新型并联型直流电源屏设计和应用

2022-06-30王斌晓

电气化铁道 2022年3期

王斌晓

0 引言

铁路电力操作电源目前大多采用直流电源，为电力工程控制、保护、信号、操作等提供电源，以及为直流事故照明负荷等提供应急电源，已在铁路配电所、牵引变电所中广泛应用。直流电源是电力系统控制、保护的基础设施设备，是确保铁路行车安全的关键技术装备。

直流电源由直流电源屏提供。直流电源屏由交流双路输入配电单元、充电机模块、降压硅链、合闸电源母线、操作电源母线、直流馈电单元、配电监控单元、监控单元及绝缘监测单元组成。直流屏配套设置电池屏，并安装有铅酸盐蓄电池组及电池巡检装置。

在直流电源屏内，交流输入电源通过双电源开关（ATS）和充电机向屏内合闸母线提供直流电压，同时向连接在合闸母线上的蓄电池组充电。通过硅链等调压装置将合闸母线电压进行动态降压后提供给屏内的控制母线，屏内的合闸母线和控制母线向站内电力系统提供合/分闸直流电源和控制、应急照明用直流电源。

合闸母线及控制母线一般使用DC 110 V或DC 220 V电压（为了便于讨论，本文将母线电压或输出电压规定为DC 110 V），而单节铅酸盐蓄电池标称电压为12 V，一般在直流屏中将多个铅酸盐蓄电池串联后通过隔离开关及熔断器连接到合闸母线上，并为保证蓄电池安全设置有电池巡检仪。

为规范直流电源屏的设计、使用和维护，国家铁路局，国家能源局颁布了一系列标准规范[1，2]。随着电子电力能源交换及其控制技术、新型器件的成熟应用，直流电源屏产品已取得技术突破。

1 直流屏产品现状

在铁路电力领域，按照不同的规模，直流系统配置规模为：普通开闭所、分区所、自耦变压器所配置1组蓄电池、1套充电装置；普通牵引变电所和重要开闭所配置2组蓄电池、2套充电装置；枢纽牵引变电所配置2组蓄电池、3套充电装置，如图1所示。

在多年的使用过程中，直流电源系统暴露出一些问题亟需得到解决。这些问题主要包括：

（1）直流电源系统作为重要基础电力设施，是电力系统重大故障时的最后屏障，要求具有极高的可靠性。然而合闸母线上的蓄电池组为串联结构，任何一节电池故障离线，都将导致整组蓄电池容量丢失。对于配置两组蓄电池的直流电力系统，任意一节蓄电池故障时后备容量丢失一半；对于配置1组蓄电池的直流电力系统，任意一节蓄电池故障时后备容量全部丢失。在电池容量丢失时出现交流失电事故，将导致停电事故恢复延误，极可能造成重大生命财产损失。

图1 枢纽牵引变电所直流系统

（2）通常情况下，蓄电池组处于满电且不放电的状态，直流负荷电流由充电机提供。在这种状态下，目前尚不具备可实时而准确地识别出蓄电池容量是否出现丢失的有效方法，而仅可通过定期放电试验和核容试验检查蓄电池放电能力和实际容量，其时效性较差。

（3）串联的蓄电池组中任何一节电池出现故障时，无法进行在线维护，必须对直流屏内直流母线进行倒闸作业以退出故障蓄电池组，该维护工作受到天窗时间的限制，这种故障电池的维护限制加大了停电事故发生的风险。

（4）蓄电池串联使用的构架要求电池特性必须一致，即所有电池必须同品牌、同型号、相同使用时间，当整组蓄电池中任何一节故障，必须将整组电池进行更换。

（5）随着使用时间的增加，串联的蓄电池组特性由其中最差的一节蓄电池特性决定，即整组蓄电池的可用放电容量由剩余容量最小的那一节蓄电池决定。这是典型的木桶原理，串联的蓄电池越多，风险越大。

（6）受蓄电池内阻影响，在电流负载突然增大时，蓄电池端口电压将出现较大的瞬间跌落，跌落的大小受蓄电池端口实时电压水平、内阻、剩余电量、瞬时放电电流大小、电流上升速率等因素的影响，而这些参数并非在蓄电池的整个使用寿命内维持不变，虽然直流屏内设置了硅链等自动调压装置以调节控制母线电压，但其动作时间总是迟于电流突变出现时间，只能维持控制母线稳态电压水平，并不适合于对瞬态电压水平的控制。因此，在断路器合闸冲击电流出现瞬间，直流母线电压极可能跌落到允许值以下（新电池可以维持，但由于内阻的变化，并不能保证旧电池也可以维持）。为了尽可能克服上述情况的出现，在直流屏内分别设置合闸母线和控制母线。合闸母线实际电压远高于标称电压，用于向冲击性负载供电（即断路器的合闸/分闸线圈）；控制母线的电压略高于标称电压，向开关控制器供电。即直流屏的出口电压与标称电压是不一致的，并且出口电压还受到充电机恒充电压和浮充电压的影响，恒充电压高于浮充电压。

