城市軌道交通集中UPS電源系統設置方案研究

王福鑫，黃幸福，鄭侃

【摘 ?要】論文結合國內城市軌道交通集中UPS電源系統的應用現狀和專業需求，對集中UPS電源系統設備選擇和配置方式進行比較和分析，同時，對系統相關設備容量的計算方法進行闡述。

【Abstract】 Combined with the application status and professional demand of centralized UPS power supply system in domestic urban rail transit， this paper compares and analyzes the equipment selection and configuration mode of centralized UPS power supply system， and expounds the calculation method of the capacity of related equipment of the system.

【關鍵詞】軌道交通;集中UPS;設置方案;蓄電池

【Keywords】rail transit; centralized UPS; setup scheme; battery

【中圖分類號】 U231 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文獻標志碼】A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文章編號】1673-1069（2020）02-0194-03

1 引言

不間斷電源設備（UPS）作為城市軌道交通設備系統的重要組成部分，可以持續進行高質量供電。集中UPS電源系統具有過載能力強、設備布置集中、占地面積小、利于運營管理和節能降耗、綜合投資和維護成本低、技術優勢顯著等優點，被城市軌道交通廣泛應用并已成為UPS電源系統的重要發展方向。論文對城市軌道交通集中UPS電源系統的設計方案和應用進行分析和總結。

2 UPS配置類型

UPS由整流器、逆變器、轉換開關、儲能裝置及控制系統組成，UPS配置主要有以下三種類型[1]。

2.1 雙變換（在線式）UPS

逆變器持續處在工作狀態，正常狀態下由整流器/逆變器給負載供電，整流器對蓄電池組浮充電。當輸入供電超出預定允差，由蓄電池組和逆變器組合持續供電。UPS開關采用靜態開關，切換時間微秒級，電源輸出波形為交流正弦波，穩定且精度高。

2.2 在線互動式UPS

正常狀態下，輸入電源通過穩壓裝置向負載供電，逆變器反向工作，對蓄電池組充電。當輸入供電異常時，逆變器實現逆變工作狀態，由蓄電池組和逆變器持續供電。電源輸出波形為模擬交流正弦波，切換時間小于4ms，穩頻性能不理想。

2.3 后備式UPS

工作原理類似于EPS，正常狀態下，輸入旁路通過穩壓裝置供電。當輸入電源異常時，緊急切換至蓄電池組/逆變器組合保持負載功率的持續性。UPS結構簡單，電源輸出波形為交流方波，切換時間為4～10ms，適合供電質量要求不高的非關鍵場所。

由于城市軌道交通設備系統負荷對供電質量要求高，集中UPS電源應采用雙變換（在線式）UPS，工作原理如圖1所示。

圖1 ? 在線UPS工作原理

3 UPS的性能對比

根據整流工作模式等方案的不同，目前行業內形成工頻型UPS、高頻型UPS及模塊化UPS的三種發展趨勢。

工頻型UPS采用SCR（可控硅）整流器、IGBT逆變器和隔離變壓器的設計方案。由于可控硅的過流能力強（10In，20ms），直流母線電壓低，且采用隔離變壓器，可有效避免負載短路沖擊和降低零地電壓，可靠性高。由于采用可控硅及隔離變壓器，增大損耗，效率低于高頻機。工頻型UPS的制造工藝成熟，應用廣泛，故障率低。

高頻型UPS整流器采用升壓型脈寬調制IGBT技術，開關頻率在幾千至幾萬赫茲，遠高于工頻機。直流母線電壓可達800～1000V，故蓄電池組須通過電池變換器PFC接入母線，若逆變器功率器件發生短路，則母線高電壓對負載會有沖擊。近年來，IGBT制造技術已取得較大進步，高頻型UPS可靠性也相應提高并得到認可。

模塊化UPS采用高頻化結構技術，可以冗余并聯，擴展靈活，能夠實現在線熱插拔和熱更換，適合中等以上規模不間斷電源供電方案，如表1所示。

4 集中UPS電源系統設置方案

4.1 系統整合范圍

城市軌道交通設備系統負荷在車站及控制中心分布相對集中，可采用集中設置UPS方案，車輛段的停車場由于負荷分散，供電范圍大，不適合設置集中UPS。

根據地鐵設備負荷分級和供電要求，專用通信系統設備、BAS設備、FAS設備同為一級負荷中特別重要負荷，須設置一套集中UPS，綜合監控系統設備、門禁系統設備、AFC系統設備、PIS、供電可視化接地系統主機、環控柜等一級負荷采用另一套集中UPS電源系統供電。為保證信號系統設備的安全獨立性、民用通信和公安通信系統設備的維護便利，宜各自設置UPS。變電所由于存在沖擊負荷（隨機5s），獨立設置交直流一體化電源。屏蔽門系統主要為非線性負載，獨立設置后備電源。應急照明系統對供電質量要求低，設置EPS供電。

