許 杰

(寧波原水有限公司橫溪水庫分公司，浙江 寧波 315100)

0 引 言

通過對(duì)各水庫及周邊水閘啟閉機(jī)類型的調(diào)研，現(xiàn)有啟閉機(jī)主要類型為卷揚(yáng)式啟閉機(jī)、液壓式啟閉機(jī)、螺桿式啟閉機(jī)?，F(xiàn)有大部分閘門的啟閉機(jī)系統(tǒng)當(dāng)主電源故障情況下，一般采用發(fā)電機(jī)作為后備電源來應(yīng)急，由于很多發(fā)電機(jī)使用年限較久且長期處于待機(jī)狀態(tài)，在應(yīng)急啟動(dòng)時(shí)容易出現(xiàn)故障，而在這種緊急情況下大部分閘門的開啟和閉合采用人工卷繞+減速機(jī)的方式來實(shí)現(xiàn)，而人工卷繞的速率太慢且人工容易疲勞，無法滿足緊急狀態(tài)下的開啟需求，因此需要有一種高可靠性備用系統(tǒng)能替代人工方式來快速實(shí)現(xiàn)閘門的開啟與閉合。

在這種緊急應(yīng)用的需求下，我們采用超級(jí)電容+鋰電池作為高可靠后備電源，結(jié)合電機(jī)形成啟閉機(jī)應(yīng)急動(dòng)力系統(tǒng)，可完美的解決現(xiàn)有啟閉機(jī)系統(tǒng)緊急情況下實(shí)現(xiàn)閘門的開啟與閉合。采用后備電源+電機(jī)的模式來替代柴油發(fā)電機(jī)，直接接駁到主電源配電箱，當(dāng)主電源出現(xiàn)故障的情況下，可以快速投切到后備電源工作狀態(tài)，能迅速實(shí)現(xiàn)閘門的啟閉。該后備電源采用超級(jí)電容和鋰電池的組合，超級(jí)電容提供啟閉機(jī)啟動(dòng)瞬間大功率的輸出需求，鋰電池提供閘門運(yùn)行的較長時(shí)間的能量需求，超級(jí)電容模組和鋰電池模塊分別通過電容管理系統(tǒng)(CMS) 和電池管理系統(tǒng)(BMS) 進(jìn)行管理，及時(shí)將超級(jí)電容和鋰電池的狀態(tài)反饋給系統(tǒng)的控制模塊，該控制系統(tǒng)既可實(shí)現(xiàn)本地人工指令的執(zhí)行，也可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。該系統(tǒng)留有通訊接口，可遠(yuǎn)程控制通訊實(shí)現(xiàn)應(yīng)急動(dòng)力系統(tǒng)的執(zhí)行，起到執(zhí)行的雙重保障，規(guī)避現(xiàn)場(chǎng)人員不到位帶來的隱患。該系統(tǒng)可替代人工卷繞，但需改造手搖滑動(dòng)軸承及齒輪匹配，適合電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)啟閉機(jī)的應(yīng)急開啟與閉合。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)啟閉機(jī)十分鐘內(nèi)完全開啟，十分鐘內(nèi)完成閉合，可以根據(jù)需要調(diào)整配置儲(chǔ)能動(dòng)力單元，實(shí)現(xiàn)負(fù)載工作情況下的連續(xù)供電，本系統(tǒng)定制額定輸出功率5.5kW (最大可輸出功率7.5kW)，負(fù)載工作超過1h。

1 新能源儲(chǔ)能式啟閉系統(tǒng)的主要技術(shù)

1.1 后備電源模塊組成

后備電源采用超級(jí)電容和鋰電池的組合，超級(jí)電容提供啟閉機(jī)啟動(dòng)瞬間大功率的輸出需求，鋰電池提供閘門運(yùn)行的較長時(shí)間的能量需求，超級(jí)電容模組和鋰電池模塊分別通過電容管理系統(tǒng)(CMS)和電池管理系統(tǒng)(BMS)進(jìn)行管理,及時(shí)將超級(jí)電容和鋰電池的狀態(tài)反饋給系統(tǒng)的控制模塊，而系統(tǒng)的控制模塊可實(shí)現(xiàn)對(duì)整套系統(tǒng)的控制，根據(jù)主電源的狀態(tài)，自動(dòng)投切到后備電源工作狀態(tài)。

