并聯(lián)型直流電源系統(tǒng)在鐵路變配電所應(yīng)用研究

孫元新，梁倫發(fā)

0 引言

鐵路變配電所用直流電源為所內(nèi)控制、信號、保護(hù)、自動(dòng)裝置及斷路器等二次設(shè)備提供工作電源，是保證鐵路供電系統(tǒng)可靠運(yùn)行的重要組成部分，目前普遍采用傳統(tǒng)的“充電機(jī)+串聯(lián)蓄電池組”的構(gòu)成方式。系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，由充電機(jī)提供負(fù)荷電流，蓄電池處于浮充狀態(tài)；在交流電源故障失電時(shí)，由蓄電池向負(fù)載提供直流電源，維持故障期間系統(tǒng)的可靠運(yùn)行。在鐵路直流電源系統(tǒng)中，蓄電池的可靠性關(guān)系著整個(gè)供電系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

1 傳統(tǒng)直流電源系統(tǒng)原理及存在問題

目前鐵路變配電所普遍采用串聯(lián)型直流電源系統(tǒng)。該串聯(lián)型直流系統(tǒng)由交流配電電源、高頻開關(guān)電源、串聯(lián)蓄電池組、降壓硅鏈、饋線單元、監(jiān)控單元、蓄電池巡檢單元組成[5]，原理如圖1所示。在實(shí)際運(yùn)行中，由于供電半徑大，沿線環(huán)境復(fù)雜，末端低電壓或短路、接地等故障時(shí)有發(fā)生，當(dāng)?shù)碗妷捍┰街磷兣潆娝鶗r(shí)，直流電源充電設(shè)備將因輸入低電壓閉鎖輸出，此時(shí)系統(tǒng)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(jié)合轄區(qū)各站點(diǎn)的運(yùn)行實(shí)際，傳統(tǒng)直流電源系統(tǒng)主要存在以下問題：

圖1 傳統(tǒng)配電所直流系統(tǒng)原理

（1）供電可靠性低。傳統(tǒng)直流電源系統(tǒng)的蓄電池組由18節(jié)12 V鉛酸蓄電池串聯(lián)組成，在實(shí)際運(yùn)行過程中，存在容量下降、電壓異常、內(nèi)阻增大、開路等風(fēng)險(xiǎn)，其可靠性受各單體電池一致性及性能影響，主要體現(xiàn)在：蓄電池組容量取決于整組中容量最低的一節(jié)；單節(jié)蓄電池失效將造成整組蓄電池?zé)o法帶載[3]；蓄電池的電化學(xué)活性需要規(guī)范、專業(yè)化的運(yùn)行維護(hù)，由于鐵路配電所點(diǎn)多面廣、運(yùn)維人員不足，普遍存在帶病運(yùn)行現(xiàn)象。

（2）運(yùn)維手段滯后。為保證直流電源系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，需保證蓄電池容量滿足事故放電需求，除定期對系統(tǒng)進(jìn)行巡檢外，還須定期對蓄電池進(jìn)行0.1 C核對性放電試驗(yàn)。目前主要采用人工離線核容方式，存在耗時(shí)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(wǎng)減員增效的背景下尤為突出。

（3）經(jīng)濟(jì)性差。當(dāng)單節(jié)蓄電池失效，需更換與原電池性能參數(shù)一致的新電池，不同品牌、不同規(guī)格、不同新舊程度的蓄電池?zé)o法混用，在實(shí)際操作中經(jīng)常因個(gè)別電池?fù)p壞而整組更換，維護(hù)成本高。

2 智能并聯(lián)型直流電源系統(tǒng)

針對傳統(tǒng)直流電源系統(tǒng)存在的問題，本文提出一種基于并聯(lián)設(shè)計(jì)的智能并聯(lián)型直流電源系統(tǒng)，在提高系統(tǒng)供電可靠性的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)了蓄電池智能管理與遠(yuǎn)程在線核容。

2.1 系統(tǒng)原理

智能并聯(lián)型直流電源系統(tǒng)由N+X個(gè)直流電源模塊高壓輸出端并聯(lián)組成。各模塊單獨(dú)配置一組24 V蓄電池（組），獨(dú)立向直流母線供電并實(shí)現(xiàn)對本組蓄電池的智能管理。系統(tǒng)可通過監(jiān)控模塊實(shí)現(xiàn)運(yùn)行數(shù)據(jù)采集、參數(shù)設(shè)定及上位機(jī)通信，實(shí)現(xiàn)基于電力物聯(lián)網(wǎng)的信息傳遞與控制，其原理如圖2所示。

