并聯智能直流系統在地鐵變電所的應用

王新華

(深圳市地鐵集團有限公司運營總部， 518173， 深圳//工程師)

地鐵變電所內直流屏蓄電池組原采用常規“充電機+串聯蓄電池組+蓄電池巡檢”的直流供電模式，在系統正常運行時，蓄電池組處于浮充狀態，并不帶載運行；在交流電源失電時，為二次設備(如控制、信號、保護、自動裝置、開關儲能等設備)提供可靠的直流電源。在地鐵變電所內發揮應急作用的蓄電池組，其可靠與否關系到整個地鐵電力系統供電的安全。

1 地鐵變電所常規直流系統原理

目前，地鐵變電所設計的常規直流系統為串聯型直流系統，系統基本由交流配電單元、充電模塊、蓄電池組、直流母線自動調壓裝置、監控(測)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。圖1為串聯型直流電源系統原理圖。

圖1 串聯型直流電源系統原理圖

2 常規直流系統存在的問題

地鐵全線變電所數量多，在線運行的蓄電池數量上千節，直流系統的主監控單元、充電單元、蓄電池等設備故障時有發生。從技術、經濟、安全方面分析，目前的常規串聯型直流系統還存在諸多缺點，主要有：

(1) 直流電源可靠性待提高。從地鐵變電所直流系統運行多年來所發生的故障來看，蓄電池組采用串聯接線方式，其可靠性有待進一步提高。影響其可靠性的主要因素為：蓄電池組中最差一節蓄電池容量決定整組蓄電池的容量，導致全所交流系統失電情況下蓄電池不能發揮應急電源的作用；蓄電組采用串聯接線，單個蓄電池發生內部質量問題，都將造成整組蓄電池不能帶載；如果新更換蓄電池與運行蓄電池性能參數不匹配，會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為：目前每月需對地鐵變電所內蓄電池組進行巡檢和功能性測試，每半年需進行蓄電池小容量放電試驗，每年需進行蓄電池內阻測試和核對性充放電試驗，對于數量龐大的蓄電池組，檢修維護的工作量非常大；蓄電池檢修需停電作業，檢修時間又只能安排在地鐵非運營期間進行，作業時間受局限，串聯蓄電池組不能在運營期間在線更換維護；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，需定期離線全容量核容試驗方可確定實際容量。

(3) 蓄電池組維護成本高。造成其維護成本高的主要因素為：單只蓄電池損壞，新更換蓄電池若與原蓄電池性能參數不匹配，整組蓄電池都需要更換，目前市場上采購單只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；損壞報廢蓄電池需支付回收處理費用，可再利用蓄電池需在線充放電維護保養，造成蓄電池維護成本越來越高。

3 蓄電池并聯模式

隨著交直流逆變技術的成熟，針對采用串聯接線方式的蓄電池組存在的上述缺點，本文提出多組并聯智能蓄電池組件并聯輸出的直流系統。

并聯智能直流系統是將單只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“并聯智能蓄電池組件”，并通過多組件并聯輸出直流電源。AC/DC充電技術是經整流、逆流、濾波等環節后得到技術參數能達到地鐵變電所運行要求的輸出電壓、電流；DC/DC模塊是并聯智能直流系統的關鍵技術，選用移相控制全橋零電壓開關PWM(脈沖寬度調制)變換器作為DC/DC升壓環節，把DC 12 V升壓至DC 110 V/220 V。圖2為并聯智能直流系統原理圖。

并聯智能直流系統相比常規串聯型直流電源系統，其系統結構、性能都有較明顯變化，兩種電源方案技術對比如表1所示。

圖2 并聯型直流電源系統原理圖表1 并聯型直流系統與串聯型直流系統技術性能比較

比較內容串聯型直流系統并聯型直流系統直流系統組成充電模塊、蓄電池組、監控單元、電池巡檢單元、饋電單元等多組并聯蓄電池組件、絕緣檢測等獲得母線電壓方式電池串聯后電壓疊加單電池DC/DC升壓蓄電池連接方式串聯單電池多組件并聯冗余配置方式整組蓄電池冗余配置多組件并聯冗余配置蓄電池安護方式單獨置于蓄電池屏內分散在并聯充電模塊內放電穩壓性能隨放電母線電壓下降通過DC/DC穩壓智能程度高在常規型系統的基礎上增加了充放電智能管理、輸出母線穩壓技術、在線維護、在線核容功能蓄電池維護方式需停電,離線維護、更換在線維護、更換

4 并聯智能直流系統在地鐵變電所的應用

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智能直流系統設計方案的工程應用。為提高此站直流系統的高可靠性及改造的方便性，改造方案為：增加1套模塊化并聯型直流系統與原直流系統并列運行；由2種不同連接原理的直流系統組成，一種是蓄電池間接并聯組成的直流系統，另一種是蓄電池串聯組成的直流系統。

4.1 新增直流電源系統選型

4.1.1 變電所內直流負荷

按目前地鐵場站變電所標準設計，典型牽引混合變電所內直流負荷為：AC 35 kV兩段母線設進出線8回及母聯開關，2套整流機組；DC 1 500 V設進出線6回，1個負極柜，1個聯跳開關柜，4個隔離開關。直流電壓為：DC 220 V。

