抗電壓波動的地鐵電梯供電系統(tǒng)的設(shè)計與實驗

廖慧 閆思玲 戴宏躍 陳林

關(guān)鍵詞：電壓暫降;地鐵電梯;儲能;安全性

0引言

近年，我國城市軌道交通快速發(fā)展，以北京為例，截至2019年，全市共有軌道交通線路22條，最高日客運(yùn)量1348萬人次，年客運(yùn)量近38億人次，占全市公共交通出行量的53%。電梯作為地鐵的重要設(shè)備，承擔(dān)著巨大的工作壓力，直接關(guān)系到乘客的人身安全，必須穩(wěn)定可靠、安全舒適。由于北京地鐵網(wǎng)絡(luò)規(guī)模巨大、線路長，有些站點距地面深度大、單臺電梯長、負(fù)荷大、供電要求非常高，一旦出現(xiàn)斷電或者電壓波動，則會導(dǎo)致電梯運(yùn)行不穩(wěn)甚至停梯，易導(dǎo)致重大安全事故。

電壓波動通常由雷擊、短路、大負(fù)載啟動、雙路電源切換和某種瞬時性故障等原因所造成，最主要表現(xiàn)形式是電壓暫降。為保障電梯運(yùn)行平穩(wěn)、安全可靠，必須解決電壓波動問題。目前，地鐵應(yīng)用的電壓波動治理設(shè)備有動態(tài)電壓恢復(fù)器（DVR）、靜止同步補(bǔ)償器（D-STATCOM）、固態(tài)切換開關(guān)（SSTS）等，但存在成本較高、適應(yīng)性較差等問題。

隨著儲能技術(shù)的發(fā)展，結(jié)合儲能系統(tǒng)和變流器的技術(shù)特性，在實現(xiàn)與電網(wǎng)能量交互的同時，可有效解決綜合電能質(zhì)量問題，對電壓波動具有更好的調(diào)節(jié)效果和良好的經(jīng)濟(jì)性。本文根據(jù)北京地鐵的400v供電系統(tǒng)的優(yōu)化改造要求，應(yīng)用新型儲能和變流技術(shù)，提出了抗電壓波動的地鐵電梯安全供電系統(tǒng)方案，提升了400v母線供電的可靠性，保障了電梯等重要負(fù)載的用電安全，實驗證明了該方案的有效性。

1系統(tǒng)方案

1.1當(dāng)前供電狀況

北京地鐵當(dāng)前配電方式是城市110kv變電站-地鐵10kV變電站-400v。此配電方式與國內(nèi)主流是110kV-35 kV-400v的配電方式略有不同。地鐵專用10kV變電站輸出電力線相當(dāng)一部分采用架空線而不是電纜，容易出現(xiàn)單相接地或相間短路，一般此類短路保護(hù)時間定值為1-2 s，在切除故障回路時間內(nèi)，所有負(fù)荷電源質(zhì)量都會受到影響，包括地鐵運(yùn)營用電。目前北京地鐵供電方案如圖1所示，400 v電壓波動基本都是由10 kv外部電源引起的，車站動力變壓器一般都小于1 MVA，400 v低壓負(fù)載率往往小于50%，必須保證400v一段進(jìn)線可以帶全站負(fù)荷。400 v母線側(cè)設(shè)置有APF有源濾波器，功率因數(shù)大于0.95。401、402和445為隔離斷路器，T1、T2為變壓器。該供電系統(tǒng)雖然采用雙路供電，但因沒有自動化中控系統(tǒng)，無備用的儲能供電裝置，一旦市電出現(xiàn)較大波動，對輸出部分的電能質(zhì)量將影響較大，電梯有可能驟停，危及乘客人身安全，因此需對其進(jìn)行優(yōu)化改造，提升供電安全性。

