新型有轨电车充电站技术方案

现代有轨电车示范项目

预装式充电站技术方案

汇报人：许继电源有限公司2019年9月现代有轨电车示范项目

预装式充电站技术方案

汇报人：许继1目录项目概述系统总体方案方案总结企业技术支撑条件目录项目概述21、车辆1、车辆32、牵引用电负荷2、牵引用电负荷43、超级电容简介超级电容器是一种性能介于常规电容器和二次电池之间的新型储能元件。与传统意义上的电容器相比，超级电容器具有更高的比电容量和能量密度，与二次电池相比则具有功率密度高，充放电时间短，循环性能好，使用寿命长，便于维护等特点。超级电容器同时也可在极低温等极端恶劣的环境中使用，并且无环境污染。3、超级电容简介超级电容器是一种性能介于常规电容器和二次电池54、超级电容的应用4、超级电容的应用65、超级电容在城轨交通应用5、超级电容在城轨交通应用76、车载超级电容储能机车原理构成6、车载超级电容储能机车原理构成87、超级电容充放电特性7、超级电容充放电特性98、超级电容的电容量特性超级电容SOC与超级电容的电容量及其端电压有关，其端电压与充电电流和等效内阻有关，而充电电流还影响其电容量。在充电过程中，充电电流密度影响着电极极化反应的有效反应比表面积和微孔传输反应粒子和离子电荷的速度，并因充电电流增大，碳电极的有效反应表面和微孔利用率减小而导致容量减小。8、超级电容的电容量特性超级电容SOC与超级电容的电容量及其109、超级电容组的均压问题超级电容器组一般由大量的超级电容串并联组成，生产工艺等原因导致各个电容单体参数的分散性，比如容值、漏电流、等效串联内阻等参数，而且这种参数的差异会随着时间推移变化，25℃时容值偏差一般在-10%～+20%。引起超级电容器组电压不均衡的因素较为复杂，严重时会使得超级电容器组无法工作，一般通过超级电容管理系统CMS进行电压均衡。均压方法包括：1）能量消耗型均压。包括直接并联电阻法、开关电阻法、稳压管法2）能量转移型均压。包括DC/DC变换法（有源均衡）、开关电容法、开关电感法以及其他一些改进方法超级电容充电过程需实时监测电容单体电压，避免单体过压。9、超级电容组的均压问题超级电容器组一般由大量的超级电容串并1110、超级电容管理系统CMS超级电容智能管理系统主要由监控单元、电压温度监测及电压均衡单元、智能管理软件等构成，系统可同时对超级电容组进行监测、管理和维护，并对电池的各种异常状态报警。1、实时数据采集功能。可实时采集各个单体电容电压、电容箱内测点温度。2、实时主动均衡功能。采取实时主动均衡的方式解决电容组内的单体电容不均衡问题，可及时纠正电容不均衡，避免出现电容的过压和欠压问题，延长使用寿命。3、实时报警功能。运行事件报警，电容过压、欠压报警，温度过高、过低报警，故障报警。4、实时数据传输功能。各种数据或命令可以实时通过TCP/IP协议或串口上传到上位机或接受上位机命令。5、实时数据存储功能。数据记录，操作日志，历史报警事件。

10、超级电容管理系统CMS超级电容智能管理系统主要由监控1211、超级电容充电系统设计要求充电机主要技术要求充电机充电曲线如右图所示输出电流：0-1800A可调输出电压：400-900V可调输出功率：1620kW充电时间：<30S，间歇工作稳压精度：≤±0.5%稳流精度、纹波指标满足超级电容充电要求结构尺寸：宽2300mm×深1000mm×高2300mm环境温度：-25℃~55℃使用寿命：≥30年11、超级电容充电系统设计要求充电机主要技术要求1312、超级电容充电过程示例

例如：充电前超级电容的电压为250V模块设定1800A\900VIo2400AV250V900VttVoVc充电过程如右图所示：0-t1阶段，工作在大电流恒流充电状态状态；t1-t2阶段，工作在恒压充电状态；当电流降至0充电自然结束充电时间到可以在曲线的任意点结束Io充电电流波形；Vo充电机输出电压波形；Vc电容电压波形；完备的保护功能，多重保证负载（超级电容）不过流充、不充爆（电压过高）。

