并聯型直流電源系統在鐵路變配電所應用研究

孫元新，梁倫發

0 引言

鐵路變配電所用直流電源為所內控制、信號、保護、自動裝置及斷路器等二次設備提供工作電源，是保證鐵路供電系統可靠運行的重要組成部分，目前普遍采用傳統的“充電機+串聯蓄電池組”的構成方式。系統正常運行時，由充電機提供負荷電流，蓄電池處于浮充狀態；在交流電源故障失電時，由蓄電池向負載提供直流電源，維持故障期間系統的可靠運行。在鐵路直流電源系統中，蓄電池的可靠性關系著整個供電系統的安全、穩定和經濟運行。

1 傳統直流電源系統原理及存在問題

目前鐵路變配電所普遍采用串聯型直流電源系統。該串聯型直流系統由交流配電電源、高頻開關電源、串聯蓄電池組、降壓硅鏈、饋線單元、監控單元、蓄電池巡檢單元組成[5]，原理如圖1所示。在實際運行中，由于供電半徑大，沿線環境復雜，末端低電壓或短路、接地等故障時有發生，當低電壓穿越至變配電所時，直流電源充電設備將因輸入低電壓閉鎖輸出，此時系統能否安全可靠地提供后備電源完全取決于蓄電池組性能。結合轄區各站點的運行實際，傳統直流電源系統主要存在以下問題：

圖1 傳統配電所直流系統原理

（1）供電可靠性低。傳統直流電源系統的蓄電池組由18節12 V鉛酸蓄電池串聯組成，在實際運行過程中，存在容量下降、電壓異常、內阻增大、開路等風險，其可靠性受各單體電池一致性及性能影響，主要體現在：蓄電池組容量取決于整組中容量最低的一節；單節蓄電池失效將造成整組蓄電池無法帶載[3]；蓄電池的電化學活性需要規范、專業化的運行維護，由于鐵路配電所點多面廣、運維人員不足，普遍存在帶病運行現象。

（2）運維手段滯后。為保證直流電源系統的可靠運行，需保證蓄電池容量滿足事故放電需求，除定期對系統進行巡檢外，還須定期對蓄電池進行0.1 C核對性放電試驗。目前主要采用人工離線核容方式，存在耗時長（單組蓄電池核容需要4～6人/天）、安全性低、記錄繁瑣等問題[1]，在全網減員增效的背景下尤為突出。

（3）經濟性差。當單節蓄電池失效，需更換與原電池性能參數一致的新電池，不同品牌、不同規格、不同新舊程度的蓄電池無法混用，在實際操作中經常因個別電池損壞而整組更換，維護成本高。

2 智能并聯型直流電源系統

針對傳統直流電源系統存在的問題，本文提出一種基于并聯設計的智能并聯型直流電源系統，在提高系統供電可靠性的基礎上，創新實現了蓄電池智能管理與遠程在線核容。

2.1 系統原理

智能并聯型直流電源系統由N+X個直流電源模塊高壓輸出端并聯組成。各模塊單獨配置一組24 V蓄電池（組），獨立向直流母線供電并實現對本組蓄電池的智能管理。系統可通過監控模塊實現運行數據采集、參數設定及上位機通信，實現基于電力物聯網的信息傳遞與控制，其原理如圖2所示。

圖2 智能并聯型直流電源系統原理

并聯電源模塊集成電源變換及蓄電池智能維護管理功能。交流輸入正常時，經AC/DC轉換、DC/DC變換向負載供電，同時向蓄電池充電；交流輸入中斷時，蓄電池經DC/DC升壓電路向負載供電，實現故障狀態下的不間斷供電[4]，其功能原理如圖3所示。

