固态变压器在城市轨道交通动力照明供电系统的应用

王 俊

0 引言

随着全球范围内能源危机与环境污染问题的日益突出，以光伏发电、风力发电等为代表的清洁可再生能源得到了越来越广泛的应用，各种智慧节能措施也不断得到发展。城市轨道交通作为公共交通的重要组成部分，其绿色、清洁、低碳化发展对于响应国家“双碳”发展目标具有重要的意义。

城市轨道交通供电系统主要包括牵引供电系统和动力照明供电系统[1]。我国已经率先将光伏发电应用于牵引供电系统，促进了城市轨道交通供电系统的改革与发展[2]。但是，现有的动力照明供电系统仍然以传统交流供电方式为主，在可再生能源技术愈发成熟的今天，如何将不同的可再生能源与城市轨道交通动力照明供电系统紧密结合，已经成为一个亟待解决的问题，以促进城市轨道交通动力照明供电系统的进一步发展。

固态变压器（Solid State Transformer，SST）又被称为电力电子变压器[3]，其兼具电力电子换流器和高频变压器功能，在实现电压变换和电气隔离的同时能够更加灵活地控制电压、功率，且高频变压器比传统50 Hz工频变压器的体积小，功率密度 高，是替代供电系统传统变压器的最佳选择。本文提出一种基于SST的新型城市轨道交通动力照明供电系统，将不同的可再生能源电源与轨道交通动力照明负荷紧密融合，实现灵活多变的运行模式，旨在为城市轨道交通动力照明供电系统的智能化、绿色化发展提供借鉴。

1 基于SST的新型供电系统结构

城市轨道交通动力照明供电系统中，主要包括照明、空调、风机、给排水泵、通信系统、信号系统、电梯、自动扶梯等负荷，以及必要的应急电源等。其中，空调、风机、给排水泵、电梯、自动扶梯等负荷通常为电动机负荷，属于交流负荷；照明、通信系统、信号系统以及基于储能的应急电源等属于直流系统。为了能够更加合理地实现负荷的交直流分区供电，科学布局不同类型负荷和电源供电回路，提出基于SST的城市轨道交通动力照明供电系统，其拓扑如图1所示。

通常，1台SST能够提供4个不同类型的端口，分别为10 kV中压交流、20 kV中压直流、380 V低压交流和240 V低压直流，如图1所示。为了确保城市轨道交通系统中一级负荷的供电可靠性，采用2台SST并联运行，实现双回路供电。SST的中压端口连接不同类型的电源，低压端口连接不同类型的负荷，具体如图1所示。2台SST的中压交流端口分别通过输电线路连接2个相互独立的10 kV交流电源；SST的中压直流端口连接20 kV直流母线，光伏、风机等可再生能源电源通过20 kV直流母线接入系统；SST的低压直流端口连接240 V直流母线，通信设备等直流负荷均连接至该母线，基于储能的应急电源也连接至该低压直流母线；SST的380 V低压交流母线连接空调、风机、给排水泵、电梯、扶梯等交流负荷。

图1 基于SST的新型城市轨道交通动力照明供电系统

由于该拓扑将交流负荷和直流负荷分别连接至380 V交流母线和240 V直流母线，因此该新型供电系统实现了交直流负荷分区供电，同时将可再生能源电源接入20 kV直流母线，可以配合传统的10 kV交流电源，实现了交直流混合电源供电。

2 供电系统运行模式

图1所示的新型供电系统主要有以下几种运行模式：

（1）纯交流双回路供电模式。只有2路独立的10 kV交流电源分别经过2台SST为负荷供电，20 kV直流母线所连的可再生能源电源暂停运行，240 V直流母线上的应急电源作为备用电源。

（2）交直流混合双回路供电模式。在交流双回路供电模式的基础上，20 kV直流母线上的光伏、风机等电源也为负荷供电，此时供电电源既有交流又有直流，应急电源作为备用电源。

（3）纯直流双回路供电模式。该模式发生在外部2路10 kV电源同时检修或故障的情况，由20 kV直流母线上的光伏、风机等电源为负荷供电，240 V应急电源作为备用。

（4）应急电源双回路供电模式。当10 kV交流电源和20 kV直流母线上的可再生能源电源均不能供电时，启动240 V直流母线所连应急电源，为一级负荷供电。

上述运行模式均为双回路供电模式，即2台SST均能够正常工作。当任意1台SST出现故障或因检修退出运行时，图1所示系统将运行在单回路供电模式。在单回路供电模式中，类似地也可以分为纯交流单回路供电模式、交直流混合单回路供电模式、纯直流单回路供电模式和应急电源单回路供电模式。

