基于超级电容的地铁站内集中UPS设计

蒋 玥，杨树松，吕伟升，邓谊柏

（1.宁波市轨道交通集团有限公司，浙江宁波 315112；2.宁波中车新能源科技有限公司，浙江宁波 315112）

随着我国轨道交通的不断发展，越来越多的城市开通运营地铁线路。地铁安全稳定运营离不开UPS保障，地铁站内根据不同专业设备，对电源的后备保障时间等要求不尽相同；地铁站大多建设在地下，设备间空间相对有限；轨道交通运行时间相对固定，正常设备检修安排在非运营时间窗口期内。若在运营时间设备发生异常，将直接影响地铁的正常运行，必须在最短时间内进行修复，减少对地铁运营影响。

UPS（Uninterruptible Power System，不间断电源）由整流器、逆变器、旁路静态切换、储能体等组成，其主要功能：①当外部市电异常（中断、电压暂降、频率异常等现象）时，UPS 自动切换至储能体逆变输出，UPS 后端设备不受前端市电影响，保障供电系统的连续性；②市电正常时，UPS 通过整流、逆变，输出稳定的正弦波，净化电网，为UPS 后端设备提供更高质量的电源。

1 目前轨道交通地铁站内UPS供电现状

目前地铁站内弱电系统各专业设备众多，各个专业设备机房相互独立。传统做法就是各自专业设备独立配套1台UPS 系统，如民用通信、综合监控系统、自动售检票系统等专业，均在其设备间配一台独立UPS 给其专业设备用，这种做法称之为分散式UPS供电方案。分散供电的一个特点是各个系统是相对独立的，即使有1台UPS 故障了，也不会影响其他系统。但实践证明，中小功率UPS 故障率较高，任何一台UPS 发生故障都可能会影响地铁的正常运营。中小功率UPS在设计上考虑低成本（尤其是功率和控制部分）因素，在元器件的选型上、系统的冗余性上、功率器件的耐受等级上要求相对较低，因此中小功率UPS在可靠性、稳定性和寿命上是比较低的。而大功率UPS 在设计原则上更多的考虑可靠性、安全性、冗余性，元器件选型要求更高。同样运行环境下，大功率UPS 的故障率明显低于中小功率UPS。另外，分散设置的方式无法实现资源共享，存在设备重复配置、利用率低、占地面积大，轨道交通地下空间开发的投入成本很大。同时，每个运营部门都要配置电源维护工具和专业的维护人员，各自进行独立的电源管理，这也给轨道交通运营无形中增加了运营维护成本和人力资源的浪费。

2 基于超级电容的地铁站内集中UPS电源设计方案

宁波市轨道交通集团有限公司联合宁波中车新能源科技有限公司联合科研，采用了基于超级电容的地铁站内集中UPS 设计方案（图1），其特点如下。

图1 典型轨道交通集中式UPS供电系统电气图

（1）对各专业系统进行集中整合为一套UPS 供电，可靠性高，效率高，电能质量高，减少设备占地面积，节省设备投资，减少设备运维人员，维护方便。

对各专业电源系统的UPS（包含蓄电池），采用集中整合更有利，可以统一维护与管理电源系统，集中布置减少设备用房面积，降低了车站土建工程造价，减少UPS 设备重复配置，实现资源共享，节省设备投资，减少设备运维人员。UPS 品牌统一选型，便于设备招标。

在地铁站内，UPS 集中电源整合范围可以包括专用通信（含PIS 系统）、民用通信、综合监控、BAS、AFC、站台门、门禁等弱电系统。各弱电系统设置的就地配电箱由各系统自带，UPS 输出给各个系统总开带分时下电控制，各系统按自身设计需求，单独控制UPS 放电下电时间，可以让储能体电量最合理分配。

（2）采用高频模块化UPS 机型，效率高、体积小、低谐波，功率模块冗余设计，平均修复时间极短，设计符合超级电容充放电需求。

随着电力电子技术和IGBT 功率器件的发展，UPS 整流部分采用高频IGBT 整流，输出无需变压器升压，不仅提高整机效率，同时把UPS 尺寸和重量大幅度减小。IGBT 整流能够有效抑制谐波电流，其输入谐波小于3%。在抗冲击能力上，IGBT 器件已经完全能够适应各种感性负载。

基于超级电容的地铁站内集中UPS 设计方案采用了高频模块化UPS。高频模块化UPS 的可扩展性目前强于其他UPS机型，功率模块可灵活增加或减少，塔式工频机、高频机只能同功率型号并机。而模块化UPS 其功率模块是通用的，对地铁业主在运维管理上带来很大好处，运维团队只需要储备功率模块作为备品备件即可。

采用模块化UPS 最大的特点是其采用“N+X”冗余设计，可靠性高，单个模块故障不会引起系统故障而中断输出，用户只需要更换故障模块即可实现故障修复，平均故障修复时间小于3min。同时模块支持在线热拔插技术，无需转旁路工作，更换操作简单无风险，无需厂家工程师到现场维修。

高频模块化UPS 的每个功率模块具有独立DC/DC 管理，直流调节范围宽。1台UPS 可以多个功率模块共用一组储能体（电池或电容）。超级电容的充放电技术要求与锂离子电池和铅酸有一些差异，在充放电管理上，基于超级电容的地铁站内集中UPS电源设计方案与UPS 主机通信管理，UPS 主机通过RS485端口与超级电容管理模块CMS 建立数据通信，设定超级电容的充电参数、放电参数，以满足超级电容的充放电技术要求。

