新型交直流一體化不間斷電源系統

中國鐵路青藏集團有限公司西寧供電段 唐金勝 李洪磊

中國鐵路蘭州局集團有限公司蘭州高鐵基礎設施段 張 婷 蘭州基時智造電源有限公司 黃智遠

電力系統與人們的生產生活存在緊密聯系，對用戶連續供電的過程中，最理想的狀態是通過標準電壓、恒定頻率完成，但在諸多因素的干擾下實際供電難以十分精準，所以在鐵路供電系統運行、電力設備與供用電過程中產生較多問題。

從工業負荷的角度分析，有些設備的功能多樣，能夠在實際工作中彰顯出自身價值，但對供電的要求十分嚴格，如PLC和變頻器，10ms左右的電壓暫降將會導致變頻器無法繼續正常工作。在傳統不間斷電源UPS投入的影響下，將破壞設備與元件的穩定性，導致附加諧波損耗出現，電能轉換的速度呈現緩慢狀態，電纜絕緣老化的概率隨之加大，其他電氣設備的工作受到阻礙，電氣測量儀表的測量結果產生誤差。并且在應用UPS的過程將陷入諸多問題的困境中，高耗電量、高維護成本的問題較為顯著。

1 新型交直流一體化不間斷電源系統

1.1 系統概述

交直流一體化不間斷電源系統原理如圖1所示，系統內的電源涵蓋了三點內容：其一為光伏；其二為三相交流電源；其三為儲能單元。倘若光伏發電與DC/DC轉換器產生緊密聯系并實現轉換后，能夠使蓄電池獲得直流電壓，實現了充電的目的。對于三相交流電源而言，當整流之后體現出直流母線電壓，不僅能夠幫助蓄電池充電，還能夠使其他直流轉換器獲得電壓。變頻器和PLC最顯著的特性是交直交，因此直流與交流對動力回路的供電時間是無差異的，有效保護變頻器的供電可靠性，有效保護PLC主回路的穩定性，對于變頻器來講，其控制回路較為不同，通常以交流負荷為主，所以首先進行直流逆變轉換，然后再給變頻器控制回路供電，確保無論在交流系統停電時，還是在電壓暫降時，依舊可以正常、穩定的工作。

圖1 室內供電系統和室外供電系統

當鐵路供電系統電壓并未處在異常狀態時，由鐵路供電系統電壓逆變后的直流電壓與經太陽能光伏轉換后的直流電壓共同保證直流母線的電壓[1]，同時給與儲電池足夠的電壓。倘若鐵路供電系統電壓發生了暫降，那么交流鐵路供電系統電壓無法支撐變頻器的后續工作，此時應將后備支撐作為主要手段，從而避免變頻器受到電壓暫降的不利干擾。

1.2 系統關鍵設備介紹

從交直流一體化供電方案的角度分析，其在兼容性方面占據顯著優勢，接入新能源的過程中難度更小，不僅實現了高可靠供電的目的，而且有助于經濟效益與社會效益的提高。系統內重要裝置涵蓋五點內容。

光伏轉換器。對于太陽能光伏電池板的實現，光伏轉換器的積極影響是不可忽視的，還能夠作用在配網直流電壓中，有效降低其匹配難度。對于輸出端而言，自身與直流配電母線存在一定的契合度，以單向DC/DC轉換器為主；DC/DC充電機。出于對輸入和輸出側隔離性要求的考慮，重點關注蓄電池的充電機，主要應用工具為隔離型DC/DC轉換器，避免儲能系統的穩定性及安全性受到負面影響[2]。

變頻器主回路DC/DC轉換器。以交錯并聯的BOOST電路拓撲結構為主，此種拓撲發揮著關鍵性作用，避免電感電流交錯現象始終存在，促使裝置穩定性更強，對比于機械式開關此種方式的功能更明顯，主要體現在導通速度的提升方面；PLC主回路DC/DC轉換器。在國內的PLC電源中，應用較為廣泛的是交流220V電源和直流電源，此處直流電源是第一種；直流照明DC/DC轉換器。為直流照明設備供電的過程中，選擇可靠性更強的隔離型DC/DC轉換裝置，確保在多次操作后依然可以實現正常工作，避免出現直流故障。

2 應用于工業現場時的設計方案

以某工業現場為例，現場有3kW變頻器6臺、5kW變頻器2臺、照明6kW（PLC由于功率較小，所以此處省略單獨計算），選擇光伏電量時應全面分析在空間合理利用方面有無缺陷、是否可以適應工作，滿載功率20.4kW，選擇各變換器的過程中同樣需要謹慎，需對負載容量進行全面分析，以1.4倍為主要參考的數值，促使變換器在運行的整個過程中保持高效。

2.1 蓄電池組配置

本次在戶外采用了創新使用高溫性能好、高效率輸出的鋰電池，大幅度縮減占地面積。搭載鋰電BMS，實現全生命周期的電池精確管理，并設置全面的環境監控系統，嚴格保證鋰電池運行環境。負荷總功率為34kW，需以停電為基本條件、運行時間達到1h。選擇鋰電1組，對電池組運行電壓提出一定的標準要求，要求其與合理范圍保持顯著的一致性，以170～210V為主[3]。

