新型并聯型直流電源屏設計和應用

王斌曉

0 引言

鐵路電力操作電源目前大多采用直流電源，為電力工程控制、保護、信號、操作等提供電源，以及為直流事故照明負荷等提供應急電源，已在鐵路配電所、牽引變電所中廣泛應用。直流電源是電力系統控制、保護的基礎設施設備，是確保鐵路行車安全的關鍵技術裝備。

直流電源由直流電源屏提供。直流電源屏由交流雙路輸入配電單元、充電機模塊、降壓硅鏈、合閘電源母線、操作電源母線、直流饋電單元、配電監控單元、監控單元及絕緣監測單元組成。直流屏配套設置電池屏，并安裝有鉛酸鹽蓄電池組及電池巡檢裝置。

在直流電源屏內，交流輸入電源通過雙電源開關（ATS）和充電機向屏內合閘母線提供直流電壓，同時向連接在合閘母線上的蓄電池組充電。通過硅鏈等調壓裝置將合閘母線電壓進行動態降壓后提供給屏內的控制母線，屏內的合閘母線和控制母線向站內電力系統提供合/分閘直流電源和控制、應急照明用直流電源。

合閘母線及控制母線一般使用DC 110 V或DC 220 V電壓（為了便于討論，本文將母線電壓或輸出電壓規定為DC 110 V），而單節鉛酸鹽蓄電池標稱電壓為12 V，一般在直流屏中將多個鉛酸鹽蓄電池串聯后通過隔離開關及熔斷器連接到合閘母線上，并為保證蓄電池安全設置有電池巡檢儀。

為規范直流電源屏的設計、使用和維護，國家鐵路局，國家能源局頒布了一系列標準規范[1，2]。隨著電子電力能源交換及其控制技術、新型器件的成熟應用，直流電源屏產品已取得技術突破。

1 直流屏產品現狀

在鐵路電力領域，按照不同的規模，直流系統配置規模為：普通開閉所、分區所、自耦變壓器所配置1組蓄電池、1套充電裝置；普通牽引變電所和重要開閉所配置2組蓄電池、2套充電裝置；樞紐牽引變電所配置2組蓄電池、3套充電裝置，如圖1所示。

在多年的使用過程中，直流電源系統暴露出一些問題亟需得到解決。這些問題主要包括：

（1）直流電源系統作為重要基礎電力設施，是電力系統重大故障時的最后屏障，要求具有極高的可靠性。然而合閘母線上的蓄電池組為串聯結構，任何一節電池故障離線，都將導致整組蓄電池容量丟失。對于配置兩組蓄電池的直流電力系統，任意一節蓄電池故障時后備容量丟失一半；對于配置1組蓄電池的直流電力系統，任意一節蓄電池故障時后備容量全部丟失。在電池容量丟失時出現交流失電事故，將導致停電事故恢復延誤，極可能造成重大生命財產損失。

圖1 樞紐牽引變電所直流系統

（2）通常情況下，蓄電池組處于滿電且不放電的狀態，直流負荷電流由充電機提供。在這種狀態下，目前尚不具備可實時而準確地識別出蓄電池容量是否出現丟失的有效方法，而僅可通過定期放電試驗和核容試驗檢查蓄電池放電能力和實際容量，其時效性較差。

（3）串聯的蓄電池組中任何一節電池出現故障時，無法進行在線維護，必須對直流屏內直流母線進行倒閘作業以退出故障蓄電池組，該維護工作受到天窗時間的限制，這種故障電池的維護限制加大了停電事故發生的風險。

（4）蓄電池串聯使用的構架要求電池特性必須一致，即所有電池必須同品牌、同型號、相同使用時間，當整組蓄電池中任何一節故障，必須將整組電池進行更換。

（5）隨著使用時間的增加，串聯的蓄電池組特性由其中最差的一節蓄電池特性決定，即整組蓄電池的可用放電容量由剩余容量最小的那一節蓄電池決定。這是典型的木桶原理，串聯的蓄電池越多，風險越大。

