CN110970990A - 一种基于燃料电池的铁路信号ups系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于燃料电池的铁路信号UPS系统，设在市电输入与交流输出之间，包括主回路供电单元、旁路供电单元和备用供电单元，旁路供电单元与主回路供电单元并联连接，主回路供电单元包括依次连接的AC/DC整流装置、DC/AC逆变装置和逆变控制开关；备用供电单元包括辅助电池、DC/DC转换器、燃料电池系统，辅助电池和燃料电池系统的输出端都经DC/DC转换器与DC/AC逆变装置的输入端连接；系统还包括UPS控制单元，UPS控制单元分别与主回路供电单元、旁路供电单元和备用供电单元连接。与现有技术相比，本发明使用金属氢化物储氢及燃料电池技术，提升了铁路信号系统供电技术的革新，更为高效清洁环保。
Description
技术领域
本发明涉及不间断电源技术领域，尤其是涉及一种基于燃料电池的铁路信号UPS系统。
背景技术
铁路信号系统UPS(不间断电源)作为铁路电气化设备之一，被大量应用于铁路各站点电务机房及中继站，主要为联锁机构和调度指挥管理信息系统提供不间断高质量的供电服务。在铁路供电出现电涌、瞬间高电压、瞬间低电压、频率偏移等“电源污染”和断电情况时，UPS能够很好地改善和保证电源质量，为铁路设备提供高质量的电源。
为保证铁路信号UPS系统在外部市电断电的状态下提供持续的电能供电，系统中必须有储能装置，现有系统中均采用大量铅酸蓄电池组。铅酸蓄电池组长期处于浮充饱和状态，严重影响电池寿命。根据铁路系统运行数据显示，UPS的蓄电池的故障率要远远高于其他部件产生的故障率，且蓄电池本身及其维护费用较高。此外，现有UPS存在铅酸蓄电池放电控制不易、无法自检电池故障等问题。在发生市电断电时，其可持续供电时间的局限性难以克服，也成为铅酸电池应用的一个瓶颈。
在燃料电池技术日趋成熟，成本快速下降，性能逐步提升的情况下，考虑到燃料电池环保、高效、寿命长、易维护等优点，以燃料电池作为铁路信号系统UPS储能装置可解决目前UPS系统的诸多问题，提高性能并节约环保。
在燃料电池领域，氢燃料电池最为主流。储氢技术及其控制是保证燃料电池性能的重要一环，高效、安全的储氢应用可提高燃料电池的性能。在众多储氢技术中，金属氢化物储氢技术是理想的储氢技术，具有高密度、高纯度、易控制、安全可靠等优点。利用金属氢化物的高效储氢技术配合燃料电池并结合锂电池作为铁路信号系统UPS储能装置，可解决传统UPS存在的诸多问题，保证铁路信号系统UPS的供电质量的同时，实现清洁、环保、高效的铁路供电UPS系统。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于燃料电池的铁路信号UPS系统。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种基于燃料电池的铁路信号UPS系统，设在市电输入与交流输出之间，包括主回路供电单元、旁路供电单元和备用供电单元，所述旁路供电单元与主回路供电单元并联连接，所述主回路供电单元包括依次连接的AC/DC整流装置、DC/AC逆变装置和逆变控制开关；所述备用供电单元包括辅助电池、DC/DC转换器、燃料电池系统，所述辅助电池和燃料电池系统的输出端都经DC/DC转换器与所述DC/AC逆变装置的输入端连接；系统还包括UPS控制单元，所述UPS控制单元分别与主回路供电单元、旁路供电单元和备用供电单元连接。
优选的，所述UPS控制单元分别连接所述备用供电单元中的辅助电池、DC/DC转换器、燃料电池系统。
优选的，所述燃料电池系统包括燃料电池、储氢装置和燃料电池控制单元，所述储氢装置与所述燃料电池连接，所述燃料电池控制单元分别与所述燃料电池、储氢装置和UPS控制单元连接。
优选的，所述储氢装置具体为金属氢化物储氢装置。
优选的，所述燃料电池控制单元包括主控单元和都与主控单元连接的辅助阀门控制单元、风扇控制单元、外部接口控制单元、通信辅助控制单元、系统状态分析单元、传感器控制单元、空气温度控制单元、开关控制单元、分流器控制单元和供电控制单元。
优选的，所述旁路供电单元包括旁路控制开关，所述旁路控制开关与所述UPS控制单元连接。
优选的，所述UPS控制单元分别连接所述AC/DC整流装置、DC/AC逆变装置、逆变控制开关以及AC/DC整流装置的输入端。
优选的，所述UPS系统包括三种供电模式：
主回路供电模式，用于市电输入和主回路供电单元都正常时；
