基于超級電容的地鐵站內(nèi)集中UPS設(shè)計

蔣 玥，楊樹松，呂偉升，鄧誼柏

（1.寧波市軌道交通集團有限公司，浙江寧波 315112；2.寧波中車新能源科技有限公司，浙江寧波 315112）

隨著我國軌道交通的不斷發(fā)展，越來越多的城市開通運營地鐵線路。地鐵安全穩(wěn)定運營離不開UPS保障，地鐵站內(nèi)根據(jù)不同專業(yè)設(shè)備，對電源的后備保障時間等要求不盡相同；地鐵站大多建設(shè)在地下，設(shè)備間空間相對有限；軌道交通運行時間相對固定，正常設(shè)備檢修安排在非運營時間窗口期內(nèi)。若在運營時間設(shè)備發(fā)生異常，將直接影響地鐵的正常運行，必須在最短時間內(nèi)進行修復(fù)，減少對地鐵運營影響。

UPS（Uninterruptible Power System，不間斷電源）由整流器、逆變器、旁路靜態(tài)切換、儲能體等組成，其主要功能：①當(dāng)外部市電異常（中斷、電壓暫降、頻率異常等現(xiàn)象）時，UPS 自動切換至儲能體逆變輸出，UPS 后端設(shè)備不受前端市電影響，保障供電系統(tǒng)的連續(xù)性；②市電正常時，UPS 通過整流、逆變，輸出穩(wěn)定的正弦波，凈化電網(wǎng)，為UPS 后端設(shè)備提供更高質(zhì)量的電源。

1 目前軌道交通地鐵站內(nèi)UPS供電現(xiàn)狀

目前地鐵站內(nèi)弱電系統(tǒng)各專業(yè)設(shè)備眾多，各個專業(yè)設(shè)備機房相互獨立。傳統(tǒng)做法就是各自專業(yè)設(shè)備獨立配套1臺UPS 系統(tǒng)，如民用通信、綜合監(jiān)控系統(tǒng)、自動售檢票系統(tǒng)等專業(yè)，均在其設(shè)備間配一臺獨立UPS 給其專業(yè)設(shè)備用，這種做法稱之為分散式UPS供電方案。分散供電的一個特點是各個系統(tǒng)是相對獨立的，即使有1臺UPS 故障了，也不會影響其他系統(tǒng)。但實踐證明，中小功率UPS 故障率較高，任何一臺UPS 發(fā)生故障都可能會影響地鐵的正常運營。中小功率UPS在設(shè)計上考慮低成本（尤其是功率和控制部分）因素，在元器件的選型上、系統(tǒng)的冗余性上、功率器件的耐受等級上要求相對較低，因此中小功率UPS在可靠性、穩(wěn)定性和壽命上是比較低的。而大功率UPS 在設(shè)計原則上更多的考慮可靠性、安全性、冗余性，元器件選型要求更高。同樣運行環(huán)境下，大功率UPS 的故障率明顯低于中小功率UPS。另外，分散設(shè)置的方式無法實現(xiàn)資源共享，存在設(shè)備重復(fù)配置、利用率低、占地面積大，軌道交通地下空間開發(fā)的投入成本很大。同時，每個運營部門都要配置電源維護工具和專業(yè)的維護人員，各自進行獨立的電源管理，這也給軌道交通運營無形中增加了運營維護成本和人力資源的浪費。

2 基于超級電容的地鐵站內(nèi)集中UPS電源設(shè)計方案

寧波市軌道交通集團有限公司聯(lián)合寧波中車新能源科技有限公司聯(lián)合科研，采用了基于超級電容的地鐵站內(nèi)集中UPS 設(shè)計方案（圖1），其特點如下。

圖1 典型軌道交通集中式UPS供電系統(tǒng)電氣圖

（1）對各專業(yè)系統(tǒng)進行集中整合為一套UPS 供電，可靠性高，效率高，電能質(zhì)量高，減少設(shè)備占地面積，節(jié)省設(shè)備投資，減少設(shè)備運維人員，維護方便。

對各專業(yè)電源系統(tǒng)的UPS（包含蓄電池），采用集中整合更有利，可以統(tǒng)一維護與管理電源系統(tǒng)，集中布置減少設(shè)備用房面積，降低了車站土建工程造價，減少UPS 設(shè)備重復(fù)配置，實現(xiàn)資源共享，節(jié)省設(shè)備投資，減少設(shè)備運維人員。UPS 品牌統(tǒng)一選型，便于設(shè)備招標。

