磷酸铁锂储能轨道交通UPS解决方案

1.概述

UPS供电系统是确保轨道交通系统能高效、安全及可靠地运营的基础条件，UPS供电系统给机房内用电设备提供高质量的不间断电源，来保证用电设备正常工作。轨道交通设备对UPS供电系统提出了很高的要求，高能量、高可靠性、易维护、易扩展、占用空间小、环境适应性强、节能环保均是轨道交通用UPS供电系统应具备的特性。现有轨道交通UPS供电系统基本采用了塔式UPS及铅酸电池，存在着使用及维护成本高、环境适应性差、故障修复时间长、系统抗电网干扰能力差、监控管理能力弱、故障数据记录简单、系统可扩展性差、能耗高、环保特性差等问题。

针对以上问题，本方案采用高性能的磷酸铁锂电池及适用于轨道交通领域的模块化UPS替代原有的铅酸电池及塔式UPS，结合智能配电管理技术、磷酸铁锂电池与UPS一体化技术、远程监控技术等核心技术，通过系统级的配置与总成，形成一套轨道交通用UPS的磷酸铁锂储能成套解决方案，从整体上提高轨道交通UPS供电系统的可靠性、可维护性及实用性。

2.系统组成

轨道交通用UPS的磷酸铁锂储能成套供电系统主要由适用于轨道交通领域的模块化UPS、磷酸铁锂电池组系统、智能配电屏、智能监控单元及其他组件、连接线束等组成。

典型的系统配置如图1所示。

图1 UPS成套系统典型配置图

3.系统原理

UPS成套系统的原理图如图2所示，正常工作时，变电所0.4kV为UPS供电系统提供两路主备用电源。两路主备电源经ATS切换后为两台UPS供电，两台UPS各自配置一组磷酸铁锂电池组。两台UPS采用冗余并联均载负荷方式（1+1并机使用），各分担50%负荷；两台UPS冗余并机输出，经智能配电柜向弱电设备进行供电。

图2 UPS成套系统原理图

4.功能特点

（1）磷酸铁锂电池组

轨道交通用UPS的磷酸铁锂储能成套供电系统采用磷酸铁锂电池组系统作为UPS的后备蓄电池，磷酸铁锂电池具有体积小、重量轻、充放电倍率大、无记忆效应、环境适应性强、无污染、使用寿命长等特点。

磷酸铁锂电池是指用磷酸铁锂作为正极材料的锂离子电池。磷酸铁锂电池的内部结构为电池的左边是橄榄石结构的LiFePO₄作为电他的正极，由铝箔与电池正极连接，中间是聚合物的隔膜，它把正极与负极隔开，但锂离子Li+可以通过，而电子e-不能通过，图3中右边是由碳（石墨）组成的电池负极，由铜箔与电池的负极连接。电池的上下端之间是电池的电解质，电池由金属外壳密闭封装。

图3 磷酸铁锂电池工作示意图

磷酸铁锂电池在充电时，正极中的锂离Li+通过聚合物隔膜向负极迁移；在放电过程中，负极中的锂离子Li+通过隔膜向正极迁移。锂离子电池就是因锂离子在充放电时来回迁移而命名的。

磷酸铁锂电池与其他电池的性能对比见表1：

表1 各种化学电池性能对比表

轨道交通用UPS的磷酸铁锂储能成套供电系统中，磷酸铁锂电池采用与UPS的一体化设计，配备了智能的电池组管理系统（BMS），可与UPS之间进行信息交互，对电池状态进行实时监控，对充放电过程进行保护，从整体上提高后备电池的可靠性。

系统示意图如图4所示。

图4 UPS成套系统示意图

磷酸铁锂电池组系统成组采用标准模块设计，标准模块由若干个相同规格的磷酸铁锂电池单体串并联而成，电池组再由若干个标准模块串并联而成。

模块整体结构采用全模具生产。结构件采用增强、阻燃、可回收的工程塑料。壳体结构采用一体化设计，提高了组装效率和结构强度，两端设计有把手，方便搬运和维护。整体上盖采用卡扣式结构，便于组装和维护。电池固定是由模块上罩和壳体一起紧固，其中电池上罩与壳体采用防盗螺栓。具体示意图如图5所示。

磷酸铁锂电池组系统安装在电池柜内，电池机柜采用高强度的框架式机柜，典型的机柜尺寸为600mm×1100mm×2200mm（宽×深×高）。具体示意图如图6所示。

图5 电池模块示意图

图6 电池组系统示意图

（2）模块化UPS

模块化UPS采用20kVA功率模块的并联技术，可实现机柜容量的灵活配置，且支持机柜间并联。单台UPS最多配置1个旁路模块和7个功率模块，即6+1冗余备份，共120kVA。20kVA功率模块的功率部分采用目前业界最前沿的三电平技术，控制技术为基于高速DSP的数字化并联技术，每个功率模块独立控制，故障模块自动退出系统，不会影响系统输出。功率模块包含整流、逆变、充电三个主要的功能单元。旁路模块包含集中旁路和监控单元，旁路控制的辅助电源和控制部分均为冗余设计，提高旁路可靠性。在兼具模块化UPS常规功能外，适用于轨道交通领域的模块化UPS在设计上进行了针对性的优化，实现了如下功能特点：