超级电容充电过程波形示意图

t1t212、超级电容充电过程示例例如：充电前超级电容的14目录项目概述系统总体方案方案总结企业技术支撑条件目录项目概述151、充电站电气原理图(1/2)进线站一次原理图1、充电站电气原理图(1/2)进线站一次原理图161、充电站电气原理图(2/2)标准站一次原理图1、充电站电气原理图(2/2)标准站一次原理图172、箱变结构布局设计(1/3)1、进线站12800（L）×2000（W）×3200（H）2、标准站9800（L）×2000（W）×3200（H）2、箱变结构布局设计(1/3)1、进线站12800182、箱变结构布局设计(2/3)标准站箱变内部布置效果示意图控制室充电机室变压器室高压室2、箱变结构布局设计(2/3)标准站箱变内部布置效果示意图控192、箱变结构布局设计(3/3)预装式充电站外形结构图2、箱变结构布局设计(3/3)预装式充电站外形结构图203、充电系统组成及接口设计充电系统主要由进线柜、2套充电机柜、3台隔离柜组成，其中每套充电机柜尺寸为1150mm*1000mm*2260mm，由屏体、高频整流模块、直流监控等部分组成。3、充电系统组成及接口设计充电系统主要由进线柜、2套充电机柜214、充电机模块设计直流充电机模块主要技术指标输出功率：6kW交流输入电压：单相AC220V±20%，50Hz±1Hz直流输出：400V-900V/0A-7A效率：≥95%稳压精度：≤±0.5%纹波：≤1％输入功率因数：≥0.98输入电流谐波总量：<5%噪音：≤60dB电流不均衡度：≤±5%工作温度范围:-25℃～+55℃外形尺寸：44mm×220mm×430mm4、充电机模块设计直流充电机模块主要技术指标225、充电机监控系统设计充电机监控装置采用光纤以太网通讯，提高可靠性5、充电机监控系统设计充电机监控装置采用光纤以太网通讯，提高236、充电机监控装置设计充电机监控装置主要技术特点强大的硬件配置。IIM801充电机智能监控装置采用ARMContex-A8系列处理器，CPU主频最高可达1.2GHZ，内存512MB，4GBNANDFLASH。丰富且可扩展的外部接口。同时支持6个串口、2个CAN口、2个LAN口通信及1个USB数据传输。简捷、稳定、可靠的操作系统。采用开源的Linux操作系统内核，不带有商业版Linux的冗余功能。平台化的组态功能。采用Xview图形组态工具。人性化的人机交互功能。采用10.4英寸大液晶显示+触摸屏，使显示内容更加清晰，操作更加舒适。历史记录功能。保存系统中最近的告警，操作，遥信变位信息（最大保存1300条），支持查询操作。对时功能。支持IRIG-B码对时及SNTP对时。6、充电机监控装置设计充电机监控装置主要技术特点247、综自系统(1/2)监控系统总体构成7、综自系统(1/2)监控系统总体构成257、综自系统(2/2)监控系统总体网络结构示意图7、综自系统(2/2)监控系统总体网络结构示意图268、上网隔离柜设计许继生产的KED-1500/750V牵引供电直流成套开关设备适用于不同的工程电压制式需求，柜体采用敷铝锌板多重折弯制造工艺，并同时具备多种结构方案适应不同开关元件需求。灵活的结构设计使得KED系列牵引供电成套开关设备既能满足单独成套使用，也可满足系统设计需求特殊的使用要求，具有广泛的兼容性和互换性。8、上网隔离柜设计许继生产的KED-15279、气体绝缘环网开关柜设计电源进线采用1250A气体绝缘环网开关柜（断路器单元）；与主环线连接中间设置计量柜单元；所有环进环出单元，均采用1250A气体绝缘环网开关柜（断路器单元）；变压器馈线单元采用630A气体绝缘环网开关柜。9、气体绝缘环网开关柜设计电源进线采用1250A气体绝缘环网2810、主要设备(1/2)新型有轨电车预装式充电站（进线站）设备表一、箱体序号名称型号和规格单位总数量备注1预装式充电站箱体（12.8米*2米*3.2米）长*宽*高座1二、供配电系统1进线断路器柜ZX0型气体绝缘开关柜面22计量柜ZX0型气体绝缘开关柜面14PT柜ZX0型气体绝缘开关柜面15变压器出线柜ZX0型气体绝缘开关柜面16环网馈出柜ZX0型气体绝缘开关柜面27低压进线柜抽屉式开关柜面18一体化电源柜PYD-40Ah面19交流柜PJD-10面1三、充电系统1充电机柜2面2充电机6kW270台3直流隔离柜DC1500V,3000A面34智能监控模块IM8014台四、监控系统1监控系统1套五、辅助系统1环境控制系统1套2照明系统1套10、主要设备(1/2)新型有轨电车预装式充电站（进线站）设2910、主要设备(2/2)新型有轨电车预装式充电站（标准站）设备表序号名称型号和规格单位总数量备注一、箱体2预装式充电站箱体（9.8米*2米*3.2米）长*宽*高座1二、供配电系统1变压器出线柜ZX0型气体绝缘开关柜面12环网馈出柜ZX0型气体绝缘开关柜面23低压进线柜抽屉式开关柜面14一体化电源柜PYD-40Ah面15交流柜PJD-10面1三、充电系统1充电机柜4面2充电机6kW270台3直流隔离柜DC1500V,3000A面34智能监控模块IM8014台四、监控系统1监控系统1套五、辅助系统1环境控制系统1套2照明系统1套六、移动充电系统1移动充电车1套10、主要设备(2/2)新型有轨电车预装式充电站（标准站）设30目录项目概述系统总体结构方案方案总结企业技术支撑条件目录项目概述311、方案主要特点（1/2）1、占地面积更小，高频软开关技术减小充电机体积标准站：9800（L）×2000（W）×3200（H）进线站：12800（L）×2000（W）×3200（H）

