许 杰

(宁波原水有限公司横溪水库分公司，浙江 宁波 315100)

0 引 言

通过对各水库及周边水闸启闭机类型的调研，现有启闭机主要类型为卷扬式启闭机、液压式启闭机、螺杆式启闭机。现有大部分闸门的启闭机系统当主电源故障情况下，一般采用发电机作为后备电源来应急，由于很多发电机使用年限较久且长期处于待机状态，在应急启动时容易出现故障，而在这种紧急情况下大部分闸门的开启和闭合采用人工卷绕+减速机的方式来实现，而人工卷绕的速率太慢且人工容易疲劳，无法满足紧急状态下的开启需求，因此需要有一种高可靠性备用系统能替代人工方式来快速实现闸门的开启与闭合。

在这种紧急应用的需求下，我们采用超级电容+锂电池作为高可靠后备电源，结合电机形成启闭机应急动力系统，可完美的解决现有启闭机系统紧急情况下实现闸门的开启与闭合。采用后备电源+电机的模式来替代柴油发电机，直接接驳到主电源配电箱，当主电源出现故障的情况下，可以快速投切到后备电源工作状态，能迅速实现闸门的启闭。该后备电源采用超级电容和锂电池的组合，超级电容提供启闭机启动瞬间大功率的输出需求，锂电池提供闸门运行的较长时间的能量需求，超级电容模组和锂电池模块分别通过电容管理系统(CMS) 和电池管理系统(BMS) 进行管理，及时将超级电容和锂电池的状态反馈给系统的控制模块，该控制系统既可实现本地人工指令的执行，也可实现远程控制。该系统留有通讯接口，可远程控制通讯实现应急动力系统的执行，起到执行的双重保障，规避现场人员不到位带来的隐患。该系统可替代人工卷绕，但需改造手摇滑动轴承及齿轮匹配，适合电动机转速，实现启闭机的应急开启与闭合。该系统可实现启闭机十分钟内完全开启，十分钟内完成闭合，可以根据需要调整配置储能动力单元，实现负载工作情况下的连续供电，本系统定制额定输出功率5.5kW (最大可输出功率7.5kW)，负载工作超过1h。

1 新能源储能式启闭系统的主要技术

1.1 后备电源模块组成

后备电源采用超级电容和锂电池的组合，超级电容提供启闭机启动瞬间大功率的输出需求，锂电池提供闸门运行的较长时间的能量需求，超级电容模组和锂电池模块分别通过电容管理系统(CMS)和电池管理系统(BMS)进行管理,及时将超级电容和锂电池的状态反馈给系统的控制模块，而系统的控制模块可实现对整套系统的控制，根据主电源的状态，自动投切到后备电源工作状态。

1.2 控制系统可实现远程控制

该控制系统既可实现本地指令的执行，同时留出通讯端口与远程控制系统进行通讯，可远程实现应急动力系统的执行，起到执行的双重保障，规避现场人员不到位带来的隐患。

图1 电气原理及软件控制

图2 电池管理系统单线图

1.3 模块化设计

①核心模块:充电模块、储能动力模块、电机驱动模块、控制显示模块、开关及断路器模块等。②储能动力模块:电池+电容储能模块，配备相应的管理电路，实时监控内部单元状态。③充电模块:定制化设计的充电模块,可根据动力模块的反馈信息动态调整充电。④电机驱动模块:通过电机驱动模块,将储能动力模块内部储存的能量转化为可直接驱动电机的能量，直接驱动电机为系统提供机械动力。⑤控制显示模块:配备就地液晶屏、远程通讯控制、手动按钮操作等多种控制方式。

1.4 工作模式

①等待模式:主动力系统正常情况下，应急动力装置处于等待模式，执行储能超级电容充电以及等待启动指令。②运行模式:主动力系统异常，用户就地或远程启动应急动力装置，装置处于运行状态，运行模式通过混合储能单元供电。③应急动力提供模式:当主动力系统出现异常，无法正常提供动力时，通过混合储能单元向电机驱动单元提供能量，由电机驱动单元驱动电机为系统提供机械动力。④应急充电模式:电网、储能单元均没有电情况下，可通过发电机应急充电。

1.5 工作原理

市电输入时，经过系统自动检测电池电容电压,电量不足时，系统自动对电池电容进行补电，同时为用电设备供电。若市电断电或不稳定时，系统自动切换为逆变状态，由电池及电容经过逆变器，给用电设备供电。

打开配电柜门板，把电动机供电开关由主回路状态图3切换到备用回路图4。注意该开关有3个状态，最上处档位为主电源(市电)，中间为空档，最下处档位为备用电源(锂电 UPS)。当市电恢复时，需把该切换开关恢复至最上档位(市电模式)处，关闭配电柜门。

图3

图4

图5是所示是控制柜，双电源互锁开关，市电处于常开状态。在无市电情况下，需要开启备用电源，启动电机，打开闸门时，将右边备用电源开关上推，使其处于闭合状态，给控制柜供电[1]。

2 新能源储能式启闭系统的优势

2.1 地面积小、灵活

相较于柴油发电机，本产品占地面积小，灵活。安置柴油发电机都需要一个独立的房间来放置柴油发电机,而本产品外形尺寸为长×高×宽:620mm×1400mm×650mm，占地面积仅为0.4m2，占地面积小，且底部装有小轮子，需要时可进行短距离的移动，更加灵活方便。