后备电源供电模式，用于市电输入异常，所述DC/DC转换器和DC/AC逆变装置正常时；
旁路供电模式，用于市电输入正常，所述AC/DC整流装置或DC/AC逆变装置故障时。
优选的，所述后备电源供电模式包括：由所述辅助电池提供临时直流电能，经过DC/AC逆变装置、逆变控制开关对外供电，同时，所述UPS控制单元与燃料电池控制单元通信，使燃料电池控制单元控制储氢装置与燃料电池启动供电。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、采用的燃料电池能量密度远远高于传统铅酸蓄电池，其不存在频繁更换电池的问题，对于铁路供电系统而言是一种高效清洁供电方案，同时杜绝了传统铅酸电池浮充，故障无法在线排查的问题；通过更换储氢瓶方式可以使得后备电源供电时间无限延长，减少了集中大规模更换铅酸电池的繁重工作，系统整体寿命因此大幅度提升。
2、燃料电池系统采用独立的控制系统，与USP控制单元独立通信，可靠性与可维护性得到提高；与传统UPS的铅酸电池组相比，燃料电池系统使得备用电池体积极大缩减，系统集成度提高，便于配置安装。
3、由于使用金属氢化物储氢技术，相比其他储氢技术而言，储氢效率高，减少了储氢系统体积；相比传统高压储氢方式，更加符合铁路信号系统供电特点，其长寿、低压、安全、可靠等优点可保证UPS在各类环境下的可靠运行。
4、相比纯燃料电池供电方案，使用辅助电池实现燃料电池未完全启动前的过渡供电，后备电源启动速度时间短，完全符合铁路供电技术要求。
附图说明
图1为基于燃料电池的铁路信号系统UPS组成示意图。
图2为基于金属氢化物储氢技术燃料电池的铁路信号系统UPS系统结构示意图；
图3为燃料电池控制系统结构框图。
图中标注：1、AC/DC整流装置，2、DC/AC逆变装置，3、逆变控制开关，4、旁路控制开关，5、燃料电池系统，6、UPS控制单元，7、辅助电池，8、DC/DC转换器，9、燃料电池，10、储氢装置，11、燃料电池控制单元。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例
一种基于燃料电池的铁路信号UPS系统，设在市电输入与交流输出之间。该系统兼容现有铁路信号系统电源屏，高效清洁，通过更换金属氢化物储氢瓶实现稳定电能的延长时间供电。系统结构示意图见图1，经由电源屏输入的市电在正常输入情况下经由包括AC/DC、DC/AC转换装置的主回路，或在人为干预下切换至旁路，输出供电源屏使用；在市电断电情况下，储氢及燃料电池系统经过DC/DC、DC/AC转换形成电源屏交流输出，以此实现铁路信号系统USP功能。
本系统包括主回路供电单元、旁路供电单元、备用供电单元和UPS控制单元6，旁路供电单元与主回路供电单元并联连接，UPS控制单元6分别连接主回路供电单元、旁路供电单元和备用供电单元，实现信息的采集以及各部件的控制。
如图2所示，主回路供电单元包括依次连接的AC/DC整流装置1、DC/AC逆变装置2和逆变控制开关3。AC/DC整流装置1一端为电源屏市电输入端，经由DC/AC逆变装置2、逆变控制开关3输出至电源屏交流输出端。具体的，UPS控制单元6分别连接AC/DC整流装置1、DC/AC逆变装置2、逆变控制开关3以及AC/DC整流装置1的输入端，图2中虚线连接线的箭头方向表示信息流的方向。
旁路供电单元以旁路控制开关4为主，旁路控制开关4一端为电源屏市电输入端，另一端为电源屏交流输出，可实现人为调整至旁路供电模式。旁路控制开关4与UPS控制单元6连接受其控制。
备用供电单元包括辅助电池7、DC/DC转换器8、燃料电池系统5，辅助电池7、燃料电池系统5经由DC/DC转换器8、DC/AC逆变装置2、逆变控制开关3输出至电源屏交流输出端。UPS控制单元6分别连接辅助电池7、DC/DC转换器8、燃料电池系统5。
燃料电池系统5包括燃料电池9、储氢装置10和燃料电池控制单元11，储氢装置10与燃料电池9连接，燃料电池控制单元11分别与燃料电池9、储氢装置10和UPS控制单元6连接。储氢装置10具体为金属氢化物储氢装置10，相比传统高压储氢方式，更加符合铁路信号系统供电特点，其长寿、低压、安全、可靠等优点可保证UPS在各类环境下的可靠运行。
其中，燃料电池控制单元11如图3所示，包括主控单元和都与主控单元连接的10个部分辅助控制单元。辅助控制单元具体包括：辅助阀门控制单元、风扇控制单元、外部接口控制单元、通信辅助控制单元、系统状态分析单元、传感器控制单元、空气温度控制单元、开关控制单元、分流器控制单元和供电控制单元。燃料电池控制单元11实现对燃料电池电堆、储氢装置10的控制及通信，以及与UPS控制单元6的通信。本实施例中，优选地，主控单元可以采用STM32系列的处理器，例如STM32F103C8T6、STM32F103VET6等型号。
