城市轨道交通集中式UPS电源系统设计

2018-11-19王亚彬

通信电源技术 2018年9期

王亚彬

（中国铁路设计集团有限公司，天津300251）

0 引言

随着我国经济发展和城镇化建设，城市轨道交通实现快速发展，截止2017年底中国大陆已有35座城市，171条线路开通。考虑资源优化、集中利用、减少投资、便于维护管理和降低运营成本的因素，在轨道轨道交通工程中集中式UPS方案比分散式独立UPS方案更有优势，在新兴城市或新建线路中成为首选方案。然而，现行规范和标准尚未对城轨集中式UPS有明确的系统设计规定，一定程度上影响了集中式UPS电源系统的合理应用。

1 集中式UPS的运行方式

作为城市轨道交通中重要负荷的后备电源，供电可靠性要求较高，集中式UPS电源系统一般采用冗余备份的供电方式。冗余配置方案主要包括：主从备份方式、直接并机冗余方式和双总线冗余方式，系统配置、运行方式和特点，详见表1。

从工程投资角度，方案一与方案三的投资相当，方案二的投资相对低。而结合地铁车站、场段及OCC的负载容量不大（相对与数据中心工程），方案二的技术经济性并不明显。考虑到运营单位对集中式UPS的供电可靠性和可维护性有迫切实际的需求，方案三在城市轨道交通中应用具有较强的优势。

2 集中式UPS的工程计算

由于UPS电源系统集成度较高，相关计算具有较强的专业性，工程设计人员在可行性研究、初步设计和招标施工图阶段多依赖于工程经验，而主机容量定型和电池容量配置依赖于中标集成商的技术能力，一定程度上影响系统设计的合理性。集中式UPS的负荷计算主要分为主机容量计算和电池容量计算。

表1 集中式UPS电源系统供电方式对比表

2.1 UPS主机容量计算

按“双总线冗余”方案计算UPS单机容量，需要的输入条件如下：

负载设备容量：P（kW），负载功率因数：cosΦ，需要系数：Kx，同时系数：Kt，容量裕度系数：Kk；

根据负荷计算公式：

结合负载设备情况，Kt一般取0．8～0．95，Kt一般取0．7～0．9；根据JGJ16－2008第6．3．3条，Kk取1．3。

在工程设计阶段，主机容量计算主要用于配电变压器计算、设备尺寸与载荷、房间环控要求等设计配合工作。

2.2 UPS电池容量计算

电池容量配置与UPS冗余方案关系极大，“双总线冗余”方案就有两种模式：一种模式，两套UPS主机均配置100%负载容量的后备电池；另一种模式，两套主机各配置50%负载容量的后备电池，且后备电池间设置联络开关；两种模式的电池配置数量将相差一倍。本文仅介绍按照额定负载容量需求，计算电池理论容量步骤如下：

（1）结合各负载所需的后备时间划分放电阶段，依据YDT5040－2005《通信电源设备安装工程设计规范》计算出各阶段的放电电流，计算公式如下：

式中，I为蓄电池放电电流（A）；S为负载标称容量（VA）；η为逆变器转换效率；E为蓄电池放电时逆变器的直流输入电压（V）；K为蓄电池的放电效率。根据设备工艺和行业标准，一般逆变器效率η介于0．9～0．95；直流输入电压E（V）与主机容量和产品工艺相关，一般主机80 kVA及以下取400 V，80～200 kV间取600 V。

（2）按照直流母线允许最低电压要求，确定单体蓄电池放电终止电压。计算容量时，根据不同蓄电池型式、终止电压和放电时间，从DL／T5044－2004附表B．6－表B．14中查找容量换算系数（Kc），然后根据阶梯计算法依次计算各阶段计算容量。考虑城市轨道交通中各负载工作性质和工作状态，按照无末期冲击放电负荷（CR）校验蓄电池计算容量。

（3）根据上述蓄电池计算容量，结合蓄电池的最小单体电压和单体容量，计算蓄电池的数量。以蓄电池容量470 Ah，直流输入电压600 V，电池最小单体电压12 V，容量120 Ah计算，将需要电池数量为：200只（应为“600÷12＝50”的整数倍）。

在工程设计阶段，蓄电池容量的计算主要用于确定电池的布置形式（电池柜／电池架）、估算结构载荷、电池室的房屋面积及环控要求等设计配合工作。