一種地鐵直流牽引電網(wǎng)光儲變流系統(tǒng)

李紅波，黃子昊，徐東昇，張 超，羅文廣，張志學(xué)

（中車株洲電力機車研究所有限公司，湖南 株洲 412001）

0 引言

城市軌道交通已成為當(dāng)代大都市重要運輸出行方式，它緩解了城市交通擁堵，在城市的社會和經(jīng)濟活動中起著不可或缺的作用。然而隨著城市軌道交通的快速發(fā)展，其系統(tǒng)能耗也顯著增加，因此對節(jié)能減排有迫切需求[1]。目前，世界上已有許多國家和地區(qū)提出了光伏屋頂計劃[2-4]，即在建筑物屋頂上鋪設(shè)光伏板進行光伏發(fā)電。在德國和荷蘭等國家，在高速公路沿線安裝了光伏電池板聲屏障，利用聲屏障的空間鋪設(shè)光伏板進行光伏發(fā)電[5]。對于多數(shù)現(xiàn)有地鐵線路的牽引變電站而言，其缺少擴容空間，但可以在車站屋頂、地鐵沿線以及高架線的兩側(cè)布置光伏發(fā)電系統(tǒng)，以進一步滿足城市軌道交通系統(tǒng)的用電需求[6]。國內(nèi)上海、廣州及寧波等地的地鐵線路在其車輛段部分配置了光伏發(fā)電系統(tǒng)，以向車輛段供電。文獻[7]評估了將光伏發(fā)電技術(shù)應(yīng)用于城市軌道交通系統(tǒng)的可行性，仿真結(jié)果表明，與交流并網(wǎng)模式相比，直流并網(wǎng)模式具有更好的節(jié)能效果?；趦δ艿某鞘熊壍澜煌ü?jié)能技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景[8-9]。文獻[8]比較了多種儲能元件特性，例如鋰離子儲能元件、鎳氫儲能元件和雙層電容器。文獻[9]分析比較了旨在降低地鐵電網(wǎng)總能耗的車載和地面儲能系統(tǒng)的優(yōu)勢和局限性。文獻[7-9]均未從變流器電路拓撲、隔離變壓器、儲能元件串聯(lián)數(shù)量以及控制策略等方面探索城市軌道交通直流牽引電網(wǎng)光伏并網(wǎng)系統(tǒng)。

基于此，本文提出一種用于地鐵直流牽引電網(wǎng)的光儲變流系統(tǒng)，其集成了基于LLC諧振變流器的光伏發(fā)電單元和儲能單元。光伏電池陣列的最大功率點跟蹤（maximum power point tracking, MPPT）可以通過準(zhǔn)z源（quasi-z-source, qZS）網(wǎng)絡(luò)和LLC諧振變流器的組合控制來實現(xiàn)。光伏發(fā)電單元被直接并入地鐵直流牽引電網(wǎng)，可減少電能在傳輸和變換過程中的損耗。除吸收過剩的光伏電能外，儲能系統(tǒng)還可以回收列車再生制動能量，抑制直流牽引電網(wǎng)電壓和列車接入牽引網(wǎng)處電壓的泵升。當(dāng)列車啟動或加速時，儲能系統(tǒng)將存儲的再生制動能量重新注入直流牽引電網(wǎng)向列車供能，從而有效提升了牽引供電系統(tǒng)能量利用效率。此外，本文還提出一種基于儲能變流器的調(diào)制策略，可將儲能功率變換系統(tǒng)（power conversion system, PCS）的等效開關(guān)頻率比實際開關(guān)頻率提高一倍，從而有效減小儲能變流器的平滑電抗器，并降低開關(guān)損耗。

1 直流牽引電網(wǎng)光儲變流系統(tǒng)