2、可用性更高，在线热插拔设计可快速修复模块化系统设计是建造可修复和可快速修复系统的基础，采用标准化结构和连接方式的模块化组件使一切变得更容易、更迅速、且成本更低。3、可靠性更高，系统冗余设计大幅提高可靠性每台充电机柜可冗余9个充电机模块，充电监控采用主从冗余设计，只要故障模块的数量不超过冗余模块的数量，系统可正常运行，可靠性指标比单机系统大幅提高。1、方案主要特点（1/2）1、占地面积更小，高频软开关技术减321、方案主要特点（1/2）4、运行更经济、更节能、更环保交流侧功率因数大于0.98，电流谐波畸变率小于5%，综合平均效率大于98.4%。无需安装无功补偿和谐波治理设备，运行电费更低。5、标准化程度更高隔离变压器可采用标准双绕组配电变压器。功率单元采用标准化结构和连接方式的模块化组件。6、设备造价更低，维护成本更低充电机模块适合大批量规模化生产，电子元器件批量采购成本更低。采用高频软开关技术，电感、电容等元件所需数量减少，节约成本。功率单元采用标准化模块组件，所需备品备件少，维修成本更低。1、方案主要特点（1/2）4、运行更经济、更节能、更环保332、模块化设计的优势（1/2)模块化设计可显著提高系统可用性系统可用性A(t)的定义为：电子系统在使用过程中（尤其在不间断连续使用的条件下）可以正常使用的时间与总时间之比。可用性是由可靠性参数MTBF(平均无故障时间)和故障后平均修复时间参数MTTR表示，即许继单机电源系统的MTBF=10万h，MTTR=8h，模块化电源系统的功率模块的MTBF=10万h（同单机电源系统），功率模块的MTTR=1h（在有备份的情况下由维护人员热插拔修复，维护速度快）

