抗电压波动的地铁电梯供电系统的设计与实验

廖慧 闫思玲 戴宏跃 陈林

关键词：电压暂降;地铁电梯;储能;安全性

0引言

近年，我国城市轨道交通快速发展，以北京为例，截至2019年，全市共有轨道交通线路22条，最高日客运量1348万人次，年客运量近38亿人次，占全市公共交通出行量的53%。电梯作为地铁的重要设备，承担着巨大的工作压力，直接关系到乘客的人身安全，必须稳定可靠、安全舒适。由于北京地铁网络规模巨大、线路长，有些站点距地面深度大、单台电梯长、负荷大、供电要求非常高，一旦出现断电或者电压波动，则会导致电梯运行不稳甚至停梯，易导致重大安全事故。

电压波动通常由雷击、短路、大负载启动、双路电源切换和某种瞬时性故障等原因所造成，最主要表现形式是电压暂降。为保障电梯运行平稳、安全可靠，必须解决电压波动问题。目前，地铁应用的电压波动治理设备有动态电压恢复器（DVR）、静止同步补偿器（D-STATCOM）、固态切换开关（SSTS）等，但存在成本较高、适应性较差等问题。

随着储能技术的发展，结合储能系统和变流器的技术特性，在实现与电网能量交互的同时，可有效解决综合电能质量问题，对电压波动具有更好的调节效果和良好的经济性。本文根据北京地铁的400v供电系统的优化改造要求，应用新型储能和变流技术，提出了抗电压波动的地铁电梯安全供电系统方案，提升了400v母线供电的可靠性，保障了电梯等重要负载的用电安全，实验证明了该方案的有效性。

1系统方案

1.1当前供电状况

北京地铁当前配电方式是城市110kv变电站-地铁10kV变电站-400v。此配电方式与国内主流是110kV-35 kV-400v的配电方式略有不同。地铁专用10kV变电站输出电力线相当一部分采用架空线而不是电缆，容易出现单相接地或相间短路，一般此类短路保护时间定值为1-2 s，在切除故障回路时间内，所有负荷电源质量都会受到影响，包括地铁运营用电。目前北京地铁供电方案如图1所示，400 v电压波动基本都是由10 kv外部电源引起的，车站动力变压器一般都小于1 MVA，400 v低压负载率往往小于50%，必须保证400v一段进线可以带全站负荷。400 v母线侧设置有APF有源滤波器，功率因数大于0.95。401、402和445为隔离断路器，T1、T2为变压器。该供电系统虽然采用双路供电，但因没有自动化中控系统，无备用的储能供电装置，一旦市电出现较大波动，对输出部分的电能质量将影响较大，电梯有可能骤停，危及乘客人身安全，因此需对其进行优化改造，提升供电安全性。

1.2总体方案

北京地铁电梯400 v抗电压波动供电系统方案如图2所示。401、402和445为隔离断路器，L1、TJ2为市电10 kV三相母线，CCTS为中控系统，445所在母线为400 v交流母线，装置A或B中AC/AC为换流器，AC/DC为双向变流器。AC/AC换流器实时为电梯负载供电，消除因电网不稳定而造成的供电不稳;储能单元采用蓄电池为主电源，并联有储能电容辅助供电，实现储能电容、蓄电池和电网之间的能量变换，并实时控制400 v母线因负载变动而引起的电压波动、缺相等情况，输出高质量的电能。当系统电压过高时，AC/AC环流电路输出感性电流，降低电压;当电压过低或缺相时，储能单元能将电压补偿到正常值。例如装置A的10 kV母线L1出现问题时，先由储能单元为装置A中的电梯负载供电，然后断开断路器401，当并联条件达到时，合上445断路器，切换至装置B的电源即为装置A中的电梯负载供电。

储能单元中铅酸蓄电池具有性价比高、容量可灵活配置等优点;而储能电容能起到均衡作用，使电池的放电电流减小，提高电池使用寿命。储能电容具有短时间输出功率高和瞬间充放电能力强等优点，特别适应电梯启动瞬间和加速运行等瞬态过程的高功率要求。当电梯处于制动状态时，储能电容可吸收制动能量，延长后备时间，提升电能利用效率。