出现上述问题的直接原因是由蓄电池组串联结构造成的，在20世纪中期，这种串联结构与当时的技术水平相匹配。随着电力电子能源变换及控制技术的进步及新型电力电子器件的更新换代，目前可以采用并联构架的直流系统取代蓄电池串联结构，在提升系统性能的同时，解决上述问题，使得直流系统的可靠性得到极大提高，运维成本大幅降低。

2 并联型直流电源屏构架

所谓并联型直流电源系统，其核心是使用三端口DC-DC变流器连接DC 12 V电池单体和DC 110 V直流母线，实现直流电压的隔离变换。交流电源输入作为外部供电电源，通过三端口DC-DC变流器向直流母线提供工作电源，同时向蓄电池提供充电电源；DC 12 V电池通过三端口DC-DC变流器向DC 110 V直流母线提供事故后备电源。多个三端口DC-DC变流器的直流输出侧并联，实现对直流母线的冗余供电支持。

并联型直流电源主要组成包括交流输入侧的双电源开关（ATS）及其控制器、三端口DC-DC变流器、蓄电池、直流母线、馈出开关、I/O控制和监测单元、绝缘监视单元、AD采样电源、监控主机，其架构如图2所示。

图2 并联型直流电源屏构架

将图2所示的直流电源系统与图1所示的直流系统比较，主要差异在于图2所示的并联型直流系统中蓄电池不再相互串联以达到提升直流电压的目的。在并联型直流电源中，每节蓄电池与三端口DC-DC变流器配对使用，组成一个供电单元，三端口变流器的交流侧与输入交流电源连接；三端口变流器的直流输出侧与DC 110 V母线连接。多个供电单元在交流侧和直流侧分别并联，以达到增加系统总输出功率（或电流）的目的。两种电源系统在系统组成上的具体差异见表1。

表1 并联型与串联型直流电源系统的配置差异

3 并联型直流电源屏关键技术

通过对构架和组成的对比明显可以看出，在并联型直流电源屏中，三端口DC-DC变流器是一种全新的设备，为直流电源系统中的核心设备，并联型直流电源屏系统的功能实现围绕三端口DC-DC变流器展开。

3.1 三端口DC-DC变流器主电路

三端口DC-DC变流器需要实现从交流输入到DC 110 V的变换；从交流输入到DC 12 V的变换；从DC 12 V到DC 110 V的变换。图3展示了可以实现这些变换的4种典型拓扑结构。考虑到DC 110 V不可与交流系统或蓄电池共地，主电路应实现3个端口之间的电气隔离。

图3 三端口变流器主电路拓扑结构

图3中I型拓扑设置了2个AC/DC电路，为实现隔离目的，每个AC/DC电路还需设置1套DC-DC隔离电路。考虑输入功率因数尽可能高，输入谐波电流尽可能小，AC/DC电路可以由PFC整流电路[3]和正反激变换器（或反激变换器）[4]组成。另外还有1个DC/DC电路，可以使用boost电路加高频隔离电路搭建[5]。

图3中Ⅱ型拓扑设置了中间母线，考虑到功率器件耐压、工作电流及3个端口的电压水平，中间母线电压宜设定为DC 400 V。其中AC/DC电路无需隔离，因此只需使用一级PFC整流器即可。蓄电池与中间母线之间的电流需双向流动，可以使用隔离型桥式双向DC-DC变换器[6]，这是一种典型的隔离型双向变换器，主要由2个全桥变换单元，1个高频隔离变压器和电感组成。通过调节开关管的控制信号使得前后级全桥分别产生占空比可调、相位可移的方波电压，进而实现能量的双向传输。可以通过开关管控制信号开关过程实现寄生电容的电荷交换，进而实现零电压开关，以达到降低开关损耗的目的。中间母线与直流母线之间的DC-DC变换器同样可以使用隔离型桥式双向DC-DC变换器。

图3中Ⅲ型拓扑通过AC/DC电路将输入交流直接变换为DC 220 V输出，其电路由PFC整流电路和正反激变换器（或反激变换器）组成。蓄电池与直流母线之间的DC/DC使用隔离型桥式双向DC-DC变换器实现。