则，单机系统的可用性为：A=MTBF/(MTBF+MTTR)=0.9999模块化电源系统的功率模块的可用性为0.99999，而以5+1冗余并联系统为例，则其可用性为：A5+1={1-(1-A)2}15=0.9999999985≈1因此，冗余设计的模块化系统可显著提高系统的可用性。2、模块化设计的优势（1/2)模块化设计可显著提高系统可用342、模块化设计的优势（2/2)模块化设计可显著提高系统可靠性如果将充电装置看作是由多个电源模块组成的系统，从系统的角度来看，仅提高单台电源模块本身的可靠性并不是解决系统可靠性的根本途径。传统设计思路着重于提高单台电源的可靠性，而现代设计思路则注重采用冗余技术来提高系统的可靠性。如果说用一般可靠性器件设计出可靠性较高的电源设备是电源本身设计的一项基本要求，那么由一般可靠性的电源组成高可靠性的电源系统便是电源系统设计的主要内容。许继单机系统和单个模块装置的可靠性R=0.99，以5+1冗余系统为例（冗余一个模块），则其可靠性为R5+1={1-(1-R)2}15=0.9985类推到本方案，假设单套充电机由135个模块组成，冗余9个充电机模块，则135+9冗余系统的可靠性按公式计算近似为1。因此，模块化并联系统通过冗余设计可显著提高系统的可靠性。2、模块化设计的优势（2/2)模块化设计可显著提高系统可靠353、模块化充电系统典型案例发展趋势：高频化、模块化、小型化、环保节能案例：美国伊顿48V通讯电源产品，采用144个5.8kW模块CR48-3G并联，输出电流15,000A，输出功率750kW。案例来源：dcpower.eaton/China/3G/CN-DV2-core-info.asp3、模块化充电系统典型案例发展趋势：高频化、模块化、小型化、36谢谢！谢谢！37现代有轨电车示范项目

预装式充电站技术方案

汇报人：许继电源有限公司2019年9月现代有轨电车示范项目

预装式充电站技术方案

汇报人：许继38目录项目概述系统总体方案方案总结企业技术支撑条件目录项目概述391、车辆1、车辆402、牵引用电负荷2、牵引用电负荷413、超级电容简介超级电容器是一种性能介于常规电容器和二次电池之间的新型储能元件。与传统意义上的电容器相比，超级电容器具有更高的比电容量和能量密度，与二次电池相比则具有功率密度高，充放电时间短，循环性能好，使用寿命长，便于维护等特点。超级电容器同时也可在极低温等极端恶劣的环境中使用，并且无环境污染。3、超级电容简介超级电容器是一种性能介于常规电容器和二次电池424、超级电容的应用4、超级电容的应用435、超级电容在城轨交通应用5、超级电容在城轨交通应用446、车载超级电容储能机车原理构成6、车载超级电容储能机车原理构成457、超级电容充放电特性7、超级电容充放电特性468、超级电容的电容量特性超级电容SOC与超级电容的电容量及其端电压有关，其端电压与充电电流和等效内阻有关，而充电电流还影响其电容量。在充电过程中，充电电流密度影响着电极极化反应的有效反应比表面积和微孔传输反应粒子和离子电荷的速度，并因充电电流增大，碳电极的有效反应表面和微孔利用率减小而导致容量减小。8、超级电容的电容量特性超级电容SOC与超级电容的电容量及其479、超级电容组的均压问题超级电容器组一般由大量的超级电容串并联组成，生产工艺等原因导致各个电容单体参数的分散性，比如容值、漏电流、等效串联内阻等参数，而且这种参数的差异会随着时间推移变化，25℃时容值偏差一般在-10%～+20%。引起超级电容器组电压不均衡的因素较为复杂，严重时会使得超级电容器组无法工作，一般通过超级电容管理系统CMS进行电压均衡。均压方法包括：1）能量消耗型均压。包括直接并联电阻法、开关电阻法、稳压管法2）能量转移型均压。包括DC/DC变换法（有源均衡）、开关电容法、开关电感法以及其他一些改进方法超级电容充电过程需实时监测电容单体电压，避免单体过压。9、超级电容组的均压问题超级电容器组一般由大量的超级电容串并4810、超级电容管理系统CMS超级电容智能管理系统主要由监控单元、电压温度监测及电压均衡单元、智能管理软件等构成，系统可同时对超级电容组进行监测、管理和维护，并对电池的各种异常状态报警。1、实时数据采集功能。可实时采集各个单体电容电压、电容箱内测点温度。2、实时主动均衡功能。采取实时主动均衡的方式解决电容组内的单体电容不均衡问题，可及时纠正电容不均衡，避免出现电容的过压和欠压问题，延长使用寿命。3、实时报警功能。运行事件报警，电容过压、欠压报警，温度过高、过低报警，故障报警。4、实时数据传输功能。各种数据或命令可以实时通过TCP/IP协议或串口上传到上位机或接受上位机命令。5、实时数据存储功能。数据记录，操作日志，历史报警事件。

