并聯(lián)智能直流系統(tǒng)在地鐵變電所的應(yīng)用

王新華

(深圳市地鐵集團(tuán)有限公司運(yùn)營(yíng)總部， 518173， 深圳//工程師)

地鐵變電所內(nèi)直流屏蓄電池組原采用常規(guī)“充電機(jī)+串聯(lián)蓄電池組+蓄電池巡檢”的直流供電模式，在系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，蓄電池組處于浮充狀態(tài)，并不帶載運(yùn)行；在交流電源失電時(shí)，為二次設(shè)備(如控制、信號(hào)、保護(hù)、自動(dòng)裝置、開關(guān)儲(chǔ)能等設(shè)備)提供可靠的直流電源。在地鐵變電所內(nèi)發(fā)揮應(yīng)急作用的蓄電池組，其可靠與否關(guān)系到整個(gè)地鐵電力系統(tǒng)供電的安全。

1 地鐵變電所常規(guī)直流系統(tǒng)原理

目前，地鐵變電所設(shè)計(jì)的常規(guī)直流系統(tǒng)為串聯(lián)型直流系統(tǒng)，系統(tǒng)基本由交流配電單元、充電模塊、蓄電池組、直流母線自動(dòng)調(diào)壓裝置、監(jiān)控(測(cè))單元、電池巡檢單元、饋電單元等組成，分別安裝在充電屏、蓄電池屏、直流饋線屏內(nèi)。圖1為串聯(lián)型直流電源系統(tǒng)原理圖。

圖1 串聯(lián)型直流電源系統(tǒng)原理圖

2 常規(guī)直流系統(tǒng)存在的問題

地鐵全線變電所數(shù)量多，在線運(yùn)行的蓄電池?cái)?shù)量上千節(jié)，直流系統(tǒng)的主監(jiān)控單元、充電單元、蓄電池等設(shè)備故障時(shí)有發(fā)生。從技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、安全方面分析，目前的常規(guī)串聯(lián)型直流系統(tǒng)還存在諸多缺點(diǎn)，主要有：

(1) 直流電源可靠性待提高。從地鐵變電所直流系統(tǒng)運(yùn)行多年來所發(fā)生的故障來看，蓄電池組采用串聯(lián)接線方式，其可靠性有待進(jìn)一步提高。影響其可靠性的主要因素為：蓄電池組中最差一節(jié)蓄電池容量決定整組蓄電池的容量，導(dǎo)致全所交流系統(tǒng)失電情況下蓄電池不能發(fā)揮應(yīng)急電源的作用；蓄電組采用串聯(lián)接線，單個(gè)蓄電池發(fā)生內(nèi)部質(zhì)量問題，都將造成整組蓄電池不能帶載；如果新更換蓄電池與運(yùn)行蓄電池性能參數(shù)不匹配，會(huì)造成整組蓄電池性能迅速下降。

(2) 檢修工作量大，安全性能待改善。造成檢修工作量大的主要原因?yàn)椋耗壳懊吭滦鑼?duì)地鐵變電所內(nèi)蓄電池組進(jìn)行巡檢和功能性測(cè)試，每半年需進(jìn)行蓄電池小容量放電試驗(yàn)，每年需進(jìn)行蓄電池內(nèi)阻測(cè)試和核對(duì)性充放電試驗(yàn)，對(duì)于數(shù)量龐大的蓄電池組，檢修維護(hù)的工作量非常大；蓄電池檢修需停電作業(yè)，檢修時(shí)間又只能安排在地鐵非運(yùn)營(yíng)期間進(jìn)行，作業(yè)時(shí)間受局限，串聯(lián)蓄電池組不能在運(yùn)營(yíng)期間在線更換維護(hù)；因地鐵使用的蓄電池是閥控式密封鉛酸蓄電池，存在記憶效應(yīng)，需定期離線全容量核容試驗(yàn)方可確定實(shí)際容量。

(3) 蓄電池組維護(hù)成本高。造成其維護(hù)成本高的主要因素為：?jiǎn)沃恍铍姵負(fù)p壞，新更換蓄電池若與原蓄電池性能參數(shù)不匹配，整組蓄電池都需要更換，目前市場(chǎng)上采購(gòu)單只DC 220 V/120 Ah鉛酸蓄電池需約2 200元，蓄電池組按19只蓄電池配置，更換整組需約4萬元；損壞報(bào)廢蓄電池需支付回收處理費(fèi)用，可再利用蓄電池需在線充放電維護(hù)保養(yǎng)，造成蓄電池維護(hù)成本越來越高。

