并联智能直流系统在地铁变电所的应用

王新华

(深圳市地铁集团有限公司运营总部， 518173， 深圳//工程师)

地铁变电所内直流屏蓄电池组原采用常规“充电机+串联蓄电池组+蓄电池巡检”的直流供电模式，在系统正常运行时，蓄电池组处于浮充状态，并不带载运行；在交流电源失电时，为二次设备(如控制、信号、保护、自动装置、开关储能等设备)提供可靠的直流电源。在地铁变电所内发挥应急作用的蓄电池组，其可靠与否关系到整个地铁电力系统供电的安全。

1 地铁变电所常规直流系统原理

目前，地铁变电所设计的常规直流系统为串联型直流系统，系统基本由交流配电单元、充电模块、蓄电池组、直流母线自动调压装置、监控(测)单元、电池巡检单元、馈电单元等组成，分别安装在充电屏、蓄电池屏、直流馈线屏内。图1为串联型直流电源系统原理图。

图1 串联型直流电源系统原理图

2 常规直流系统存在的问题

地铁全线变电所数量多，在线运行的蓄电池数量上千节，直流系统的主监控单元、充电单元、蓄电池等设备故障时有发生。从技术、经济、安全方面分析，目前的常规串联型直流系统还存在诸多缺点，主要有：

(1) 直流电源可靠性待提高。从地铁变电所直流系统运行多年来所发生的故障来看，蓄电池组采用串联接线方式，其可靠性有待进一步提高。影响其可靠性的主要因素为：蓄电池组中最差一节蓄电池容量决定整组蓄电池的容量，导致全所交流系统失电情况下蓄电池不能发挥应急电源的作用；蓄电组采用串联接线，单个蓄电池发生内部质量问题，都将造成整组蓄电池不能带载；如果新更换蓄电池与运行蓄电池性能参数不匹配，会造成整组蓄电池性能迅速下降。

(2) 检修工作量大，安全性能待改善。造成检修工作量大的主要原因为：目前每月需对地铁变电所内蓄电池组进行巡检和功能性测试，每半年需进行蓄电池小容量放电试验，每年需进行蓄电池内阻测试和核对性充放电试验，对于数量庞大的蓄电池组，检修维护的工作量非常大；蓄电池检修需停电作业，检修时间又只能安排在地铁非运营期间进行，作业时间受局限，串联蓄电池组不能在运营期间在线更换维护；因地铁使用的蓄电池是阀控式密封铅酸蓄电池，存在记忆效应，需定期离线全容量核容试验方可确定实际容量。

(3) 蓄电池组维护成本高。造成其维护成本高的主要因素为：单只蓄电池损坏，新更换蓄电池若与原蓄电池性能参数不匹配，整组蓄电池都需要更换，目前市场上采购单只DC 220 V/120 Ah铅酸蓄电池需约2 200元，蓄电池组按19只蓄电池配置，更换整组需约4万元；损坏报废蓄电池需支付回收处理费用，可再利用蓄电池需在线充放电维护保养，造成蓄电池维护成本越来越高。

3 蓄电池并联模式

随着交直流逆变技术的成熟，针对采用串联接线方式的蓄电池组存在的上述缺点，本文提出多组并联智能蓄电池组件并联输出的直流系统。

并联智能直流系统是将单只12 V蓄电池与匹配的AC/DC充电模块、DC/DC升压模块等器件组成“并联智能蓄电池组件”，并通过多组件并联输出直流电源。AC/DC充电技术是经整流、逆流、滤波等环节后得到技术参数能达到地铁变电所运行要求的输出电压、电流；DC/DC模块是并联智能直流系统的关键技术，选用移相控制全桥零电压开关PWM(脉冲宽度调制)变换器作为DC/DC升压环节，把DC 12 V升压至DC 110 V/220 V。图2为并联智能直流系统原理图。

