新型交直流一體化不間斷電源系統(tǒng)

中國鐵路青藏集團(tuán)有限公司西寧供電段 唐金勝 李洪磊

中國鐵路蘭州局集團(tuán)有限公司蘭州高鐵基礎(chǔ)設(shè)施段 張 婷 蘭州基時(shí)智造電源有限公司 黃智遠(yuǎn)

電力系統(tǒng)與人們的生產(chǎn)生活存在緊密聯(lián)系，對用戶連續(xù)供電的過程中，最理想的狀態(tài)是通過標(biāo)準(zhǔn)電壓、恒定頻率完成，但在諸多因素的干擾下實(shí)際供電難以十分精準(zhǔn)，所以在鐵路供電系統(tǒng)運(yùn)行、電力設(shè)備與供用電過程中產(chǎn)生較多問題。

從工業(yè)負(fù)荷的角度分析，有些設(shè)備的功能多樣，能夠在實(shí)際工作中彰顯出自身價(jià)值，但對供電的要求十分嚴(yán)格，如PLC和變頻器，10ms左右的電壓暫降將會導(dǎo)致變頻器無法繼續(xù)正常工作。在傳統(tǒng)不間斷電源UPS投入的影響下，將破壞設(shè)備與元件的穩(wěn)定性，導(dǎo)致附加諧波損耗出現(xiàn)，電能轉(zhuǎn)換的速度呈現(xiàn)緩慢狀態(tài)，電纜絕緣老化的概率隨之加大，其他電氣設(shè)備的工作受到阻礙，電氣測量儀表的測量結(jié)果產(chǎn)生誤差。并且在應(yīng)用UPS的過程將陷入諸多問題的困境中，高耗電量、高維護(hù)成本的問題較為顯著。

1 新型交直流一體化不間斷電源系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)概述

交直流一體化不間斷電源系統(tǒng)原理如圖1所示，系統(tǒng)內(nèi)的電源涵蓋了三點(diǎn)內(nèi)容：其一為光伏；其二為三相交流電源；其三為儲能單元。倘若光伏發(fā)電與DC/DC轉(zhuǎn)換器產(chǎn)生緊密聯(lián)系并實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換后，能夠使蓄電池獲得直流電壓，實(shí)現(xiàn)了充電的目的。對于三相交流電源而言，當(dāng)整流之后體現(xiàn)出直流母線電壓，不僅能夠幫助蓄電池充電，還能夠使其他直流轉(zhuǎn)換器獲得電壓。變頻器和PLC最顯著的特性是交直交，因此直流與交流對動力回路的供電時(shí)間是無差異的，有效保護(hù)變頻器的供電可靠性，有效保護(hù)PLC主回路的穩(wěn)定性，對于變頻器來講，其控制回路較為不同，通常以交流負(fù)荷為主，所以首先進(jìn)行直流逆變轉(zhuǎn)換，然后再給變頻器控制回路供電，確保無論在交流系統(tǒng)停電時(shí)，還是在電壓暫降時(shí)，依舊可以正常、穩(wěn)定的工作。

圖1 室內(nèi)供電系統(tǒng)和室外供電系統(tǒng)

當(dāng)鐵路供電系統(tǒng)電壓并未處在異常狀態(tài)時(shí)，由鐵路供電系統(tǒng)電壓逆變后的直流電壓與經(jīng)太陽能光伏轉(zhuǎn)換后的直流電壓共同保證直流母線的電壓[1]，同時(shí)給與儲電池足夠的電壓。倘若鐵路供電系統(tǒng)電壓發(fā)生了暫降，那么交流鐵路供電系統(tǒng)電壓無法支撐變頻器的后續(xù)工作，此時(shí)應(yīng)將后備支撐作為主要手段，從而避免變頻器受到電壓暫降的不利干擾。

1.2 系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備介紹

從交直流一體化供電方案的角度分析，其在兼容性方面占據(jù)顯著優(yōu)勢，接入新能源的過程中難度更小，不僅實(shí)現(xiàn)了高可靠供電的目的，而且有助于經(jīng)濟(jì)效益與社會效益的提高。系統(tǒng)內(nèi)重要裝置涵蓋五點(diǎn)內(nèi)容。

光伏轉(zhuǎn)換器。對于太陽能光伏電池板的實(shí)現(xiàn)，光伏轉(zhuǎn)換器的積極影響是不可忽視的，還能夠作用在配網(wǎng)直流電壓中，有效降低其匹配難度。對于輸出端而言，自身與直流配電母線存在一定的契合度，以單向DC/DC轉(zhuǎn)換器為主；DC/DC充電機(jī)。出于對輸入和輸出側(cè)隔離性要求的考慮，重點(diǎn)關(guān)注蓄電池的充電機(jī)，主要應(yīng)用工具為隔離型DC/DC轉(zhuǎn)換器，避免儲能系統(tǒng)的穩(wěn)定性及安全性受到負(fù)面影響[2]。

