城市軌道交通集中UPS電源系統(tǒng)設(shè)置方案研究

王福鑫，黃幸福，鄭侃

【摘 ?要】論文結(jié)合國(guó)內(nèi)城市軌道交通集中UPS電源系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀和專業(yè)需求，對(duì)集中UPS電源系統(tǒng)設(shè)備選擇和配置方式進(jìn)行比較和分析，同時(shí)，對(duì)系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備容量的計(jì)算方法進(jìn)行闡述。

【Abstract】 Combined with the application status and professional demand of centralized UPS power supply system in domestic urban rail transit， this paper compares and analyzes the equipment selection and configuration mode of centralized UPS power supply system， and expounds the calculation method of the capacity of related equipment of the system.

【關(guān)鍵詞】軌道交通;集中UPS;設(shè)置方案;蓄電池

【Keywords】rail transit; centralized UPS; setup scheme; battery

【中圖分類號(hào)】 U231 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文章編號(hào)】1673-1069（2020）02-0194-03

1 引言

不間斷電源設(shè)備（UPS）作為城市軌道交通設(shè)備系統(tǒng)的重要組成部分，可以持續(xù)進(jìn)行高質(zhì)量供電。集中UPS電源系統(tǒng)具有過(guò)載能力強(qiáng)、設(shè)備布置集中、占地面積小、利于運(yùn)營(yíng)管理和節(jié)能降耗、綜合投資和維護(hù)成本低、技術(shù)優(yōu)勢(shì)顯著等優(yōu)點(diǎn)，被城市軌道交通廣泛應(yīng)用并已成為UPS電源系統(tǒng)的重要發(fā)展方向。論文對(duì)城市軌道交通集中UPS電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案和應(yīng)用進(jìn)行分析和總結(jié)。

2 UPS配置類型

UPS由整流器、逆變器、轉(zhuǎn)換開關(guān)、儲(chǔ)能裝置及控制系統(tǒng)組成，UPS配置主要有以下三種類型[1]。

2.1 雙變換（在線式）UPS

逆變器持續(xù)處在工作狀態(tài)，正常狀態(tài)下由整流器/逆變器給負(fù)載供電，整流器對(duì)蓄電池組浮充電。當(dāng)輸入供電超出預(yù)定允差，由蓄電池組和逆變器組合持續(xù)供電。UPS開關(guān)采用靜態(tài)開關(guān)，切換時(shí)間微秒級(jí)，電源輸出波形為交流正弦波，穩(wěn)定且精度高。

2.2 在線互動(dòng)式UPS

正常狀態(tài)下，輸入電源通過(guò)穩(wěn)壓裝置向負(fù)載供電，逆變器反向工作，對(duì)蓄電池組充電。當(dāng)輸入供電異常時(shí)，逆變器實(shí)現(xiàn)逆變工作狀態(tài)，由蓄電池組和逆變器持續(xù)供電。電源輸出波形為模擬交流正弦波，切換時(shí)間小于4ms，穩(wěn)頻性能不理想。

2.3 后備式UPS

工作原理類似于EPS，正常狀態(tài)下，輸入旁路通過(guò)穩(wěn)壓裝置供電。當(dāng)輸入電源異常時(shí)，緊急切換至蓄電池組/逆變器組合保持負(fù)載功率的持續(xù)性。UPS結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，電源輸出波形為交流方波，切換時(shí)間為4～10ms，適合供電質(zhì)量要求不高的非關(guān)鍵場(chǎng)所。

由于城市軌道交通設(shè)備系統(tǒng)負(fù)荷對(duì)供電質(zhì)量要求高，集中UPS電源應(yīng)采用雙變換（在線式）UPS，工作原理如圖1所示。

圖1 ? 在線UPS工作原理

3 UPS的性能對(duì)比

根據(jù)整流工作模式等方案的不同，目前行業(yè)內(nèi)形成工頻型UPS、高頻型UPS及模塊化UPS的三種發(fā)展趨勢(shì)。

工頻型UPS采用SCR（可控硅）整流器、IGBT逆變器和隔離變壓器的設(shè)計(jì)方案。由于可控硅的過(guò)流能力強(qiáng)（10In，20ms），直流母線電壓低，且采用隔離變壓器，可有效避免負(fù)載短路沖擊和降低零地電壓，可靠性高。由于采用可控硅及隔離變壓器，增大損耗，效率低于高頻機(jī)。工頻型UPS的制造工藝成熟，應(yīng)用廣泛，故障率低。