图5

2.2 更加环保

相较于柴油发电机，本产品更加环保。柴油发电机开启后，会产生大量的废气污染和噪声污染。而本产品储存电能，需要时可直接进行供电，无污染。

2.3 更加安全

相较于柴油发电机，本产品更加安全。为了保证柴油发电机的持续工作，一般都会在柴油发电机室内备有一定数量的柴油，当柴油储存不当时，挥发到密闭的环境中，容易引发安全事故，人员、设备安全得不到保障[2]。

2.4 维护更加方便

相较于柴油发电机，本产品维护更加方便。柴油发电机需要组织人员定期对其的冷却水水位、柴油油位、机油油位、蓄电池电量进行检查;而本产品自带显示控制屏，在屏幕可即时查看设备故障，伴随故障报警如接入远控模块，可在电脑上查看设备发生的所有事件，有效监视设备是否发生故障，如有故障也会提示报警。可实现现地和远控双重保障。本产品的电池、电容基本免维护，通过电池管理系统(BMS)及电容管理系统(CMS) 的保护，能让锂电池和电容拥有更长的使用寿命，超级电容模组寿命为10年或100000次充放电，超级电容和锂电池寿命到期后更换十分方便，经济实惠。

2.5 切换更加方便

相较于柴油发电机，本产品切换更加方便。柴油发电机在切换时，需要先进行倒闸操作，开启柴油发电机需先怠速运行3-5min，再进行启动，而本产品操作简单方便快捷，失电后可以快速投切到本产品供电，更具有时效性。

2.6 更加具有经济性

相较于柴油发电机，本产品更加具有经济性。本产品可以免除柴油发电机室的基建费用，可以减少柴油储备的费用，并且当本产品充满电后(约7.5度电)，保持电池电压稳定所产生的电量也可忽略不计。新能源混合动力(超级电容与锂电池组合)已广泛运用到风力发电、城轨、动车等设备上，技术相对成熟，也保障了本产品的安全性及可靠性[3]。

3 新能源储能式启闭系统的效益

3.1 提高闸门开启效率，保证人员生命财产安全

当闸门启闭机系统主电源出现故障情况下，一般采用发电机作为后备电源来应急，由于很多发电机使用年限较久且长期处于待机状态，在应急启动时容易出现故障，而在这种紧急情况下大部分闸门的开启和闭合采用人工卷绕+减速机的方式来实现，而人工卷绕的速率太慢且人工容易疲劳，无法满足紧急状态下的开启需求。新能源储能式启闭系统采用后备电源+电机的模式来替代人工卷绕，与应急轴相匹配，实现启闭机的应急开启与闭合，可实现启闭机十分钟内完全开启。从而保证闸门在紧急情况下开启的需求，保证水库下游人员的生命财产安全。

3.2 改变人工传统操作模式，大大节约管理成本

大幅减少人力、资金的投入。在主电源出现故障的情况下，一般都采用柴油发电机作为应急备用电源。首先，柴油发电机需要单独的房间来放置，无法放置到启闭机闸室内。人员在操作过程中，需要同时兼顾发电机运行情况和启闭机运行情况，或者增加人员分别管理柴油发电机运行情况和闸门运行情况。柴油存放过程中也存在一定危险性。新能源储能式启闭系统(应急动力系统)与柴油发电机比较，优点在于占地面积小，放置地点只需0.5个平方，可以直接放置在启闭机闸室内，大大减少了房屋建造成本。在主电源出现故障的情况下，可以快速切换至新能源储能式启闭系统(应急动力系统)，由新能源储能式启闭系统(应急动力系统)作为备用电源，实现启闭机的开启和闭合。总的来说，在管理成本、人员投入方面大幅降低[4]。

3.3 社会效益

随着科技的发展，新能源产品逐渐被市场接受和推广。柴油发电机作为传统的应急产品，因其使用的柴油为不可再生资源，且柴油在发生燃烧后产生的废气严重污染环境，在室内产生的废气也对人体具有一定的危害，操作人员在使用过程中必须做好自身的防护工作。目前国家正提倡绿水青山就是金山银山理念，随着新能源产品的发展，很多传统的产品被逐渐取代。新能源储能式启闭系统(应急动力系统)使用的是可再生的电能，在使用过程中不会产生有害的气体，对人体也没有危害，是作为替代柴油发电机的不二选择。

4 结 语

新能源储能式启闭系统(应急动力系统)应用研究的应急动力系统技术采用超级电容和锂电池的混合储能形式，通过电容管理系统(CWS)和电池管理系统(BMS) 进行管理，及时将超级电容和锂电池的状态反馈给系统控制模块，实现对整套系统的控制。该系统可根据主电源的状态自动投切，并可实现现地与远控的切换。该成果具有创新性。新能源储能式启闭系统(应急动力系统)已在横溪水库工作闸门中安装调试，成功实现启闭机的应急开启和闭合，该设备操作简单，运行正常，功能完备，满足作为后备电源的要求。该项目研究成果对今后同类水闸、水库等启闭系统的应急动力系统应用具有较大的推广应用价值。