虽然目前模块化UPS 在地铁行业应用比较少，但模块化UPS 的特点非常适合地铁业主需求，在集中整合电源方案的推动下，模块化UPS 将会是未来地铁业主的首选机型。

（3）采用超级电容储能体作为UPS储能单元使用，寿命长达10a 以上，终身免维护，安全性能高，环保无污染，温度适应范围宽。

UPS 系统中储能体的选择至关重要，市电异常后完全需要依赖储能单元供电，可选的储能体基本上聚焦在铅酸电池和锂电池上。近几年国内锂离子电池进入高速发展期，电芯成本近10a 下降超过80%，其电芯价格已接近高端铅酸蓄电池价格水平。锂电池常见类型有三元锂、磷酸铁锂、钛酸锂等。从成本和安全性考虑，UPS 适合配置磷酸铁锂电池。

目前地铁业主尚未大规模进行锂电应用。锂电的安全性是用户最关心的问题，锂电起火、燃烧、爆炸的事故发生多起，主要原因是锂电热失控问题引起。锂电热失控原因复杂，主要在以下几方面：①电芯选择设计及生产管控；②外部机械冲击；③充放电管理；④电池系统集成及电池保护系统。锂电系统尽管都自带BMS 管理，最大限度降低锂电发生热失控的概率。但是锂电BMS 仅是作用于热失控前的管理，热失控一旦发生，会迅速蔓延，而且消防灭火难度大。因此，锂电池要推广应用于地铁站内，必须考虑锂电使用的安全性，锂电起火后的消防必须要有可靠解决方案。

基于超级电容的地铁站内集中UPS 设计方案采用混合型超级电容作为UPS 储能体，该混合型超级电容具有比锂离子电池和铅酸电池更高功率密度，更宽温度使用范围，同时具有更高安全性。

超级电容有双电层电容器（EDLC）、赝电容电容器和混合型电容器。双电层电容器属于功率型储能器件，可用于大功率抗晃电电源保护，如DVR、AVC、DC-BANK 等电源产品，解决电网晃电，备电时间在1～60s。与传统的铅酸电池、锂离子电池相比，双电层电容器和赝电容电容器深循环放电次数高达百万次，放电倍率更是高达10 C 以上，但能量密度低，价格高。

宁波中车新能源科技有限公司研发生产适配UPS采用混合型超级电容器。混合型电容器分为内并型混合型电容器和内串型混合型电容器，其中锂离子电容器能量密度达到40 Wh/kg（接近目前铅酸蓄电池能量密度水平），使用寿命达到15a 以上。

锂离子电容器（LIC）正极采用多孔炭/锂金属氧化物，负极采用石墨、软碳或硬碳。正极既有双电层吸脱附储能，又有锂离子脱嵌化学反应，负极发生锂离子脱嵌化学反应。某种程度上锂离子电容器可以说是超级电容和锂离子电池的复合体，正极超级为电容体系，负极嵌锂，具有超级电容的特性。

铅酸电池、磷酸铁锂电池和混合型电容器各有各的特点，能量密度上混合型电容器与铅酸电池相接近，低于磷酸铁锂电池，寿命上混合型超级电容器高于磷酸铁锂和铅酸电池。3种储能体的对比见表1。

表1 三种储能体对比分析表

地铁站UPS 目前仍然以铅酸蓄电池为主，电池每5a 左右更换一次。铅酸电池平均使用寿命约5～6a。锂电池目前仅个别城市个别站做试点，相对谨慎，在安全性上仍然没有很好的解决方案。锂电池理论上使用寿命8～10a，混合型超级电容器使用寿命10～15a。

目前在宁波地铁3号线明辉路站一套“基于超级电容的轨道交通集中式UPS 系统”挂网运行中，配置的是宁波中车新能源公司生产的混合型超级电容器。应用新型储能单元混合型超级电容配置到UPS直流侧，该混合型电容容量衰减率极低，其充、放电次数高达1万次以上，将UPS 系统整体寿命提高到10a 以上。UPS 采用高频全IGBT 模块化结构，支持在线热拔插，缩短了轨道交通电源检修时间。UPS 整机效率高达95%，更节能，损耗相对传统工频UPS减低10%以上。集中管理轨道交通行业多个系统关键负载，可根据不同类型专业负载分时下电，合理利用超级电容能量，将后备时间留给更重要的负载，节省用户投资。输出综合监控柜内置综合监控主机，将输入双电源配电、电容柜、UPS 主机、分时下电模块、馈线回路状态进行集中监控管理，集成远程监控功能和短信故障告警功能，实用性强。

3 结束语

宁波市轨道交通集团有限公司联合宁波中车新能源科技有限公司联合科研“基于超级电容的地铁站内集中UPS 电源设计方案”，是首次应用新型混合型超级电容器配置UPS 在地铁站使用。在地铁站内集中UPS 供电方式更有优势，对各专业电源系统的UPS主机和蓄电池进行硬件集中整合是很好的方案，统一维护与管理电源系统，集中布置减少设备用房面积、降低车站土建工程造价。传统塔式工频UPS 维护维修难度较高，需要厂家售后工程师才能够进行维护和维修，这也给地铁运营无形中增加了运营维护成本和人力资源的浪费。模块化UPS 更适合轨道交通行业的应用，采用模块化UPS 实现功率模块冗余，提高系统可靠性，同时维护变的更加简单。锂离子电池、混合型超级电容相对铅酸电池，其寿命更长，从安全性上考虑，混合型超级电容器安全性更高。