1.2 控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制

該控制系統(tǒng)既可實(shí)現(xiàn)本地指令的執(zhí)行，同時(shí)留出通訊端口與遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)進(jìn)行通訊，可遠(yuǎn)程實(shí)現(xiàn)應(yīng)急動(dòng)力系統(tǒng)的執(zhí)行，起到執(zhí)行的雙重保障，規(guī)避現(xiàn)場(chǎng)人員不到位帶來的隱患。

圖1 電氣原理及軟件控制

圖2 電池管理系統(tǒng)單線圖

1.3 模塊化設(shè)計(jì)

①核心模塊:充電模塊、儲(chǔ)能動(dòng)力模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、控制顯示模塊、開關(guān)及斷路器模塊等。②儲(chǔ)能動(dòng)力模塊:電池+電容儲(chǔ)能模塊，配備相應(yīng)的管理電路，實(shí)時(shí)監(jiān)控內(nèi)部單元狀態(tài)。③充電模塊:定制化設(shè)計(jì)的充電模塊,可根據(jù)動(dòng)力模塊的反饋信息動(dòng)態(tài)調(diào)整充電。④電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊:通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊,將儲(chǔ)能動(dòng)力模塊內(nèi)部?jī)?chǔ)存的能量轉(zhuǎn)化為可直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)的能量，直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)為系統(tǒng)提供機(jī)械動(dòng)力。⑤控制顯示模塊:配備就地液晶屏、遠(yuǎn)程通訊控制、手動(dòng)按鈕操作等多種控制方式。

1.4 工作模式

①等待模式:主動(dòng)力系統(tǒng)正常情況下，應(yīng)急動(dòng)力裝置處于等待模式，執(zhí)行儲(chǔ)能超級(jí)電容充電以及等待啟動(dòng)指令。②運(yùn)行模式:主動(dòng)力系統(tǒng)異常，用戶就地或遠(yuǎn)程啟動(dòng)應(yīng)急動(dòng)力裝置，裝置處于運(yùn)行狀態(tài)，運(yùn)行模式通過混合儲(chǔ)能單元供電。③應(yīng)急動(dòng)力提供模式:當(dāng)主動(dòng)力系統(tǒng)出現(xiàn)異常，無法正常提供動(dòng)力時(shí)，通過混合儲(chǔ)能單元向電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元提供能量，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元驅(qū)動(dòng)電機(jī)為系統(tǒng)提供機(jī)械動(dòng)力。④應(yīng)急充電模式:電網(wǎng)、儲(chǔ)能單元均沒有電情況下，可通過發(fā)電機(jī)應(yīng)急充電。

1.5 工作原理

市電輸入時(shí)，經(jīng)過系統(tǒng)自動(dòng)檢測(cè)電池電容電壓,電量不足時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)對(duì)電池電容進(jìn)行補(bǔ)電，同時(shí)為用電設(shè)備供電。若市電斷電或不穩(wěn)定時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)切換為逆變狀態(tài)，由電池及電容經(jīng)過逆變器，給用電設(shè)備供電。

打開配電柜門板，把電動(dòng)機(jī)供電開關(guān)由主回路狀態(tài)圖3切換到備用回路圖4。注意該開關(guān)有3個(gè)狀態(tài)，最上處檔位為主電源(市電)，中間為空檔，最下處檔位為備用電源(鋰電 UPS)。當(dāng)市電恢復(fù)時(shí)，需把該切換開關(guān)恢復(fù)至最上檔位(市電模式)處，關(guān)閉配電柜門。

圖3

圖4

圖5是所示是控制柜，雙電源互鎖開關(guān)，市電處于常開狀態(tài)。在無市電情況下，需要開啟備用電源，啟動(dòng)電機(jī)，打開閘門時(shí)，將右邊備用電源開關(guān)上推，使其處于閉合狀態(tài)，給控制柜供電[1]。

2 新能源儲(chǔ)能式啟閉系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)

2.1 地面積小、靈活

相較于柴油發(fā)電機(jī)，本產(chǎn)品占地面積小，靈活。安置柴油發(fā)電機(jī)都需要一個(gè)獨(dú)立的房間來放置柴油發(fā)電機(jī),而本產(chǎn)品外形尺寸為長×高×寬:620mm×1400mm×650mm，占地面積僅為0.4m2，占地面積小，且底部裝有小輪子，需要時(shí)可進(jìn)行短距離的移動(dòng)，更加靈活方便。