變頻器主回路DC/DC轉(zhuǎn)換器。以交錯(cuò)并聯(lián)的BOOST電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為主，此種拓?fù)浒l(fā)揮著關(guān)鍵性作用，避免電感電流交錯(cuò)現(xiàn)象始終存在，促使裝置穩(wěn)定性更強(qiáng)，對比于機(jī)械式開關(guān)此種方式的功能更明顯，主要體現(xiàn)在導(dǎo)通速度的提升方面；PLC主回路DC/DC轉(zhuǎn)換器。在國內(nèi)的PLC電源中，應(yīng)用較為廣泛的是交流220V電源和直流電源，此處直流電源是第一種；直流照明DC/DC轉(zhuǎn)換器。為直流照明設(shè)備供電的過程中，選擇可靠性更強(qiáng)的隔離型DC/DC轉(zhuǎn)換裝置，確保在多次操作后依然可以實(shí)現(xiàn)正常工作，避免出現(xiàn)直流故障。

2 應(yīng)用于工業(yè)現(xiàn)場時(shí)的設(shè)計(jì)方案

以某工業(yè)現(xiàn)場為例，現(xiàn)場有3kW變頻器6臺、5kW變頻器2臺、照明6kW（PLC由于功率較小，所以此處省略單獨(dú)計(jì)算），選擇光伏電量時(shí)應(yīng)全面分析在空間合理利用方面有無缺陷、是否可以適應(yīng)工作，滿載功率20.4kW，選擇各變換器的過程中同樣需要謹(jǐn)慎，需對負(fù)載容量進(jìn)行全面分析，以1.4倍為主要參考的數(shù)值，促使變換器在運(yùn)行的整個(gè)過程中保持高效。

2.1 蓄電池組配置

本次在戶外采用了創(chuàng)新使用高溫性能好、高效率輸出的鋰電池，大幅度縮減占地面積。搭載鋰電BMS，實(shí)現(xiàn)全生命周期的電池精確管理，并設(shè)置全面的環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，嚴(yán)格保證鋰電池運(yùn)行環(huán)境。負(fù)荷總功率為34kW，需以停電為基本條件、運(yùn)行時(shí)間達(dá)到1h。選擇鋰電1組，對電池組運(yùn)行電壓提出一定的標(biāo)準(zhǔn)要求，要求其與合理范圍保持顯著的一致性，以170～210V為主[3]。

容量計(jì)算方法如下：選擇電池容量。單節(jié)電池P0=P總負(fù)載/（n×105）=34kW/105=323.8W，n代表的是電池組數(shù)，此處為1組；查電池恒功率放電特性表。如表1所示，在電池充電機(jī)方面，以0.1C浮充為主，則充電電流為200×0.1=20A；計(jì)算放電電流。Imax=P總負(fù)載/（105×1.7）=34kW/178.5=190A，能夠采用直接放電的方法，應(yīng)用的工具為智能開關(guān)，或采用相應(yīng)的變換器，本研究以智能開關(guān)為主。

表1 電池恒功率放電特性

2.2 壓差控制開關(guān)配置

交直流混合供電與PLC電源、變頻器存在不同程度的聯(lián)系，在三者的結(jié)合處，如果出現(xiàn)了交流鐵路供電系統(tǒng)停電的狀況，導(dǎo)致設(shè)備內(nèi)的直流母線電壓無法保持原有狀態(tài)，直流電導(dǎo)通的現(xiàn)象出現(xiàn)，所以此時(shí)需要壓差值控制電路充分發(fā)揮出自身作用，明確切換電源的合適時(shí)間。傳統(tǒng)壓差控制電路涉及的因素較為多樣化，不僅與晶閘管陽極A的直流電壓相關(guān)，而且與陰極K的直流電壓存在密切聯(lián)系，對兩者完成A/D采樣后開展CPU比較處理工作，此時(shí)認(rèn)真觀察兩端的壓差，如果發(fā)現(xiàn)與設(shè)定值相符，應(yīng)繼續(xù)以信號電壓為操作對象不斷的輸出，使其與晶閘管的門極相融合，此環(huán)節(jié)完畢后觸發(fā)晶閘管導(dǎo)通順利實(shí)現(xiàn)。

這種電路的繁瑣性較為顯著，涉及到多種元件，出現(xiàn)故障的可能性更大，對晶閘管導(dǎo)通進(jìn)行控制的階段里，增加了超過2ms的延時(shí)，而且應(yīng)以外部電源供電為保障，將注意力放在晶閘管門極中，使其呈現(xiàn)隔離狀態(tài)，避免晶閘管的回路電壓超出正常范圍內(nèi)，對控制電路形成良好的保護(hù)作用。如表2所示。