（6）受蓄電池內阻影響，在電流負載突然增大時，蓄電池端口電壓將出現較大的瞬間跌落，跌落的大小受蓄電池端口實時電壓水平、內阻、剩余電量、瞬時放電電流大小、電流上升速率等因素的影響，而這些參數并非在蓄電池的整個使用壽命內維持不變，雖然直流屏內設置了硅鏈等自動調壓裝置以調節控制母線電壓，但其動作時間總是遲于電流突變出現時間，只能維持控制母線穩態電壓水平，并不適合于對瞬態電壓水平的控制。因此，在斷路器合閘沖擊電流出現瞬間，直流母線電壓極可能跌落到允許值以下（新電池可以維持，但由于內阻的變化，并不能保證舊電池也可以維持）。為了盡可能克服上述情況的出現，在直流屏內分別設置合閘母線和控制母線。合閘母線實際電壓遠高于標稱電壓，用于向沖擊性負載供電（即斷路器的合閘/分閘線圈）；控制母線的電壓略高于標稱電壓，向開關控制器供電。即直流屏的出口電壓與標稱電壓是不一致的，并且出口電壓還受到充電機恒充電壓和浮充電壓的影響，恒充電壓高于浮充電壓。

出現上述問題的直接原因是由蓄電池組串聯結構造成的，在20世紀中期，這種串聯結構與當時的技術水平相匹配。隨著電力電子能源變換及控制技術的進步及新型電力電子器件的更新換代，目前可以采用并聯構架的直流系統取代蓄電池串聯結構，在提升系統性能的同時，解決上述問題，使得直流系統的可靠性得到極大提高，運維成本大幅降低。

2 并聯型直流電源屏構架

所謂并聯型直流電源系統，其核心是使用三端口DC-DC變流器連接DC 12 V電池單體和DC 110 V直流母線，實現直流電壓的隔離變換。交流電源輸入作為外部供電電源，通過三端口DC-DC變流器向直流母線提供工作電源，同時向蓄電池提供充電電源；DC 12 V電池通過三端口DC-DC變流器向DC 110 V直流母線提供事故后備電源。多個三端口DC-DC變流器的直流輸出側并聯，實現對直流母線的冗余供電支持。

并聯型直流電源主要組成包括交流輸入側的雙電源開關（ATS）及其控制器、三端口DC-DC變流器、蓄電池、直流母線、饋出開關、I/O控制和監測單元、絕緣監視單元、AD采樣電源、監控主機，其架構如圖2所示。

圖2 并聯型直流電源屏構架

將圖2所示的直流電源系統與圖1所示的直流系統比較，主要差異在于圖2所示的并聯型直流系統中蓄電池不再相互串聯以達到提升直流電壓的目的。在并聯型直流電源中，每節蓄電池與三端口DC-DC變流器配對使用，組成一個供電單元，三端口變流器的交流側與輸入交流電源連接；三端口變流器的直流輸出側與DC 110 V母線連接。多個供電單元在交流側和直流側分別并聯，以達到增加系統總輸出功率（或電流）的目的。兩種電源系統在系統組成上的具體差異見表1。

表1 并聯型與串聯型直流電源系統的配置差異

3 并聯型直流電源屏關鍵技術

通過對構架和組成的對比明顯可以看出，在并聯型直流電源屏中，三端口DC-DC變流器是一種全新的設備，為直流電源系統中的核心設備，并聯型直流電源屏系統的功能實現圍繞三端口DC-DC變流器展開。

3.1 三端口DC-DC變流器主電路

三端口DC-DC變流器需要實現從交流輸入到DC 110 V的變換；從交流輸入到DC 12 V的變換；從DC 12 V到DC 110 V的變換。圖3展示了可以實現這些變換的4種典型拓撲結構。考慮到DC 110 V不可與交流系統或蓄電池共地，主電路應實現3個端口之間的電氣隔離。

圖3 三端口變流器主電路拓撲結構

圖3中I型拓撲設置了2個AC/DC電路，為實現隔離目的，每個AC/DC電路還需設置1套DC-DC隔離電路。考慮輸入功率因數盡可能高，輸入諧波電流盡可能小，AC/DC電路可以由PFC整流電路[3]和正反激變換器（或反激變換器）[4]組成。另外還有1個DC/DC電路，可以使用boost電路加高頻隔離電路搭建[5]。

