城軌中發電機與超級電容作為后備電源的組合研究

摘 要：地鐵供電系統是城軌工程中重要的系統之一，進一步優化改善后備電源具有一定的意義。

本設計較系統的闡明了在供電系統中增設發電機和用超級電容替換蓄電池組成的后備電源的意義、設計、應用。特別是城市軌道交通地鐵車站、控制中心的后備電源，一旦發生故障停電，將直接影響運輸生產。

關鍵詞：動力照明供電系統;發電機;超級電容;市電

1 ?超級電容器基本原理

超級電容通過介質分離正負電荷的方式儲存能量，是物理方法儲能。超級電容屬于雙電層電容器，它是世界上已投入量產的雙電層電容器中容量最大的一種，其基本原理和其它種類的雙電層電容器一樣，都是利用活性炭多孔電極和電解質組成的雙電層結構獲得超大的容量。

2 ?技術方案

方案設計旨在為0.4KV系統加裝發電機，去除EPS、UPS后備電源改為超級電容，考慮故障影響最大可能性，地鐵中最少能夠滿足在一個主變電所或一個供電分區退出運行后啟動智能發電機繼續運營要求，同時保障地鐵控制中心在系統停電后啟動該裝置不斷電。需要建立數學模型，深入研究，得出組合有效數據，應用于設備二次部分實現設備保護功能和其可行性。

2.1發電機組供電條件及要求

（1）系統全部失壓，電壓互感器監測到動力變壓器下方均已失電，801和802均處于分閘狀態。

（2）發生反送電自動停機，且供電頻率、波形、大小與系統（市電）電壓相同，啟動時需要與按市電相關參數比較進行檢同期。

（3）不超過兩臺發電機組且發電機故障異常狀態不啟動。

（4）啟動后自動切除三級負荷。

（5）啟動時間不超過10S，需小于超級電容正常放電時間。

2.2發電機組供電負荷計算

發電機所供負荷，按照車站、控制中心用電設備額定功率計算P=380V×I=p1+p2+p3…，其中有機電設備、供電設備、信號設備等。以西安地鐵鳳棲原車站為例每天用電消耗約為6000KW，目前市場柴油發電機具有較多優點，可以選用500KW～1000KW進口的柴油發電機組，從啟動到穩壓5～15秒，持續供電時間可達到8個小時。

2.3發電機機房設計

根據《建筑設計規范》中柴油發電機消防要求，其應采用耐火極限不低于2.00h的隔墻和1.50h的樓板與其他部位隔開，采用獨立防火分隔，單獨劃分防火分區和單獨設置儲油間，儲油量不超過8小時需要量，機房內設有干燥消防沙池。發電機組距建筑物和其它設備至少一米，并保持良好的通風，有應急照明、應急指示、火災報警裝置。整個機房需緊鄰地鐵車站變電所，這樣便于接線，減少電能損耗，也便于運行管理。

柴油發電機房的通風問題是機房設計中要特別注意解決的問題，特別是機房位于地下時更要處理好，否則會直接影響柴油機發電機組的運行。機組的排風一般應設熱風管道有組織地進行，不宜讓柴油機散熱器把熱量散在機房內，再由排風機抽出。機房內要有足夠的新風補充，因處于地鐵車站小系統中，發電機啟動時相應小系統通風模式也要啟動，機房的換氣量應等于或大于柴油機燃燒所需新風量與維持機房室溫所需新風量之和。維持室溫所需新風量由下式計算： c= 0.078p t 式中： c——需要的新風量（m3/s） p——柴油機額定功率（kw） t——機房溫升（ °c）。 維持柴油機燃燒所需新風量可向機組廠家索取，若無資料時，可按每千瓦制動功率需要0.1m3/min算（柴油機制動功率按發電機主發電功率千瓦數的1.1倍配備）。柴油發電機房的通風一般采取排風設置熱風管道，進風為自然進風的方式。熱風管道與柴油機散熱器連在一起，其連接處用軟接頭，熱風管道應平直，如果要轉彎，轉彎半徑盡量大而且內部要平滑，出風口盡量接近且正對散熱器熱風管理直接伸出管外有困難時可設管中導出。進風口與出風口宜分別布置在機組的上下行兩端，以免形成氣流短路，影響散熱效果。 機房的出風口、進風口的面積應滿足下式要求： s1≥1.5s s2≥1.8s 式中： s——柴油機散熱面積; s1——出風口面積; s2——進風口面積; 在寒冷地區應注意進風口、排風口平時對機房溫度的影響，以免機房溫度過低影響機組的起動。風口與室外的連接處可設風門，平時處于關閉狀態，機組運行時能自動開啟。

排煙系統的作用是將氣缸里的廢氣排放到室外。排煙系統應盡量減少背壓，因為廢氣阻力的增加將會導致柴油機出力的下降及溫升的增加。排煙噪聲在機組總噪聲中屬最強烈的一種，應設消音器以減少噪音。

3 超級電容的動力UPS系統及其儲能方法

包括整流器、逆變器、雙向DC/DC變換器、儲能系統。儲能系統由超級電容器組、超級電容均衡電路和CMS組成。整流器用于將輸入配電的交流電壓轉換成高壓直流電壓，并為逆變器提供電源;逆變器用于將前端的高壓直流電壓轉換成滿足負載使用要求的交流電壓;整流器通過雙向DC-DC變換器對儲能系統進行充電和浮充電。本設計以超級電容器為儲能單元，采用在線并聯熱備方式，彌補動力設備在電網停電瞬間發電機啟動前造成的停電狀態。本設計在低溫條件下（極限溫度-40℃）仍能正常工作，具有體積小、免維護、壽命長、功率性強、可靠性高等特點，可以滿足大功率的瞬時供電要求。

4可靠性分析及經濟效應

4.1可靠性分析

目前，智能變電站在電力系統中得以推崇，智能變電站中的交直流系統采用一體化電源系統。但是，隨著智能車站的不斷發展和長期運行實踐的積累，一體化電源系統他也暴露了一些不足之處。其中可靠性方面主要表現為：蓄電池本身固有特性影響直流供電系統可靠性的進一步提高。而超級電容解決這一問題并且有很廣闊的前景，可實現免維護，檢測方便。

超級電容運行過程中維護工作極少，可實現真正意義上的免維護，而蓄電池實際使用過程中仍然必須進行定期的維護。超級電容容量與其端電壓有較為嚴格的對應關系，因此檢測電路相對簡單。而蓄電池容量與其內阻、充放電電流及電壓有關，檢測工作繁瑣。

綜合以上，采用基于超級電容儲能和發電機可持續性的后備電源供電系統，有效提高了地鐵車站供電系統的可靠性。

4.2經濟效應

減少車站UPS裝置，特別是造價昂貴在線式UPS，轉換為發電機供電，可以達到停電不停運模式，所挽回經濟損失較大，日常使用蓄電池供電范圍小、時間短，市電停電后，故障如果短時無法排除，那帶來的社會影響較大，經濟影響無法估量，并且超級電容柜體積小，可放置于控制室內，不需要像蓄電池一樣單獨設置房間，但需要為發電機設置獨立房間，定期維護和開啟。

4.3環境效應

發電機組是一種動態設備，存在噪音、廢氣污染等問題，按照現有發電機設計，可以滿足噪音低、廢氣處理功能的要求，達到相關省市治理標準。

參考文獻：

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作者簡介：

王青博（1991-）男，本科，職務：職員，研究領域：城軌行車組織運輸、電力和環控系統研究.

（西安市軌道交通集團有限公司 ? 陜西 ?西安 ?710000）