并联智能直流系统相比常规串联型直流电源系统，其系统结构、性能都有较明显变化，两种电源方案技术对比如表1所示。

图2 并联型直流电源系统原理图表1 并联型直流系统与串联型直流系统技术性能比较

比较内容串联型直流系统并联型直流系统直流系统组成充电模块、蓄电池组、监控单元、电池巡检单元、馈电单元等多组并联蓄电池组件、绝缘检测等获得母线电压方式电池串联后电压叠加单电池DC/DC升压蓄电池连接方式串联单电池多组件并联冗余配置方式整组蓄电池冗余配置多组件并联冗余配置蓄电池安护方式单独置于蓄电池屏内分散在并联充电模块内放电稳压性能随放电母线电压下降通过DC/DC稳压智能程度高在常规型系统的基础上增加了充放电智能管理、输出母线稳压技术、在线维护、在线核容功能蓄电池维护方式需停电,离线维护、更换在线维护、更换

4 并联智能直流系统在地铁变电所的应用

本文以深圳地铁典型变电所直流电源改造的工程为例，说明此类变电所并联智能直流系统设计方案的工程应用。为提高此站直流系统的高可靠性及改造的方便性，改造方案为：增加1套模块化并联型直流系统与原直流系统并列运行；由2种不同连接原理的直流系统组成，一种是蓄电池间接并联组成的直流系统，另一种是蓄电池串联组成的直流系统。

4.1 新增直流电源系统选型

4.1.1 变电所内直流负荷

按目前地铁场站变电所标准设计，典型牵引混合变电所内直流负荷为：AC 35 kV两段母线设进出线8回及母联开关，2套整流机组；DC 1 500 V设进出线6回，1个负极柜，1个联跳开关柜，4个隔离开关。直流电压为：DC 220 V。

根据上述变电所内规模统计出变电所内主要直流负荷，见表2。

表2 地铁35 kV变电所直流负荷统计表

4.1.2 并联智能蓄电池组件数量

地铁牵引混合变电所的直流负荷远大于降压变电所。按目前地铁牵引混合变电所蓄电池组的典型设计，均采用19节蓄电池串联给直流负荷供电，单节标称电压为12 V、电池容量为100 Ah，总容量为22 800 Wh；所内5 A电流按0.05C(C为电池容量)进行持续放电，后备放电时间可以达20 h以上，冗余量很大。

若采用单节电压为12 V、容量为200 Ah的蓄电池，在满足原系统总容量的基础上，系统只需9节蓄电池；考虑原系统的冗余量，改造后的并联型直流系统采用8节蓄电池。

若把并联型直流电源系统后备放电时间由原来20 h以上减少至10 h以上，新并联型直流电源系统可采用1个标准柜配8节并联电池组件的并联蓄电池屏；单节蓄电池的标称电压为12 V，电池容量为100 Ah。新系统采用的蓄电池与原系统相同，可减少蓄电池备件种类和库存，也降低了后续维修成本。

4.1.3 系统可靠性分析

为论证新并联型直流电源系统的可靠性，选取变电所内直流负荷最大的35 kV开关柜、直流1 500 V开关柜来进行分析。

35 kV开关柜分合闸时直流负荷为240 W，电流有效值约为1.08 A，分闸时间为55.1 ms，合闸时间为35.8 ms；假设2台35 kV断路器同时动作，则35 kV断路器动作电流为2.1 A，动作时间为100 ms以内。

直流1 500 V开关柜断路器分合闸操作电机功率为2 100 W，即每台动作电流约为10 A。考虑冲击性负荷最大值情况，即当发生框架电流保护时，正常本站跳开4台直流馈线柜、2台直流进线柜和2台35 kV开关柜，直流开关柜最大负荷电流为60 A。变电所内其他经常性负荷电流综合考虑约为5 A。

