一种基于磷酸铁锂电池储能的电力应急车的制作方法

1.本实用新型属于电力应急车技术领域，尤其涉及一种基于磷酸铁锂电池储能的电力应急车。


背景技术：

2.目前，电力应急车有基于柴油发电机和基于储能装置两种技术路线，基于这两种技术路线的电力应急车均为交流低压400v输出，应用于交流中压10kv电压等级时，需外接移动式升压变压器。基于柴油发电机的电力应急车采用柴油机作为能量来源，主要优势是成本较低、技术较成熟，主要缺陷是噪音大、需消耗矿物燃料且会造成环境污染；基于储能装置的电力应急车采用储能电池作为能量来源，主要优势是噪音小、不消耗矿物燃料且不会造成环境污染，主要缺陷是成本较高，且现有技术方案均为并联接入交流低压系统作为应急保电电源或临时增容电源，以并联方式接入系统，对接入点电压质量调节能力受限，未充分挖掘储能装置的应用场景和应用潜力，在无应急保电需求或临时增容需求时处于闲置状态，应用场景单一，并未充分发挥其灵活布置的优势，同时，由于储能电池的日历寿命的影响，若经常处于闲置状态，将增加装置的投资、使用和维护成本回收期，影响经济性。


技术实现要素：

3.本实用新型是为了克服现有技术中的不足，提供一种基于磷酸铁锂电池储能的电力应急车,通过增加静态开关、串联电压环节、固态切换开关以及共用储能电池，可动态改变系统侧线路阻抗，以系统侧阻抗重塑的方式进行系统三相不平衡、电压暂降、短时中断等电能质量的治理，同时，通过并联隔离变压器接入交流低压系统，完成应急保电、动态增容、无功补偿等功能。
4.本实用新型为实现上述目的，通过以下技术方案实现，一种基于磷酸铁锂电池储能的电力应急车，包括隔离变压器、并联滤波器和储能变流器构成并联交流低压线路，交流低压线路并联接入市电网对电力应急车进行补电和储能装置，其特征是：所述市电网连接有串联电压线路，所述串联电压线路包括串联变压器、串联滤波器和电压源型变流器，所述串联电压线路通过固态切换开关与并联交流低压线路连接，所述固态切换开关并与串联电压线路的串联滤波器连接，构成串联补偿系统。
5.所述串联电压线路与市电网的市电开关之间增设静态开关，所述静态开关、串联电压线路和并联交流低压线路构成应急保电及提高电能质量的整体系统，实现动态电压补偿和抗晃电的灵活切换功能。
6.所述串联电压线路与并联交流低压线路共用一套储能电池。
7.所述固态切换开关包括第一、二、三固态切换单元，所述串联变压器通过第一固态切换单元与串联滤波器连接，所述串联滤波器连接通过第三固态切换单元与并联滤波器连接，所述并联滤波器通过第二固态切换单元与隔离变压器连接，并构成串联电压线路和并联交流低压线路间功率互济的切换回路，每个固态切换单元包含一个并联旁路开关和两个
反向并联的晶闸管，并联旁路开关用于降低通态损耗，反向并联的晶闸管完成回路的快速导通与关断。
8.有益效果：与现有技术相比，本实用新型通过静态开关、串联电压线路、固态切换开关及共用储能电池构成的电池储能电力应急车，使电力应急车具备系统阻抗重塑及电能质量治理功能；串联电压线路、并联交流低压线路共用磷酸铁锂电池储能的结构，提高了储能系统的利用率，拓展了电力应急车的应用场景，有利于提升本技术方案的市场竞争力和缩短投资回收期；通过串联电压线路对系统的阻抗调节，在满足补偿电压要求的情况下，降低了开关器件的耐压水平，减少了设备投资；设计了固态切换开关，实现串联电压线路、并联交流低压线路的动态功率互济和动态增容，通过与静态开关的协调控制，完成电力应急车多种工作模式的切换。
附图说明
9.图1是本实用新型的系统结构示意图；
10.图2是串联电压线路结构图；
11.图3a是串联电压线路的调节线路电抗相量图；
12.图3b是串联电压线路的调节线路阻抗相量图；
13.图4是固态切换开关结构示意图；
14.图5是三相全桥式vsc接线图。
具体实施方式
15.以下结合较佳实施例，对依据本实用新型提供的具体实施方式详述如下：详见附图，本实施例提供了一种基于磷酸铁锂电池储能的电力应急车，包括隔离变压器、并联滤波器和储能变流器构成并联交流低压线路，交流低压线路并联接入市电网对电力应急车进行补电和储能装置，所述市电网连接有串联电压线路，所述串联电压线路包括串联变压器、串联滤波器和电压源型变流器，所述串联电压线路通过固态切换开关与并联交流低压线路连接，所述固态切换开关并与串联电压线路的串联滤波器连接，构成串联补偿系统。
