固態變壓器在城市軌道交通動力照明供電系統的應用

王 俊

0 引言

隨著全球范圍內能源危機與環境污染問題的日益突出，以光伏發電、風力發電等為代表的清潔可再生能源得到了越來越廣泛的應用，各種智慧節能措施也不斷得到發展。城市軌道交通作為公共交通的重要組成部分，其綠色、清潔、低碳化發展對于響應國家“雙碳”發展目標具有重要的意義。

城市軌道交通供電系統主要包括牽引供電系統和動力照明供電系統[1]。我國已經率先將光伏發電應用于牽引供電系統，促進了城市軌道交通供電系統的改革與發展[2]。但是，現有的動力照明供電系統仍然以傳統交流供電方式為主，在可再生能源技術愈發成熟的今天，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緊密結合，已經成為一個亟待解決的問題，以促進城市軌道交通動力照明供電系統的進一步發展。

固態變壓器（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，在實現電壓變換和電氣隔離的同時能夠更加靈活地控制電壓、功率，且高頻變壓器比傳統50 Hz工頻變壓器的體積小，功率密度 高，是替代供電系統傳統變壓器的最佳選擇。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，將不同的可再生能源電源與軌道交通動力照明負荷緊密融合，實現靈活多變的運行模式，旨在為城市軌道交通動力照明供電系統的智能化、綠色化發展提供借鑒。

1 基于SST的新型供電系統結構

城市軌道交通動力照明供電系統中，主要包括照明、空調、風機、給排水泵、通信系統、信號系統、電梯、自動扶梯等負荷，以及必要的應急電源等。其中，空調、風機、給排水泵、電梯、自動扶梯等負荷通常為電動機負荷，屬于交流負荷；照明、通信系統、信號系統以及基于儲能的應急電源等屬于直流系統。為了能夠更加合理地實現負荷的交直流分區供電，科學布局不同類型負荷和電源供電回路，提出基于SST的城市軌道交通動力照明供電系統，其拓撲如圖1所示。

通常，1臺SST能夠提供4個不同類型的端口，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中一級負荷的供電可靠性，采用2臺SST并聯運行，實現雙回路供電。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個相互獨立的10 kV交流電源；SST的中壓直流端口連接20 kV直流母線，光伏、風機等可再生能源電源通過20 kV直流母線接入系統；SST的低壓直流端口連接240 V直流母線，通信設備等直流負荷均連接至該母線，基于儲能的應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、風機、給排水泵、電梯、扶梯等交流負荷。

圖1 基于SST的新型城市軌道交通動力照明供電系統

由于該拓撲將交流負荷和直流負荷分別連接至380 V交流母線和240 V直流母線，因此該新型供電系統實現了交直流負荷分區供電，同時將可再生能源電源接入20 kV直流母線，可以配合傳統的10 kV交流電源，實現了交直流混合電源供電。

2 供電系統運行模式

圖1所示的新型供電系統主要有以下幾種運行模式：

（1）純交流雙回路供電模式。只有2路獨立的10 kV交流電源分別經過2臺SST為負荷供電，20 kV直流母線所連的可再生能源電源暫停運行，240 V直流母線上的應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上，20 kV直流母線上的光伏、風機等電源也為負荷供電，此時供電電源既有交流又有直流，應急電源作為備用電源。

（3）純直流雙回路供電模式。該模式發生在外部2路10 kV電源同時檢修或故障的情況，由20 kV直流母線上的光伏、風機等電源為負荷供電，240 V應急電源作為備用。

（4）應急電源雙回路供電模式。當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，啟動240 V直流母線所連應急電源，為一級負荷供電。

上述運行模式均為雙回路供電模式，即2臺SST均能夠正常工作。當任意1臺SST出現故障或因檢修退出運行時，圖1所示系統將運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急電源單回路供電模式。

3 SST拓撲結構

SST拓撲結構一般分為兩類：一類是基于硅基半導體器件（如IGBT）的多重化拓撲結構，典型的有基于級聯H橋（Cascaded H-Bridge，CHB）和基于模塊化多電平換流器（Modular Multilevel Converter，MMC）的SST，這類拓撲的特點是開關器件耐壓低，需要通過多重化結構提升電壓等級；另一類是基于碳化硅（SiC）寬禁帶半導體器件的拓撲結構，這類拓撲中的開關器件耐壓高，不需要復雜的多重化結構即可實現較高電壓等級。因此，本文采用基于SiC器件的SST，其拓撲結構如圖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箝位（Three-Level Neutral Point Clamped，3L-NPC）結構的換流器，以實現10 kV交流和20 kV直流電壓等級。中間級隔離DC/DC換流器的中壓側為3L-NPC結構，低壓側為三相三橋臂兩電平結構，中壓側和低壓側通過高頻變壓器進行互聯，在實現電氣隔離的同時，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電路拓撲結構

4 SST控制策略

SST是該新型供電系統的核心設備，其穩定運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的性能。

由于SST是由圖2所示的三級換流器構成，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）控制器實現。

（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荷，并實現SST的單位功率因數運行或無功功率補償控制。因此，該換流器主要控制20 kV中壓直流母線電壓穩定和無功功率，其控制框圖如圖3（a）所示，采用基于dq坐標系的控制策略。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，然后經過電流內環控制和PWM調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現電氣隔離和電壓變換，同時維持低壓直流母線電壓的穩定并將有功功率從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，經過單移相調制[4]產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繞組和低壓側繞組中高頻交流電壓的相位差，通過控制該相位差能夠實現對傳輸的有功功率P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換為交流電，為交流負荷穩定供電，因此該換流器主要控制交流母線電壓的穩定，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定，低壓交流電壓頻率控制則為負荷提供固定的頻率和相位，兩者相互結合得到380 V三相正弦參考電壓，然后經過電壓跟蹤控制和PWM調制得到逆變器的控制信號。

圖3 SST控制框圖

5 仿真驗證

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進行仿真分析與驗證。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器件開關頻率為10 kHz。仿真中，在0.15 s時設置直流負荷突然增大。

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，當直流負荷在0.15 s發生突變時，僅有低壓直流母線電壓出現波動，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，仍然能夠維持穩定運行。經過仿真可知，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定，從而為負荷提供穩定的電能。

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，實現中低壓直流母線之間功率的傳輸，這也是SST區別于傳統50 Hz工頻變壓器的典型特征。

圖5 SST中高頻變壓器兩側繞組A相電壓仿真波形

6 結論

采用基于固態變壓器SST的新型城市軌道交通動力照明供電系統，能夠實現動力照明負荷供電的交直流分區，能夠同時利用交流和直流電源進行供電，具有多種靈活的運行模式。固態變壓器不僅具有傳統變壓器電壓變換和電氣隔離的功能，同時還能夠通過電力電子換流器實現靈活控制，為城市軌道交通動力照明供電系統的智能化提供了新的解決方案。