表2 退出核容測試操作步驟

本系統(tǒng)對電子開關(guān)的控制具有一定的特殊性，此過程體現(xiàn)的主體是直流壓差，其涵蓋了兩點(diǎn)：一為模擬電路；二為單向晶閘管，這種方式省略了外部工作電源環(huán)節(jié)，保護(hù)了門極的控制信號的穩(wěn)定性，需以系統(tǒng)實(shí)際需求為主要出發(fā)點(diǎn)，對其進(jìn)行多角度分析，從而設(shè)定科學(xué)、合理的壓差值。直流壓差電子開關(guān)電路原理圖如圖2所示，晶閘管陽極A接至DC/DC升壓單元輸出端正極U2+，D1為穩(wěn)壓管，設(shè)其穩(wěn)壓值為U，壓差設(shè)定值為Uset。如果UAK在0或以下，SCR截止；如果UAK在Uset或以上，流過R的電流i=(UAK-U)/R，也即注入SCR門極的電流[4]。

圖2 直流壓差控制電子開關(guān)原理

門極注入電流并未具備很強(qiáng)的穩(wěn)定性，如若想對其形成有效控制，應(yīng)將更多注意力放在R和D1的參數(shù)中，遵循著科學(xué)、合理的原則進(jìn)行選擇，促使晶閘管的導(dǎo)通較為穩(wěn)定。通過上述分析能夠了解到，相應(yīng)的導(dǎo)通時(shí)間保持在特定范圍內(nèi)，通常不超過200μs，與晶閘管的開通時(shí)間無差異性。

3 模擬實(shí)驗(yàn)

以變頻器為例，當(dāng)變頻器的工作狀態(tài)處于正常時(shí)，此時(shí)支持運(yùn)行的主體為交流供電，如果鐵路供電系統(tǒng)電壓呈現(xiàn)異常狀態(tài)，將會破壞變頻器直流側(cè)的母線電壓的穩(wěn)定性，即呈現(xiàn)降低趨勢。從母線電壓的層面來講，當(dāng)其保持在DC500V以下時(shí)，直流供電系統(tǒng)也會有所波動，彰顯出自身的積極作用，收益對象為變頻器直流母線，避免其由于電壓不足而無法順利進(jìn)行[5]。

圖3 暫降波形及DC/DC轉(zhuǎn)換器支撐時(shí)的電壓電流情況

圖4 DC/DC轉(zhuǎn)換器支撐時(shí)電流上升情況

監(jiān)控屏將采集直流主路檢測模塊的數(shù)據(jù)在直流數(shù)據(jù)界面顯示，顯示數(shù)據(jù)包括電池電壓、電池電流、溫度、母線電流、合閘母線電壓、控制母線電壓；監(jiān)控屏將采集交流主路檢測模塊的數(shù)據(jù)在交流全電量數(shù)據(jù)界面顯示，交流數(shù)據(jù)界面包含交流輸入全電量信息、交流輸入諧波信息以及電能信息。

4 結(jié)語

綜上所述，本項(xiàng)目在考慮到工業(yè)負(fù)荷的前提下設(shè)計(jì)一種現(xiàn)代化的電源系統(tǒng)，該電源系統(tǒng)與直流供電接口存在緊密聯(lián)系，在立足于太陽能光伏、儲能等分布式發(fā)電的基礎(chǔ)上，圍繞直流負(fù)荷的應(yīng)用展開分析，促使該電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性更加顯著，該系統(tǒng)不僅存在抗晃電作用，還可以對新能源進(jìn)行接入，實(shí)現(xiàn)了消納的目的，打破以往供電可靠性不足的局面，在用電經(jīng)濟(jì)性方面也產(chǎn)生較大進(jìn)步。在此過程中，壓差控制裝置體現(xiàn)出自身作用，也借助了靜態(tài)開關(guān)，確保在出現(xiàn)電壓暫降時(shí)系統(tǒng)可以及時(shí)應(yīng)對、迅速切換。

系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)屬于本文的重點(diǎn)內(nèi)容，以其他模塊為前提實(shí)施相應(yīng)的擴(kuò)展工作，在實(shí)現(xiàn)不斷電檢修的過程中也較為簡單，熱插拔設(shè)計(jì)將會實(shí)現(xiàn)此目的。對于此系統(tǒng)來講，不僅能夠避免電壓暫降保持在較高狀態(tài)，還可以避免生產(chǎn)過程受到停電問題帶來的影響，對廠區(qū)供電質(zhì)量的增強(qiáng)具有關(guān)鍵性作用，幫助企業(yè)節(jié)能、減損，使企業(yè)的效率更高。