、平坦、稳定度正常地区取1/7。

风速具有高度的随机性,可通过风速的概率分布来描述其统计特征。双参数威布尔(Weibull)分布被普遍认为是最适用于风速统计描述的概率密度函数,其概率密度函数表达式为[7]:

其中,v为风速;k和c为Weibull分布的2个参数,k称为形状参数,k>0,c称为尺度参数,c>1。k和c可以由平均风速v軃与标准差σv近似算出:

其中,Γ(·)为Gamma函数。

当已知风速的分布之后,就可以通过风力发电机组的输出功率与风速间的特性曲线得到风机系统的平均输出功率:

其中,NWG为风力发电机台数;Pw(v)为风力发电机的输出功率与风速之间近似关系(已考虑DC/DC变换器的损耗),可用式(5)所示模型进行描述[8]。

其中,PN为风电机组的额定功率;vc为切入风速;vN为额定风速;vF为切出风速。

1.3 光伏阵列输出功率模型

光伏阵列的输出功率与环境温度及光照强度相关,由于光照强度有随机性,因此输出功率也随机。据统计,在一定时段内(如1个或几个小时)太阳光照强度可近似看成Beta分布,其概率密度函数如下[9]:

f軃GGmax軃=Γ(α+β)Γ(α)Γ(β)軃GGmax軃α-1軃1-GGmax軃β-1(6)

其中,G、Gmax分别为一定时间段内的实际光照强度和最大光照强度(W/m2),0≤G≤Gmax;α、β为Beta分布的形状参数,可由一段时间内的光照强度平均值μ和标准差σG得到。

光伏阵列由若干光伏模块经串联和并联组成,单件光伏模块的输出功率可表示为[10]:

PPV(G)=1P S0TC0G051+l t軃a+G800(tNOC-20)-2555(8)

其中,PSTC为标准测试条件(STC)下的最大测试功率;l为功率温度系数;ta为环境温度,tNOC为元件额定工作温度(℃)。

在得到光强的分布和光伏模块的输出功率函数后,就可计算光伏阵列平均输出功率:

考虑到光伏阵列表面积尘、最大功率点跟踪控制效率以及DC/DC变换器效率的影响,将光伏发电系统在一定时间段内的平均输出功率表示为:

其中,ηdust为因表面积尘引起的光伏发电系统功率输出效率;ηmppt为最大功率点跟踪控制效率;ηloss为DC/DC变换器效率。

1.4 蓄电池

蓄电池作为储能设备,通过储能控制器可快速地控制其充放电以跟随负荷的变化,在可再生能源充足时,蓄电池充电以储备多余的能量,减少能源浪费,而在可再生能源匮乏时,蓄电池放电为负载提供稳定的电能输出,保障系统正常安全运行。荷电状态、端电压以及寿命周期是蓄电池管理的几个重要参数。

1.4.1 荷电状态

蓄电池荷电状态SOC可表示为[11]:

其中,σsdr为自放电率;Ibat,t为蓄电池充放电电流,充电时为正,放电时为负;Δt为仿真时间间隔;Cbat为蓄电池安时容量(A·h);Pbat,t为蓄电池的充放电功率,充电时为正,放电时为负;Nbat为蓄电池块数;Ubat,t为蓄电池端电压;ηt为充放电效率,放电时(Ibat,t<0)其值为1,充电时(Ibat,t>0)与SOC和充电电流相关,可表示为式(13)[12]。

ηt=1-exp 520.73(SOC-1)/軃0.1CIbat,tbat+0.55軃5(13)

1.4.2 端电压模型

蓄电池端电压可由其开路电压和内阻压降表示为[13]:

其中,Eoc,t为蓄电池的开路电压;Ibat,t为蓄电池充放电电流(大于0表示充电,小于0表示放电);Rbat,t为蓄电池内阻,包括电解质电阻Relectrode,t和电解液电阻Relectrolyte,t两部分;UF为蓄电池满充电压;b、r1、r2、r3、r4为经验系数,在充电和放电模式下具有不同的值。