1.2總體方案

北京地鐵電梯400 v抗電壓波動供電系統(tǒng)方案如圖2所示。401、402和445為隔離斷路器，L1、TJ2為市電10 kV三相母線，CCTS為中控系統(tǒng)，445所在母線為400 v交流母線，裝置A或B中AC/AC為換流器，AC/DC為雙向變流器。AC/AC換流器實時為電梯負(fù)載供電，消除因電網(wǎng)不穩(wěn)定而造成的供電不穩(wěn);儲能單元采用蓄電池為主電源，并聯(lián)有儲能電容輔助供電，實現(xiàn)儲能電容、蓄電池和電網(wǎng)之間的能量變換，并實時控制400 v母線因負(fù)載變動而引起的電壓波動、缺相等情況，輸出高質(zhì)量的電能。當(dāng)系統(tǒng)電壓過高時，AC/AC環(huán)流電路輸出感性電流，降低電壓;當(dāng)電壓過低或缺相時，儲能單元能將電壓補(bǔ)償?shù)秸Ｖ怠＠缪b置A的10 kV母線L1出現(xiàn)問題時，先由儲能單元為裝置A中的電梯負(fù)載供電，然后斷開斷路器401，當(dāng)并聯(lián)條件達(dá)到時，合上445斷路器，切換至裝置B的電源即為裝置A中的電梯負(fù)載供電。

儲能單元中鉛酸蓄電池具有性價比高、容量可靈活配置等優(yōu)點;而儲能電容能起到均衡作用，使電池的放電電流減小，提高電池使用壽命。儲能電容具有短時間輸出功率高和瞬間充放電能力強(qiáng)等優(yōu)點，特別適應(yīng)電梯啟動瞬間和加速運(yùn)行等瞬態(tài)過程的高功率要求。當(dāng)電梯處于制動狀態(tài)時，儲能電容可吸收制動能量，延長后備時間，提升電能利用效率。

當(dāng)系統(tǒng)中變壓器T1或T2因檢修等原因，需斷開相應(yīng)的401或402時，可通過445進(jìn)行合環(huán)工作，保證電梯系統(tǒng)的供電穩(wěn)定性與連續(xù)性。裝置A中的AC/DC變流器可設(shè)為主機(jī)，裝置B的AC/DC變流器設(shè)為從機(jī)，二者具有相同的頻率與相位，但是由于帶載不同，導(dǎo)致幅值不一致，裝置A、B能實時檢測和跟蹤各自的400 V母線的電壓幅值情況，通過通信線路共享各自的400v母線電壓幅值信息。當(dāng)需要將系統(tǒng)并聯(lián)時，裝置B的AC/DC變流器將跟隨裝置A的AC/DC變流器來調(diào)整其400 v母線電壓幅值，為系統(tǒng)并聯(lián)準(zhǔn)備。系統(tǒng)雙母線冗余并聯(lián)采用共用電池組，先直流部分并聯(lián)，然后交流部分并聯(lián)，解決了母線之間因電壓不穩(wěn)導(dǎo)致環(huán)流過大而無法并聯(lián)的問題。從機(jī)B的AC/DC變流器不斷跟隨主機(jī)AC/DC變流器的輸出狀態(tài)，實時調(diào)整其輸出，進(jìn)而調(diào)整其400 v母線電壓幅值參數(shù)，當(dāng)二者400 v母線幅值與AC/DC變流器輸出達(dá)到一致時，進(jìn)行鎖相，CCTS顯示445開關(guān)可以合閘提示，合445開關(guān)，從而將并網(wǎng)環(huán)流抑制到最小狀態(tài)。當(dāng)445閉合，系統(tǒng)運(yùn)行正常后，可根據(jù)任務(wù)需求斷401或402，母線并聯(lián)結(jié)束。當(dāng)需要恢復(fù)正常供電時，根據(jù)任務(wù)需求合上之前斷開的401或402，斷開445，實現(xiàn)正常供電。

1.3 AC/AC電路設(shè)計

系統(tǒng)中AC/AC電路為電壓源型換流器，通過連接電抗器并聯(lián)在電網(wǎng)上，適當(dāng)調(diào)節(jié)換流器的交流側(cè)輸出電壓幅值和相位，或直接控制其交流側(cè)電流，使該換流器吸收或者輸出滿足要求的電流，實現(xiàn)動態(tài)無功補(bǔ)償和諧波治理，其工作原理可用圖3（a）所示的等效電路來說明。

設(shè)電網(wǎng)電壓和系統(tǒng)輸出交流電壓分別為相量U和U，，則連接電抗X上的電壓U=U-U，，而連接電抗的電流是由其電壓來控制，這個電流就是系統(tǒng)從電網(wǎng)吸收的電流i，因此，改變系統(tǒng)交流側(cè)輸出電壓U的幅值及相對U的相位，即可改變電壓U從而控制系統(tǒng)從電網(wǎng)吸收電流i的幅值和相位，也就控制了系統(tǒng)吸收無功功率的性質(zhì)和大小。