圖1示出一種集成了光儲并網(wǎng)系統(tǒng)的地鐵牽引電網(wǎng)架構(gòu)。該牽引電網(wǎng)包含1個直流牽引電網(wǎng)、2個主變電站、多個輔助變電站和分布式光儲并網(wǎng)系統(tǒng)。主變電站通過降壓變壓器將110 kV交流電轉(zhuǎn)換為35 kV交流電[10]。直流牽引電網(wǎng)由直流牽引變電站、懸鏈線或第三軌、走行軌組成，其中，直流牽引變電站普遍采用12脈波或 24脈波整流，其功率流是單向的。因此，需要額外配置能量回饋裝置將列車再生制動能量反送至35 kV交流電網(wǎng)。輔助變電站將35 kV交流電降至400 V交流電，向環(huán)控系統(tǒng)、電梯、照明設(shè)備及商鋪等供電。與現(xiàn)有地鐵線路的光伏交流并網(wǎng)應(yīng)用不同，本文的光儲變流系統(tǒng)集成了儲能單元，其輸出端被直接并接到直流牽引電網(wǎng)。

列車運行時在啟動、加速、惰行和制動模式之間頻繁切換，功率波動較大。為滿足列車運行需求，通常將牽引變壓器和二極管整流器的最大功率按3倍過載能力設(shè)計。然而，多數(shù)時間牽引變電站輸出功率遠小于峰值功率，導(dǎo)致牽引變壓器和整流器的利用率較低。利用光儲系統(tǒng)對牽引供電網(wǎng)進行削峰填谷，平滑電網(wǎng)功率沖擊，可以降低牽引變電站的設(shè)計容量和建設(shè)成本。同時，該光儲系統(tǒng)可將能量直接饋送到直流牽引電網(wǎng)，取消了并網(wǎng)工頻變壓器，減少了能量變換環(huán)節(jié)，降低了傳輸損耗和變壓器空載損耗。

光儲系統(tǒng)電路拓撲如圖2所示，其主要由準(zhǔn)z源阻抗網(wǎng)絡(luò)、LLC諧振變流器和儲能變流器組成。光伏電池陣列與準(zhǔn)z源阻抗網(wǎng)絡(luò)級聯(lián)，并通過LLC諧振變流器并聯(lián)到直流牽引電網(wǎng)。儲能單元并聯(lián)在LLC諧振變流器輸出端。儲能變流器由兩個串聯(lián)的半橋電路和兩個串聯(lián)的電容器、平波電抗器構(gòu)成。

圖2 光儲系統(tǒng)電路拓撲Fig. 2 Topology of the power conversion system combined with PV system and energy storage unit

2 最大功率點跟蹤控制策略

為提高光伏電池陣列的發(fā)電效率，需控制光伏電池陣列的輸出電壓以跟蹤其最大輸出功率曲線上的參考電壓值，即通常所說的光伏發(fā)電最大功率點跟蹤。本節(jié)對所提系統(tǒng)的最大功率點跟蹤控制策略進行闡述。

2.1 基于準(zhǔn)z源阻抗網(wǎng)絡(luò)的MPPT

在環(huán)境溫度和光照強度固定時，光伏電池陣列輸出功率和輸出電壓滿足一定函數(shù)關(guān)系。為充分利用光伏電池陣列發(fā)電能力，需要通過DC-DC變換器將光伏電池陣列的輸出直流電壓調(diào)節(jié)到最大功率點處。同時，無論是直流電網(wǎng)還是交流電網(wǎng)，都要求并網(wǎng)變流器的直流電壓在一定范圍內(nèi)。另外，考慮系統(tǒng)安全，光伏發(fā)電單元需要通過隔離變壓器接入電網(wǎng)。綜合以上因素，光伏電池陣列一般需要2個變換環(huán)節(jié)才能接入電網(wǎng)，因此系統(tǒng)效率較低。