圖3中Ⅱ型拓撲設置了中間母線，考慮到功率器件耐壓、工作電流及3個端口的電壓水平，中間母線電壓宜設定為DC 400 V。其中AC/DC電路無需隔離，因此只需使用一級PFC整流器即可。蓄電池與中間母線之間的電流需雙向流動，可以使用隔離型橋式雙向DC-DC變換器[6]，這是一種典型的隔離型雙向變換器，主要由2個全橋變換單元，1個高頻隔離變壓器和電感組成。通過調節開關管的控制信號使得前后級全橋分別產生占空比可調、相位可移的方波電壓，進而實現能量的雙向傳輸。可以通過開關管控制信號開關過程實現寄生電容的電荷交換，進而實現零電壓開關，以達到降低開關損耗的目的。中間母線與直流母線之間的DC-DC變換器同樣可以使用隔離型橋式雙向DC-DC變換器。

圖3中Ⅲ型拓撲通過AC/DC電路將輸入交流直接變換為DC 220 V輸出，其電路由PFC整流電路和正反激變換器（或反激變換器）組成。蓄電池與直流母線之間的DC/DC使用隔離型橋式雙向DC-DC變換器實現。

圖3中Ⅳ型拓撲設置了電壓為DC 12 V的中間母線，AC/DC需要實現整流變換和隔離，其電路由PFC整流電路和正反激變換器（或反激變換器）組成。由于前級AC/DC需要同時實現向蓄電池的充電功能及向后級DC/DC的供電，需要在恒壓限流、恒流限壓工作模式之間切換，控制難度較大。后級DC/DC電路需適應較大的輸入電壓變化范圍，也有較大的控制難度。后級DC/DC可以使用隔離型橋式雙向DC-DC變換器實現。

綜合比較而言，圖3所示的4種主電路拓撲結構各具特點，從主電路實現難度和控制復雜程度比較，I型拓撲最佳；從成本角度比較，Ⅳ型拓撲最佳；綜合考慮器件成本、效率，以Ⅱ型為好。

3.2 在線核容

隨著使用時間的增加，蓄電池將發生各種不可逆的物理和化學變化，導致蓄電池實際容量逐漸低于標稱容量[7]。對于新裝機蓄電池及在使用壽命內的蓄電池，按照維護管理規定應對蓄電池的容量進行核對性檢查（簡稱核容），以檢驗蓄電池實際放電容量是否在可靠范圍內。將蓄電池組從直流母線上脫離，按照充電程序對其進行充電并達到滿電狀態，然后以規定的放電率對蓄電池組進行恒流放電，當蓄電池組中任何一節電池的端電壓達到終止放電電壓時，停止放電，記錄放電電流和持續放電時間，以電流和時間的乘積作為該組蓄電池的實際容量[8]。為獲得可靠的數據，該過程應重復3次。當蓄電池組實測容量小于標稱容量的80%時，應對該組蓄電池進行更換。

長期以來，蓄電池的核容試驗是利用電阻和放電試驗儀進行。該項工作必須使用備用電池將工作蓄電池從直流系統中替換下來，工作量極大。由于核容試驗定期進行，當在蓄電池壽命末期需要更為頻繁地進行試驗時，將增加調度管理難度。核容結果表征了本組蓄電池的實際容量，并不能反映出每一節蓄電池的實際容量。

在并聯型直流電源屏內，蓄電池與三端口DC-DC變流器一對一連接后再接入直流母線的構架，為每一節蓄電池的在線核容創造了硬件條件。在線核容的意義在于，可以在任意時間對任何一節蓄電池的容量進行檢查，在蓄電池容量發生下降并達到臨界值前進行更換，而不必再對整組蓄電池進行預防性更換，相當于延長了蓄電池的使用壽命。

蓄電池的在線核容在監控主機和三端口DC- DC變流器的配合下完成。監控主機根據預設的核容周期、核容隊列，在恰當的條件下啟動對某一節蓄電池的核容程序，程序流程見圖4。進行核容的條件：并聯型直流屏總輸出電量大于0.1 C，所有三端口DC-DC運行正常。圖4中，Qo為三端口DC-DC恒流模式輸出電量，Ubat為蓄電池端口電壓，Uth為蓄電池最低允許電壓，t為累計放電時間，Tth為最大允許核容放電時間，n為累計核容次數。

在核容過程中，為保證核容過程能夠持續進行，三端口DC-DC輸出電量Qo始終維持在比0.1 C小ΔQ的水平，ΔQ為一個預設值，其范圍為0～0.1 C。另外，在核容過程開始后，如果在最大時間Tth內蓄電池端電壓沒有降低到Uth以下或并聯式交流屏總輸出電流小于0.1 C，將強制結束核容過程。被強制結束核容過程的蓄電池將重新排隊等待核容。