UPS控制单元6主要由微控制单元和一些外围电路组成，用于监控市电输入状态，控制辅助电池、主回路供电单元各个模块、各控制开关，并与燃料电池系统5控制单元进行通信。本实施例中，微控制单元由STC12C5A16S2芯片及其外围振荡电路组成。
本UPS系统包括三种供电模式：
主回路供电模式：电源屏市电正常，AC/DC整流装置1、DC/AC逆变装置2均正常工作，此时市电经过上述模块输出高质量交流输出。市电输入至整流装置后整流为直流电能，DC/AC逆变装置2将直流电能逆变为稳定的交流电能，经过逆变控制开关3后对电源屏交流供电。此时旁路控制开关4处于关断状态，备用供电单元在待机状态。
后备电源供电模式：电源屏市电异常，DC/DC转换器8、DC/AC逆变装置2工作正常，此时燃料电池系统5与辅助电池7配合供电。UPS控制单元6监测到电源屏市电断电后，由辅助电池7提供临时直流电能，经过DC/AC逆变装置2、逆变控制开关3对外供电；与此同时，UPS控制单元6与燃料电池控制单元11通信，燃料电池控制单元11控制储氢装置10与燃料电池9启动，备用供电单元处于运行状态。
旁路供电模式：电源屏市电正常，AC/DC整流装置1或DC/AC逆变装置2故障，此时旁路控制开关4闭合，为电源屏交流供电。UPS控制单元6监测到主回路供电单元发生故障或者接受人为控制时，旁路控制开关4闭合，将主回路关断，切换至旁路供电模式。
Claims (9)
1.一种基于燃料电池的铁路信号UPS系统，设在市电输入与交流输出之间，包括主回路供电单元、旁路供电单元和备用供电单元，所述旁路供电单元与主回路供电单元并联连接，其特征在于，所述主回路供电单元包括依次连接的AC/DC整流装置、DC/AC逆变装置和逆变控制开关；所述备用供电单元包括辅助电池、DC/DC转换器、燃料电池系统，所述辅助电池和燃料电池系统的输出端都经DC/DC转换器与所述DC/AC逆变装置的输入端连接；系统还包括UPS控制单元，所述UPS控制单元分别与主回路供电单元、旁路供电单元和备用供电单元连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于燃料电池的铁路信号UPS系统，其特征在于，所述UPS控制单元分别连接所述备用供电单元中的辅助电池、DC/DC转换器、燃料电池系统。
3.根据权利要求1所述的一种基于燃料电池的铁路信号UPS系统，其特征在于，所述燃料电池系统包括燃料电池、储氢装置和燃料电池控制单元，所述储氢装置与所述燃料电池连接，所述燃料电池控制单元分别与所述燃料电池、储氢装置和UPS控制单元连接。
4.根据权利要求3所述的一种基于燃料电池的铁路信号UPS系统，其特征在于，所述储氢装置具体为金属氢化物储氢装置。
5.根据权利要求3所述的一种基于燃料电池的铁路信号UPS系统，其特征在于，所述燃料电池控制单元包括主控单元和都与主控单元连接的辅助阀门控制单元、风扇控制单元、外部接口控制单元、通信辅助控制单元、系统状态分析单元、传感器控制单元、空气温度控制单元、开关控制单元、分流器控制单元和供电控制单元。
6.根据权利要求1所述的一种基于燃料电池的铁路信号UPS系统，其特征在于，所述旁路供电单元包括旁路控制开关，所述旁路控制开关与所述UPS控制单元连接。
7.根据权利要求1所述的一种基于燃料电池的铁路信号UPS系统，其特征在于，所述UPS控制单元分别连接所述AC/DC整流装置、DC/AC逆变装置、逆变控制开关以及AC/DC整流装置的输入端。
8.根据权利要求3所述的一种基于燃料电池的铁路信号UPS系统，其特征在于，所述UPS系统包括三种供电模式：
主回路供电模式，用于市电输入和主回路供电单元都正常时；
后备电源供电模式，用于市电输入异常，所述DC/DC转换器和DC/AC逆变装置正常时；
旁路供电模式，用于市电输入正常，所述AC/DC整流装置或DC/AC逆变装置故障时。
9.根据权利要求8所述的一种基于燃料电池的铁路信号UPS系统，其特征在于，所述后备电源供电模式包括：由所述辅助电池提供临时直流电能，经过DC/AC逆变装置、逆变控制开关对外供电，同时，所述UPS控制单元与燃料电池控制单元通信，使燃料电池控制单元控制储氢装置与燃料电池启动供电。
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