王 俊

0 引言

隨著全球范圍內(nèi)能源危機(jī)與環(huán)境污染問題的日益突出，以光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電等為代表的清潔可再生能源得到了越來越廣泛的應(yīng)用，各種智慧節(jié)能措施也不斷得到發(fā)展。城市軌道交通作為公共交通的重要組成部分，其綠色、清潔、低碳化發(fā)展對于響應(yīng)國家“雙碳”發(fā)展目標(biāo)具有重要的意義。

城市軌道交通供電系統(tǒng)主要包括牽引供電系統(tǒng)和動力照明供電系統(tǒng)[1]。我國已經(jīng)率先將光伏發(fā)電應(yīng)用于牽引供電系統(tǒng)，促進(jìn)了城市軌道交通供電系統(tǒng)的改革與發(fā)展[2]。但是，現(xiàn)有的動力照明供電系統(tǒng)仍然以傳統(tǒng)交流供電方式為主，在可再生能源技術(shù)愈發(fā)成熟的今天，如何將不同的可再生能源與城市軌道交通動力照明供電系統(tǒng)緊密結(jié)合，已經(jīng)成為一個(gè)亟待解決的問題，以促進(jìn)城市軌道交通動力照明供電系統(tǒng)的進(jìn)一步發(fā)展。

固態(tài)變壓器（Solid State Transformer，SST）又被稱為電力電子變壓器[3]，其兼具電力電子換流器和高頻變壓器功能，在實(shí)現(xiàn)電壓變換和電氣隔離的同時(shí)能夠更加靈活地控制電壓、功率，且高頻變壓器比傳統(tǒng)50 Hz工頻變壓器的體積小，功率密度 高，是替代供電系統(tǒng)傳統(tǒng)變壓器的最佳選擇。本文提出一種基于SST的新型城市軌道交通動力照明供電系統(tǒng)，將不同的可再生能源電源與軌道交通動力照明負(fù)荷緊密融合，實(shí)現(xiàn)靈活多變的運(yùn)行模式，旨在為城市軌道交通動力照明供電系統(tǒng)的智能化、綠色化發(fā)展提供借鑒。

1 基于SST的新型供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

城市軌道交通動力照明供電系統(tǒng)中，主要包括照明、空調(diào)、風(fēng)機(jī)、給排水泵、通信系統(tǒng)、信號系統(tǒng)、電梯、自動扶梯等負(fù)荷，以及必要的應(yīng)急電源等。其中，空調(diào)、風(fēng)機(jī)、給排水泵、電梯、自動扶梯等負(fù)荷通常為電動機(jī)負(fù)荷，屬于交流負(fù)荷；照明、通信系統(tǒng)、信號系統(tǒng)以及基于儲能的應(yīng)急電源等屬于直流系統(tǒng)。為了能夠更加合理地實(shí)現(xiàn)負(fù)荷的交直流分區(qū)供電，科學(xué)布局不同類型負(fù)荷和電源供電回路，提出基于SST的城市軌道交通動力照明供電系統(tǒng)，其拓?fù)淙鐖D1所示。

通常，1臺SST能夠提供4個(gè)不同類型的端口，分別為10 kV中壓交流、20 kV中壓直流、380 V低壓交流和240 V低壓直流，如圖1所示。為了確保城市軌道交通系統(tǒng)中一級負(fù)荷的供電可靠性，采用2臺SST并聯(lián)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)雙回路供電。SST的中壓端口連接不同類型的電源，低壓端口連接不同類型的負(fù)荷，具體如圖1所示。2臺SST的中壓交流端口分別通過輸電線路連接2個(gè)相互獨(dú)立的10 kV交流電源；SST的中壓直流端口連接20 kV直流母線，光伏、風(fēng)機(jī)等可再生能源電源通過20 kV直流母線接入系統(tǒng)；SST的低壓直流端口連接240 V直流母線，通信設(shè)備等直流負(fù)荷均連接至該母線，基于儲能的應(yīng)急電源也連接至該低壓直流母線；SST的380 V低壓交流母線連接空調(diào)、風(fēng)機(jī)、給排水泵、電梯、扶梯等交流負(fù)荷。

圖1 基于SST的新型城市軌道交通動力照明供電系統(tǒng)