16.本实施例的优选方案是，所述串联电压线路与市电网的市电开关之间增设静态开关，所述静态开关、串联电压线路和并联交流低压线路构成应急保电及提高电能质量的整体系统，实现动态电压补偿和抗晃电的灵活切换功能。
17.本实施例的优选方案是，所述串联电压线路与并联交流低压线路共用一套储能电池。
18.本实施例的优选方案是，所述固态切换开关包括第一、二、三固态切换单元，所述串联变压器通过第一固态切换单元与串联滤波器连接，所述串联滤波器连接通过第三固态切换单元与并联滤波器连接，所述并联滤波器通过第二固态切换单元与隔离变压器连接，并构成串联电压线路和并联交流低压线路间功率互济的切换回路，每个固态切换单元包含一个并联旁路开关和两个反向并联的晶闸管，并联旁路开关用于降低通态损耗，反向并联的晶闸管完成回路的快速导通与关断。
19.工作过程
20.1)线路参数的估计
21.对于配网系统，主要估算配网线路参数r、l，考虑线路参数随运行方式、负荷分布而发生的变化。整个线路回路中的部分r、l起到了关键作用；
22.2)通过串联电压线路进行动态电压质量调节
23.通过步骤1)估计的系统侧参数及三相不平衡程度，计算串联电压线路电压补偿值δu，在开关器件耐压水平范围内，通过调节系统参数l来恢复负荷侧电压，当调节系统参数l不足以使负荷侧电压恢复至额定值，或已接近开关器件的耐压极限，则采用调节系统侧阻抗，即同时调节r、l的方式，使负荷侧电压恢复至额定值；
24.3)系统阻抗重塑
25.基于系统参数的实时估计结果，通过串联电压线路实现系统阻抗的重塑，并进行系统参数r、l的补偿选择；
26.4)进行动态增容或应急保电
27.根据动态增容或应急保电需求，通过并联交流低压线路向接入注入所需功率或提供电压频率支撑；
28.5)电力应急车补电
29.基于磷酸铁锂电池储能的电力应急车通过并联交流低压线路接入电网进行补电。在仅有电压质量治理需求的场合，可能有较长时间尺度的有功功率需求，此时，可通过并联交流低压线路进行电力应急车补电，以满足较长时间尺度的电压质量治理需求。
30.工作原理
31.(1)输入端静态开关
32.本实用新型在电力应急车输入端装设了一组静态开关，如图1中方框
①
所示，静态开关由两个反向并联的晶闸管构成，静态开关的典型参数为输入输出电压380v
±
10％、工作频率50hz、切换时间≤10ms、效率≥98％，额定电流通常根据负载容量进行选择，常用额定电流序列为25a、40a、63a、100a等。
33.该静态开关可实现两个功能，一是在重要负荷应急保电场景中，大电网故障或失去市电的情况下，静态开关可在10ms内闭锁，同时，系统将在20ms内切换至由并联交流低压线路(图1中隔离变压器所在支路)提供电压源，此时，储能变流器(pcs)采用电压-相角(vδ)控制方式，保证负荷不间断供电，故障清除或市电恢复后，静态开关重新启动触发，并将储能变流器(pcs)切换为有功-无功(pq)控制方式或待机状态；二是在治理电压暂降、短时中断等电能质量场景中，可实现动态电压补偿和抗晃电功能的灵活切换，当电压暂降幅度较小(约0.1p.u.～0.5p.u.)时，以动态电压补偿的方式进行电压质量管理，当电压暂降幅度较大(约0.5p.u.～0.9p.u.)或发生短时中断时，立即闭锁输入端静态开关，退出串联电压线路的动态电压补偿功能，切换为并联交流低压线路控制模式，为负载提供高品质连续供电。因此，静态开关、串联电压线路、并联交流低压线路形成一个有机的整体，可充分发挥串联电压线路、并联交流低压线路在应急保电及电能质量治理中的作用。
34.(2)串联电压线路
35.串联电压线路的结构如图2所示、相量图分别为图3a、图3b所示，相比于图1中的方框
②
，略去了固态切换开关环节，vsc采用三相全桥式电压源型变流器，原理接线示于附图5。
36.图3a、图3b中，为系统额定电压，为串联电压线路输出电压，为功率因数角。