按照式（1）得出蓄電池實際容量Qpra：

式中：Io為三端口變流器輸出電流，A。

將Qpra與蓄電池標稱容量Q進行比較，如果Qpra≤0.85Q，則發出預警信號，提示蓄電池壽命即將耗盡；如果Qpra≤0.8Q則發出報警，提示蓄電池必須立即更換。

圖4 在線核容流程

3.3 內阻測量

蓄電池在充放電過程中的化學反應和物理變化對蓄電池內部結構造成了損耗，這種損耗與充放電次數、深度、使用時間、充放電電流、環境等諸多因素有關。相關研究表明，這些因素都反映到蓄電池內阻的變化量及變化速率上[7，9]。在對蓄電池內阻準確測量的基礎上，可以根據內阻量值的變化及內阻變化速率對蓄電池早期失效進行預測。

蓄電池內阻的測量分為在線測量和離線測量兩大類，在線測量方法主要有交流信號注入法[10]。離線測量方法主要包含直流放電法、交流放電法。在并聯型直流電源屏中，內阻測量特別適合采用交流注入法。

采用交流注入法時，在蓄電池使用過程中，可在蓄電池兩端施加一個特定頻率的激勵電壓，即可通過充電或放電電流識別出一個特定頻率的電流信號，對該信號進行濾波處理，利用歐姆定律計算出其內阻。當激勵電壓信號為

可以檢測到一個電流響應信號：

式（2）除以式（3），得蓄電池在頻率2πω信號下阻抗為

其中，Zs的模即為所測蓄電池的內阻。

在實際使用中，由于蓄電池內阻在毫歐級別，交流信號注入法通常注入一個幅值非常小的電壓激勵，以獲得一個合適的電流輸出。但由于三端口DC-DC變流器工作時不可避免地會產生開關次及以上次數的諧波干擾，對測量結果造成干擾，這是在線測量的一個固有缺陷。選擇一個遠低于三端口DC-DC變流器開關頻率的信號作為注入信號，并在電流測量回路中使用硬件或軟件鎖相技術，則可以有效避免干擾。更徹底的解決措施是在注入激勵信號的瞬時，短暫停止三端口DC-DC變流器開關器件工作，測量完畢后重新啟動開關器件即可。

4 并聯型直流電源屏替換串聯型電源屏的實施方案

變電站直流系統的配置需要滿足諸多要素[11]。從負荷的角度考慮，必須滿足經常性負荷、事故負荷和沖擊負荷的供電需求。并聯型直流電源屏通過多個三端口DC-DC變流器的并聯來滿足對負荷電流的支撐。文獻[11]給出了不同類型變電站直流負荷統計表，以其中110 kV變電站（戶外）110 V直流負荷為例，統計表見表2。

三端口DC-DC變流器的額定輸出電流為4 A，1 min過載能力16 A，配置數量n應滿足全站最大負荷要求，計算過程如下：

查表2，得到最大穩態負荷電流Io.sta.max= MAX(I1,I2,I3,I4) = 51.77 A，應配置模塊數量n=Io.sta.max/4 = 12.943，向上取整后n= 13。按照最大輸出電流Io.max復核，Io.max=Io.sta.max+IR= 65.87 A，13臺三端口DC-DC變流器1 min輸出電流能力Io.1min= 13×16 = 208 A＞Io.max。

計算表明，表 2給出的變電站所配置的并聯型直流電源屏內需要配置13臺三端口DC-DC變流器，穩態輸出電流滿足經常性負荷、事故初期負荷及持續放電負荷要求，最大輸出電流滿足5 s隨機 負荷與穩態放電負荷疊加的電流要求。

表2 110 kV變電站（戶外）110 V直流負荷統計

每臺三端口變流器連接一塊蓄電池，13臺變流器均流運行，共需配置13塊蓄電池，每塊蓄電池放電電流相同，放電電流≈51.6 A。

每塊蓄電池的容量Q為穩態放電所需容量QCl與瞬態放電所需容量CCh之和：

式中：Krel為可靠性系數，一般取1.4，是蓄電池溫度系數（取1.10）、老化系數（取1.10）、裕度系數（取1.15）的積，具體定義見參考文獻[11]；Kc120、Kc5為容量換算系數，在蓄電池放電終止電壓為1.87 V時，120 min容量換算系數取0.334，5 s容量換算系數取1.27，見參考文獻[11]中表4-9。

