城軌中發(fā)電機(jī)與超級電容作為后備電源的組合研究

摘 要：地鐵供電系統(tǒng)是城軌工程中重要的系統(tǒng)之一，進(jìn)一步優(yōu)化改善后備電源具有一定的意義。

本設(shè)計較系統(tǒng)的闡明了在供電系統(tǒng)中增設(shè)發(fā)電機(jī)和用超級電容替換蓄電池組成的后備電源的意義、設(shè)計、應(yīng)用。特別是城市軌道交通地鐵車站、控制中心的后備電源，一旦發(fā)生故障停電，將直接影響運輸生產(chǎn)。

關(guān)鍵詞：動力照明供電系統(tǒng);發(fā)電機(jī);超級電容;市電

1 ?超級電容器基本原理

超級電容通過介質(zhì)分離正負(fù)電荷的方式儲存能量，是物理方法儲能。超級電容屬于雙電層電容器，它是世界上已投入量產(chǎn)的雙電層電容器中容量最大的一種，其基本原理和其它種類的雙電層電容器一樣，都是利用活性炭多孔電極和電解質(zhì)組成的雙電層結(jié)構(gòu)獲得超大的容量。

2 ?技術(shù)方案

方案設(shè)計旨在為0.4KV系統(tǒng)加裝發(fā)電機(jī)，去除EPS、UPS后備電源改為超級電容，考慮故障影響最大可能性，地鐵中最少能夠滿足在一個主變電所或一個供電分區(qū)退出運行后啟動智能發(fā)電機(jī)繼續(xù)運營要求，同時保障地鐵控制中心在系統(tǒng)停電后啟動該裝置不斷電。需要建立數(shù)學(xué)模型，深入研究，得出組合有效數(shù)據(jù)，應(yīng)用于設(shè)備二次部分實現(xiàn)設(shè)備保護(hù)功能和其可行性。

2.1發(fā)電機(jī)組供電條件及要求

（1）系統(tǒng)全部失壓，電壓互感器監(jiān)測到動力變壓器下方均已失電，801和802均處于分閘狀態(tài)。

（2）發(fā)生反送電自動停機(jī)，且供電頻率、波形、大小與系統(tǒng)（市電）電壓相同，啟動時需要與按市電相關(guān)參數(shù)比較進(jìn)行檢同期。

（3）不超過兩臺發(fā)電機(jī)組且發(fā)電機(jī)故障異常狀態(tài)不啟動。

（4）啟動后自動切除三級負(fù)荷。

（5）啟動時間不超過10S，需小于超級電容正常放電時間。

2.2發(fā)電機(jī)組供電負(fù)荷計算

發(fā)電機(jī)所供負(fù)荷，按照車站、控制中心用電設(shè)備額定功率計算P=380V×I=p1+p2+p3…，其中有機(jī)電設(shè)備、供電設(shè)備、信號設(shè)備等。以西安地鐵鳳棲原車站為例每天用電消耗約為6000KW，目前市場柴油發(fā)電機(jī)具有較多優(yōu)點，可以選用500KW～1000KW進(jìn)口的柴油發(fā)電機(jī)組，從啟動到穩(wěn)壓5～15秒，持續(xù)供電時間可達(dá)到8個小時。

2.3發(fā)電機(jī)機(jī)房設(shè)計

根據(jù)《建筑設(shè)計規(guī)范》中柴油發(fā)電機(jī)消防要求，其應(yīng)采用耐火極限不低于2.00h的隔墻和1.50h的樓板與其他部位隔開，采用獨立防火分隔，單獨劃分防火分區(qū)和單獨設(shè)置儲油間，儲油量不超過8小時需要量，機(jī)房內(nèi)設(shè)有干燥消防沙池。發(fā)電機(jī)組距建筑物和其它設(shè)備至少一米，并保持良好的通風(fēng)，有應(yīng)急照明、應(yīng)急指示、火災(zāi)報警裝置。整個機(jī)房需緊鄰地鐵車站變電所，這樣便于接線，減少電能損耗，也便于運行管理。

柴油發(fā)電機(jī)房的通風(fēng)問題是機(jī)房設(shè)計中要特別注意解決的問題，特別是機(jī)房位于地下時更要處理好，否則會直接影響柴油機(jī)發(fā)電機(jī)組的運行。機(jī)組的排風(fēng)一般應(yīng)設(shè)熱風(fēng)管道有組織地進(jìn)行，不宜讓柴油機(jī)散熱器把熱量散在機(jī)房內(nèi)，再由排風(fēng)機(jī)抽出。機(jī)房內(nèi)要有足夠的新風(fēng)補(bǔ)充，因處于地鐵車站小系統(tǒng)中，發(fā)電機(jī)啟動時相應(yīng)小系統(tǒng)通風(fēng)模式也要啟動，機(jī)房的換氣量應(yīng)等于或大于柴油機(jī)燃燒所需新風(fēng)量與維持機(jī)房室溫所需新風(fēng)量之和。維持室溫所需新風(fēng)量由下式計算： c= 0.078p t 式中： c——需要的新風(fēng)量（m3/s） p——柴油機(jī)額定功率（kw） t——機(jī)房溫升（ °c）。 維持柴油機(jī)燃燒所需新風(fēng)量可向機(jī)組廠家索取，若無資料時，可按每千瓦制動功率需要0.1m3/min算（柴油機(jī)制動功率按發(fā)電機(jī)主發(fā)電功率千瓦數(shù)的1.1倍配備）。柴油發(fā)電機(jī)房的通風(fēng)一般采取排風(fēng)設(shè)置熱風(fēng)管道，進(jìn)風(fēng)為自然進(jìn)風(fēng)的方式。熱風(fēng)管道與柴油機(jī)散熱器連在一起，其連接處用軟接頭，熱風(fēng)管道應(yīng)平直，如果要轉(zhuǎn)彎，轉(zhuǎn)彎半徑盡量大而且內(nèi)部要平滑，出風(fēng)口盡量接近且正對散熱器熱風(fēng)管理直接伸出管外有困難時可設(shè)管中導(dǎo)出。進(jìn)風(fēng)口與出風(fēng)口宜分別布置在機(jī)組的上下行兩端，以免形成氣流短路，影響散熱效果。 機(jī)房的出風(fēng)口、進(jìn)風(fēng)口的面積應(yīng)滿足下式要求： s1≥1.5s s2≥1.8s 式中： s——柴油機(jī)散熱面積; s1——出風(fēng)口面積; s2——進(jìn)風(fēng)口面積; 在寒冷地區(qū)應(yīng)注意進(jìn)風(fēng)口、排風(fēng)口平時對機(jī)房溫度的影響，以免機(jī)房溫度過低影響機(jī)組的起動。風(fēng)口與室外的連接處可設(shè)風(fēng)門，平時處于關(guān)閉狀態(tài)，機(jī)組運行時能自動開啟。