3 蓄電池并聯(lián)模式

隨著交直流逆變技術(shù)的成熟，針對(duì)采用串聯(lián)接線方式的蓄電池組存在的上述缺點(diǎn)，本文提出多組并聯(lián)智能蓄電池組件并聯(lián)輸出的直流系統(tǒng)。

并聯(lián)智能直流系統(tǒng)是將單只12 V蓄電池與匹配的AC/DC充電模塊、DC/DC升壓模塊等器件組成“并聯(lián)智能蓄電池組件”，并通過多組件并聯(lián)輸出直流電源。AC/DC充電技術(shù)是經(jīng)整流、逆流、濾波等環(huán)節(jié)后得到技術(shù)參數(shù)能達(dá)到地鐵變電所運(yùn)行要求的輸出電壓、電流；DC/DC模塊是并聯(lián)智能直流系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，選用移相控制全橋零電壓開關(guān)PWM(脈沖寬度調(diào)制)變換器作為DC/DC升壓環(huán)節(jié)，把DC 12 V升壓至DC 110 V/220 V。圖2為并聯(lián)智能直流系統(tǒng)原理圖。

并聯(lián)智能直流系統(tǒng)相比常規(guī)串聯(lián)型直流電源系統(tǒng)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、性能都有較明顯變化，兩種電源方案技術(shù)對(duì)比如表1所示。

圖2 并聯(lián)型直流電源系統(tǒng)原理圖表1 并聯(lián)型直流系統(tǒng)與串聯(lián)型直流系統(tǒng)技術(shù)性能比較

比較內(nèi)容串聯(lián)型直流系統(tǒng)并聯(lián)型直流系統(tǒng)直流系統(tǒng)組成充電模塊、蓄電池組、監(jiān)控單元、電池巡檢單元、饋電單元等多組并聯(lián)蓄電池組件、絕緣檢測(cè)等獲得母線電壓方式電池串聯(lián)后電壓疊加單電池DC/DC升壓蓄電池連接方式串聯(lián)單電池多組件并聯(lián)冗余配置方式整組蓄電池冗余配置多組件并聯(lián)冗余配置蓄電池安護(hù)方式單獨(dú)置于蓄電池屏內(nèi)分散在并聯(lián)充電模塊內(nèi)放電穩(wěn)壓性能隨放電母線電壓下降通過DC/DC穩(wěn)壓智能程度高在常規(guī)型系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了充放電智能管理、輸出母線穩(wěn)壓技術(shù)、在線維護(hù)、在線核容功能蓄電池維護(hù)方式需停電,離線維護(hù)、更換在線維護(hù)、更換

4 并聯(lián)智能直流系統(tǒng)在地鐵變電所的應(yīng)用

本文以深圳地鐵典型變電所直流電源改造的工程為例，說明此類變電所并聯(lián)智能直流系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的工程應(yīng)用。為提高此站直流系統(tǒng)的高可靠性及改造的方便性，改造方案為：增加1套模塊化并聯(lián)型直流系統(tǒng)與原直流系統(tǒng)并列運(yùn)行；由2種不同連接原理的直流系統(tǒng)組成，一種是蓄電池間接并聯(lián)組成的直流系統(tǒng)，另一種是蓄電池串聯(lián)組成的直流系統(tǒng)。

4.1 新增直流電源系統(tǒng)選型

4.1.1 變電所內(nèi)直流負(fù)荷

按目前地鐵場(chǎng)站變電所標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，典型牽引混合變電所內(nèi)直流負(fù)荷為：AC 35 kV兩段母線設(shè)進(jìn)出線8回及母聯(lián)開關(guān)，2套整流機(jī)組；DC 1 500 V設(shè)進(jìn)出線6回，1個(gè)負(fù)極柜，1個(gè)聯(lián)跳開關(guān)柜，4個(gè)隔離開關(guān)。直流電壓為：DC 220 V。