高頻型UPS整流器采用升壓型脈寬調(diào)制IGBT技術(shù)，開關(guān)頻率在幾千至幾萬(wàn)赫茲，遠(yuǎn)高于工頻機(jī)。直流母線電壓可達(dá)800～1000V，故蓄電池組須通過(guò)電池變換器PFC接入母線，若逆變器功率器件發(fā)生短路，則母線高電壓對(duì)負(fù)載會(huì)有沖擊。近年來(lái)，IGBT制造技術(shù)已取得較大進(jìn)步，高頻型UPS可靠性也相應(yīng)提高并得到認(rèn)可。

模塊化UPS采用高頻化結(jié)構(gòu)技術(shù)，可以冗余并聯(lián)，擴(kuò)展靈活，能夠?qū)崿F(xiàn)在線熱插拔和熱更換，適合中等以上規(guī)模不間斷電源供電方案，如表1所示。

4 集中UPS電源系統(tǒng)設(shè)置方案

4.1 系統(tǒng)整合范圍

城市軌道交通設(shè)備系統(tǒng)負(fù)荷在車站及控制中心分布相對(duì)集中，可采用集中設(shè)置UPS方案，車輛段的停車場(chǎng)由于負(fù)荷分散，供電范圍大，不適合設(shè)置集中UPS。

根據(jù)地鐵設(shè)備負(fù)荷分級(jí)和供電要求，專用通信系統(tǒng)設(shè)備、BAS設(shè)備、FAS設(shè)備同為一級(jí)負(fù)荷中特別重要負(fù)荷，須設(shè)置一套集中UPS，綜合監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備、門禁系統(tǒng)設(shè)備、AFC系統(tǒng)設(shè)備、PIS、供電可視化接地系統(tǒng)主機(jī)、環(huán)控柜等一級(jí)負(fù)荷采用另一套集中UPS電源系統(tǒng)供電。為保證信號(hào)系統(tǒng)設(shè)備的安全獨(dú)立性、民用通信和公安通信系統(tǒng)設(shè)備的維護(hù)便利，宜各自設(shè)置UPS。變電所由于存在沖擊負(fù)荷（隨機(jī)5s），獨(dú)立設(shè)置交直流一體化電源。屏蔽門系統(tǒng)主要為非線性負(fù)載，獨(dú)立設(shè)置后備電源。應(yīng)急照明系統(tǒng)對(duì)供電質(zhì)量要求低，設(shè)置EPS供電。

4.2 系統(tǒng)設(shè)置方案

國(guó)內(nèi)城市軌道交通集中UPS電源系統(tǒng)常用方案有三種：UPS單機(jī)系統(tǒng)、并機(jī)冗余系統(tǒng)和并機(jī)雙總線系統(tǒng)。

4.2.1 UPS單機(jī)系統(tǒng)

UPS單機(jī)系統(tǒng)方案由單UPS和單蓄電池組構(gòu)成。當(dāng)一路進(jìn)線故障，由ATS切換到另一路進(jìn)線電源供電。兩路進(jìn)線或整流器故障時(shí)由蓄電池組經(jīng)逆變器供電，并通過(guò)分時(shí)下電功能滿足各專業(yè)后備時(shí)間需求。當(dāng)逆變器或智能控制單元故障則切換至靜態(tài)旁路維持供電。

單機(jī)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維護(hù)方便，可靠性低，電源系統(tǒng)故障影響面較大。深圳、南寧、長(zhǎng)春、成都等城市軌道交通線路采用單機(jī)系統(tǒng)方案。

4.2.2 并機(jī)冗余系統(tǒng)

并機(jī)冗余系統(tǒng)方案采用雙UPS和雙蓄電池組，為避免壓差形成環(huán)流，影響蓄電池壽命，兩組蓄電池間不設(shè)開關(guān)，各自承擔(dān)50%負(fù)載后備時(shí)間供電。

并機(jī)冗余系統(tǒng)電源方案運(yùn)行方式比較復(fù)雜，當(dāng)一路進(jìn)線故障，由ATS切換到另一路進(jìn)線電源供電，兩路進(jìn)線電源均故障，由蓄電池組經(jīng)逆變器供電;當(dāng)其一UPS逆變器故障，由另一UPS承擔(dān)全部負(fù)荷供電，若過(guò)載則切換到靜態(tài)旁路;當(dāng)其一UPS整流器故障，則故障UPS先通過(guò)蓄電池組放電，放電結(jié)束后，由另一UPS承擔(dān)全部負(fù)荷供電，若過(guò)載則切換到靜態(tài)旁路;當(dāng)兩臺(tái)UPS逆變器均故障、兩套智能控制單元均故障或其一UPS逆變器故障，另一UPS整流器故障時(shí)，切換至靜態(tài)旁路維持供電;當(dāng)UPS整流器均故障，則蓄電池組供電，放電結(jié)束切換至靜態(tài)旁路維持供電。

