城市軌道交通集中式UPS電源系統設計

王亞彬

（中國鐵路設計集團有限公司，天津300251）

0 引 言

隨著我國經濟發展和城鎮化建設，城市軌道交通實現快速發展，截止2017年底中國大陸已有35座城市，171條線路開通。考慮資源優化、集中利用、減少投資、便于維護管理和降低運營成本的因素，在軌道軌道交通工程中集中式UPS方案比分散式獨立UPS方案更有優勢，在新興城市或新建線路中成為首選方案。然而，現行規范和標準尚未對城軌集中式UPS有明確的系統設計規定，一定程度上影響了集中式UPS電源系統的合理應用。

1 集中式UPS的運行方式

作為城市軌道交通中重要負荷的后備電源，供電可靠性要求較高，集中式UPS電源系統一般采用冗余備份的供電方式。冗余配置方案主要包括：主從備份方式、直接并機冗余方式和雙總線冗余方式，系統配置、運行方式和特點，詳見表1。

從工程投資角度，方案一與方案三的投資相當，方案二的投資相對低。而結合地鐵車站、場段及OCC的負載容量不大（相對與數據中心工程），方案二的技術經濟性并不明顯。考慮到運營單位對集中式UPS的供電可靠性和可維護性有迫切實際的需求，方案三在城市軌道交通中應用具有較強的優勢。

2 集中式UPS的工程計算

由于UPS電源系統集成度較高，相關計算具有較強的專業性，工程設計人員在可行性研究、初步設計和招標施工圖階段多依賴于工程經驗，而主機容量定型和電池容量配置依賴于中標集成商的技術能力，一定程度上影響系統設計的合理性。集中式UPS的負荷計算主要分為主機容量計算和電池容量計算。

表1 集中式UPS電源系統供電方式對比表

2.1 UPS主機容量計算

按“雙總線冗余”方案計算UPS單機容量，需要的輸入條件如下：

負載設備容量：P（kW），負載功率因數：cosΦ，需要系數：Kx，同時系數：Kt，容量裕度系數：Kk；

根據負荷計算公式：

結合負載設備情況，Kt一般取0．8～0．95，Kt一般取0．7～0．9；根據JGJ16－2008第6．3．3條，Kk取1．3。

在工程設計階段，主機容量計算主要用于配電變壓器計算、設備尺寸與載荷、房間環控要求等設計配合工作。

2.2 UPS電池容量計算

電池容量配置與UPS冗余方案關系極大，“雙總線冗余”方案就有兩種模式：一種模式，兩套UPS主機均配置100%負載容量的后備電池；另一種模式，兩套主機各配置50%負載容量的后備電池，且后備電池間設置聯絡開關；兩種模式的電池配置數量將相差一倍。本文僅介紹按照額定負載容量需求，計算電池理論容量步驟如下：

（1）結合各負載所需的后備時間劃分放電階段，依據YDT5040－2005《通信電源設備安裝工程設計規范》計算出各階段的放電電流，計算公式如下：

式中，I為蓄電池放電電流（A）；S為負載標稱容量（VA）；η為逆變器轉換效率；E為蓄電池放電時逆變器的直流輸入電壓（V）；K為蓄電池的放電效率。根據設備工藝和行業標準，一般逆變器效率η介于0．9～0．95；直流輸入電壓E（V）與主機容量和產品工藝相關，一般主機80 kVA及以下取400 V，80～200 kV間取600 V。

（2）按照直流母線允許最低電壓要求，確定單體蓄電池放電終止電壓。計算容量時，根據不同蓄電池型式、終止電壓和放電時間，從DL／T5044－2004附表B．6－表B．14中查找容量換算系數（Kc），然后根據階梯計算法依次計算各階段計算容量。考慮城市軌道交通中各負載工作性質和工作狀態，按照無末期沖擊放電負荷（CR）校驗蓄電池計算容量。

（3）根據上述蓄電池計算容量，結合蓄電池的最小單體電壓和單體容量，計算蓄電池的數量。以蓄電池容量470 Ah，直流輸入電壓600 V，電池最小單體電壓12 V，容量120 Ah計算，將需要電池數量為：200只（應為“600÷12＝50”的整數倍）。

在工程設計階段，蓄電池容量的計算主要用于確定電池的布置形式（電池柜／電池架）、估算結構載荷、電池室的房屋面積及環控要求等設計配合工作。

3 結 論

綜合地鐵工程集中式UPS的整合負載性質、負載容量和技術經濟性，雙總線冗余供電方式具有較強的技術優勢，隨著市場份額增加和技術推廣經濟性也有較大改進空間。集中式UPS的主機容量計算和電池容量計算，與設備選型和邊界條件界定息息相關，直接影響土建工程的設計和投資，故工程計算方法應合理選擇。