图3中Ⅳ型拓扑设置了电压为DC 12 V的中间母线，AC/DC需要实现整流变换和隔离，其电路由PFC整流电路和正反激变换器（或反激变换器）组成。由于前级AC/DC需要同时实现向蓄电池的充电功能及向后级DC/DC的供电，需要在恒压限流、恒流限压工作模式之间切换，控制难度较大。后级DC/DC电路需适应较大的输入电压变化范围，也有较大的控制难度。后级DC/DC可以使用隔离型桥式双向DC-DC变换器实现。

综合比较而言，图3所示的4种主电路拓扑结构各具特点，从主电路实现难度和控制复杂程度比较，I型拓扑最佳；从成本角度比较，Ⅳ型拓扑最佳；综合考虑器件成本、效率，以Ⅱ型为好。

3.2 在线核容

随着使用时间的增加，蓄电池将发生各种不可逆的物理和化学变化，导致蓄电池实际容量逐渐低于标称容量[7]。对于新装机蓄电池及在使用寿命内的蓄电池，按照维护管理规定应对蓄电池的容量进行核对性检查（简称核容），以检验蓄电池实际放电容量是否在可靠范围内。将蓄电池组从直流母线上脱离，按照充电程序对其进行充电并达到满电状态，然后以规定的放电率对蓄电池组进行恒流放电，当蓄电池组中任何一节电池的端电压达到终止放电电压时，停止放电，记录放电电流和持续放电时间，以电流和时间的乘积作为该组蓄电池的实际容量[8]。为获得可靠的数据，该过程应重复3次。当蓄电池组实测容量小于标称容量的80%时，应对该组蓄电池进行更换。

长期以来，蓄电池的核容试验是利用电阻和放电试验仪进行。该项工作必须使用备用电池将工作蓄电池从直流系统中替换下来，工作量极大。由于核容试验定期进行，当在蓄电池寿命末期需要更为频繁地进行试验时，将增加调度管理难度。核容结果表征了本组蓄电池的实际容量，并不能反映出每一节蓄电池的实际容量。

在并联型直流电源屏内，蓄电池与三端口DC-DC变流器一对一连接后再接入直流母线的构架，为每一节蓄电池的在线核容创造了硬件条件。在线核容的意义在于，可以在任意时间对任何一节蓄电池的容量进行检查，在蓄电池容量发生下降并达到临界值前进行更换，而不必再对整组蓄电池进行预防性更换，相当于延长了蓄电池的使用寿命。

蓄电池的在线核容在监控主机和三端口DC- DC变流器的配合下完成。监控主机根据预设的核容周期、核容队列，在恰当的条件下启动对某一节蓄电池的核容程序，程序流程见图4。进行核容的条件：并联型直流屏总输出电量大于0.1 C，所有三端口DC-DC运行正常。图4中，Qo为三端口DC-DC恒流模式输出电量，Ubat为蓄电池端口电压，Uth为蓄电池最低允许电压，t为累计放电时间，Tth为最大允许核容放电时间，n为累计核容次数。

在核容过程中，为保证核容过程能够持续进行，三端口DC-DC输出电量Qo始终维持在比0.1 C小ΔQ的水平，ΔQ为一个预设值，其范围为0～0.1 C。另外，在核容过程开始后，如果在最大时间Tth内蓄电池端电压没有降低到Uth以下或并联式交流屏总输出电流小于0.1 C，将强制结束核容过程。被强制结束核容过程的蓄电池将重新排队等待核容。

按照式（1）得出蓄电池实际容量Qpra：

式中：Io为三端口变流器输出电流，A。

将Qpra与蓄电池标称容量Q进行比较，如果Qpra≤0.85Q，则发出预警信号，提示蓄电池寿命即将耗尽；如果Qpra≤0.8Q则发出报警，提示蓄电池必须立即更换。

图4 在线核容流程

3.3 内阻测量

蓄电池在充放电过程中的化学反应和物理变化对蓄电池内部结构造成了损耗，这种损耗与充放电次数、深度、使用时间、充放电电流、环境等诸多因素有关。相关研究表明，这些因素都反映到蓄电池内阻的变化量及变化速率上[7，9]。在对蓄电池内阻准确测量的基础上，可以根据内阻量值的变化及内阻变化速率对蓄电池早期失效进行预测。

蓄电池内阻的测量分为在线测量和离线测量两大类，在线测量方法主要有交流信号注入法[10]。离线测量方法主要包含直流放电法、交流放电法。在并联型直流电源屏中，内阻测量特别适合采用交流注入法。

采用交流注入法时，在蓄电池使用过程中，可在蓄电池两端施加一个特定频率的激励电压，即可通过充电或放电电流识别出一个特定频率的电流信号，对该信号进行滤波处理，利用欧姆定律计算出其内阻。当激励电压信号为