本文所提的光儲系統(tǒng)將光伏發(fā)電單元直接并入直流牽引電網(wǎng)。為提高整個系統(tǒng)功率密度，采用LLC諧振變流器替代T型變流器，進而通過大幅提高隔離變壓器的工作頻率，減小磁性元件體積和重量。在LLC諧振變流器一次側(cè)并聯(lián)準(zhǔn)z源阻抗網(wǎng)絡(luò)后，LLC諧振變流器具備電流源特性，允許橋臂直通[11-12]。因此，在變流器死區(qū)增加橋臂直通狀態(tài)，將光伏電池陣列輸出的電能存儲到準(zhǔn)z源阻抗網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，如圖3（a）所示；而當(dāng)變流器死區(qū)狀態(tài)結(jié)束后，存儲在準(zhǔn)z源網(wǎng)絡(luò)的能量再經(jīng)由LLC諧振變流器傳輸?shù)街绷鳡恳娋W(wǎng)，如圖3（b）所示。通過控制直通狀態(tài)，可以調(diào)節(jié)光伏電池陣列的直流輸出電壓，進而實現(xiàn)MPPT。另外，直通狀態(tài)并不影響LLC諧振變流器死區(qū)時輸出側(cè)的功率流。因此，所提的變流器可以同時實現(xiàn)MPPT和并網(wǎng)變流功能。

圖3 MPPT過程的qZS和LLC諧振變流器等效電路Fig. 3 Equivalent circuits of the qZS network and the LLC resonant converter in the MPPT process

圖4 LLC諧振變流器的控制原理Fig. 4 Control principle of LLC resonant converter

2.2 儲能變流器的調(diào)制策略

為了降低棄光率并減輕列車再生制動能量對直流牽引電網(wǎng)的沖擊，本文針對所設(shè)計的光伏并網(wǎng)變流器中的儲能系統(tǒng)提出一種調(diào)制策略，其將儲能變流器的等效開關(guān)頻率提高到實際開關(guān)頻率的2倍，同時將儲能元件輸出電壓降低到直流牽引電網(wǎng)電壓的四分之一，從而減少儲能元件的串聯(lián)數(shù)量。

圖5 儲能變流器調(diào)制策略Fig. 5 Modulation strategy of the energy storage converter

圖6 儲能變流器開關(guān)周期內(nèi)的運行模態(tài)Fig. 6 Operation modes of the energy storage converter in a switching period

模態(tài)1（t1～t2）：SB1和SB3處于導(dǎo)通狀態(tài)。電容器Cs1通過SB1和D3為儲能元件和電抗器LB充電。

模態(tài)2（t2～t3）：SB1關(guān)斷，電抗器LB中存儲的能量通過D2和D3釋放到儲能元件。

模態(tài)3（t3～t4）：SB2導(dǎo)通，儲能元件通過SB2和SB3將能量傳輸?shù)诫娍蛊鱈B中。

模態(tài)4（t4～t5）：SB3關(guān)斷，儲能元件通過SB2和D4將能量傳輸?shù)诫娍蛊鱈B和電容器Cs2中。

模態(tài)5（t5～t6）：SB2和SB4處于導(dǎo)通狀態(tài)。電容Cs2和電抗器LB為儲能元件充電。

模態(tài)6（t6～t7）：SB4關(guān)斷，電抗器LB通過D2和D3向儲能元件釋放能量。

模態(tài)7（t7～t8）：SB2和SB3導(dǎo)通，儲能元件將能量傳輸?shù)诫娍蛊鱈B中。

模態(tài)8（t8～t9）：SB2關(guān)斷，儲能元件通過D1和SB3將能量傳輸?shù)诫娍蛊鱈B和電容器Cs1中。

整個階段中，由于電抗器LB的續(xù)流作用，即將導(dǎo)通的開關(guān)器件被反并聯(lián)二極管箝位，因此可實現(xiàn)零電壓導(dǎo)通。

儲能變流器不同運行模態(tài)等效電路如圖7所示。在一個開關(guān)周期內(nèi)，儲能元件和電抗器LB通過上半橋臂和下半橋臂開關(guān)管的通斷被輪流連接到直流母線電容器Cs1和Cs2上或短路，因此儲能元件的最大電壓不超過電容器電壓V_Cs1或V_Cs2。通過選取合適的占空比，可以將儲能元件的輸出電壓控制在直流牽引網(wǎng)電壓的四分之一以內(nèi)。

圖7 儲能變流器不同運行狀態(tài)等效電路Fig. 7 Equivalent circuits of the energy storage converter in various operation stages