10、超级电容管理系统CMS超级电容智能管理系统主要由监控4911、超级电容充电系统设计要求充电机主要技术要求充电机充电曲线如右图所示输出电流：0-1800A可调输出电压：400-900V可调输出功率：1620kW充电时间：<30S，间歇工作稳压精度：≤±0.5%稳流精度、纹波指标满足超级电容充电要求结构尺寸：宽2300mm×深1000mm×高2300mm环境温度：-25℃~55℃使用寿命：≥30年11、超级电容充电系统设计要求充电机主要技术要求5012、超级电容充电过程示例

例如：充电前超级电容的电压为250V模块设定1800A\900VIo2400AV250V900VttVoVc充电过程如右图所示：0-t1阶段，工作在大电流恒流充电状态状态；t1-t2阶段，工作在恒压充电状态；当电流降至0充电自然结束充电时间到可以在曲线的任意点结束Io充电电流波形；Vo充电机输出电压波形；Vc电容电压波形；完备的保护功能，多重保证负载（超级电容）不过流充、不充爆（电压过高）。

超级电容充电过程波形示意图

t1t212、超级电容充电过程示例例如：充电前超级电容的51目录项目概述系统总体方案方案总结企业技术支撑条件目录项目概述521、充电站电气原理图(1/2)进线站一次原理图1、充电站电气原理图(1/2)进线站一次原理图531、充电站电气原理图(2/2)标准站一次原理图1、充电站电气原理图(2/2)标准站一次原理图542、箱变结构布局设计(1/3)1、进线站12800（L）×2000（W）×3200（H）2、标准站9800（L）×2000（W）×3200（H）2、箱变结构布局设计(1/3)1、进线站12800552、箱变结构布局设计(2/3)标准站箱变内部布置效果示意图控制室充电机室变压器室高压室2、箱变结构布局设计(2/3)标准站箱变内部布置效果示意图控562、箱变结构布局设计(3/3)预装式充电站外形结构图2、箱变结构布局设计(3/3)预装式充电站外形结构图573、充电系统组成及接口设计充电系统主要由进线柜、2套充电机柜、3台隔离柜组成，其中每套充电机柜尺寸为1150mm*1000mm*2260mm，由屏体、高频整流模块、直流监控等部分组成。3、充电系统组成及接口设计充电系统主要由进线柜、2套充电机柜584、充电机模块设计直流充电机模块主要技术指标输出功率：6kW交流输入电压：单相AC220V±20%，50Hz±1Hz直流输出：400V-900V/0A-7A效率：≥95%稳压精度：≤±0.5%纹波：≤1％输入功率因数：≥0.98输入电流谐波总量：<5%噪音：≤60dB电流不均衡度：≤±5%工作温度范围:-25℃～+55℃外形尺寸：44mm×220mm×430mm4、充电机模块设计直流充电机模块主要技术指标595、充电机监控系统设计充电机监控装置采用光纤以太网通讯，提高可靠性5、充电机监控系统设计充电机监控装置采用光纤以太网通讯，提高606、充电机监控装置设计充电机监控装置主要技术特点强大的硬件配置。IIM801充电机智能监控装置采用ARMContex-A8系列处理器，CPU主频最高可达1.2GHZ，内存512MB，4GBNANDFLASH。丰富且可扩展的外部接口。同时支持6个串口、2个CAN口、2个LAN口通信及1个USB数据传输。简捷、稳定、可靠的操作系统。采用开源的Linux操作系统内核，不带有商业版Linux的冗余功能。平台化的组态功能。采用Xview图形组态工具。人性化的人机交互功能。采用10.4英寸大液晶显示+触摸屏，使显示内容更加清晰，操作更加舒适。历史记录功能。保存系统中最近的告警，操作，遥信变位信息（最大保存1300条），支持查询操作。对时功能。支持IRIG-B码对时及SNTP对时。