圖2 智能并聯(lián)型直流電源系統(tǒng)原理

并聯(lián)電源模塊集成電源變換及蓄電池智能維護(hù)管理功能。交流輸入正常時(shí)，經(jīng)AC/DC轉(zhuǎn)換、DC/DC變換向負(fù)載供電，同時(shí)向蓄電池充電；交流輸入中斷時(shí)，蓄電池經(jīng)DC/DC升壓電路向負(fù)載供電，實(shí)現(xiàn)故障狀態(tài)下的不間斷供電[4]，其功能原理如圖3所示。

圖3 智能并聯(lián)型直流電源模塊原理

2.2 在線核容方案設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

方案采用多路并聯(lián)電池組串自動(dòng)并離線控制技術(shù)[1]，實(shí)現(xiàn)直流系統(tǒng)蓄電池組的自動(dòng)在線核容，其原理設(shè)計(jì)如下：

（1）交流輸入正常情況下，直流系統(tǒng)對監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)置的核容深度及核容周期進(jìn)行判斷，滿足核容條件時(shí)，由監(jiān)控系統(tǒng)自動(dòng)下發(fā)核容命令至模塊；

（2）模塊收到核容命令后，關(guān)閉蓄電池充電功能，同時(shí)自動(dòng)提高DC/DC轉(zhuǎn)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(dòng)態(tài)平衡；

（3）模塊實(shí)時(shí)采集蓄電池放電電流及電壓，當(dāng)電池電壓達(dá)到設(shè)置的放電截止電壓時(shí)，模塊停止DC/DC轉(zhuǎn)換，切換至市電供電模式，同時(shí)以0.1 C電流對蓄電池進(jìn)行充電；

（4）本組模塊核容完成后，相關(guān)核容數(shù)據(jù)上送至監(jiān)控系統(tǒng)，并自動(dòng)啟動(dòng)下一組模塊的核容，直至系統(tǒng)全部模塊完成核容。

并聯(lián)直流電源在線核容流程見圖4。

圖4 并聯(lián)直流電源在線核容流程

2.3 多模塊均流設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

方案采用基于DSP的數(shù)字均流技術(shù)，通過CAN總線獲取電流信號實(shí)現(xiàn)均流，設(shè)計(jì)原理見圖5，其控制設(shè)計(jì)如下：

圖5 多模塊均流設(shè)計(jì)原理

（1）在并聯(lián)電源系統(tǒng)中，實(shí)時(shí)采集各并聯(lián)模塊的電流，并與經(jīng)過計(jì)算得到的電流平均值進(jìn)行比較，比較差值發(fā)送至均流環(huán)，對均流環(huán)的給定量進(jìn)行修正；

（2）將電壓環(huán)與均流環(huán)內(nèi)經(jīng)PI調(diào)節(jié)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(huán)的輸入量；

（3）最后通過均流環(huán)中PI的調(diào)節(jié)作用進(jìn)一步控制PWM占空比，實(shí)現(xiàn)均流。

3 智能并聯(lián)型直流電源系統(tǒng)主要特點(diǎn)

智能并聯(lián)型直流電源系統(tǒng)相比傳統(tǒng)串聯(lián)型直流電源系統(tǒng)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、技術(shù)方案有明顯變化，具體體現(xiàn)如表1所示。

表1 方案對比

并聯(lián)型直流電源系統(tǒng)較傳統(tǒng)串聯(lián)型直流電源系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)和技術(shù)方面具有以下顯著特點(diǎn)：

（1）高可靠性。蓄電池采用間接并聯(lián)方式，單節(jié)電池狀態(tài)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(yùn)維。支持蓄電池遠(yuǎn)程智能維護(hù)，可實(shí)現(xiàn)蓄電池運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測、預(yù)警，支持蓄電池遠(yuǎn)程在線核容，有效減少系統(tǒng)維護(hù)工作的人力物力投入，降低運(yùn)維成本；采用模塊化設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)在線檢修更換與在線擴(kuò)容。

（3）經(jīng)濟(jì)環(huán)保。蓄電池間相互獨(dú)立，可實(shí)現(xiàn)新舊電池、不同類型不同品牌電池混用，單只電池?fù)p壞只需更換本組電池，提高了蓄電池使用效率，同時(shí)減少蓄電池生產(chǎn)、使用及回收產(chǎn)生的環(huán)境污染。