儲能變流器的控制原理如圖8所示，其含有2個控制環(huán)，其中，Dref為占空比指令，Dc1和Dc2為指令修正值。外環(huán)通過PI控制器確定儲能變流器的基準(zhǔn)占空比，使得光儲系統(tǒng)直流輸出電壓跟蹤直流牽引網(wǎng)電壓。內(nèi)環(huán)通過精細調(diào)節(jié)從外環(huán)獲得的占空比來實現(xiàn)串聯(lián)電容器Cs1和Cs2電壓的平衡。

圖8 儲能變流器的控制框圖Fig. 8 Control block diagram of the energy storage converter

3 功能驗證

本文搭建了仿真模型對所提光儲變流系統(tǒng)及其控制策略進行驗證。表1示出仿真模型關(guān)鍵參數(shù)。仿真模型選擇磷酸鐵鋰電池作為儲能元件。電池輸出電壓初值設(shè)定為300 V，低于直流牽引電網(wǎng)的電壓（1 700 V）的四分之一。

表1 仿真參數(shù)Tab. 1 Simulation parameters

圖9示出LLC諧振變流器一次直流側(cè)、光伏電池和準(zhǔn)z源阻抗網(wǎng)絡(luò)中電容器C1的電壓波形。在0.08 s時刻開始進行光伏電池MPPT控制，光伏電池的輸出電壓（綠線）開始跟蹤最大功率點的電壓指令（紅線）； MPPT控制啟動后，因為直通狀態(tài)的加入，LLC諧振變流器一次側(cè)直流電壓出現(xiàn)跌落現(xiàn)象。為方便觀察，圖10將圖9(a)中紅色橢圓區(qū)域的一次側(cè)直流母線電壓進行局部展開。 從仿真波形可以看到，在LLC變流器的直通狀態(tài)期間，直流側(cè)電壓下降到零。另外，一次側(cè)的直流壓降是由LLC諧振回路的電感引起的，其詳細原理分析可參考文獻[14]。

圖9 LLC諧振變流器一次側(cè)、光伏電池、準(zhǔn)z源阻抗網(wǎng)絡(luò)電容C1電壓波形Fig. 9 Voltage waveforms of the LLC resonant primary side,PV cells and the capacitor C1 in qZS impedance network

圖10 LLC諧振變流器一次側(cè)直流電壓展開波形Fig. 10 Unfolded DC voltage waveform of the LLC resonant converter in the primary side

為了分析LLC諧振變流器的開關(guān)損耗，圖11示出了一次側(cè)開關(guān)器件S1～S4的電壓(紅線)和電流（綠線）波形。 由圖可知，在大部分開關(guān)周期內(nèi)，開關(guān)器件在其兩端電壓由正降為零的時刻，電流均為負值。這說明此時開關(guān)器件的反并聯(lián)二極管正在導(dǎo)通，進而將開關(guān)器件兩端電壓箝位到零，實現(xiàn)了開關(guān)器件的零電壓開通，有效地降低了導(dǎo)通損耗。

圖11 LLC諧振變流器一次側(cè)開關(guān)器件電壓、電流波形Fig. 11 Voltage and current waveforms of switches of the LLC resonant converter in the primary side

4 結(jié)語

本文提出一種用于地鐵直流牽引電網(wǎng)的光儲變流系統(tǒng)，其光伏電池的最大功率點跟蹤（MPPT）可以通過準(zhǔn)z源阻抗網(wǎng)絡(luò)和LLC諧振變流器的協(xié)調(diào)控制來實現(xiàn)，無須配置額外DC-DC變換器。 此外，本文還針對該系統(tǒng)提出一種儲能變流器調(diào)制策略，將儲能變流器等效開關(guān)頻率提高一倍，有效減小了儲能變流器的平波電感；同時，可以將儲能元件直流電壓降低至直流牽引網(wǎng)電壓四分之一及以下，減少了儲能元件的串聯(lián)數(shù)量，降低了儲能元件組失效概率。

由于施加在LLC諧振變流器上的直通狀態(tài)和準(zhǔn)z源阻抗網(wǎng)絡(luò)的影響，在少數(shù)開關(guān)周期內(nèi)，開關(guān)器件在導(dǎo)通時刻仍存在損耗，影響系統(tǒng)效率，后續(xù)將對該問題進行分析研究。