圖5

2.2 更加環(huán)保

相較于柴油發(fā)電機(jī)，本產(chǎn)品更加環(huán)保。柴油發(fā)電機(jī)開啟后，會(huì)產(chǎn)生大量的廢氣污染和噪聲污染。而本產(chǎn)品儲(chǔ)存電能，需要時(shí)可直接進(jìn)行供電，無污染。

2.3 更加安全

相較于柴油發(fā)電機(jī)，本產(chǎn)品更加安全。為了保證柴油發(fā)電機(jī)的持續(xù)工作，一般都會(huì)在柴油發(fā)電機(jī)室內(nèi)備有一定數(shù)量的柴油，當(dāng)柴油儲(chǔ)存不當(dāng)時(shí)，揮發(fā)到密閉的環(huán)境中，容易引發(fā)安全事故，人員、設(shè)備安全得不到保障[2]。

2.4 維護(hù)更加方便

相較于柴油發(fā)電機(jī)，本產(chǎn)品維護(hù)更加方便。柴油發(fā)電機(jī)需要組織人員定期對(duì)其的冷卻水水位、柴油油位、機(jī)油油位、蓄電池電量進(jìn)行檢查;而本產(chǎn)品自帶顯示控制屏，在屏幕可即時(shí)查看設(shè)備故障，伴隨故障報(bào)警如接入遠(yuǎn)控模塊，可在電腦上查看設(shè)備發(fā)生的所有事件，有效監(jiān)視設(shè)備是否發(fā)生故障，如有故障也會(huì)提示報(bào)警?？蓪?shí)現(xiàn)現(xiàn)地和遠(yuǎn)控雙重保障。本產(chǎn)品的電池、電容基本免維護(hù)，通過電池管理系統(tǒng)(BMS)及電容管理系統(tǒng)(CMS) 的保護(hù)，能讓鋰電池和電容擁有更長的使用壽命，超級(jí)電容模組壽命為10年或100000次充放電，超級(jí)電容和鋰電池壽命到期后更換十分方便，經(jīng)濟(jì)實(shí)惠。

2.5 切換更加方便

相較于柴油發(fā)電機(jī)，本產(chǎn)品切換更加方便。柴油發(fā)電機(jī)在切換時(shí)，需要先進(jìn)行倒閘操作，開啟柴油發(fā)電機(jī)需先怠速運(yùn)行3-5min，再進(jìn)行啟動(dòng)，而本產(chǎn)品操作簡(jiǎn)單方便快捷，失電后可以快速投切到本產(chǎn)品供電，更具有時(shí)效性。

2.6 更加具有經(jīng)濟(jì)性

相較于柴油發(fā)電機(jī)，本產(chǎn)品更加具有經(jīng)濟(jì)性。本產(chǎn)品可以免除柴油發(fā)電機(jī)室的基建費(fèi)用，可以減少柴油儲(chǔ)備的費(fèi)用，并且當(dāng)本產(chǎn)品充滿電后(約7.5度電)，保持電池電壓穩(wěn)定所產(chǎn)生的電量也可忽略不計(jì)。新能源混合動(dòng)力(超級(jí)電容與鋰電池組合)已廣泛運(yùn)用到風(fēng)力發(fā)電、城軌、動(dòng)車等設(shè)備上，技術(shù)相對(duì)成熟，也保障了本產(chǎn)品的安全性及可靠性[3]。

3 新能源儲(chǔ)能式啟閉系統(tǒng)的效益

3.1 提高閘門開啟效率，保證人員生命財(cái)產(chǎn)安全

當(dāng)閘門啟閉機(jī)系統(tǒng)主電源出現(xiàn)故障情況下，一般采用發(fā)電機(jī)作為后備電源來應(yīng)急，由于很多發(fā)電機(jī)使用年限較久且長期處于待機(jī)狀態(tài)，在應(yīng)急啟動(dòng)時(shí)容易出現(xiàn)故障，而在這種緊急情況下大部分閘門的開啟和閉合采用人工卷繞+減速機(jī)的方式來實(shí)現(xiàn)，而人工卷繞的速率太慢且人工容易疲勞，無法滿足緊急狀態(tài)下的開啟需求。新能源儲(chǔ)能式啟閉系統(tǒng)采用后備電源+電機(jī)的模式來替代人工卷繞，與應(yīng)急軸相匹配，實(shí)現(xiàn)啟閉機(jī)的應(yīng)急開啟與閉合，可實(shí)現(xiàn)啟閉機(jī)十分鐘內(nèi)完全開啟。從而保證閘門在緊急情況下開啟的需求，保證水庫下游人員的生命財(cái)產(chǎn)安全。