容量計算方法如下：選擇電池容量。單節電池P0=P總負載/（n×105）=34kW/105=323.8W，n代表的是電池組數，此處為1組；查電池恒功率放電特性表。如表1所示，在電池充電機方面，以0.1C浮充為主，則充電電流為200×0.1=20A；計算放電電流。Imax=P總負載/（105×1.7）=34kW/178.5=190A，能夠采用直接放電的方法，應用的工具為智能開關，或采用相應的變換器，本研究以智能開關為主。

表1 電池恒功率放電特性

2.2 壓差控制開關配置

交直流混合供電與PLC電源、變頻器存在不同程度的聯系，在三者的結合處，如果出現了交流鐵路供電系統停電的狀況，導致設備內的直流母線電壓無法保持原有狀態，直流電導通的現象出現，所以此時需要壓差值控制電路充分發揮出自身作用，明確切換電源的合適時間。傳統壓差控制電路涉及的因素較為多樣化，不僅與晶閘管陽極A的直流電壓相關，而且與陰極K的直流電壓存在密切聯系，對兩者完成A/D采樣后開展CPU比較處理工作，此時認真觀察兩端的壓差，如果發現與設定值相符，應繼續以信號電壓為操作對象不斷的輸出，使其與晶閘管的門極相融合，此環節完畢后觸發晶閘管導通順利實現。

這種電路的繁瑣性較為顯著，涉及到多種元件，出現故障的可能性更大，對晶閘管導通進行控制的階段里，增加了超過2ms的延時，而且應以外部電源供電為保障，將注意力放在晶閘管門極中，使其呈現隔離狀態，避免晶閘管的回路電壓超出正常范圍內，對控制電路形成良好的保護作用。如表2所示。

表2 退出核容測試操作步驟

本系統對電子開關的控制具有一定的特殊性，此過程體現的主體是直流壓差，其涵蓋了兩點：一為模擬電路；二為單向晶閘管，這種方式省略了外部工作電源環節，保護了門極的控制信號的穩定性，需以系統實際需求為主要出發點，對其進行多角度分析，從而設定科學、合理的壓差值。直流壓差電子開關電路原理圖如圖2所示，晶閘管陽極A接至DC/DC升壓單元輸出端正極U2+，D1為穩壓管，設其穩壓值為U，壓差設定值為Uset。如果UAK在0或以下，SCR截止；如果UAK在Uset或以上，流過R的電流i=(UAK-U)/R，也即注入SCR門極的電流[4]。

圖2 直流壓差控制電子開關原理

門極注入電流并未具備很強的穩定性，如若想對其形成有效控制，應將更多注意力放在R和D1的參數中，遵循著科學、合理的原則進行選擇，促使晶閘管的導通較為穩定。通過上述分析能夠了解到，相應的導通時間保持在特定范圍內，通常不超過200μs，與晶閘管的開通時間無差異性。

3 模擬實驗

以變頻器為例，當變頻器的工作狀態處于正常時，此時支持運行的主體為交流供電，如果鐵路供電系統電壓呈現異常狀態，將會破壞變頻器直流側的母線電壓的穩定性，即呈現降低趨勢。從母線電壓的層面來講，當其保持在DC500V以下時，直流供電系統也會有所波動，彰顯出自身的積極作用，收益對象為變頻器直流母線，避免其由于電壓不足而無法順利進行[5]。

圖3 暫降波形及DC/DC轉換器支撐時的電壓電流情況

圖4 DC/DC轉換器支撐時電流上升情況

監控屏將采集直流主路檢測模塊的數據在直流數據界面顯示，顯示數據包括電池電壓、電池電流、溫度、母線電流、合閘母線電壓、控制母線電壓；監控屏將采集交流主路檢測模塊的數據在交流全電量數據界面顯示，交流數據界面包含交流輸入全電量信息、交流輸入諧波信息以及電能信息。

4 結語

綜上所述，本項目在考慮到工業負荷的前提下設計一種現代化的電源系統，該電源系統與直流供電接口存在緊密聯系，在立足于太陽能光伏、儲能等分布式發電的基礎上，圍繞直流負荷的應用展開分析，促使該電源系統的穩定性更加顯著，該系統不僅存在抗晃電作用，還可以對新能源進行接入，實現了消納的目的，打破以往供電可靠性不足的局面，在用電經濟性方面也產生較大進步。在此過程中，壓差控制裝置體現出自身作用，也借助了靜態開關，確保在出現電壓暫降時系統可以及時應對、迅速切換。

系統的模塊化設計屬于本文的重點內容，以其他模塊為前提實施相應的擴展工作，在實現不斷電檢修的過程中也較為簡單，熱插拔設計將會實現此目的。對于此系統來講，不僅能夠避免電壓暫降保持在較高狀態，還可以避免生產過程受到停電問題帶來的影響，對廠區供電質量的增強具有關鍵性作用，幫助企業節能、減損，使企業的效率更高。