根據上述變電所內規模統計出變電所內主要直流負荷，見表2。

表2 地鐵35 kV變電所直流負荷統計表

4.1.2 并聯智能蓄電池組件數量

地鐵牽引混合變電所的直流負荷遠大于降壓變電所。按目前地鐵牽引混合變電所蓄電池組的典型設計，均采用19節蓄電池串聯給直流負荷供電，單節標稱電壓為12 V、電池容量為100 Ah，總容量為22 800 Wh；所內5 A電流按0.05C(C為電池容量)進行持續放電，后備放電時間可以達20 h以上，冗余量很大。

若采用單節電壓為12 V、容量為200 Ah的蓄電池，在滿足原系統總容量的基礎上，系統只需9節蓄電池；考慮原系統的冗余量，改造后的并聯型直流系統采用8節蓄電池。

若把并聯型直流電源系統后備放電時間由原來20 h以上減少至10 h以上，新并聯型直流電源系統可采用1個標準柜配8節并聯電池組件的并聯蓄電池屏；單節蓄電池的標稱電壓為12 V，電池容量為100 Ah。新系統采用的蓄電池與原系統相同，可減少蓄電池備件種類和庫存，也降低了后續維修成本。

4.1.3 系統可靠性分析

為論證新并聯型直流電源系統的可靠性，選取變電所內直流負荷最大的35 kV開關柜、直流1 500 V開關柜來進行分析。

35 kV開關柜分合閘時直流負荷為240 W，電流有效值約為1.08 A，分閘時間為55.1 ms，合閘時間為35.8 ms；假設2臺35 kV斷路器同時動作，則35 kV斷路器動作電流為2.1 A，動作時間為100 ms以內。

直流1 500 V開關柜斷路器分合閘操作電機功率為2 100 W，即每臺動作電流約為10 A。考慮沖擊性負荷最大值情況，即當發生框架電流保護時，正常本站跳開4臺直流饋線柜、2臺直流進線柜和2臺35 kV開關柜，直流開關柜最大負荷電流為60 A。變電所內其他經常性負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柜動作電流、35kV開關柜動作電流和所內其他經常性負荷電流之和，即：

Imax=2.1 A×2+10 A×6+5 A=69.2 A

電流取整按70 A、動作時間1 s內考慮。

根據廠家型號為PB22002—2蓄電池模塊的過載曲線，系統恒壓220 V情況下(不低于87.5%)，短時過載2.5In(In為蓄電池的額定輸出電流，即5 A)，可耐受時間為1 min；過載6In(即12 A)，可耐受時間為5 s；最大可過載8In(即16 A)，可耐受時間為3 s。在標配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)，遠大于所內最大沖擊負荷70 A，滿足牽引所內負荷電流需求，而且還有約80%容量冗余，一般故障工況下沖擊性負荷動作時間在1 s以內，故系統容量滿足要求。以上是假設交流失電情況下，蓄電池帶直流負載的過載數據，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更高。

4.2 系統應用方案

根據上述蓄電池組件和電池容量選取計算得知，本次深圳地鐵某變電所直流系統改造方案是在原串聯直流電源系統中并聯1套新增并聯型直流電源系統運行，系統配置方案為1面標準柜內置8個并聯蓄電池組件，蓄電池單體標稱電壓為12 V,電池容量為100 Ah。圖3為其系統改造后的接線原理圖。

圖3 地鐵變電所直流電源系統改造接線原理圖

4.3 并聯智能直流電源系統優缺點分析

通過對地鐵變電所并聯智能直流系統的應用分析，并結合深圳地鐵35 kV變電所直流系統應用方案實施后的效果，可得出并聯智能直流系統的優勢有以下幾點：

(1) 并聯智能直流電源系統蓄電池之間為間接并聯結構，避免了串聯型直流電源單體蓄電池故障影響整組輸出的問題，提高了系統可靠性。

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

(3) 并聯型直流電源系統對每節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) 并聯型直流電源系統采用模塊化設計，減少了內部接線，并可進行蓄電池在線充放電試驗，實現電池在線檢修、不停電更換，極大減少了地鐵運行單位的維護工作量。

(5) 在地鐵變電所內控制室，并聯型直流電源系統較串聯型直流電源系統可節省1個充電屏的位置空間，可減少地鐵變電所建設初期的建設投資。

但并聯智能直流電源系統也存在一些缺點，主要有：防沖擊能力主要依賴元器件冗余設計，由“短時超額輸出+輸出電解電容”應對；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 經濟性對比分析

并聯智能直流電源系統與目前常規串聯型直流系統在經濟性方面具有一定的經濟優勢，經濟性對比如表3所示。若地鐵所有場站變電所均應用并聯智能直流電源系統，節省地鐵建設初期和運營期投入成本均相當可觀。

表3 并聯型直流系統與常規型系統的經濟性比較

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

6 結論及建議

本文在分析地鐵變電所直流系統蓄電池組存在問題的基礎上，提出了基于并聯智能蓄電池組件并聯輸出的并聯智能直流電源系統的改造應用方案。該方案通過模塊化的設計，提高蓄電池組的通用性，在降低系統運行維護成本的同時，也提高了系統供電的可靠性。

地鐵供電建設朝模塊化、智能化、大數據、云計算的方向發展，在國內地鐵供電設備運行、維修人才匱乏的情況下，提高設備的智能化、自動化功能，可減少維護工作量，提高系統的可靠性，符合現在城市軌道交通行業發展的要求。