1.4.3 寿命模型

蓄电池的实际使用寿命与蓄电池的充放电循环周期时间及放电深度有关。本文假设在不同循环周期下,蓄电池的寿命是充放电周期时间内充放电深度的函数。蓄电池寿命的预测是基于图2所示的蓄电池失效循环次数与放电深度的关系曲线。

基于图2中的原始数据,蓄电池失效循环次数可由下式拟合[14]:

其中,CF为蓄电池失效循环次数;DOD为放电深度;a1、a2、a3、a4、a5为拟合系数。

蓄电池寿命损坏期表示为:

其中,Ybat为蓄电池的寿命损坏期(a);Δt为仿真时间间隔;nT为仿真总时段数;SOC1,t、SOC2,t分别为第t个仿真时段初和时段末的蓄电池荷电状态;Sbat,t为在第t个仿真时段蓄电池的充放电状态,充电时值为0,放电时值为1;DOD,t为在第t个仿真时段末蓄电池的放电深度,DOD,t=1-SOC2,t。

蓄电池的重置周期为:

其中,Ybat为蓄电池的寿命损坏期,Yfloat为蓄电池浮充寿命,由厂家提供。

在系统运行过程中蓄电池将经历充电与放电过程,受其荷电状态允许范围(SOCmin≤SOC≤SOCmax)限制与蓄电池本身技术限制的约束,其最大充放电功率为:

其中,P chmax,t、Pdhmax,t分别为在第t个仿真时段内蓄电池的最大可充电功率和最大可放电功率;SOCmax、SOCmin分别为蓄电池荷电状态的上、下限;Cbat为蓄电池容量;Ubat,t为蓄电池端电压;Δt为仿真时间间隔;I chmax、Idhmax分别为蓄电池允许的最大充电电流和最大放电电流,单位时间内最大充放电电流为蓄电池额定安时容量的20%[15],如式(24)所示。

1.5 电解槽-储氢罐-燃料电池循环系统

电解槽-储氢罐-燃料电池循环系统在风光储独立供电系统中的作用与蓄电池储能相同:在可再生能源充足的时候,电解槽利用多余的电能电解水,并将电解产生的氢气储存在储氢罐中;而在可再生能源不足时,燃料电池以储氢罐中储存的氢气作为燃料进行发电,以满足系统负荷的需求[16]。

电解槽是一种通过电解水产生氢气的装置,其输出功率可表示为:

其中,Pele-tank为电解槽的输出氢气功率;Pele为输入电解槽的电功率;ηele为电解槽的效率,本文取为75%。

燃料电池以氢气作为燃料进行发电,其输出电功率可表示为:

其中,PFC为燃料电池的输出电功率;Ptank-FC为从储氢罐输入到燃料电池的氢气功率;ηFC为燃料电池的转换效率,本文取50%。

储氢罐中的储能量可表示为:

其中,ηstor为储氢罐的存储效率,本文取95%。

电解槽的最大输出功率受其自身额定功率P Nele及储氢罐的剩余储能容量限制:

燃料电池的最大输出功率受其自身额定功率P NFC及储氢罐的剩余储能量限制:

其中,Emaxtank、Emintank分别为储氢罐储能容量的上、下限,取Emaxtank=ENtank,Emintank=0.2ENtank;Etank,t为第t个仿真时段初始储氢罐剩余容量。

2 风光储独立供电系统电源优化配置模型

2.1 目标函数

本文建立了含有风力发电机、光伏阵列、蓄电池储能装置及电解槽-储氢罐-燃料电池循环系统的独立供电系统的电源优化配置模型,取独立供电系统中光伏电池模块安装块数NPV、风力发电机安装台数NWG、风机塔架高度H、蓄电池块数Nbat、电解槽额定功率PNele、燃料电池额定功率P NFC以及储氢罐的容量Emaxtank为优化变量,主要将设备投资费用、运行和维护费用、设备重置费用3个部分计入目标函数,使系统等年值投资费用ACS(Annualized Cost of System)最低,同时满足用户要求的供电可靠性。独立供电系统电源优化配置模型描述如下:

其中,CACS为系统等年值投资费用;x为优化变量集合,x=[NPV,NWG,H,Nbat,PNele,PNFC,ENtank]T;CCP为安装成本年平均费用;COM为年运行维护成本;CREP为年均重置成本,对于寿命周期时间小于整个项目设计年限的元件需要考虑重置成本。

风光储独立供电系统各元件安装成本年平均费用与元件寿命周期年限相关[13,14]:

其中,CTCP为安装成本;Yproj为元件寿命周期年限;μCRF为资金回收系数CRF(Capital Recovery Factor),其表达式如式(32)所示。

其中,h为实际利率,与名义利率h′和全年通胀率f有关,其关系满足式(33)。

在项目年限内,若系统元件达到其寿命终止年限,则需要对元件进行重置替换,元件的年均重置成本费用计算公式如下:

其中,CTREP为重置成本;YREP为元件重置周期寿命;μSFF为偿债基金因子,其关系满足式(35)。

2.2 约束条件

其中,RLPSP为负载失电率,为全年运行的系统供电可靠性指标;RL,max为设置的系统可靠性指标;REXC为能量过剩倍率;RE,max为设置的能量过剩倍率限制;Hmax、Hmin分别为风塔设计高度的上、下限;N为非负整数集合;R为实数集合。下文介绍RLPSP及REXC的计算方法。

2.3 储能装置控制策略

因为风能、太阳能资源具有间歇性和波动性的特点,全年独立运行的系统会出现供电小于负荷的情况,这时需要储能装置放电以补充不足电力,另外也会出现供电大于负荷的情况,此时通过储能装置将多余的电能存储起来,以提高可再生能源的利用效率。

本文计算系统1 a的负载缺电概率作为供电可靠性指标。将1 a划分为8760 h,每小时计算一次,在每小时内计算系统各元件的平均功率。

其中,Pnet,t为第t小时内系统净负荷功率;Pload,t为总负荷功率;PDCload,t为总直流负荷;PACload,t为总交流负荷;ηinv为逆变器效率;Pren,t为可再生能源总发电功率。

系统采用蓄电池或电解槽-储氢罐-燃料电池循环系统作为储能装置时的控制策略分别如下。

a.如果系统采用蓄电池作为储能设备,则当第小时Pnet,t>0时,蓄电池放电,蓄电池功率为:

此时若表明第t小时内不能完全满足所有负荷,计算第t小时的缺电功率为:

当第t小时Pnet,t<0时,蓄电池充电,蓄电池功率为:

此时若表明第t小时内可再生能源电源发电过剩,第t小时的过剩功率为:

b.如果系统采用电解槽-储氢罐-燃料电池循环系统作为储能设备,则当第t小时Pnet,t>0时,燃料电池发电:

此时若PFC,t

当第t小时Pnet,t<0时,电解槽将多余电能转化为氢气以存储:

此时若表明第t小时内可再生能源电源发电过剩,第t小时的过剩能量为:

在计算全年各小时内各元件的功率之后,进一步可计算全年缺电概率[13,14]:

其中,SLPSP,t为系统缺电标记符,Punm,t>0时SLPSP,t=1,Punm,t=0时SLPSP,t=0。

能量过剩倍率定义为在系统全年运行期内过剩的能量除以系统负荷总需求能量,即:

3 基于粒子群优化算法的优化配置

上述独立供电系统电源优化配置是一个多约束条件的混合整数非线性规划问题,尤其是其约束条件中的RLPSP、REXC与优化变量之间难以表示为解析表达式,因此从设计方案寻优的算法上而言只能采用有约束的直接搜索法。本文采用粒子群优化PSO(Particle Swarm Optimization)算法求解优化配置模型。PSO算法本质上属于迭代的随机搜索算法,具有并行处理、鲁棒性好等特点,能以较大概率找到问题的全局最优解,且计算效率比传统随机方法高,其最大的优势在于简单易实现、依赖的经验参数较少[17]。