6、充电机监控装置设计充电机监控装置主要技术特点617、综自系统(1/2)监控系统总体构成7、综自系统(1/2)监控系统总体构成627、综自系统(2/2)监控系统总体网络结构示意图7、综自系统(2/2)监控系统总体网络结构示意图638、上网隔离柜设计许继生产的KED-1500/750V牵引供电直流成套开关设备适用于不同的工程电压制式需求，柜体采用敷铝锌板多重折弯制造工艺，并同时具备多种结构方案适应不同开关元件需求。灵活的结构设计使得KED系列牵引供电成套开关设备既能满足单独成套使用，也可满足系统设计需求特殊的使用要求，具有广泛的兼容性和互换性。8、上网隔离柜设计许继生产的KED-15649、气体绝缘环网开关柜设计电源进线采用1250A气体绝缘环网开关柜（断路器单元）；与主环线连接中间设置计量柜单元；所有环进环出单元，均采用1250A气体绝缘环网开关柜（断路器单元）；变压器馈线单元采用630A气体绝缘环网开关柜。9、气体绝缘环网开关柜设计电源进线采用1250A气体绝缘环网6510、主要设备(1/2)新型有轨电车预装式充电站（进线站）设备表一、箱体序号名称型号和规格单位总数量备注1预装式充电站箱体（12.8米*2米*3.2米）长*宽*高座1二、供配电系统1进线断路器柜ZX0型气体绝缘开关柜面22计量柜ZX0型气体绝缘开关柜面14PT柜ZX0型气体绝缘开关柜面15变压器出线柜ZX0型气体绝缘开关柜面16环网馈出柜ZX0型气体绝缘开关柜面27低压进线柜抽屉式开关柜面18一体化电源柜PYD-40Ah面19交流柜PJD-10面1三、充电系统1充电机柜2面2充电机6kW270台3直流隔离柜DC1500V,3000A面34智能监控模块IM8014台四、监控系统1监控系统1套五、辅助系统1环境控制系统1套2照明系统1套10、主要设备(1/2)新型有轨电车预装式充电站（进线站）设6610、主要设备(2/2)新型有轨电车预装式充电站（标准站）设备表序号名称型号和规格单位总数量备注一、箱体2预装式充电站箱体（9.8米*2米*3.2米）长*宽*高座1二、供配电系统1变压器出线柜ZX0型气体绝缘开关柜面12环网馈出柜ZX0型气体绝缘开关柜面23低压进线柜抽屉式开关柜面14一体化电源柜PYD-40Ah面15交流柜PJD-10面1三、充电系统1充电机柜4面2充电机6kW270台3直流隔离柜DC1500V,3000A面34智能监控模块IM8014台四、监控系统1监控系统1套五、辅助系统1环境控制系统1套2照明系统1套六、移动充电系统1移动充电车1套10、主要设备(2/2)新型有轨电车预装式充电站（标准站）设67目录项目概述系统总体结构方案方案总结企业技术支撑条件目录项目概述681、方案主要特点（1/2）1、占地面积更小，高频软开关技术减小充电机体积标准站：9800（L）×2000（W）×3200（H）进线站：12800（L）×2000（W）×3200（H）

2、可用性更高，在线热插拔设计可快速修复模块化系统设计是建造可修复和可快速修复系统的基础，采用标准化结构和连接方式的模块化组件使一切变得更容易、更迅速、且成本更低。3、可靠性更高，系统冗余设计大幅提高可靠性每台充电机柜可冗余9个充电机模块，充电监控采用主从冗余设计，只要故障模块的数量不超过冗余模块的数量，系统可正常运行，可靠性指标比单机系统大幅提高。1、方案主要特点（1/2）1、占地面积更小，高频软开关技术减691、方案主要特点（1/2）4、运行更经济、更节能、更环保交流侧功率因数大于0.98，电流谐波畸变率小于5%，综合平均效率大于98.4%。无需安装无功补偿和谐波治理设备，运行电费更低。5、标准化程度更高隔离变压器可采用标准双绕组配电变压器。功率单元采用标准化结构和连接方