根據(jù)上述變電所內(nèi)規(guī)模統(tǒng)計(jì)出變電所內(nèi)主要直流負(fù)荷，見表2。

表2 地鐵35 kV變電所直流負(fù)荷統(tǒng)計(jì)表

4.1.2 并聯(lián)智能蓄電池組件數(shù)量

地鐵牽引混合變電所的直流負(fù)荷遠(yuǎn)大于降壓變電所。按目前地鐵牽引混合變電所蓄電池組的典型設(shè)計(jì)，均采用19節(jié)蓄電池串聯(lián)給直流負(fù)荷供電，單節(jié)標(biāo)稱電壓為12 V、電池容量為100 Ah，總?cè)萘繛?2 800 Wh；所內(nèi)5 A電流按0.05C(C為電池容量)進(jìn)行持續(xù)放電，后備放電時(shí)間可以達(dá)20 h以上，冗余量很大。

若采用單節(jié)電壓為12 V、容量為200 Ah的蓄電池，在滿足原系統(tǒng)總?cè)萘康幕A(chǔ)上，系統(tǒng)只需9節(jié)蓄電池；考慮原系統(tǒng)的冗余量，改造后的并聯(lián)型直流系統(tǒng)采用8節(jié)蓄電池。

若把并聯(lián)型直流電源系統(tǒng)后備放電時(shí)間由原來20 h以上減少至10 h以上，新并聯(lián)型直流電源系統(tǒng)可采用1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)柜配8節(jié)并聯(lián)電池組件的并聯(lián)蓄電池屏；單節(jié)蓄電池的標(biāo)稱電壓為12 V，電池容量為100 Ah。新系統(tǒng)采用的蓄電池與原系統(tǒng)相同，可減少蓄電池備件種類和庫(kù)存，也降低了后續(xù)維修成本。

4.1.3 系統(tǒng)可靠性分析

為論證新并聯(lián)型直流電源系統(tǒng)的可靠性，選取變電所內(nèi)直流負(fù)荷最大的35 kV開關(guān)柜、直流1 500 V開關(guān)柜來進(jìn)行分析。

35 kV開關(guān)柜分合閘時(shí)直流負(fù)荷為240 W，電流有效值約為1.08 A，分閘時(shí)間為55.1 ms，合閘時(shí)間為35.8 ms；假設(shè)2臺(tái)35 kV斷路器同時(shí)動(dòng)作，則35 kV斷路器動(dòng)作電流為2.1 A，動(dòng)作時(shí)間為100 ms以內(nèi)。

直流1 500 V開關(guān)柜斷路器分合閘操作電機(jī)功率為2 100 W，即每臺(tái)動(dòng)作電流約為10 A。考慮沖擊性負(fù)荷最大值情況，即當(dāng)發(fā)生框架電流保護(hù)時(shí)，正常本站跳開4臺(tái)直流饋線柜、2臺(tái)直流進(jìn)線柜和2臺(tái)35 kV開關(guān)柜，直流開關(guān)柜最大負(fù)荷電流為60 A。變電所內(nèi)其他經(jīng)常性負(fù)荷電流綜合考慮約為5 A。

綜上所述，最大沖擊電流為直流開關(guān)柜動(dòng)作電流、35kV開關(guān)柜動(dòng)作電流和所內(nèi)其他經(jīng)常性負(fù)荷電流之和，即：

Imax=2.1 A×2+10 A×6+5 A=69.2 A

電流取整按70 A、動(dòng)作時(shí)間1 s內(nèi)考慮。

根據(jù)廠家型號(hào)為PB22002—2蓄電池模塊的過載曲線，系統(tǒng)恒壓220 V情況下(不低于87.5%)，短時(shí)過載2.5In(In為蓄電池的額定輸出電流，即5 A)，可耐受時(shí)間為1 min；過載6In(即12 A)，可耐受時(shí)間為5 s；最大可過載8In(即16 A)，可耐受時(shí)間為3 s。在標(biāo)配8組蓄電池模塊情況下，最大過載8In可輸出過載電流為128 A(3 s)，遠(yuǎn)大于所內(nèi)最大沖擊負(fù)荷70 A，滿足牽引所內(nèi)負(fù)荷電流需求，而且還有約80%容量冗余，一般故障工況下沖擊性負(fù)荷動(dòng)作時(shí)間在1 s以內(nèi)，故系統(tǒng)容量滿足要求。以上是假設(shè)交流失電情況下，蓄電池帶直流負(fù)載的過載數(shù)據(jù)，若是交流正常情況下，交流電源和蓄電池配合情況下的過載能力還會(huì)更高。