可以检测到一个电流响应信号：

式（2）除以式（3），得蓄电池在频率2πω信号下阻抗为

其中，Zs的模即为所测蓄电池的内阻。

在实际使用中，由于蓄电池内阻在毫欧级别，交流信号注入法通常注入一个幅值非常小的电压激励，以获得一个合适的电流输出。但由于三端口DC-DC变流器工作时不可避免地会产生开关次及以上次数的谐波干扰，对测量结果造成干扰，这是在线测量的一个固有缺陷。选择一个远低于三端口DC-DC变流器开关频率的信号作为注入信号，并在电流测量回路中使用硬件或软件锁相技术，则可以有效避免干扰。更彻底的解决措施是在注入激励信号的瞬时，短暂停止三端口DC-DC变流器开关器件工作，测量完毕后重新启动开关器件即可。

4 并联型直流电源屏替换串联型电源屏的实施方案

变电站直流系统的配置需要满足诸多要素[11]。从负荷的角度考虑，必须满足经常性负荷、事故负荷和冲击负荷的供电需求。并联型直流电源屏通过多个三端口DC-DC变流器的并联来满足对负荷电流的支撑。文献[11]给出了不同类型变电站直流负荷统计表，以其中110 kV变电站（户外）110 V直流负荷为例，统计表见表2。

三端口DC-DC变流器的额定输出电流为4 A，1 min过载能力16 A，配置数量n应满足全站最大负荷要求，计算过程如下：

查表2，得到最大稳态负荷电流Io.sta.max= MAX(I1,I2,I3,I4) = 51.77 A，应配置模块数量n=Io.sta.max/4 = 12.943，向上取整后n= 13。按照最大输出电流Io.max复核，Io.max=Io.sta.max+IR= 65.87 A，13台三端口DC-DC变流器1 min输出电流能力Io.1min= 13×16 = 208 A＞Io.max。

计算表明，表 2给出的变电站所配置的并联型直流电源屏内需要配置13台三端口DC-DC变流器，稳态输出电流满足经常性负荷、事故初期负荷及持续放电负荷要求，最大输出电流满足5 s随机负荷与稳态放电负荷叠加的电流要求。

表2 110 kV变电站（户外）110 V直流负荷统计

每台三端口变流器连接一块蓄电池，13台变流器均流运行，共需配置13块蓄电池，每块蓄电池放电电流相同，放电电流≈51.6 A。

每块蓄电池的容量Q为稳态放电所需容量QCl与瞬态放电所需容量CCh之和：

式中：Krel为可靠性系数，一般取1.4，是蓄电池温度系数（取1.10）、老化系数（取1.10）、裕度系数（取1.15）的积，具体定义见参考文献[11]；Kc120、Kc5为容量换算系数，在蓄电池放电终止电压为1.87 V时，120 min容量换算系数取0.334，5 s容量换算系数取1.27，见参考文献[11]中表4-9。

根据以上计算结果，蓄电池容量取300 A·h，蓄电池端口电压12 V。

5 预期效益分析

从建设成本、维护成本两个维度进行定量分析，从可靠性、可维护性两个维度进行定性分析。对照同等容量和馈出规模的传统电池串联直流电源屏，评价并联型直流电源屏的显著优势及不足之处。

5.1 建设成本

表1分析了并联型直流电源屏与串联型直流电源屏的配置差异。并联型直流电源屏增加了三端口DC-DC变流器，取消了充电机，电池巡检仪、调压硅链、合闸母线等部件。但总体而言，采用并联型直流电源屏将增加直流系统造价。

5.2 维护成本

并联型直流电源屏可延长电池使用寿命，具有支持电池混合使用、在线核容、在线放电试验、蓄电池内阻在线测量等功能。相比串联型直流电源屏，可以实现设备级自主、自动维护，无需人工定期试验，从而节约维护费用支出。

各铁路局/站段对直流电源屏的定检维护要求不尽相同，对于电池串联型直流电源屏，参照《电力工程直流系统设计手册（第二版）》、TB/T 2892—2018《电气化铁路用直流电源装置》、DLT 1074—2019《电力用直流和交流一体化不间断电源设备》等规范和标准，直流电源系统应定期巡检。对于蓄电池最低应做到投用首年、6年内每2年，6年后每年进行全核对性充放电试验；电池运行时间2年以内的应每6个月进行1次放电试验，2年以上的每3个月进行1次放电试验。进行放电试验以及核对性充放电，应准备电池内阻测试仪、放电仪、备用电池等器材。

蓄电池的全核对性试验用时较长，且在核容期间充放电不能中断，否则将被判定为核容失败，需要重新进行核容。