4.2 系統設置方案

國內城市軌道交通集中UPS電源系統常用方案有三種：UPS單機系統、并機冗余系統和并機雙總線系統。

4.2.1 UPS單機系統

UPS單機系統方案由單UPS和單蓄電池組構成。當一路進線故障，由ATS切換到另一路進線電源供電。兩路進線或整流器故障時由蓄電池組經逆變器供電，并通過分時下電功能滿足各專業后備時間需求。當逆變器或智能控制單元故障則切換至靜態旁路維持供電。

單機系統結構簡單，維護方便，可靠性低，電源系統故障影響面較大。深圳、南寧、長春、成都等城市軌道交通線路采用單機系統方案。

4.2.2 并機冗余系統

并機冗余系統方案采用雙UPS和雙蓄電池組，為避免壓差形成環流，影響蓄電池壽命，兩組蓄電池間不設開關，各自承擔50%負載后備時間供電。

并機冗余系統電源方案運行方式比較復雜，當一路進線故障，由ATS切換到另一路進線電源供電，兩路進線電源均故障，由蓄電池組經逆變器供電;當其一UPS逆變器故障，由另一UPS承擔全部負荷供電，若過載則切換到靜態旁路;當其一UPS整流器故障，則故障UPS先通過蓄電池組放電，放電結束后，由另一UPS承擔全部負荷供電，若過載則切換到靜態旁路;當兩臺UPS逆變器均故障、兩套智能控制單元均故障或其一UPS逆變器故障，另一UPS整流器故障時，切換至靜態旁路維持供電;當UPS整流器均故障，則蓄電池組供電，放電結束切換至靜態旁路維持供電。

并機冗余系統方案相對單機方案供電可靠、造價高。北京、武漢、廣州、青島、濟南、長沙、杭州、廈門、成都控制中心等大部分城市軌道交通線路采用此方案。

4.2.3 并機雙總線系統

并機雙總線系統供電方案系統復雜，UPS相互獨立，可靠性極高，造價高，適用于大型數據中心等關鍵場所。軌道交通行業中上海、廣州部分地鐵線路采用過此方式，運行方式與單機系統類似，詳細過程不再贅述。

5 蓄電池組配置

5.1 蓄電池選型

目前，軌道交通行業UPS電源系統除上海地鐵采用磷酸鐵鋰電池外，多采用閥控式鉛酸蓄電池或膠體蓄電池。磷酸鐵鋰電池體積小、比能量大、壽命長且綠色環保，但造價高，成本為鉛酸電池的2～3倍。閥控式密封鉛酸蓄電池應用廣泛，有較強的高倍率放電能力，故障時內部壓力增大，存在安全風險。膠體電池仍屬于貧液式鉛酸電池，在鉛酸電池基礎上加入氣相SiO2 、凝膠劑等制成，板柵材質多采用酚醛樹脂或PVC。

膠體蓄電池設計壽命較鉛酸蓄電池長且使用安全，同等容量下采用2V蓄電池，空間需求大，配套的監測設備多，綜合造價高，維護工作量大。此外，UPS蓄電池組并聯組數不應超過4組，故蓄電池容量400Ah以下的UPS電源系統宜采用12V蓄電池，即車站和控制中心集中UPS電源系統宜分別選擇12V和2V膠體蓄電池。蓄電池對比如表2所示。

表2 ? 蓄電池對比表

5.2 蓄電池組容量設置

集中UPS蓄電池容量計算方法不同于變電所直流電源蓄電池采用的階梯計算法，常用電流計算法、恒電流法、恒功率法及電源計算法。

例如，采用恒電流算法時，應先計算蓄電池的最大放電電流值：

I=■

在這公式中，P（VA）為UPS容量，Pf為UPS輸出功率因數，N為UPS標稱電池電壓的節數，I為UPS最大放電電流，V為蓄電池組臨界放電電壓，η為逆變器轉換效率。

設計時依據不同專業負荷依次計算不同后備時間最大放電電流，通過計算結果查找蓄電池的恒電流放電系數表，由此確定蓄電池型號及組數。

5.3 蓄電池組管理方案

蓄電池組宜配置在線監測系統，對蓄電池組相關指標進行實時監測并與UPS監測數據同時上傳至綜合監控或智能運維系統，以便運營統一管理。在線均衡系統除能夠實現在線監測功能外，還能對電池組進行大電流的充放電，實現蓄電池組的在線均衡和活化。由于目前尚無標準明確在線均衡功能的相關指標，效果有待實際驗證。

6 結語

城市軌道交通作為城市發展的重要基礎設施，設備系統穩定運行是其安全運營的重要保障。采用合理、經濟的集中UPS電源系統配置方案將有利于地鐵設備系統的穩定運行、資源配置整合及節能降耗。

【參考文獻】

【1】中國航空規劃設計研究總院有限公司.工業與民用供配電設計手冊（第四版）[M].北京：中國電力出版社，2016.