当系统中变压器T1或T2因检修等原因，需断开相应的401或402时，可通过445进行合环工作，保证电梯系统的供电稳定性与连续性。装置A中的AC/DC变流器可设为主机，装置B的AC/DC变流器设为从机，二者具有相同的频率与相位，但是由于带载不同，导致幅值不一致，装置A、B能实时检测和跟踪各自的400 V母线的电压幅值情况，通过通信线路共享各自的400v母线电压幅值信息。当需要将系统并联时，装置B的AC/DC变流器将跟随装置A的AC/DC变流器来调整其400 v母线电压幅值，为系统并联准备。系统双母线冗余并联采用共用电池组，先直流部分并聯，然后交流部分并联，解决了母线之间因电压不稳导致环流过大而无法并联的问题。从机B的AC/DC变流器不断跟随主机AC/DC变流器的输出状态，实时调整其输出，进而调整其400 v母线电压幅值参数，当二者400 v母线幅值与AC/DC变流器输出达到一致时，进行锁相，CCTS显示445开关可以合闸提示，合445开关，从而将并网环流抑制到最小状态。当445闭合，系统运行正常后，可根据任务需求断401或402，母线并联结束。当需要恢复正常供电时，根据任务需求合上之前断开的401或402，断开445，实现正常供电。

1.3 AC/AC电路设计

系统中AC/AC电路为电压源型换流器，通过连接电抗器并联在电网上，适当调节换流器的交流侧输出电压幅值和相位，或直接控制其交流侧电流，使该换流器吸收或者输出满足要求的电流，实现动态无功补偿和谐波治理，其工作原理可用图3（a）所示的等效电路来说明。

设电网电压和系统输出交流电压分别为相量U和U，，则连接电抗X上的电压U=U-U，，而连接电抗的电流是由其电压来控制，这个电流就是系统从电网吸收的电流i，因此，改变系统交流侧输出电压U的幅值及相对U的相位，即可改变电压U从而控制系统从电网吸收电流i的幅值和相位，也就控制了系统吸收无功功率的性质和大小。

将连接电抗器视为纯电感，忽略其损耗以及换流器的损耗，此时只需使U与U同相，仅改变U的幅值大小，即可控制系统从电网吸收的电流i是超前还是滞后90°，并能控制该电流的大小。如图3（b）所示，当U>U时，电流超前电压90°，系统吸收容性的无功功率;当U，

1.4储能单元设计

图2中，储能单元包括装置A和B两者共用的蓄电池组G，各自并联的储能电容C1、C2，并由中控系统CCTS实现实时控制。CCTS可根据L1、L2两段母线的电能质量情况，控制445开关，实时调节装置A和B之间的能量流动。CCTS通过检测母线L1、L2的幅值、频率、相位，调整输出电压，完成L1和L2的并联，在其中一段母线出现故障的情况下，另一段母线能够实时切人。同时能实现在最恶劣情况下，通过锁相控制，保证双母线在同幅、同频、同相时并联供电。系统内置电子旁路系统，在AC/AC出现故障时仍能为负载可靠供电，保证了系统供电的安全性。

根据实际需要补偿的时间及高可靠性要求，储能电容C1、C2选型为一个2 200F/900 v无极电容并联两个串联的10 000F/450 V电解电容，图4所示为储能单元介入及退出过程示意图。

在不同的时间段，储能单元的工作状态各不相同，当400 v母线电压正常时，蓄电池和储能电容充电;当400 v母线电压不正常时，储能电容先通过变流装置作母线电压补偿，超过一定时间后，蓄电池通过变流装置作400 v母线电压补偿，直至电梯等重要负载安全停机或母线电压恢复正常。在实际应用中，在0～200 ms内由储能电容补偿400 v母线电压;在200 ms～2 min内，由电池补偿400 v母线电压，继续供电给电梯运行。在切换的过程中，系统根据市电一般在短时间内从小负载到大负载恢复供电的规律，将储能系统设计成在对应时间内从大负载到小负载逐渐关闭的过程，做到系统切换平稳。