由于該拓?fù)鋵⒔涣髫?fù)荷和直流負(fù)荷分別連接至380 V交流母線和240 V直流母線，因此該新型供電系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了交直流負(fù)荷分區(qū)供電，同時(shí)將可再生能源電源接入20 kV直流母線，可以配合傳統(tǒng)的10 kV交流電源，實(shí)現(xiàn)了交直流混合電源供電。

2 供電系統(tǒng)運(yùn)行模式

圖1所示的新型供電系統(tǒng)主要有以下幾種運(yùn)行模式：

（1）純交流雙回路供電模式。只有2路獨(dú)立的10 kV交流電源分別經(jīng)過2臺SST為負(fù)荷供電，20 kV直流母線所連的可再生能源電源暫停運(yùn)行，240 V直流母線上的應(yīng)急電源作為備用電源。

（2）交直流混合雙回路供電模式。在交流雙回路供電模式的基礎(chǔ)上，20 kV直流母線上的光伏、風(fēng)機(jī)等電源也為負(fù)荷供電，此時(shí)供電電源既有交流又有直流，應(yīng)急電源作為備用電源。

（3）純直流雙回路供電模式。該模式發(fā)生在外部2路10 kV電源同時(shí)檢修或故障的情況，由20 kV直流母線上的光伏、風(fēng)機(jī)等電源為負(fù)荷供電，240 V應(yīng)急電源作為備用。

（4）應(yīng)急電源雙回路供電模式。當(dāng)10 kV交流電源和20 kV直流母線上的可再生能源電源均不能供電時(shí)，啟動240 V直流母線所連應(yīng)急電源，為一級負(fù)荷供電。

上述運(yùn)行模式均為雙回路供電模式，即2臺SST均能夠正常工作。當(dāng)任意1臺SST出現(xiàn)故障或因檢修退出運(yùn)行時(shí)，圖1所示系統(tǒng)將運(yùn)行在單回路供電模式。在單回路供電模式中，類似地也可以分為純交流單回路供電模式、交直流混合單回路供電模式、純直流單回路供電模式和應(yīng)急電源單回路供電模式。

3 SST拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

SST拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一般分為兩類：一類是基于硅基半導(dǎo)體器件（如IGBT）的多重化拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，典型的有基于級聯(lián)H橋（Cascaded H-Bridge，CHB）和基于模塊化多電平換流器（Modular Multilevel Converter，MMC）的SST，這類拓?fù)涞奶攸c(diǎn)是開關(guān)器件耐壓低，需要通過多重化結(jié)構(gòu)提升電壓等級；另一類是基于碳化硅（SiC）寬禁帶半導(dǎo)體器件的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這類拓?fù)渲械拈_關(guān)器件耐壓高，不需要復(fù)雜的多重化結(jié)構(gòu)即可實(shí)現(xiàn)較高電壓等級。因此，本文采用基于SiC器件的SST，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2中，SST由三級換流器組成：前級整流器、中間級隔離DC/DC換流器和后級逆變器。前級整流器采用三電平中點(diǎn)箝位（Three-Level Neutral Point Clamped，3L-NPC）結(jié)構(gòu)的換流器，以實(shí)現(xiàn)10 kV交流和20 kV直流電壓等級。中間級隔離DC/DC換流器的中壓側(cè)為3L-NPC結(jié)構(gòu)，低壓側(cè)為三相三橋臂兩電平結(jié)構(gòu)，中壓側(cè)和低壓側(cè)通過高頻變壓器進(jìn)行互聯(lián)，在實(shí)現(xiàn)電氣隔離的同時(shí)，降低變壓器的體積。后級逆變器采用三相三橋臂兩電平換流器。

圖2 SST電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

4 SST控制策略

SST是該新型供電系統(tǒng)的核心設(shè)備，其穩(wěn)定運(yùn)行和靈活控制能夠大幅改善和提升城市軌道交通供電系統(tǒng)的性能。

由于SST是由圖2所示的三級換流器構(gòu)成，其控制策略主要針對該三級換流器，并采用比例-積分（Proportional-Integral，PI）控制器實(shí)現(xiàn)。

（1）前級整流器。該換流器的主要功能是將10 kV交流電傳輸至后級換流器和負(fù)荷，并實(shí)現(xiàn)SST的單位功率因數(shù)運(yùn)行或無功功率補(bǔ)償控制。因此，該換流器主要控制20 kV中壓直流母線電壓穩(wěn)定和無功功率，其控制框圖如圖3（a）所示，采用基于dq坐標(biāo)系的控制策略。中壓直流電壓控制輸出d軸電流參考值id-ref，無功功率控制輸出q軸電流參考值iq-ref，然后經(jīng)過電流內(nèi)環(huán)控制和PWM調(diào)制得到前級整流器的控制信號。