3.2 改變?nèi)斯鹘y(tǒng)操作模式，大大節(jié)約管理成本

大幅減少人力、資金的投入。在主電源出現(xiàn)故障的情況下，一般都采用柴油發(fā)電機(jī)作為應(yīng)急備用電源。首先，柴油發(fā)電機(jī)需要單獨(dú)的房間來放置，無法放置到啟閉機(jī)閘室內(nèi)。人員在操作過程中，需要同時(shí)兼顧發(fā)電機(jī)運(yùn)行情況和啟閉機(jī)運(yùn)行情況，或者增加人員分別管理柴油發(fā)電機(jī)運(yùn)行情況和閘門運(yùn)行情況。柴油存放過程中也存在一定危險(xiǎn)性。新能源儲(chǔ)能式啟閉系統(tǒng)(應(yīng)急動(dòng)力系統(tǒng))與柴油發(fā)電機(jī)比較，優(yōu)點(diǎn)在于占地面積小，放置地點(diǎn)只需0.5個(gè)平方，可以直接放置在啟閉機(jī)閘室內(nèi)，大大減少了房屋建造成本。在主電源出現(xiàn)故障的情況下，可以快速切換至新能源儲(chǔ)能式啟閉系統(tǒng)(應(yīng)急動(dòng)力系統(tǒng))，由新能源儲(chǔ)能式啟閉系統(tǒng)(應(yīng)急動(dòng)力系統(tǒng))作為備用電源，實(shí)現(xiàn)啟閉機(jī)的開啟和閉合?？偟膩碚f，在管理成本、人員投入方面大幅降低[4]。

3.3 社會(huì)效益

隨著科技的發(fā)展，新能源產(chǎn)品逐漸被市場(chǎng)接受和推廣。柴油發(fā)電機(jī)作為傳統(tǒng)的應(yīng)急產(chǎn)品，因其使用的柴油為不可再生資源，且柴油在發(fā)生燃燒后產(chǎn)生的廢氣嚴(yán)重污染環(huán)境，在室內(nèi)產(chǎn)生的廢氣也對(duì)人體具有一定的危害，操作人員在使用過程中必須做好自身的防護(hù)工作。目前國家正提倡綠水青山就是金山銀山理念，隨著新能源產(chǎn)品的發(fā)展，很多傳統(tǒng)的產(chǎn)品被逐漸取代。新能源儲(chǔ)能式啟閉系統(tǒng)(應(yīng)急動(dòng)力系統(tǒng))使用的是可再生的電能，在使用過程中不會(huì)產(chǎn)生有害的氣體，對(duì)人體也沒有危害，是作為替代柴油發(fā)電機(jī)的不二選擇。

4 結(jié) 語

新能源儲(chǔ)能式啟閉系統(tǒng)(應(yīng)急動(dòng)力系統(tǒng))應(yīng)用研究的應(yīng)急動(dòng)力系統(tǒng)技術(shù)采用超級(jí)電容和鋰電池的混合儲(chǔ)能形式，通過電容管理系統(tǒng)(CWS)和電池管理系統(tǒng)(BMS) 進(jìn)行管理，及時(shí)將超級(jí)電容和鋰電池的狀態(tài)反饋給系統(tǒng)控制模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)整套系統(tǒng)的控制。該系統(tǒng)可根據(jù)主電源的狀態(tài)自動(dòng)投切，并可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)地與遠(yuǎn)控的切換。該成果具有創(chuàng)新性。新能源儲(chǔ)能式啟閉系統(tǒng)(應(yīng)急動(dòng)力系統(tǒng))已在橫溪水庫工作閘門中安裝調(diào)試，成功實(shí)現(xiàn)啟閉機(jī)的應(yīng)急開啟和閉合，該設(shè)備操作簡(jiǎn)單，運(yùn)行正常，功能完備，滿足作為后備電源的要求。該項(xiàng)目研究成果對(duì)今后同類水閘、水庫等啟閉系統(tǒng)的應(yīng)急動(dòng)力系統(tǒng)應(yīng)用具有較大的推廣應(yīng)用價(jià)值。