排煙系統(tǒng)的作用是將氣缸里的廢氣排放到室外。排煙系統(tǒng)應(yīng)盡量減少背壓，因為廢氣阻力的增加將會導(dǎo)致柴油機(jī)出力的下降及溫升的增加。排煙噪聲在機(jī)組總噪聲中屬最強(qiáng)烈的一種，應(yīng)設(shè)消音器以減少噪音。

3 超級電容的動力UPS系統(tǒng)及其儲能方法

包括整流器、逆變器、雙向DC/DC變換器、儲能系統(tǒng)。儲能系統(tǒng)由超級電容器組、超級電容均衡電路和CMS組成。整流器用于將輸入配電的交流電壓轉(zhuǎn)換成高壓直流電壓，并為逆變器提供電源;逆變器用于將前端的高壓直流電壓轉(zhuǎn)換成滿足負(fù)載使用要求的交流電壓;整流器通過雙向DC-DC變換器對儲能系統(tǒng)進(jìn)行充電和浮充電。本設(shè)計以超級電容器為儲能單元，采用在線并聯(lián)熱備方式，彌補(bǔ)動力設(shè)備在電網(wǎng)停電瞬間發(fā)電機(jī)啟動前造成的停電狀態(tài)。本設(shè)計在低溫條件下（極限溫度-40℃）仍能正常工作，具有體積小、免維護(hù)、壽命長、功率性強(qiáng)、可靠性高等特點，可以滿足大功率的瞬時供電要求。

4可靠性分析及經(jīng)濟(jì)效應(yīng)

4.1可靠性分析

目前，智能變電站在電力系統(tǒng)中得以推崇，智能變電站中的交直流系統(tǒng)采用一體化電源系統(tǒng)。但是，隨著智能車站的不斷發(fā)展和長期運行實踐的積累，一體化電源系統(tǒng)他也暴露了一些不足之處。其中可靠性方面主要表現(xiàn)為：蓄電池本身固有特性影響直流供電系統(tǒng)可靠性的進(jìn)一步提高。而超級電容解決這一問題并且有很廣闊的前景，可實現(xiàn)免維護(hù)，檢測方便。

超級電容運行過程中維護(hù)工作極少，可實現(xiàn)真正意義上的免維護(hù)，而蓄電池實際使用過程中仍然必須進(jìn)行定期的維護(hù)。超級電容容量與其端電壓有較為嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系，因此檢測電路相對簡單。而蓄電池容量與其內(nèi)阻、充放電電流及電壓有關(guān)，檢測工作繁瑣。

綜合以上，采用基于超級電容儲能和發(fā)電機(jī)可持續(xù)性的后備電源供電系統(tǒng)，有效提高了地鐵車站供電系統(tǒng)的可靠性。

4.2經(jīng)濟(jì)效應(yīng)

減少車站UPS裝置，特別是造價昂貴在線式UPS，轉(zhuǎn)換為發(fā)電機(jī)供電，可以達(dá)到停電不停運模式，所挽回經(jīng)濟(jì)損失較大，日常使用蓄電池供電范圍小、時間短，市電停電后，故障如果短時無法排除，那帶來的社會影響較大，經(jīng)濟(jì)影響無法估量，并且超級電容柜體積小，可放置于控制室內(nèi)，不需要像蓄電池一樣單獨設(shè)置房間，但需要為發(fā)電機(jī)設(shè)置獨立房間，定期維護(hù)和開啟。

4.3環(huán)境效應(yīng)

發(fā)電機(jī)組是一種動態(tài)設(shè)備，存在噪音、廢氣污染等問題，按照現(xiàn)有發(fā)電機(jī)設(shè)計，可以滿足噪音低、廢氣處理功能的要求，達(dá)到相關(guān)省市治理標(biāo)準(zhǔn)。

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作者簡介：

王青博（1991-）男，本科，職務(wù)：職員，研究領(lǐng)域：城軌行車組織運輸、電力和環(huán)控系統(tǒng)研究.

（西安市軌道交通集團(tuán)有限公司 ? 陜西 ?西安 ?710000）