1.5系统工作过程

1.5.1市电输入正常

当市电电压正常时，电能流向如图5所示，系统为待机状态，AC/AC换流器为待机导通状态，储能电容PCS补偿部分及储能部分为荷电待机状态，输出电压即为市电电压。

1.5.2市电电压过高

当市电电压过高时，电能流向如图6所示，AC/AC换流器运行在导通状态，将电压输入控制在正常范围内，输出电压即为经过AC/AC处理之后在正常范围内。当储能单元充电时，AC/DC变流器工作在整流状态，否则处于待机状态。

1.5.3市电输入暂降或间缺

（1）暂降或间缺时间小于200 ms

当市电输入发生暂降或间缺时，系统储能补偿单元开始投入工作，AC/AC换流器为导通状态，当电压暂降或间缺的时间在200 ms内时，由储能电容通过变流器进行补偿，输出电压经补偿后在正常范围内，此时AC/DC变流器工作在逆变状态，工作过程如图7（a）所示。

（2）电压暂降或间缺时间大于或等于200 ms

当电压暂降或间缺的时间超过200 ms时，先由储能电容通过变流器进行补偿，再由电池组通过变流器继续进行补偿，输出电压即为经补偿后在正常范围内，此时AC/DC变流器工作在逆变状态。工作过程如图7（b）所示。

（3）市电输入恢复正常

当市电电压由过高、暂降或间缺恢复到正常时，电能流向如图8所示，系统恢复待机状态，通过变流器给储能电容和电池组通充电，此时AC/AC换流器为待机状态，AC/DC变流器工作在整流或待机状态。

2实验与测试

2.1样机实验

研制的样机如图9所示，样机在北京地铁昌平线某站点进行了实验，带有如图2所示的电梯负载。其中示波器1的一个通道测量系统输入电压U，其它三通道测量输出电压U、U、U，分析一相输入电压波动时，三相输出的变化情况;示波器2的两通道分别测量输入电压U、U，另外两通道测量系统输出电压U、U，用来对比分析对应两相的输入输出变化情况。

2.2测试结果分析

图10所示为市电刚接人时示波器1波形图，可以看出，在市电输入前，电池与储能电容的供电，系统输出标准的正弦波;接入市电后，系统自动切换到市电供电模式，尽管市电刚输入时输入电压不稳定，但对输出电压而言没有影响，仍输出标准的正弦波。

图11所示为市电输入单相断电10ms时示波器1的波形圖，可看出，输入电压单相断电10ms时，输入电压波动很大，但由于系统的自动调节，三相输出电压基本上没什么变化。

图12所示为输入电压断电时示波器1的波形图，可以看出：市电断电时，自动切换为储能单元供电模式，输出三相电压仍能输出标准的正弦波。

示波器2的跟踪了两相输入与对应两相输出的变化情况，测试结果跟示波器1的对应情况类似，当每一相输入的变化时，对应的输出电压保持标准正弦波输出。

从前面的分析可看出，在市电波动情况下，系统均能输出标准的正弦波，保证了输出电压的稳定性，为电梯安全平稳运行提供了可靠的保障。

3结束语

为了克服地铁电梯因市电波动而带来的不稳定运行问题，本文设计了一种抗电压波动的地铁电梯电源系统，系统包括由双母线供电的变流装置、由中控系统控制的双母线合环装置、以及蓄电池和储能电容组合的补偿供电单元，重点介绍了AC/AC电路与储能单元的工作原理，分析了其运行过程，进行了样机实验。测试结果表明，系统能有效抑制电压波动，提高了系统的补偿效率，延长了抗电压暂降或电源间缺的时间，为备用电源平滑运行提供了更好的保障。无论市电输入怎样波动，系统都能保证高质量的电能输出，为地铁电梯的运行提供了安全可靠的保障。