1）支持磷酸铁锂电池一体化设计，提高电池使用效率；

2）工作温度范围更宽，可达45℃；

3）具有故障录波功能，便于后期故障分析；

4）核心器件高防护等级设计且与散热风道分离，适应轨道交通恶劣环境；

5）柜体局部结构优化，防止施工状态下的水滴渗入；

6）输出短路保护自诊断恢复功能；

7）模块输入抗浪涌优化设计，有效抑制电网操作时瞬态的过电压；

8）功率模块实现在线热插拔，便于后期维护更换。

（3）智能配电柜

智能配电柜是机房以UPS电源为中心，形成了ATS、UPS输入配电、输出配电、配电智能仪表于一体的设备，可为信息设备近距离提供电源，可缩短线路传输距离，并可减少占地面积。产品经过系统的模块设计、严格的选材、工业化的生产，可实现快速安装及更换，大幅提高管理运营效率，降低各项成本。

主要功能如下：

1）输入配电功能：

①采用PC级自动转换装置，主路优先自投自复，并可以实现手动切换，具有短路保护功能；带载转换及耐受故障电流能力高；ATS设置4P手动维修旁路；

②两路切换装置自动转换或手动转换时有可靠的机械和UPS电源、电气双重互锁；

③可调整切换时间，最小切换时间低于100ms，可以有效避免因输入相位错误引起的事故；

④符合AC-33B标准，电寿命不小于6000次，机械寿命不小于10000次；

⑤转换装置前端和交流输出分路装有过电流保护开关；(www.xing528.com)

⑥加装防雷装置，有效避免浪涌电压的影响；

⑦输入电源电路可实现过电压、欠电压、过电流、断相保护；

⑧市电电能质量及回路状态实时监测；

⑨装置具备明显的工作位置指示、主/备电源状态指示功能及故障报警功能。

2）输出配电功能：

①对UPS输出的电源进行二次分配，输出至相关系统设备；

②可实现三相相位分配和平衡；

③配备分路输出电能表；

④各输出分路使用断路器作为过电流保护装置；

⑤UPS输入输出断路器及分配断路器具有热插拔功能；

⑥输出分路断路器装有检测装置；

⑦加装防雷装置，有效避免浪涌电压的影响；

⑧数字控制分时断电功能；

⑨输入电能质量实时监测；

⑩支路状态监测；

(11)输出分路电流管理；

(12)两级声光报警。

3）监控显示及其他功能：

①具有RS232/485/SNMP智能通信接口，可实现各类监控；

②监测系统输入输出电压、电流、频率及各分路状态，并通过通信接口传至显示屏显示及综合监控系统；

③显示器采用全中文、菜单式，能够显示系统运行状态，可设置交流电压异常门限值，可对交流过电压、欠电压、断相、停电、输出分路故障进行告警；

④告警发生时，有声光告警信号，并通过集中监控系统上传至集中监控网管，可在故障没有排除前手动切断声音；

⑤海量数据储存，方便维护人员查阅和分析；

⑥防尘等级达到IP30以上；

⑦增加顶部防尘网，防水盖；有效减少粉尘虫害及水滴进入，净化机器内部环境，提升产品可靠性；

⑧机柜面板采用了防灰尘型散热网孔设计，采用自然风散热方式，充分满足机柜散热通风要求；

⑨高度集成，接地箱、电池开关、智能监控单元、远程监控系统均集成安装于智能配电屏内。

（4）综合监控

智能监控单元同时实现了对轨道交通UPS的磷酸铁锂储能成套供电系统中各子系统数据的本地监测与组网及远程监控与管理。该设备结构紧凑，具备IP30等级保护，其简易的安装方式可以在很大程度上节省机柜的安装空间，接线也十分方便，非常适合工业领域嵌入式的应用。智能监控单元的工业级设计为自身的稳定运行提供了可靠的保障，性能得以充分发挥。高效的通信性能和无风扇的设计使得智能监控单元成为轨道交通领域应用的理想选择。

1）本地数据监测与组网：轨道交通用UPS的磷酸铁锂储能成套供电系统中的各个设备内的数据监控单元通过RS232或RS485总线，把信号汇集到智能监控单元，智能监控单元接收各个设备的信号数据后，通过以太网接口将数据上传至传输网并发送到网管中心，在网管中心可以监控到各站点轨道交通UPS的磷酸铁锂储能成套供电系统中每个设备的工作状况，如图7所示。

2）远程监控与管理：轨道交通用UPS的磷酸铁锂储能成套供电系统中的各个设备内的数据监控单元通过RS232或RS485总线，把信号汇集到智能监控单元，智能监控单元接收各个设备的信号数据后，通过GPRS接口将数据上传至Internet互联网，管理人员可以通过访问互联网实时监控到各站点轨道交通UPS的磷酸铁锂储能成套供电系统中每个设备的工作状况。同时一旦出现系统故障，智能监控单元会将故障信息第一时间通过短信方式发送至维保人员手机，通知相关人员立即处理，如图8所示。

图7 UPS成套系统数据监测与组网示意图

图8 UPS成套系统远程监控与管理示意图

5.适用范围

适用于各类轨道交通领域UPS供电系统。

6.应用案例

上海市轨道交通松江老城区公共交通配套工程UPS电源整合系统；

上海轨道交通11号线北段（二期）工程UPS电源整合系统；

上海轨道交通11号线南段工程UPS电源整合系统；

上海轨道交通12号线工程UPS电源整合系统；

上海轨道交通13号线（一期）工程和世博园区专用交通联络线工程UPS电源整合系统；

上海轨道交通3号线电源改造；

上海轨道交通10号线信号系统UPS改造。

（作者：上海航天电源技术有限责任公司 蒋新华）