系统优化配置模型的优化变量集合为x,每个优化变量对应粒子的一个维度,即[NPV,NWG,H,Nbat,PNele,PNFC,ENtank]。对于式(36)、(37)体现为相应的优化变量即粒子位置的限制,粒子位置越限时,取其限值。式(40)表明NPV、NWG、Nbat为整数变量,式(41)表明H、PNele、PNFC、ENtank为连续变量。对于式(38)、(39)表示的约束,以罚函数形式将其计入目标函数中,即:

其中,σ为惩罚因子。

独立供电系统电源优化配置模型同时包含连续变量和整数变量。对于各粒子的连续变量,其PSO进化方程为:

其中,vid为粒子的速度;xid为粒子的位置;ω为惯性加权;c1、c2为大于零的认知参数和社会参数;r1、r2为(0,1)均匀分布的随机数;pid为粒子自身经历的最好位置;pgd为微粒群中所有粒子经历的全局最好位置。

对于各粒子的整数变量,其PSO算法可形式化描述为[18]:

其中,φ1∈[a1,b1]等概率分布的整数,φ2∈[a2,b2]等概率分布的整数,并且满足式(60)。

针对风光储独立供电系统的电源优化配置问题,本文采用PSO算法求得优化配置结果的流程,如图3所示。

4 算例分析

4.1 基础数据

应用本文方法对独立供电系统的电源进行优化配置,备选的分布式电源类型有风力发电机、光伏模

块、蓄电池、电解槽、储氢罐和燃料电池。风力发电机参数:PN=30 k W,vc=3 m/s,vN=11 m/s,vF=25 m/s。光伏电池参数:PSTC=100 W,tNOC=44.2℃,k=-0.4%,ηdust=94%,ηmppt=96%,ηloss=96%。蓄电池参数:Cbat=100 A·h,额定电压为12 V,允许放电深度DOD=80%,失效循环次数为560,浮充寿命为8 a。风机塔架高度的上、下限分别设为15 m、8 m,各种电源及系统其他元件的成本参数如表1所示,项目设计年限定为20 a。以上基本数据综合取自文献[11-14],算例中暂按美元与人民币汇率1∶6.38折算后进行相关计算。由表1可见,各系统元件中只有燃料电池的寿命低于项目设计年限,蓄电池的寿命与系统配置和全年实际运行状态相关,其寿命可能低于项目设计年限,因此燃料电池和蓄电池涉及重置费用。

独立供电系统容量优化配置还需工程所在实地的典型年气象数据和负荷数据。气象数据包括小时平均风速、风速标准差、小时平均光照强度、光强标准差、小时最大光强及小时平均环境温度,负荷数据包括小时平均直流负荷和小时平均交流负荷。设计2个算例,其中算例1所用气象、负荷数据如图4、图5所示,算例2所用气象、负荷数据如图6、图7所示。

针对每一算例计算2种方案:

a.方案1,备选电源只考虑风机、光伏阵列、蓄电池,即风/光/蓄电池独立供电系统;