將連接電抗器視為純電感，忽略其損耗以及換流器的損耗，此時只需使U與U同相，僅改變U的幅值大小，即可控制系統(tǒng)從電網(wǎng)吸收的電流i是超前還是滯后90°，并能控制該電流的大小。如圖3（b）所示，當(dāng)U>U時，電流超前電壓90°，系統(tǒng)吸收容性的無功功率;當(dāng)U，

1.4儲能單元設(shè)計

圖2中，儲能單元包括裝置A和B兩者共用的蓄電池組G，各自并聯(lián)的儲能電容C1、C2，并由中控系統(tǒng)CCTS實現(xiàn)實時控制。CCTS可根據(jù)L1、L2兩段母線的電能質(zhì)量情況，控制445開關(guān)，實時調(diào)節(jié)裝置A和B之間的能量流動。CCTS通過檢測母線L1、L2的幅值、頻率、相位，調(diào)整輸出電壓，完成L1和L2的并聯(lián)，在其中一段母線出現(xiàn)故障的情況下，另一段母線能夠?qū)崟r切人。同時能實現(xiàn)在最惡劣情況下，通過鎖相控制，保證雙母線在同幅、同頻、同相時并聯(lián)供電。系統(tǒng)內(nèi)置電子旁路系統(tǒng)，在AC/AC出現(xiàn)故障時仍能為負(fù)載可靠供電，保證了系統(tǒng)供電的安全性。

根據(jù)實際需要補(bǔ)償?shù)臅r間及高可靠性要求，儲能電容C1、C2選型為一個2 200F/900 v無極電容并聯(lián)兩個串聯(lián)的10 000F/450 V電解電容，圖4所示為儲能單元介入及退出過程示意圖。

在不同的時間段，儲能單元的工作狀態(tài)各不相同，當(dāng)400 v母線電壓正常時，蓄電池和儲能電容充電;當(dāng)400 v母線電壓不正常時，儲能電容先通過變流裝置作母線電壓補(bǔ)償，超過一定時間后，蓄電池通過變流裝置作400 v母線電壓補(bǔ)償，直至電梯等重要負(fù)載安全停機(jī)或母線電壓恢復(fù)正常。在實際應(yīng)用中，在0～200 ms內(nèi)由儲能電容補(bǔ)償400 v母線電壓;在200 ms～2 min內(nèi)，由電池補(bǔ)償400 v母線電壓，繼續(xù)供電給電梯運(yùn)行。在切換的過程中，系統(tǒng)根據(jù)市電一般在短時間內(nèi)從小負(fù)載到大負(fù)載恢復(fù)供電的規(guī)律，將儲能系統(tǒng)設(shè)計成在對應(yīng)時間內(nèi)從大負(fù)載到小負(fù)載逐漸關(guān)閉的過程，做到系統(tǒng)切換平穩(wěn)。

1.5系統(tǒng)工作過程

1.5.1市電輸入正常

當(dāng)市電電壓正常時，電能流向如圖5所示，系統(tǒng)為待機(jī)狀態(tài)，AC/AC換流器為待機(jī)導(dǎo)通狀態(tài)，儲能電容PCS補(bǔ)償部分及儲能部分為荷電待機(jī)狀態(tài)，輸出電壓即為市電電壓。

1.5.2市電電壓過高

當(dāng)市電電壓過高時，電能流向如圖6所示，AC/AC換流器運(yùn)行在導(dǎo)通狀態(tài)，將電壓輸入控制在正常范圍內(nèi)，輸出電壓即為經(jīng)過AC/AC處理之后在正常范圍內(nèi)。當(dāng)儲能單元充電時，AC/DC變流器工作在整流狀態(tài)，否則處于待機(jī)狀態(tài)。

1.5.3市電輸入暫降或間缺

（1）暫降或間缺時間小于200 ms

當(dāng)市電輸入發(fā)生暫降或間缺時，系統(tǒng)儲能補(bǔ)償單元開始投入工作，AC/AC換流器為導(dǎo)通狀態(tài)，當(dāng)電壓暫降或間缺的時間在200 ms內(nèi)時，由儲能電容通過變流器進(jìn)行補(bǔ)償，輸出電壓經(jīng)補(bǔ)償后在正常范圍內(nèi)，此時AC/DC變流器工作在逆變狀態(tài)，工作過程如圖7（a）所示。