37.图3a为串联电压线路运行于调节线路电抗模式，该模式下，串联电压线路仅输出无功功率，以注入无功功率的方式，即调节线路电抗的方式调节负载端电压值，串联电压线路补偿电压始终保持与负载电流相量夹角为90
°
，该模式的优势是所需的储能容量较小，仅需直流侧提供一个较稳定的直流电压，但从图中可以看到，除非负载为纯感性负载，否则，将不能以最小的串联电压线路补偿电压δu使负载电压恢复到额定值，当负载为阻性负载时，将以较大的串联电压线路补偿电压δu为代价使负载电压恢复到额定值。
38.图3b为串联电压线路运行于调节线路阻抗模式，该模式下，可实现系统侧电压经过串联电压线路补偿后，以最小的路径，即最小的串联电压线路补偿电压δu使负载电压恢复到额定值，串联电压线路补偿电压与负载电流相量夹角为某一优化角度，对于恒功率负载，由于负载端电压发生了变化，但功率因数角不变，因此，负载侧电流也会随之改变。调节线路阻抗模式将同时调节系统侧电阻和电抗，当调节电阻时，串联电压线路呈现正电阻或负电阻特性，需吸收或提供有功功率，对储能电池容量有一定要求，此外，该模式可以利用储能电池有功功率的补偿降低开关器件的耐压水平，降低器件成本，提高电压补偿效果或范围。
39.系统电压三相不平衡的补偿仍采用上述原理。
40.(3)固态切换开关
41.本实用新型采用固态切换开关实现串联电压线路和并联交流低压线路间的功率互济，如图1中的方框
③
所示，固态切换开关由三个固态切换单元连接为如图4所示的切换回路，每个固态切换开关包含一个并联旁路开关bs和两个反向并联的晶闸管th，并联旁路开关用于降低通态损耗，反向并联晶闸管完成回路的快速导通与关断。
42.详见附图4，固态切换开关在不同应用场景中有不同的切换策略，如：
43.1)当动态电压补偿所需容量较大且没有应急保电需求时，由并联交流低压线路向串联电压线路提供功率支撑,此时的第一、三固态切换单元启动触发，并闭锁第二固态切换单元；
44.2)当应急保电所需容量较大且没有电能质量治理需求时，由串联电压线路向并联交流低压线路提供功率支撑；此时的固态切换单元第二、三启动触发，并闭锁第一固态切换单元；
45.3)当串联电压线路和并联交流低压线路独立运行时，此时的第一、二固态切换单元启动触发，并闭锁第三固态切换单元；
46.4)当储能电池电量耗尽或损坏时，可实现由并联交流低压线路取能输入串联电压线路进行电能质量治理，此时的第一、二固态切换单元启动触发，并闭锁第三固态切换单元。
47.通过串联电压线路、并联交流低压线路的功率互济完成两个环节的动态增容，以满足不同应用场景的需求。通过这种方式，提高了运行灵活性，同时，可在一定程度上降低串联电压线路和并联交流低压线路的系统容量，节约投资。
48.(4)共用储能电池
49.本实用新型串联电压线路、并联交流低压线路共用一套储能电池，如图1中的方框
④
所示，储能电池采用方形硬壳磷酸铁锂电池，直流电压范围为600～900v，与交流电压相
匹配。由于本技术方案中串联电压线路、并联交流低压线路共用一套储能电池，处于同一回路，因此，可实现在储能电池退出的情况下由并联交流低压线路取能输入串联电压线路进行电能质量治理，进一步提高了装置的灵活性。
50.本实用新型相对于传统含储能装置的电力应急车，主要有如下四方面改进，一是在输入端增加了静态开关，使装置能够实现动态电压补偿和抗晃电的灵活切换功能；二是搭建了含vsc和串联变压器的串联补偿环节，使装置在进行功率支援、能量管理的同时，具备动态电压补偿和线路阻抗重塑能力，可调节接入点的三相电压不平衡、电压暂降、电压暂升等电能质量问题；三是设计了串联电压线路和并联交流低压线路间的固态切换开关，使电力应急车的串联电压线路和并联交流低压线路能够进行功率互济，根据不同应用场景完成在线动态功率调节；四是串联电压线路和并联交流低压线路共用一套储能电池，使得串联电压环节能够提供更强的有功输出能力和系统阻抗重塑能力，提高了储能电池的利用效率。
51.上述参照实施例对该一种基于磷酸铁锂电池储能的电力应急车进行的详细描述，是说明性的而不是限定性的，可按照所限定范围列举出若干个实施例，因此在不脱离本实用新型总体构思下的变化和修改，应属本实用新型的保护范围之内。