圖3 智能并聯型直流電源模塊原理

2.2 在線核容方案設計與實現

方案采用多路并聯電池組串自動并離線控制技術[1]，實現直流系統蓄電池組的自動在線核容，其原理設計如下：

（1）交流輸入正常情況下，直流系統對監控系統設置的核容深度及核容周期進行判斷，滿足核容條件時，由監控系統自動下發核容命令至模塊；

（2）模塊收到核容命令后，關閉蓄電池充電功能，同時自動提高DC/DC轉換電路輸出電壓，使蓄電池放電電流逐漸增大至0.1 C，并維持動態平衡；

（3）模塊實時采集蓄電池放電電流及電壓，當電池電壓達到設置的放電截止電壓時，模塊停止DC/DC轉換，切換至市電供電模式，同時以0.1 C電流對蓄電池進行充電；

（4）本組模塊核容完成后，相關核容數據上送至監控系統，并自動啟動下一組模塊的核容，直至系統全部模塊完成核容。

并聯直流電源在線核容流程見圖4。

圖4 并聯直流電源在線核容流程

2.3 多模塊均流設計與實現

方案采用基于DSP的數字均流技術，通過CAN總線獲取電流信號實現均流，設計原理見圖5，其控制設計如下：

圖5 多模塊均流設計原理

（1）在并聯電源系統中，實時采集各并聯模塊的電流，并與經過計算得到的電流平均值進行比較，比較差值發送至均流環，對均流環的給定量進行修正；

（2）將電壓環與均流環內經PI調節后的輸出及各模塊上濾波電感中電流的平均值一同作為電流環的輸入量；

（3）最后通過均流環中PI的調節作用進一步控制PWM占空比，實現均流。

3 智能并聯型直流電源系統主要特點

智能并聯型直流電源系統相比傳統串聯型直流電源系統，其系統結構、技術方案有明顯變化，具體體現如表1所示。

表1 方案對比

并聯型直流電源系統較傳統串聯型直流電源系統在結構和技術方面具有以下顯著特點：

（1）高可靠性。蓄電池采用間接并聯方式，單節電池狀態異常只影響本組模塊輸出，其他并行模塊正常工作。

（2）智能運維。支持蓄電池遠程智能維護，可實現蓄電池運行狀態實時監測、預警，支持蓄電池遠程在線核容，有效減少系統維護工作的人力物力投入，降低運維成本；采用模塊化設計，可實現在線檢修更換與在線擴容。

（3）經濟環保。蓄電池間相互獨立，可實現新舊電池、不同類型不同品牌電池混用，單只電池損壞只需更換本組電池，提高了蓄電池使用效率，同時減少蓄電池生產、使用及回收產生的環境污染。

4 智能并聯型直流電源系統在鐵路配電所的應用

本文以中國鐵路上海局集團有限公司杭州供電段南星橋配電所直流系統改造工程為例，論證并聯型直流電源系統的設計與工程應用效果。

4.1 直流系統改造工程設計方案

基于系統可靠性及工程實際考慮，工程采用并聯型直流電源與傳統直流電源雙重化設計方案，即新增一套并聯型直流電源系統，與原系統并列運行。其中并聯型直流電源系統設置3組D22004并聯型直流電源組件，各組件配置2節12 V/100 A·h鉛酸蓄電池，總容量7 200 W·h；按所內常規負荷電流5 A計算，事故后備時長可達6 h，滿足系統冗余要求。其設計原理如圖6所示。

圖6 南星橋配電所直流系統改造原理

4.2 基于改造工程的并聯電源系統應用

通過并聯型直流電源技術的應用，并結合南星橋配電所工程實施效果，重點實現了以下應用：

（1）蓄電池全參數實時在線監測。系統基于并聯型直流電源模塊，實時采集各單體電池電壓、內阻、溫度、充放電電流[2]等運行數據，并經監控裝置上傳，實現蓄電池在線狀態評估、預警和故障告警。

（2）遠程在線核對性放電。并聯型直流電源模塊可對本組蓄電池在線進行0.1 C全容量核對性放電，并實時記錄核容數據，全程無需人員參與；核容容量經并聯電源模塊饋入直流母線由負載消耗，解決了經放電儀核容造成的能量浪費和安全性問題。

（3）模塊化設計與在線檢修。系統采用模塊化設計，模塊間、蓄電池間相對獨立，經驗證，單一蓄電池或單一模塊故障均不影響系統輸出，僅需在線更換對應組件即可恢復運行，顯著提高了系統運維效率。

（4）經濟運行與減員增效。并聯型直流電源系統的蓄電池配置數量由原18節減少至6節，降低了設備費用、占地空間及后續的維護成本；同時基于并聯電源模塊的蓄電池智能管理功能，實現了蓄電池的在線監測與智能維護，為鐵路系統減員增效提供了有力支撐。

并聯型直流電源系統從根本上克服了傳統串聯型直流電源的缺點，在提高系統可靠性的基礎上，實現了智能運維，特別是蓄電池遠程在線核容功能的應用，極大減少了站所運維工作的人力物力投入。該改造工程自投運以來，系統運行穩定，具有良好的推廣應用價值。

5 結語

本文在分析鐵路配電所傳統直流電源系統運行問題的基礎上，提出了智能并聯型直流電源系統方案。該方案采用多模塊并聯設計，解決了串聯型直流電源固有的單點故障問題，在提高系統可靠性的同時，創新實現了蓄電池智能管理與遠程在線核容，降低了系統運維成本。

在我國鐵路高速發展及減員增效的背景下，智能并聯型直流電源系統可為鐵路配電所直流電源系統新建與升級改造提供技術依據和實施思路，具有較好的應用價值。