4 智能并聯(lián)型直流電源系統(tǒng)在鐵路配電所的應(yīng)用

本文以中國鐵路上海局集團(tuán)有限公司杭州供電段南星橋配電所直流系統(tǒng)改造工程為例，論證并聯(lián)型直流電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與工程應(yīng)用效果。

4.1 直流系統(tǒng)改造工程設(shè)計(jì)方案

基于系統(tǒng)可靠性及工程實(shí)際考慮，工程采用并聯(lián)型直流電源與傳統(tǒng)直流電源雙重化設(shè)計(jì)方案，即新增一套并聯(lián)型直流電源系統(tǒng)，與原系統(tǒng)并列運(yùn)行。其中并聯(lián)型直流電源系統(tǒng)設(shè)置3組D22004并聯(lián)型直流電源組件，各組件配置2節(jié)12 V/100 A·h鉛酸蓄電池，總?cè)萘? 200 W·h；按所內(nèi)常規(guī)負(fù)荷電流5 A計(jì)算，事故后備時(shí)長可達(dá)6 h，滿足系統(tǒng)冗余要求。其設(shè)計(jì)原理如圖6所示。

圖6 南星橋配電所直流系統(tǒng)改造原理

4.2 基于改造工程的并聯(lián)電源系統(tǒng)應(yīng)用

通過并聯(lián)型直流電源技術(shù)的應(yīng)用，并結(jié)合南星橋配電所工程實(shí)施效果，重點(diǎn)實(shí)現(xiàn)了以下應(yīng)用：

（1）蓄電池全參數(shù)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測。系統(tǒng)基于并聯(lián)型直流電源模塊，實(shí)時(shí)采集各單體電池電壓、內(nèi)阻、溫度、充放電電流[2]等運(yùn)行數(shù)據(jù)，并經(jīng)監(jiān)控裝置上傳，實(shí)現(xiàn)蓄電池在線狀態(tài)評估、預(yù)警和故障告警。

（2）遠(yuǎn)程在線核對性放電。并聯(lián)型直流電源模塊可對本組蓄電池在線進(jìn)行0.1 C全容量核對性放電，并實(shí)時(shí)記錄核容數(shù)據(jù)，全程無需人員參與；核容容量經(jīng)并聯(lián)電源模塊饋入直流母線由負(fù)載消耗，解決了經(jīng)放電儀核容造成的能量浪費(fèi)和安全性問題。

（3）模塊化設(shè)計(jì)與在線檢修。系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，模塊間、蓄電池間相對獨(dú)立，經(jīng)驗(yàn)證，單一蓄電池或單一模塊故障均不影響系統(tǒng)輸出，僅需在線更換對應(yīng)組件即可恢復(fù)運(yùn)行，顯著提高了系統(tǒng)運(yùn)維效率。

（4）經(jīng)濟(jì)運(yùn)行與減員增效。并聯(lián)型直流電源系統(tǒng)的蓄電池配置數(shù)量由原18節(jié)減少至6節(jié)，降低了設(shè)備費(fèi)用、占地空間及后續(xù)的維護(hù)成本；同時(shí)基于并聯(lián)電源模塊的蓄電池智能管理功能，實(shí)現(xiàn)了蓄電池的在線監(jiān)測與智能維護(hù)，為鐵路系統(tǒng)減員增效提供了有力支撐。

并聯(lián)型直流電源系統(tǒng)從根本上克服了傳統(tǒng)串聯(lián)型直流電源的缺點(diǎn)，在提高系統(tǒng)可靠性的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了智能運(yùn)維，特別是蓄電池遠(yuǎn)程在線核容功能的應(yīng)用，極大減少了站所運(yùn)維工作的人力物力投入。該改造工程自投運(yùn)以來，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，具有良好的推廣應(yīng)用價(jià)值。

5 結(jié)語

本文在分析鐵路配電所傳統(tǒng)直流電源系統(tǒng)運(yùn)行問題的基礎(chǔ)上，提出了智能并聯(lián)型直流電源系統(tǒng)方案。該方案采用多模塊并聯(lián)設(shè)計(jì)，解決了串聯(lián)型直流電源固有的單點(diǎn)故障問題，在提高系統(tǒng)可靠性的同時(shí)，創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)了蓄電池智能管理與遠(yuǎn)程在線核容，降低了系統(tǒng)運(yùn)維成本。

在我國鐵路高速發(fā)展及減員增效的背景下，智能并聯(lián)型直流電源系統(tǒng)可為鐵路配電所直流電源系統(tǒng)新建與升級改造提供技術(shù)依據(jù)和實(shí)施思路，具有較好的應(yīng)用價(jià)值。