在地鐵站內(nèi)，UPS 集中電源整合范圍可以包括專用通信（含PIS 系統(tǒng)）、民用通信、綜合監(jiān)控、BAS、AFC、站臺門、門禁等弱電系統(tǒng)。各弱電系統(tǒng)設(shè)置的就地配電箱由各系統(tǒng)自帶，UPS 輸出給各個系統(tǒng)總開帶分時下電控制，各系統(tǒng)按自身設(shè)計需求，單獨控制UPS 放電下電時間，可以讓儲能體電量最合理分配。

（2）采用高頻模塊化UPS 機型，效率高、體積小、低諧波，功率模塊冗余設(shè)計，平均修復(fù)時間極短，設(shè)計符合超級電容充放電需求。

隨著電力電子技術(shù)和IGBT 功率器件的發(fā)展，UPS 整流部分采用高頻IGBT 整流，輸出無需變壓器升壓，不僅提高整機效率，同時把UPS 尺寸和重量大幅度減小。IGBT 整流能夠有效抑制諧波電流，其輸入諧波小于3%。在抗沖擊能力上，IGBT 器件已經(jīng)完全能夠適應(yīng)各種感性負載。

基于超級電容的地鐵站內(nèi)集中UPS 設(shè)計方案采用了高頻模塊化UPS。高頻模塊化UPS 的可擴展性目前強于其他UPS機型，功率模塊可靈活增加或減少，塔式工頻機、高頻機只能同功率型號并機。而模塊化UPS 其功率模塊是通用的，對地鐵業(yè)主在運維管理上帶來很大好處，運維團隊只需要儲備功率模塊作為備品備件即可。

采用模塊化UPS 最大的特點是其采用“N+X”冗余設(shè)計，可靠性高，單個模塊故障不會引起系統(tǒng)故障而中斷輸出，用戶只需要更換故障模塊即可實現(xiàn)故障修復(fù)，平均故障修復(fù)時間小于3min。同時模塊支持在線熱拔插技術(shù)，無需轉(zhuǎn)旁路工作，更換操作簡單無風(fēng)險，無需廠家工程師到現(xiàn)場維修。

高頻模塊化UPS 的每個功率模塊具有獨立DC/DC 管理，直流調(diào)節(jié)范圍寬。1臺UPS 可以多個功率模塊共用一組儲能體（電池或電容）。超級電容的充放電技術(shù)要求與鋰離子電池和鉛酸有一些差異，在充放電管理上，基于超級電容的地鐵站內(nèi)集中UPS電源設(shè)計方案與UPS 主機通信管理，UPS 主機通過RS485端口與超級電容管理模塊CMS 建立數(shù)據(jù)通信，設(shè)定超級電容的充電參數(shù)、放電參數(shù)，以滿足超級電容的充放電技術(shù)要求。

雖然目前模塊化UPS 在地鐵行業(yè)應(yīng)用比較少，但模塊化UPS 的特點非常適合地鐵業(yè)主需求，在集中整合電源方案的推動下，模塊化UPS 將會是未來地鐵業(yè)主的首選機型。

（3）采用超級電容儲能體作為UPS儲能單元使用，壽命長達10a 以上，終身免維護，安全性能高，環(huán)保無污染，溫度適應(yīng)范圍寬。

UPS 系統(tǒng)中儲能體的選擇至關(guān)重要，市電異常后完全需要依賴儲能單元供電，可選的儲能體基本上聚焦在鉛酸電池和鋰電池上。近幾年國內(nèi)鋰離子電池進入高速發(fā)展期，電芯成本近10a 下降超過80%，其電芯價格已接近高端鉛酸蓄電池價格水平。鋰電池常見類型有三元鋰、磷酸鐵鋰、鈦酸鋰等。從成本和安全性考慮，UPS 適合配置磷酸鐵鋰電池。

目前地鐵業(yè)主尚未大規(guī)模進行鋰電應(yīng)用。鋰電的安全性是用戶最關(guān)心的問題，鋰電起火、燃燒、爆炸的事故發(fā)生多起，主要原因是鋰電熱失控問題引起。鋰電熱失控原因復(fù)雜，主要在以下幾方面：①電芯選擇設(shè)計及生產(chǎn)管控；②外部機械沖擊；③充放電管理；④電池系統(tǒng)集成及電池保護系統(tǒng)。鋰電系統(tǒng)盡管都自帶BMS 管理，最大限度降低鋰電發(fā)生熱失控的概率。但是鋰電BMS 僅是作用于熱失控前的管理，熱失控一旦發(fā)生，會迅速蔓延，而且消防滅火難度大。因此，鋰電池要推廣應(yīng)用于地鐵站內(nèi)，必須考慮鋰電使用的安全性，鋰電起火后的消防必須要有可靠解決方案。

基于超級電容的地鐵站內(nèi)集中UPS 設(shè)計方案采用混合型超級電容作為UPS 儲能體，該混合型超級電容具有比鋰離子電池和鉛酸電池更高功率密度，更寬溫度使用范圍，同時具有更高安全性。