3 SST拓扑结构

SST拓扑结构一般分为两类：一类是基于硅基半导体器件（如IGBT）的多重化拓扑结构，典型的有基于级联H桥（Cascaded H-Bridge，CHB）和基于模块化多电平换流器（Modular Multilevel Converter，MMC）的SST，这类拓扑的特点是开关器件耐压低，需要通过多重化结构提升电压等级；另一类是基于碳化硅（SiC）宽禁带半导体器件的拓扑结构，这类拓扑中的开关器件耐压高，不需要复杂的多重化结构即可实现较高电压等级。因此，本文采用基于SiC器件的SST，其拓扑结构如图2所示。

图2中，SST由三级换流器组成：前级整流器、中间级隔离DC/DC换流器和后级逆变器。前级整流器采用三电平中点箝位（Three-Level Neutral Point Clamped，3L-NPC）结构的换流器，以实现10 kV交流和20 kV直流电压等级。中间级隔离DC/DC换流器的中压侧为3L-NPC结构，低压侧为三相三桥臂两电平结构，中压侧和低压侧通过高频变压器进行互联，在实现电气隔离的同时，降低变压器的体积。后级逆变器采用三相三桥臂两电平换流器。

图2 SST电路拓扑结构

4 SST控制策略

SST是该新型供电系统的核心设备，其稳定运行和灵活控制能够大幅改善和提升城市轨道交通供电系统的性能。

由于SST是由图2所示的三级换流器构成，其控制策略主要针对该三级换流器，并采用比例-积分（Proportional-Integral，PI）控制器实现。

（1）前级整流器。该换流器的主要功能是将10 kV交流电传输至后级换流器和负荷，并实现SST的单位功率因数运行或无功功率补偿控制。因此，该换流器主要控制20 kV中压直流母线电压稳定和无功功率，其控制框图如图3（a）所示，采用基于dq坐标系的控制策略。中压直流电压控制输出d轴电流参考值id-ref，无功功率控制输出q轴电流参考值iq-ref，然后经过电流内环控制和PWM调制得到前级整流器的控制信号。

（2）中间级隔离DC/DC换流器：该换流器的主要功能是通过高频变压器实现电气隔离和电压变换，同时维持低压直流母线电压的稳定并将有功功率从20 kV中压直流母线传输至240 V低压直流母线为负荷供电，其控制框图如图3（b）所示。低压直流电压控制输出为移相占空比Dref，经过单移相调制[4]产生隔离换流器的控制信号。

移相占空比Dref决定了高频变压器中压侧绕组和低压侧绕组中高频交流电压的相位差，通过控制该相位差能够实现对传输的有功功率P的控制：

式中：N为高频变压器绕组变比；Vmvdc和Vlvdc分别为中压直流母线和低压直流母线电压；fS为开关频率；LT为高频变压器的等效漏感。

（3）后级逆变器。该换流器的主要功能是将直流电转换为交流电，为交流负荷稳定供电，因此该换流器主要控制交流母线电压的稳定，其控制框图如图3（c）所示。低压交流电压RMS控制维持电压幅值的稳定，低压交流电压频率控制则为负荷提供固定的频率和相位，两者相互结合得到380 V三相正弦参考电压，然后经过电压跟踪控制和PWM调制得到逆变器的控制信号。

图3 SST控制框图

5 仿真验证

采用Matlab/Simulink软件搭建仿真模型，对本文所述的新型城市轨道交通动力照明系统进行仿真分析与验证。仿真中采用交直流混合单回路供电模式，SST中压交流端口额定线电压为10 kV，中压直流端口额定电压为20 kV，低压交流端口额定线电压为380 V，低压直流端口额定电压为240 V，SiC器件开关频率为10 kHz。仿真中，在0.15 s时设置直流负荷突然增大。

图4所示为仿真波形，包含SST所连4条不同母线的电压波形。由图4可知，当直流负荷在0.15 s发生突变时，仅有低压直流母线电压出现波动，如图4（c）所示，波动幅度约为10%；其他3条母线电压均未受到影响，仍然能够维持稳定运行。经过仿真可知，SST能够维持中压交流母线、中压直流母线、低压交流母线和低压直流母线的稳定，从而为负荷提供稳定的电能。

图4 SST四端口母线电压仿真波形

图5所示为SST中高频变压器中压绕组和低压绕组A相电压的波形。由图可知，高频变压器绕组的电压为非正弦高频交流波，中压绕组的电压幅值等于中压直流母线电压20 kV，低压绕组的电压幅值等于低压直流母线电压240 V，中压绕组和低压绕组相位差为Dref对应的角度。正是这一相位差使功率从高频变压器的中压绕组流向低压绕组，实现中低压直流母线之间功率的传输，这也是SST区别于传统50 Hz工频变压器的典型特征。

图5 SST中高频变压器两侧绕组A相电压仿真波形

6 结论

采用基于固态变压器SST的新型城市轨道交通动力照明供电系统，能够实现动力照明负荷供电的交直流分区，能够同时利用交流和直流电源进行供电，具有多种灵活的运行模式。固态变压器不仅具有传统变压器电压变换和电气隔离的功能，同时还能够通过电力电子换流器实现灵活控制，为城市轨道交通动力照明供电系统的智能化提供了新的解决方案。