王亞彬

（中國鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津300251）

0 引 言

隨著我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展和城鎮(zhèn)化建設(shè)，城市軌道交通實(shí)現(xiàn)快速發(fā)展，截止2017年底中國大陸已有35座城市，171條線路開通。考慮資源優(yōu)化、集中利用、減少投資、便于維護(hù)管理和降低運(yùn)營成本的因素，在軌道軌道交通工程中集中式UPS方案比分散式獨(dú)立UPS方案更有優(yōu)勢，在新興城市或新建線路中成為首選方案。然而，現(xiàn)行規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)尚未對城軌集中式UPS有明確的系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)定，一定程度上影響了集中式UPS電源系統(tǒng)的合理應(yīng)用。

1 集中式UPS的運(yùn)行方式

作為城市軌道交通中重要負(fù)荷的后備電源，供電可靠性要求較高，集中式UPS電源系統(tǒng)一般采用冗余備份的供電方式。冗余配置方案主要包括：主從備份方式、直接并機(jī)冗余方式和雙總線冗余方式，系統(tǒng)配置、運(yùn)行方式和特點(diǎn)，詳見表1。

從工程投資角度，方案一與方案三的投資相當(dāng)，方案二的投資相對低。而結(jié)合地鐵車站、場段及OCC的負(fù)載容量不大（相對與數(shù)據(jù)中心工程），方案二的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性并不明顯?？紤]到運(yùn)營單位對集中式UPS的供電可靠性和可維護(hù)性有迫切實(shí)際的需求，方案三在城市軌道交通中應(yīng)用具有較強(qiáng)的優(yōu)勢。

2 集中式UPS的工程計(jì)算

由于UPS電源系統(tǒng)集成度較高，相關(guān)計(jì)算具有較強(qiáng)的專業(yè)性，工程設(shè)計(jì)人員在可行性研究、初步設(shè)計(jì)和招標(biāo)施工圖階段多依賴于工程經(jīng)驗(yàn)，而主機(jī)容量定型和電池容量配置依賴于中標(biāo)集成商的技術(shù)能力，一定程度上影響系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性。集中式UPS的負(fù)荷計(jì)算主要分為主機(jī)容量計(jì)算和電池容量計(jì)算。

表1 集中式UPS電源系統(tǒng)供電方式對比表

2.1 UPS主機(jī)容量計(jì)算

按“雙總線冗余”方案計(jì)算UPS單機(jī)容量，需要的輸入條件如下：

負(fù)載設(shè)備容量：P（kW），負(fù)載功率因數(shù)：cosΦ，需要系數(shù)：Kx，同時(shí)系數(shù)：Kt，容量裕度系數(shù)：Kk；

根據(jù)負(fù)荷計(jì)算公式：

結(jié)合負(fù)載設(shè)備情況，Kt一般取0．8～0．95，Kt一般取0．7～0．9；根據(jù)JGJ16－2008第6．3．3條，Kk取1．3。

在工程設(shè)計(jì)階段，主機(jī)容量計(jì)算主要用于配電變壓器計(jì)算、設(shè)備尺寸與載荷、房間環(huán)控要求等設(shè)計(jì)配合工作。

2.2 UPS電池容量計(jì)算

電池容量配置與UPS冗余方案關(guān)系極大，“雙總線冗余”方案就有兩種模式：一種模式，兩套UPS主機(jī)均配置100%負(fù)載容量的后備電池；另一種模式，兩套主機(jī)各配置50%負(fù)載容量的后備電池，且后備電池間設(shè)置聯(lián)絡(luò)開關(guān)；兩種模式的電池配置數(shù)量將相差一倍。本文僅介紹按照額定負(fù)載容量需求，計(jì)算電池理論容量步驟如下：

（1）結(jié)合各負(fù)載所需的后備時(shí)間劃分放電階段，依據(jù)YDT5040－2005《通信電源設(shè)備安裝工程設(shè)計(jì)規(guī)范》計(jì)算出各階段的放電電流，計(jì)算公式如下：

式中，I為蓄電池放電電流（A）；S為負(fù)載標(biāo)稱容量（VA）；η為逆變器轉(zhuǎn)換效率；E為蓄電池放電時(shí)逆變器的直流輸入電壓（V）；K為蓄電池的放電效率。根據(jù)設(shè)備工藝和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，一般逆變器效率η介于0．9～0．95；直流輸入電壓E（V）與主機(jī)容量和產(chǎn)品工藝相關(guān)，一般主機(jī)80 kVA及以下取400 V，80～200 kV間取600 V。

（2）按照直流母線允許最低電壓要求，確定單體蓄電池放電終止電壓。計(jì)算容量時(shí)，根據(jù)不同蓄電池型式、終止電壓和放電時(shí)間，從DL／T5044－2004附表B．6－表B．14中查找容量換算系數(shù)（Kc），然后根據(jù)階梯計(jì)算法依次計(jì)算各階段計(jì)算容量?？紤]城市軌道交通中各負(fù)載工作性質(zhì)和工作狀態(tài)，按照無末期沖擊放電負(fù)荷（CR）校驗(yàn)蓄電池計(jì)算容量。

（3）根據(jù)上述蓄電池計(jì)算容量，結(jié)合蓄電池的最小單體電壓和單體容量，計(jì)算蓄電池的數(shù)量。以蓄電池容量470 Ah，直流輸入電壓600 V，電池最小單體電壓12 V，容量120 Ah計(jì)算，將需要電池?cái)?shù)量為：200只（應(yīng)為“600÷12＝50”的整數(shù)倍）。

在工程設(shè)計(jì)階段，蓄電池容量的計(jì)算主要用于確定電池的布置形式（電池柜／電池架）、估算結(jié)構(gòu)載荷、電池室的房屋面積及環(huán)控要求等設(shè)計(jì)配合工作。

3 結(jié) 論

綜合地鐵工程集中式UPS的整合負(fù)載性質(zhì)、負(fù)載容量和技術(shù)經(jīng)濟(jì)性，雙總線冗余供電方式具有較強(qiáng)的技術(shù)優(yōu)勢，隨著市場份額增加和技術(shù)推廣經(jīng)濟(jì)性也有較大改進(jìn)空間。集中式UPS的主機(jī)容量計(jì)算和電池容量計(jì)算，與設(shè)備選型和邊界條件界定息息相關(guān)，直接影響土建工程的設(shè)計(jì)和投資，故工程計(jì)算方法應(yīng)合理選擇。