综上所述，最大冲击电流为直流开关柜动作电流、35kV开关柜动作电流和所内其他经常性负荷电流之和，即：

Imax=2.1 A×2+10 A×6+5 A=69.2 A

电流取整按70 A、动作时间1 s内考虑。

根据厂家型号为PB22002—2蓄电池模块的过载曲线，系统恒压220 V情况下(不低于87.5%)，短时过载2.5In(In为蓄电池的额定输出电流，即5 A)，可耐受时间为1 min；过载6In(即12 A)，可耐受时间为5 s；最大可过载8In(即16 A)，可耐受时间为3 s。在标配8组蓄电池模块情况下，最大过载8In可输出过载电流为128 A(3 s)，远大于所内最大冲击负荷70 A，满足牵引所内负荷电流需求，而且还有约80%容量冗余，一般故障工况下冲击性负荷动作时间在1 s以内，故系统容量满足要求。以上是假设交流失电情况下，蓄电池带直流负载的过载数据，若是交流正常情况下，交流电源和蓄电池配合情况下的过载能力还会更高。

4.2 系统应用方案

根据上述蓄电池组件和电池容量选取计算得知，本次深圳地铁某变电所直流系统改造方案是在原串联直流电源系统中并联1套新增并联型直流电源系统运行，系统配置方案为1面标准柜内置8个并联蓄电池组件，蓄电池单体标称电压为12 V,电池容量为100 Ah。图3为其系统改造后的接线原理图。

图3 地铁变电所直流电源系统改造接线原理图

4.3 并联智能直流电源系统优缺点分析

通过对地铁变电所并联智能直流系统的应用分析，并结合深圳地铁35 kV变电所直流系统应用方案实施后的效果，可得出并联智能直流系统的优势有以下几点：

(1) 并联智能直流电源系统蓄电池之间为间接并联结构，避免了串联型直流电源单体蓄电池故障影响整组输出的问题，提高了系统可靠性。

(2) 并联型直流电源系统蓄电池与交流母线、直流母线及其他蓄电池之间是全隔离，蓄电池损坏可以单独检修更换，解决了串联型直流电源系统蓄电池部分损坏导致整组报废问题，提高了蓄电池的利用率。

(3) 并联型直流电源系统对每节12 V蓄电池在线0.1 C 10全容量核容，解决了蓄电池全生命周期管理问题。

(4) 并联型直流电源系统采用模块化设计，减少了内部接线，并可进行蓄电池在线充放电试验，实现电池在线检修、不停电更换，极大减少了地铁运行单位的维护工作量。

(5) 在地铁变电所内控制室，并联型直流电源系统较串联型直流电源系统可节省1个充电屏的位置空间，可减少地铁变电所建设初期的建设投资。

但并联智能直流电源系统也存在一些缺点，主要有：防冲击能力主要依赖元器件冗余设计，由“短时超额输出+输出电解电容”应对；馈线短路隔离是由“输出电解电容+旁路隔离变压器整流回路”供给短路电流。

5 经济性对比分析

并联智能直流电源系统与目前常规串联型直流系统在经济性方面具有一定的经济优势，经济性对比如表3所示。若地铁所有场站变电所均应用并联智能直流电源系统，节省地铁建设初期和运营期投入成本均相当可观。

表3 并联型直流系统与常规型系统的经济性比较

目前，并联智能直流电源系统在深圳、宁波等地铁供电系统均有小范围应用。另外，在2013年后该系统已广泛应用于广东、湖北、浙江等110 kV及以下变配电直流系统。

6 结论及建议

本文在分析地铁变电所直流系统蓄电池组存在问题的基础上，提出了基于并联智能蓄电池组件并联输出的并联智能直流电源系统的改造应用方案。该方案通过模块化的设计，提高蓄电池组的通用性，在降低系统运行维护成本的同时，也提高了系统供电的可靠性。

地铁供电建设朝模块化、智能化、大数据、云计算的方向发展，在国内地铁供电设备运行、维修人才匮乏的情况下，提高设备的智能化、自动化功能，可减少维护工作量，提高系统的可靠性，符合现在城市轨道交通行业发展的要求。