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城轨中发电机与超级电容作为后备电源的组合研究

摘 要：地铁供电系统是城轨工程中重要的系统之一，进一步优化改善后备电源具有一定的意义。
本设计较系统的阐明了在供电系统中增设发电机和用超级电容替换蓄电池组成的后备电源的意义、设计、应用。特别是城市轨道交通地铁车站、控制中心的后备电源，一旦发生故障停电，将直接影响运输生产。
关键词：动力照明供电系统;发电机;超级电容;市电
1  超级电容器基本原理
超级电容通过介质分离正负电荷的方式储存能量，是物理方法储能。超级电容属于双电层电容器，它是世界上已投入量产的双电层电容器中容量最大的一种，其基本原理和其它种类的双电层电容器一样，都是利用活性炭多孔电极和电解质组成的双电层结构获得超大的容量。
2  技术方案
方案设计旨在为0.4KV系统加装发电机，去除EPS、UPS后备电源改为超级电容，考虑故障影响最大可能性，地铁中最少能够满足在一个主变电所或一个供电分区退出运行后启动智能发电机继续运营要求，同时保障地铁控制中心在系统停电后启动该装置不断电。需要建立数学模型，深入研究，得出组合有效数据，应用于设备二次部分实现设备保护功能和其可行性。
2.1发电机组供电条件及要求
（1）系统全部失压，电压互感器监测到动力变压器下方均已失电，801和802均处于分闸状态。
（2）发生反送电自动停机，且供电频率波形、大小与系统（市电）电压相同，启动时需要与按市电相关参数比较进行检同期。
（3）不超过两台发电机组且发电机故障异常状态不启动。
（4）启动后自动切除三级负荷。
（5）启动时间不超过10S，需小于超级电容正常放电时间。
2.2发电机组供电负荷计算
发电机所供负荷，按照车站、控制中心用电设备额定功率计算P=380V×I=p1+p2+p3…，其中有机电设备、供电设备、信号设备等。以西安地铁凤栖原车站为例每天用电消耗约为6000KW，目前市场柴油发电机具有较多优点，可以选用500KW～1000KW进口的柴油发电机组，从启动到稳压5～15秒，持续供电时间可达到8个小时。
2.3发电机机房设计
根据《建筑设计规范》中柴油发电机消防要求，其应采用耐火极限不低于2.00h的隔墙和1.50h的楼板与其他部位隔开，采用独立防火分隔，单独划分防火分区和单独设置储油间，储油量不超过8小时需要量，机房内设有干燥消防沙池。发电机组距建筑物和其它设备至少一米，并保持良好的通风，有应急照明、应急指示、火灾报警装置。整个机房需紧邻地铁车站变电所，这样便于接线，减少电能损耗，也便于运行管理。
柴油发电机房的通风问题是机房设计中要特别注意解决的问题，特别是机房位于地下时更要处理好，否则会直接影响柴油机发电机组的运行。机组的排风一般应设热风管道有组织地进行，不宜让柴油机散热器把热量散在机房内，再由排风机抽出。机房内要有足够的新风补充，因处于地铁车站小系统中，发电机启动时相应小系统通风模式也要启动，机房的换气量应等于或大于柴油机燃烧所需新风量与维持机房室温所需新风量之和。维持室温所需新风量由下式计算： c= 0.078p t 式中： c——需要的新风量（m3/s） p——柴油机额定功率（kw） t——机房温升（ °c）。 维持柴油机燃烧所需新风量可向机组厂家索取，若无资料时，可按每千瓦制动功率需要0.1m3/min算（柴油机制动功率按发电机主发电功率千瓦数的1.1倍配备）。柴油发电机房的通风一般采取排风设置热风管道，进风为自然进风的方式。热风管道与柴油机散热器连在一起，其连接处用软接头，热风管道应平直，如果要转弯，转弯半径尽量大而且内部要平滑，出风口尽量接近且正对散热器热风管理直接伸出管外有困难时可设管中导出。进风口与出风口宜分别布置在机组的上下行两端，以免形成气流短路，影响散热效果。 机房的出风口、进风口的面积应满足下式要求： s1≥1.5s s2≥1.8s 式中： s——柴油机散热面积; s1——出风口面积; s2——进风口面积; 在寒冷地区应注意进风口、排风口平时对机房温度的影响，以免机房温度过低影响机组的起动。风口与室外的连接处可设风门，平时处于关闭状态，机组运行时能自动开启。
排烟系统的作用是将气缸里的废气排放到室外。排烟系统应尽量减少背压，因为废气阻力的增加将会导致柴油机出力的下降及温升的增加。排烟噪声在机组总噪声中属最强烈的一种，应设消音器以减少噪音。
3 超级电容的动力UPS系统及其储能方法
包括整流器、逆变器、双向DC/DC变换器、储能系统。储能系统由超级电容器组、超级电容均衡电路和CMS组成。整流器用于将输入配电的交流电压转换成高压直流电压，并为逆变器提供电源;逆变器用于将前端的高压直流电压转换成满足负载使用要求的交流电压;整流器通过双向DC-DC变换器对储能系统进行充电和浮充电。本设计以超级电容器为储能单元，采用在线并联热备方式，弥补动力设备在电网停电瞬间发电机启动前造成的停电状态。本设计在低温条件下（极限温度-40℃）仍能正常工作，具有体积小、免维护、寿命长、功率性强、可靠性高等特点，可以满足大功率的瞬时供电要求。
4可靠性分析及经济效应
4.1可靠性分析
目前，智能变电站在电力系统中得以推崇，智能变电站中的交直流系统采用一体化电源系统。但是，随著智能车站的不断发展和长期运行实践的积累，一体化电源系统他也暴露了一些不足之处。其中可靠性方面主要表现为：蓄电池本身固有特性影响直流供电系统可靠性的进一步提高。而超级电容解决这一问题并且有很广阔的前景，可实现免维护，检测方便。
超级电容运行过程中维护工作极少，可实现真正意义上的免维护，而蓄电池实际使用过程中仍然必须进行定期的维护。超级电容容量与其端电压有较为严格的对应关系，因此检测电路相对简单。而蓄电池容量与其内阻、充放电电流及电压有关，检测工作繁琐。
综合以上，采用基于超级电容储能和发电机可持续性的后备电源供电系统，有效提高了地鐵车站供电系统的可靠性。
4.2经济效应
减少车站UPS装置，特别是造价昂贵在线式UPS，转换为发电机供电，可以达到停电不停运模式，所挽回经济损失较大，日常使用蓄电池供电范围小、时间短，市电停电后，故障如果短时无法排除，那带来的社会影响较大，经济影响无法估量，并且超级电容柜体积小，可放置于控制室内，不需要像蓄电池一样单独设置房间，但需要为发电机设置独立房间，定期维护和开启。
4.3环境效应
发电机组是一种动态设备，存在噪音、废气污染等问题，按照现有发电机设计，可以满足噪音低、废气处理功能的要求，达到相关省市治理标准。
参考文献：
[1]冯仁杰.电气化铁道供电系统[M].北京：中国铁道出版社，1997.
[2]李月.超级电容储能系统研究[D].北京：北京交通大学，2015.
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[4]李春敏.超级电容用于智能变电站直流供电系统的研究[D].北京：北京交通大学，2016.
[5]陆志峰.超级电容器均压装置设计[D].北京：北京交通大学，2015.

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