并機(jī)冗余系統(tǒng)方案相對(duì)單機(jī)方案供電可靠、造價(jià)高。北京、武漢、廣州、青島、濟(jì)南、長(zhǎng)沙、杭州、廈門、成都控制中心等大部分城市軌道交通線路采用此方案。

4.2.3 并機(jī)雙總線系統(tǒng)

并機(jī)雙總線系統(tǒng)供電方案系統(tǒng)復(fù)雜，UPS相互獨(dú)立，可靠性極高，造價(jià)高，適用于大型數(shù)據(jù)中心等關(guān)鍵場(chǎng)所。軌道交通行業(yè)中上海、廣州部分地鐵線路采用過(guò)此方式，運(yùn)行方式與單機(jī)系統(tǒng)類似，詳細(xì)過(guò)程不再贅述。

5 蓄電池組配置

5.1 蓄電池選型

目前，軌道交通行業(yè)UPS電源系統(tǒng)除上海地鐵采用磷酸鐵鋰電池外，多采用閥控式鉛酸蓄電池或膠體蓄電池。磷酸鐵鋰電池體積小、比能量大、壽命長(zhǎng)且綠色環(huán)保，但造價(jià)高，成本為鉛酸電池的2～3倍。閥控式密封鉛酸蓄電池應(yīng)用廣泛，有較強(qiáng)的高倍率放電能力，故障時(shí)內(nèi)部壓力增大，存在安全風(fēng)險(xiǎn)。膠體電池仍屬于貧液式鉛酸電池，在鉛酸電池基礎(chǔ)上加入氣相SiO2 、凝膠劑等制成，板柵材質(zhì)多采用酚醛樹脂或PVC。

膠體蓄電池設(shè)計(jì)壽命較鉛酸蓄電池長(zhǎng)且使用安全，同等容量下采用2V蓄電池，空間需求大，配套的監(jiān)測(cè)設(shè)備多，綜合造價(jià)高，維護(hù)工作量大。此外，UPS蓄電池組并聯(lián)組數(shù)不應(yīng)超過(guò)4組，故蓄電池容量400Ah以下的UPS電源系統(tǒng)宜采用12V蓄電池，即車站和控制中心集中UPS電源系統(tǒng)宜分別選擇12V和2V膠體蓄電池。蓄電池對(duì)比如表2所示。

表2 ? 蓄電池對(duì)比表

5.2 蓄電池組容量設(shè)置

集中UPS蓄電池容量計(jì)算方法不同于變電所直流電源蓄電池采用的階梯計(jì)算法，常用電流計(jì)算法、恒電流法、恒功率法及電源計(jì)算法。

例如，采用恒電流算法時(shí)，應(yīng)先計(jì)算蓄電池的最大放電電流值：

I=■

在這公式中，P（VA）為UPS容量，Pf為UPS輸出功率因數(shù)，N為UPS標(biāo)稱電池電壓的節(jié)數(shù)，I為UPS最大放電電流，V為蓄電池組臨界放電電壓，η為逆變器轉(zhuǎn)換效率。

設(shè)計(jì)時(shí)依據(jù)不同專業(yè)負(fù)荷依次計(jì)算不同后備時(shí)間最大放電電流，通過(guò)計(jì)算結(jié)果查找蓄電池的恒電流放電系數(shù)表，由此確定蓄電池型號(hào)及組數(shù)。

5.3 蓄電池組管理方案

蓄電池組宜配置在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)蓄電池組相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并與UPS監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)同時(shí)上傳至綜合監(jiān)控或智能運(yùn)維系統(tǒng)，以便運(yùn)營(yíng)統(tǒng)一管理。在線均衡系統(tǒng)除能夠?qū)崿F(xiàn)在線監(jiān)測(cè)功能外，還能對(duì)電池組進(jìn)行大電流的充放電，實(shí)現(xiàn)蓄電池組的在線均衡和活化。由于目前尚無(wú)標(biāo)準(zhǔn)明確在線均衡功能的相關(guān)指標(biāo)，效果有待實(shí)際驗(yàn)證。

6 結(jié)語(yǔ)

城市軌道交通作為城市發(fā)展的重要基礎(chǔ)設(shè)施，設(shè)備系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行是其安全運(yùn)營(yíng)的重要保障。采用合理、經(jīng)濟(jì)的集中UPS電源系統(tǒng)配置方案將有利于地鐵設(shè)備系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行、資源配置整合及節(jié)能降耗。

【參考文獻(xiàn)】

【1】中國(guó)航空規(guī)劃設(shè)計(jì)研究總院有限公司.工業(yè)與民用供配電設(shè)計(jì)手冊(cè)（第四版）[M].北京：中國(guó)電力出版社，2016.