（2）電壓暫降或間缺時間大于或等于200 ms

當(dāng)電壓暫降或間缺的時間超過200 ms時，先由儲能電容通過變流器進(jìn)行補(bǔ)償，再由電池組通過變流器繼續(xù)進(jìn)行補(bǔ)償，輸出電壓即為經(jīng)補(bǔ)償后在正常范圍內(nèi)，此時AC/DC變流器工作在逆變狀態(tài)。工作過程如圖7（b）所示。

（3）市電輸入恢復(fù)正常

當(dāng)市電電壓由過高、暫降或間缺恢復(fù)到正常時，電能流向如圖8所示，系統(tǒng)恢復(fù)待機(jī)狀態(tài)，通過變流器給儲能電容和電池組通充電，此時AC/AC換流器為待機(jī)狀態(tài)，AC/DC變流器工作在整流或待機(jī)狀態(tài)。

2實驗與測試

2.1樣機(jī)實驗

研制的樣機(jī)如圖9所示，樣機(jī)在北京地鐵昌平線某站點進(jìn)行了實驗，帶有如圖2所示的電梯負(fù)載。其中示波器1的一個通道測量系統(tǒng)輸入電壓U，其它三通道測量輸出電壓U、U、U，分析一相輸入電壓波動時，三相輸出的變化情況;示波器2的兩通道分別測量輸入電壓U、U，另外兩通道測量系統(tǒng)輸出電壓U、U，用來對比分析對應(yīng)兩相的輸入輸出變化情況。

2.2測試結(jié)果分析

圖10所示為市電剛接人時示波器1波形圖，可以看出，在市電輸入前，電池與儲能電容的供電，系統(tǒng)輸出標(biāo)準(zhǔn)的正弦波;接入市電后，系統(tǒng)自動切換到市電供電模式，盡管市電剛輸入時輸入電壓不穩(wěn)定，但對輸出電壓而言沒有影響，仍輸出標(biāo)準(zhǔn)的正弦波。

圖11所示為市電輸入單相斷電10ms時示波器1的波形圖，可看出，輸入電壓單相斷電10ms時，輸入電壓波動很大，但由于系統(tǒng)的自動調(diào)節(jié)，三相輸出電壓基本上沒什么變化。

圖12所示為輸入電壓斷電時示波器1的波形圖，可以看出：市電斷電時，自動切換為儲能單元供電模式，輸出三相電壓仍能輸出標(biāo)準(zhǔn)的正弦波。

示波器2的跟蹤了兩相輸入與對應(yīng)兩相輸出的變化情況，測試結(jié)果跟示波器1的對應(yīng)情況類似，當(dāng)每一相輸入的變化時，對應(yīng)的輸出電壓保持標(biāo)準(zhǔn)正弦波輸出。

從前面的分析可看出，在市電波動情況下，系統(tǒng)均能輸出標(biāo)準(zhǔn)的正弦波，保證了輸出電壓的穩(wěn)定性，為電梯安全平穩(wěn)運(yùn)行提供了可靠的保障。

3結(jié)束語

為了克服地鐵電梯因市電波動而帶來的不穩(wěn)定運(yùn)行問題，本文設(shè)計了一種抗電壓波動的地鐵電梯電源系統(tǒng)，系統(tǒng)包括由雙母線供電的變流裝置、由中控系統(tǒng)控制的雙母線合環(huán)裝置、以及蓄電池和儲能電容組合的補(bǔ)償供電單元，重點介紹了AC/AC電路與儲能單元的工作原理，分析了其運(yùn)行過程，進(jìn)行了樣機(jī)實驗。測試結(jié)果表明，系統(tǒng)能有效抑制電壓波動，提高了系統(tǒng)的補(bǔ)償效率，延長了抗電壓暫降或電源間缺的時間，為備用電源平滑運(yùn)行提供了更好的保障。無論市電輸入怎樣波動，系統(tǒng)都能保證高質(zhì)量的電能輸出，為地鐵電梯的運(yùn)行提供了安全可靠的保障。