（2）中間級隔離DC/DC換流器：該換流器的主要功能是通過高頻變壓器實(shí)現(xiàn)電氣隔離和電壓變換，同時(shí)維持低壓直流母線電壓的穩(wěn)定并將有功功率從20 kV中壓直流母線傳輸至240 V低壓直流母線為負(fù)荷供電，其控制框圖如圖3（b）所示。低壓直流電壓控制輸出為移相占空比Dref，經(jīng)過單移相調(diào)制[4]產(chǎn)生隔離換流器的控制信號。

移相占空比Dref決定了高頻變壓器中壓側(cè)繞組和低壓側(cè)繞組中高頻交流電壓的相位差，通過控制該相位差能夠?qū)崿F(xiàn)對傳輸?shù)挠泄β蔖的控制：

式中：N為高頻變壓器繞組變比；Vmvdc和Vlvdc分別為中壓直流母線和低壓直流母線電壓；fS為開關(guān)頻率；LT為高頻變壓器的等效漏感。

（3）后級逆變器。該換流器的主要功能是將直流電轉(zhuǎn)換為交流電，為交流負(fù)荷穩(wěn)定供電，因此該換流器主要控制交流母線電壓的穩(wěn)定，其控制框圖如圖3（c）所示。低壓交流電壓RMS控制維持電壓幅值的穩(wěn)定，低壓交流電壓頻率控制則為負(fù)荷提供固定的頻率和相位，兩者相互結(jié)合得到380 V三相正弦參考電壓，然后經(jīng)過電壓跟蹤控制和PWM調(diào)制得到逆變器的控制信號。

圖3 SST控制框圖

5 仿真驗(yàn)證

采用Matlab/Simulink軟件搭建仿真模型，對本文所述的新型城市軌道交通動力照明系統(tǒng)進(jìn)行仿真分析與驗(yàn)證。仿真中采用交直流混合單回路供電模式，SST中壓交流端口額定線電壓為10 kV，中壓直流端口額定電壓為20 kV，低壓交流端口額定線電壓為380 V，低壓直流端口額定電壓為240 V，SiC器件開關(guān)頻率為10 kHz。仿真中，在0.15 s時(shí)設(shè)置直流負(fù)荷突然增大。

圖4所示為仿真波形，包含SST所連4條不同母線的電壓波形。由圖4可知，當(dāng)直流負(fù)荷在0.15 s發(fā)生突變時(shí)，僅有低壓直流母線電壓出現(xiàn)波動，如圖4（c）所示，波動幅度約為10%；其他3條母線電壓均未受到影響，仍然能夠維持穩(wěn)定運(yùn)行。經(jīng)過仿真可知，SST能夠維持中壓交流母線、中壓直流母線、低壓交流母線和低壓直流母線的穩(wěn)定，從而為負(fù)荷提供穩(wěn)定的電能。

圖4 SST四端口母線電壓仿真波形

圖5所示為SST中高頻變壓器中壓繞組和低壓繞組A相電壓的波形。由圖可知，高頻變壓器繞組的電壓為非正弦高頻交流波，中壓繞組的電壓幅值等于中壓直流母線電壓20 kV，低壓繞組的電壓幅值等于低壓直流母線電壓240 V，中壓繞組和低壓繞組相位差為Dref對應(yīng)的角度。正是這一相位差使功率從高頻變壓器的中壓繞組流向低壓繞組，實(shí)現(xiàn)中低壓直流母線之間功率的傳輸，這也是SST區(qū)別于傳統(tǒng)50 Hz工頻變壓器的典型特征。

圖5 SST中高頻變壓器兩側(cè)繞組A相電壓仿真波形

6 結(jié)論

采用基于固態(tài)變壓器SST的新型城市軌道交通動力照明供電系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)動力照明負(fù)荷供電的交直流分區(qū)，能夠同時(shí)利用交流和直流電源進(jìn)行供電，具有多種靈活的運(yùn)行模式。固態(tài)變壓器不僅具有傳統(tǒng)變壓器電壓變換和電氣隔離的功能，同時(shí)還能夠通過電力電子換流器實(shí)現(xiàn)靈活控制，為城市軌道交通動力照明供電系統(tǒng)的智能化提供了新的解決方案。