b.方案2,备选电源只考虑风机、光伏阵列、电解槽-储氢罐-燃料电池循环系统,即风/光/循环储能设备的独立供电系统。

2种方案均考虑风光储独立供电系统的最大允许缺电概率RL,max分别设置为0%、1%、2%的情况,RE,max均设为100%。

4.2 结果分析

采用提出的独立供电系统电源优化配置方法,得到电源优化配置结果如表2和表3所示。

对比分析两算例中方案1和方案2下的优化配置结果易知,显然采用方案1更经济,原因分析如下:方案2采用电解槽-储氢罐-燃料电池循环系统作为储能装置,其储电和发电是通过不同元件实现的,这无疑增加了系统投资成本,相对于方案1采用单一元件的能量可双向流动的蓄电池储能形式,循环系统储能形式的单位储能量对应的投资成本要高得多。因此,在满足相同供电可靠性的前提下,方案1比方案2的最优配置更经济。将电解槽-储氢罐-燃料电池循环系统仅作为独立供电系统中的电储能转换装置是不经济的,但是燃料电池系统可实现(冷)热电联供,提高燃气能量转换效率,在同时有电负荷和热(冷)负荷需求的地区,才能体现方案2的相对优势。

由于算例2中的年风速水平和年光照强度水平均偏低,而负荷水平更高,因此算例2中系统优化配置下的等年值投资费用更高。

从方案1和方案2的优化配置结果能得到一个共同的结论:可靠性指标设置得越高(即RL,max设置得越小),则独立供电系统的年投资费用越高,高供电可靠性会带来高经济性代价。因此,合理地评估停电损失和设置可靠性指标是降低系统电源冗余投资的有效手段之一。

5 结论

a.在仅有电负荷需求的边远地区,由风/光/蓄电池构成的独立供电系统比由风/光/燃料电池循环系统构成的独立供电系统的优化配置更为经济;

b.合理地评估停电损失和设置可靠性指标可有效降低风光储独立供电系统冗余投资;

c.燃料电池系统可实现(冷)热电联供,提高燃气能量综合转换效率,对于同时有电负荷和热(冷)负荷需求的地区,分别采用电解槽-储氢罐-燃料电池循环系统与蓄电池作为储能形式时的经济性配置有待进一步研究。

摘要：风光储独立供电系统是解决边远地区供电问题的有效途径,对其合理地配置电源以提高供电可靠性、经济性是系统规划设计阶段的主要问题。在建立基本元件模型的基础上,以系统等年值投资费用最低为目标,考虑系统运行约束条件,构建了风光储独立供电系统的电源优化配置模型。提出了基于粒子群优化算法的数值求解方法。在算例分析中,分别以蓄电池和电解槽-储氢罐-燃料电池循环系统作为储能装置,对比分析了不同储能模式下的系统优化配置方案,结果表明,在满足相同供电可靠性指标的前提下风/光/蓄电池系统的优化配置更经济,合理地评估停电损失和设置可靠性指标可有效降低系统冗余投资。

AC/DC双电源供电系统设计 篇8

随着科技的发展, AC/DC双电源供电系统在社会各个领域的运用越来越广泛, 因此, 对该供电系统的可靠性提出了更高要求。作为系统的供电部分, 特别是在一些要求不间断供电的场合, 对其系统可靠性要求就更为严格。一般的AC/DC双电源供电系统都匹配有备用供电电源, 实现主电源和备用电源的双重有效性就是我们要解决的问题。

1 利用MAX1873进行双电源供电系统设计

1.1 MAX1873的内部结构及典型应用电路

MAX1873的功能结构如图1所示, 典型应用电路如图2所示。

1.2 充电电压设计

在VADJ端和REF端之间接入电阻分压器R1、R2, 改变这2个电阻分压器的值R1、R2可设定充电电压极限值。充电电压极限值的计算公式为:

因为VREF=4.2 V, 则:

由图2可得:

因VADJ端内部接有缓冲区, 故外接分压电阻应具有较大的阻值, 通常R2典型值为100 kΩ。

1.3 充电电流设计

充电电流ICHG由电流取样电阻RSENSE和充电电流设置端SETI的电压值所决定。电流取样放大器检测电流取样电阻两端的电压, 与电流取样放大器输出电压比较, 当SETI接REF端时, 可输出最大充电电流。最大充电电流IPS的计算公式为:

式中, 185 m V是CSS与BATT端的最大电压值。

在不改变取样电阻值RSENSE的情况下, 为了将充电电流设定在合理的位置, 可通过改变R3、R4的阻值以调节VSETI的电压值, 来达到改变充电电流的目的。由图2可得:

式 (5) 、 (6) 中, VSETI为SETI端电压值;ICHG为充电电流值;RSENSE为取样电阻值;VREF为4.2 V基准电压值。

1.4 最小输入电压设计

最小输入电压VIN, min一般略高于电池组充电电压极限值, 其计算公式为:

式中, VIN, min为最小输入电压;VBATT为电池组充电电压极限值;VV1为肖特基二极管V1管的压降;RDS (ON) 为V3的导通电阻;RL为电感L1的电阻值。

2 本电源主要模块

2.1 电源供电状态检测电路

供电状态的检测通过在15 V电源和5 V电源之间添加一个光耦TLP521-1来完成, 当有市电供电时, Status输出低电平;当无市电供电时, Status输出高电平。其电路原理如图3所示。

2.2 充电控制电路

充电控制电路基本工作原理如图4所示:电源适配器输出直流电压19.5 V, 经过隔离二极管Dl加到MAX1873的15脚。U2为充电驱动信号输出开关管;R2为充电电流检测电阻, 用于检测充电电流的大小;R1为系统电流的检测电阻;R3、R4为充电截止电压调整电阻。输入的直流电压经过隔离二极管D1, 一方面通过D2向系统电路供电, 另一方面通过U2、L1、R2对锂电池充电。芯片通过对电阻R2上的电压采样, 经电压误差放大器放大, 转换成直流分量反馈到芯片内部, 从而控制MAX1873的14脚输出PWM波的占空比, 通过占空比的调节来控制P沟道场效应管NDS8435A源漏极的导通与截止时间比, 使U2的导通电流即锂电池的充电电流发生变化。如果流经R2上的电流过小, MAX1873的14脚会输出控制电压使U2的电流相应增加;反之, 流经R2上的电流过大, 由MAX1873的14脚输出控制电压使U2的电流相应减小, 从而使锂电池组有一个恒定的充电电流。当检测电阻R2上的电流 (ICHG=0.2V/RCSB) 很小且达到充电电流最小值或0时, MAX1873从14脚输出低电平的脉冲控制信号, 关断U2, 停止对电池充电。R1用来检测输入电流, 以控制负载电流和锂电池充电电流之间的供电平衡, 防止电源过载。当系统负载电流较大时, MAX1873通过减小14脚输出控制信号的占空比, 减小流向锂电池的充电电流, 从而保证电源适配器输出电流大小不变。

2.3 供电切换电路

由于12 V直流电源端电压总是保持在12.6 V以上, 即如有交流电源时, 输出端总是通过12 V直流电源供电;而当无交流电源时, 由于电池电压比12 V直流电源的电压高, 则通过电池对系统进行供电。其电路原理如图5所示。

3 结语

利用MAX1873锂电池充电控制器构成的充电电路结构简单, 充电速度快, 且充电电流易调, 成本低。由MAX1873构成的锂电池双电源供电系统与其他双电源系统相比, 具有供电时间长、电池可靠性高、体积小、重量轻等优点。

摘要：介绍了MAX1873的结构功能及典型应用电路, 探讨了应用MAX1873来设计双电源供电系统时电池充电电路的充电电压、充电电流、最小输入电压, 并介绍了该电源的主要模块。解决了双电源供电系统中电池充电电路设计上的难点, 使双电源供电系统的性能更加安全、可靠。

关键词：双电源供电,电路,MAX1873

参考文献

[1]周建荣, 王定飞, 郑家移, 等.基于MAXl873锂电充电控制器的双电源供电系统设计[J].现代电子技术, 2005 (2)

[2]朱黎明.锂电池在线充放电管理电路的设计[J].电子技术应用, 2002 (4)

[3]付梦印.便携式设备的电源方案设计[J].电子技术, 2002 (10)

[4]张毅刚.锂电池放电设计[J].电子技术应用, 2002 (6)