4.2 系統(tǒng)應(yīng)用方案

根據(jù)上述蓄電池組件和電池容量選取計(jì)算得知，本次深圳地鐵某變電所直流系統(tǒng)改造方案是在原串聯(lián)直流電源系統(tǒng)中并聯(lián)1套新增并聯(lián)型直流電源系統(tǒng)運(yùn)行，系統(tǒng)配置方案為1面標(biāo)準(zhǔn)柜內(nèi)置8個(gè)并聯(lián)蓄電池組件，蓄電池單體標(biāo)稱電壓為12 V,電池容量為100 Ah。圖3為其系統(tǒng)改造后的接線原理圖。

圖3 地鐵變電所直流電源系統(tǒng)改造接線原理圖

4.3 并聯(lián)智能直流電源系統(tǒng)優(yōu)缺點(diǎn)分析

通過對(duì)地鐵變電所并聯(lián)智能直流系統(tǒng)的應(yīng)用分析，并結(jié)合深圳地鐵35 kV變電所直流系統(tǒng)應(yīng)用方案實(shí)施后的效果，可得出并聯(lián)智能直流系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)有以下幾點(diǎn)：

(1) 并聯(lián)智能直流電源系統(tǒng)蓄電池之間為間接并聯(lián)結(jié)構(gòu)，避免了串聯(lián)型直流電源單體蓄電池故障影響整組輸出的問題，提高了系統(tǒng)可靠性。

(2) 并聯(lián)型直流電源系統(tǒng)蓄電池與交流母線、直流母線及其他蓄電池之間是全隔離，蓄電池?fù)p壞可以單獨(dú)檢修更換，解決了串聯(lián)型直流電源系統(tǒng)蓄電池部分損壞導(dǎo)致整組報(bào)廢問題，提高了蓄電池的利用率。

(3) 并聯(lián)型直流電源系統(tǒng)對(duì)每節(jié)12 V蓄電池在線0.1 C 10全容量核容，解決了蓄電池全生命周期管理問題。

(4) 并聯(lián)型直流電源系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，減少了內(nèi)部接線，并可進(jìn)行蓄電池在線充放電試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)電池在線檢修、不停電更換，極大減少了地鐵運(yùn)行單位的維護(hù)工作量。

(5) 在地鐵變電所內(nèi)控制室，并聯(lián)型直流電源系統(tǒng)較串聯(lián)型直流電源系統(tǒng)可節(jié)省1個(gè)充電屏的位置空間，可減少地鐵變電所建設(shè)初期的建設(shè)投資。

但并聯(lián)智能直流電源系統(tǒng)也存在一些缺點(diǎn)，主要有：防沖擊能力主要依賴元器件冗余設(shè)計(jì)，由“短時(shí)超額輸出+輸出電解電容”應(yīng)對(duì)；饋線短路隔離是由“輸出電解電容+旁路隔離變壓器整流回路”供給短路電流。

5 經(jīng)濟(jì)性對(duì)比分析

并聯(lián)智能直流電源系統(tǒng)與目前常規(guī)串聯(lián)型直流系統(tǒng)在經(jīng)濟(jì)性方面具有一定的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，經(jīng)濟(jì)性對(duì)比如表3所示。若地鐵所有場(chǎng)站變電所均應(yīng)用并聯(lián)智能直流電源系統(tǒng)，節(jié)省地鐵建設(shè)初期和運(yùn)營(yíng)期投入成本均相當(dāng)可觀。

表3 并聯(lián)型直流系統(tǒng)與常規(guī)型系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性比較

目前，并聯(lián)智能直流電源系統(tǒng)在深圳、寧波等地鐵供電系統(tǒng)均有小范圍應(yīng)用。另外，在2013年后該系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于廣東、湖北、浙江等110 kV及以下變配電直流系統(tǒng)。

6 結(jié)論及建議

本文在分析地鐵變電所直流系統(tǒng)蓄電池組存在問題的基礎(chǔ)上，提出了基于并聯(lián)智能蓄電池組件并聯(lián)輸出的并聯(lián)智能直流電源系統(tǒng)的改造應(yīng)用方案。該方案通過模塊化的設(shè)計(jì)，提高蓄電池組的通用性，在降低系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)成本的同時(shí)，也提高了系統(tǒng)供電的可靠性。

地鐵供電建設(shè)朝模塊化、智能化、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算的方向發(fā)展，在國(guó)內(nèi)地鐵供電設(shè)備運(yùn)行、維修人才匱乏的情況下，提高設(shè)備的智能化、自動(dòng)化功能，可減少維護(hù)工作量，提高系統(tǒng)的可靠性，符合現(xiàn)在城市軌道交通行業(yè)發(fā)展的要求。