根據以上計算結果，蓄電池容量取300 A·h，蓄電池端口電壓12 V。

5 預期效益分析

從建設成本、維護成本兩個維度進行定量分析，從可靠性、可維護性兩個維度進行定性分析。對照同等容量和饋出規模的傳統電池串聯直流電源屏，評價并聯型直流電源屏的顯著優勢及不足之處。

5.1 建設成本

表1分析了并聯型直流電源屏與串聯型直流電源屏的配置差異。并聯型直流電源屏增加了三端口DC-DC變流器，取消了充電機，電池巡檢儀、調壓硅鏈、合閘母線等部件。但總體而言，采用并聯型直流電源屏將增加直流系統造價。

5.2 維護成本

并聯型直流電源屏可延長電池使用壽命，具有支持電池混合使用、在線核容、在線放電試驗、蓄電池內阻在線測量等功能。相比串聯型直流電源屏，可以實現設備級自主、自動維護，無需人工定期試驗，從而節約維護費用支出。

各鐵路局/站段對直流電源屏的定檢維護要求不盡相同，對于電池串聯型直流電源屏，參照《電力工程直流系統設計手冊（第二版）》、TB/T 2892—2018《電氣化鐵路用直流電源裝置》、DLT 1074—2019《電力用直流和交流一體化不間斷電源設備》等規范和標準，直流電源系統應定期巡檢。對于蓄電池最低應做到投用首年、6年內每2年，6年后每年進行全核對性充放電試驗；電池運行時間2年以內的應每6個月進行1次放電試驗，2年以上的每3個月進行1次放電試驗。進行放電試驗以及核對性充放電，應準備電池內阻測試儀、放電儀、備用電池等器材。

蓄電池的全核對性試驗用時較長，且在核容期間充放電不能中斷，否則將被判定為核容失敗，需要重新進行核容。

5.3 可靠性

假設蓄電池可靠度為98.0%，則18節蓄電池串聯后可靠度為69.5%（0.9818= 0.695）；而18節蓄電池通過變流器并聯，設變流器與蓄電池組合的可靠度為95.0%，則并聯后的可靠度大于99.99%（1 ? 0.0518≈0.999 99）。

由于并聯電源屏的高可靠性，使直流系統的事故風險降低到最低，確保鐵路電力系統的可靠運行。

5.4 可維護性

電池串聯后，任何一節蓄電池故障將導致整組蓄電池離線，變電所直流系統將處于危險狀態，此時電力系統已失去后備操作電源，需要安排緊急搶修。對于串聯蓄電池組，只能更換整組18節電池。

并聯型電源屏內每節蓄電池均獨立工作，蓄電池故障時只需更換該故障電池即可，無需對整組電池進行更換。少量蓄電池離線不影響直流后備電源正常工作，從而無需安排緊急維修。

并聯型電源屏的蓄電池可以新舊、不同品牌、不同容量混合使用，因此無需準備大量備用蓄電池。

5.5 節能環保效益

并聯型直流電源屏具有自動在線放電功能、在線核容功能、高可靠性、高可維護性等優點，可以節約大量勞動力。

并聯型電源屏可以充分發揮蓄電池壽命，相比串聯型電源屏，預計在每10年內少消耗一半數量蓄電池。在蓄電池的生產、報廢、回收過程中，不可避免地對自然環境造成污染。并聯型直流電源屏以少消耗蓄電池的方式減少了蓄電池的報廢數量，從而降低對自然環境的污染。

6 結語

本文闡述了鐵路電力及相關領域內大量使用的電池串聯式電源屏的構架，指出了其存在的問題；提出了一種并聯式直流電源屏，討論了其構架、所涉及的關鍵技術、實施方案和參數計算方法，并對照了兩種直流電源屏的社會經濟效益。

在鐵路電力、牽引變/配電所等電力設施向無人化、自動化發展的大背景下，并聯型直流電源屏以其高可靠性、低維護要求以及自動化、智能化特點順應了發展潮流，具有一定的推廣應用價值。