超級電容有雙電層電容器（EDLC）、贗電容電容器和混合型電容器。雙電層電容器屬于功率型儲能器件，可用于大功率抗晃電電源保護，如DVR、AVC、DC-BANK 等電源產(chǎn)品，解決電網(wǎng)晃電，備電時間在1～60s。與傳統(tǒng)的鉛酸電池、鋰離子電池相比，雙電層電容器和贗電容電容器深循環(huán)放電次數(shù)高達百萬次，放電倍率更是高達10 C 以上，但能量密度低，價格高。

寧波中車新能源科技有限公司研發(fā)生產(chǎn)適配UPS采用混合型超級電容器。混合型電容器分為內(nèi)并型混合型電容器和內(nèi)串型混合型電容器，其中鋰離子電容器能量密度達到40 Wh/kg（接近目前鉛酸蓄電池能量密度水平），使用壽命達到15a 以上。

鋰離子電容器（LIC）正極采用多孔炭/鋰金屬氧化物，負極采用石墨、軟碳或硬碳。正極既有雙電層吸脫附儲能，又有鋰離子脫嵌化學(xué)反應(yīng)，負極發(fā)生鋰離子脫嵌化學(xué)反應(yīng)。某種程度上鋰離子電容器可以說是超級電容和鋰離子電池的復(fù)合體，正極超級為電容體系，負極嵌鋰，具有超級電容的特性。

鉛酸電池、磷酸鐵鋰電池和混合型電容器各有各的特點，能量密度上混合型電容器與鉛酸電池相接近，低于磷酸鐵鋰電池，壽命上混合型超級電容器高于磷酸鐵鋰和鉛酸電池。3種儲能體的對比見表1。

表1 三種儲能體對比分析表

地鐵站UPS 目前仍然以鉛酸蓄電池為主，電池每5a 左右更換一次。鉛酸電池平均使用壽命約5～6a。鋰電池目前僅個別城市個別站做試點，相對謹慎，在安全性上仍然沒有很好的解決方案。鋰電池理論上使用壽命8～10a，混合型超級電容器使用壽命10～15a。

目前在寧波地鐵3號線明輝路站一套“基于超級電容的軌道交通集中式UPS 系統(tǒng)”掛網(wǎng)運行中，配置的是寧波中車新能源公司生產(chǎn)的混合型超級電容器。應(yīng)用新型儲能單元混合型超級電容配置到UPS直流側(cè)，該混合型電容容量衰減率極低，其充、放電次數(shù)高達1萬次以上，將UPS 系統(tǒng)整體壽命提高到10a 以上。UPS 采用高頻全IGBT 模塊化結(jié)構(gòu)，支持在線熱拔插，縮短了軌道交通電源檢修時間。UPS 整機效率高達95%，更節(jié)能，損耗相對傳統(tǒng)工頻UPS減低10%以上。集中管理軌道交通行業(yè)多個系統(tǒng)關(guān)鍵負載，可根據(jù)不同類型專業(yè)負載分時下電，合理利用超級電容能量，將后備時間留給更重要的負載，節(jié)省用戶投資。輸出綜合監(jiān)控柜內(nèi)置綜合監(jiān)控主機，將輸入雙電源配電、電容柜、UPS 主機、分時下電模塊、饋線回路狀態(tài)進行集中監(jiān)控管理，集成遠程監(jiān)控功能和短信故障告警功能，實用性強。

3 結(jié)束語

寧波市軌道交通集團有限公司聯(lián)合寧波中車新能源科技有限公司聯(lián)合科研“基于超級電容的地鐵站內(nèi)集中UPS 電源設(shè)計方案”，是首次應(yīng)用新型混合型超級電容器配置UPS 在地鐵站使用。在地鐵站內(nèi)集中UPS 供電方式更有優(yōu)勢，對各專業(yè)電源系統(tǒng)的UPS主機和蓄電池進行硬件集中整合是很好的方案，統(tǒng)一維護與管理電源系統(tǒng)，集中布置減少設(shè)備用房面積、降低車站土建工程造價。傳統(tǒng)塔式工頻UPS 維護維修難度較高，需要廠家售后工程師才能夠進行維護和維修，這也給地鐵運營無形中增加了運營維護成本和人力資源的浪費。模塊化UPS 更適合軌道交通行業(yè)的應(yīng)用，采用模塊化UPS 實現(xiàn)功率模塊冗余，提高系統(tǒng)可靠性，同時維護變的更加簡單。鋰離子電池、混合型超級電容相對鉛酸電池，其壽命更長，從安全性上考慮，混合型超級電容器安全性更高。