一种地铁直流牵引电网光储变流系统

李红波，黄子昊，徐东昇，张 超，罗文广，张志学

（中车株洲电力机车研究所有限公司，湖南 株洲 412001）

0 引言

城市轨道交通已成为当代大都市重要运输出行方式，它缓解了城市交通拥堵，在城市的社会和经济活动中起着不可或缺的作用。然而随着城市轨道交通的快速发展，其系统能耗也显著增加，因此对节能减排有迫切需求[1]。目前，世界上已有许多国家和地区提出了光伏屋顶计划[2-4]，即在建筑物屋顶上铺设光伏板进行光伏发电。在德国和荷兰等国家，在高速公路沿线安装了光伏电池板声屏障，利用声屏障的空间铺设光伏板进行光伏发电[5]。对于多数现有地铁线路的牵引变电站而言，其缺少扩容空间，但可以在车站屋顶、地铁沿线以及高架线的两侧布置光伏发电系统，以进一步满足城市轨道交通系统的用电需求[6]。国内上海、广州及宁波等地的地铁线路在其车辆段部分配置了光伏发电系统，以向车辆段供电。文献[7]评估了将光伏发电技术应用于城市轨道交通系统的可行性，仿真结果表明，与交流并网模式相比，直流并网模式具有更好的节能效果。基于储能的城市轨道交通节能技术具有广阔的应用前景[8-9]。文献[8]比较了多种储能元件特性，例如锂离子储能元件、镍氢储能元件和双层电容器。文献[9]分析比较了旨在降低地铁电网总能耗的车载和地面储能系统的优势和局限性。文献[7-9]均未从变流器电路拓扑、隔离变压器、储能元件串联数量以及控制策略等方面探索城市轨道交通直流牵引电网光伏并网系统。

基于此，本文提出一种用于地铁直流牵引电网的光储变流系统，其集成了基于LLC谐振变流器的光伏发电单元和储能单元。光伏电池阵列的最大功率点跟踪（maximum power point tracking, MPPT）可以通过准z源（quasi-z-source, qZS）网络和LLC谐振变流器的组合控制来实现。光伏发电单元被直接并入地铁直流牵引电网，可减少电能在传输和变换过程中的损耗。除吸收过剩的光伏电能外，储能系统还可以回收列车再生制动能量，抑制直流牵引电网电压和列车接入牵引网处电压的泵升。当列车启动或加速时，储能系统将存储的再生制动能量重新注入直流牵引电网向列车供能，从而有效提升了牵引供电系统能量利用效率。此外，本文还提出一种基于储能变流器的调制策略，可将储能功率变换系统（power conversion system, PCS）的等效开关频率比实际开关频率提高一倍，从而有效减小储能变流器的平滑电抗器，并降低开关损耗。

1 直流牵引电网光储变流系统

图1示出一种集成了光储并网系统的地铁牵引电网架构。该牵引电网包含1个直流牵引电网、2个主变电站、多个辅助变电站和分布式光储并网系统。主变电站通过降压变压器将110 kV交流电转换为35 kV交流电[10]。直流牵引电网由直流牵引变电站、悬链线或第三轨、走行轨组成，其中，直流牵引变电站普遍采用12脉波或 24脉波整流，其功率流是单向的。因此，需要额外配置能量回馈装置将列车再生制动能量反送至35 kV交流电网。辅助变电站将35 kV交流电降至400 V交流电，向环控系统、电梯、照明设备及商铺等供电。与现有地铁线路的光伏交流并网应用不同，本文的光储变流系统集成了储能单元，其输出端被直接并接到直流牵引电网。

列车运行时在启动、加速、惰行和制动模式之间频繁切换，功率波动较大。为满足列车运行需求，通常将牵引变压器和二极管整流器的最大功率按3倍过载能力设计。然而，多数时间牵引变电站输出功率远小于峰值功率，导致牵引变压器和整流器的利用率较低。利用光储系统对牵引供电网进行削峰填谷，平滑电网功率冲击，可以降低牵引变电站的设计容量和建设成本。同时，该光储系统可将能量直接馈送到直流牵引电网，取消了并网工频变压器，减少了能量变换环节，降低了传输损耗和变压器空载损耗。

光储系统电路拓扑如图2所示，其主要由准z源阻抗网络、LLC谐振变流器和储能变流器组成。光伏电池阵列与准z源阻抗网络级联，并通过LLC谐振变流器并联到直流牵引电网。储能单元并联在LLC谐振变流器输出端。储能变流器由两个串联的半桥电路和两个串联的电容器、平波电抗器构成。

图2 光储系统电路拓扑Fig. 2 Topology of the power conversion system combined with PV system and energy storage unit

2 最大功率点跟踪控制策略

为提高光伏电池阵列的发电效率，需控制光伏电池阵列的输出电压以跟踪其最大输出功率曲线上的参考电压值，即通常所说的光伏发电最大功率点跟踪。本节对所提系统的最大功率点跟踪控制策略进行阐述。

2.1 基于准z源阻抗网络的MPPT

在环境温度和光照强度固定时，光伏电池阵列输出功率和输出电压满足一定函数关系。为充分利用光伏电池阵列发电能力，需要通过DC-DC变换器将光伏电池阵列的输出直流电压调节到最大功率点处。同时，无论是直流电网还是交流电网，都要求并网变流器的直流电压在一定范围内。另外，考虑系统安全，光伏发电单元需要通过隔离变压器接入电网。综合以上因素，光伏电池阵列一般需要2个变换环节才能接入电网，因此系统效率较低。

本文所提的光储系统将光伏发电单元直接并入直流牵引电网。为提高整个系统功率密度，采用LLC谐振变流器替代T型变流器，进而通过大幅提高隔离变压器的工作频率，减小磁性元件体积和重量。在LLC谐振变流器一次侧并联准z源阻抗网络后，LLC谐振变流器具备电流源特性，允许桥臂直通[11-12]。因此，在变流器死区增加桥臂直通状态，将光伏电池阵列输出的电能存储到准z源阻抗网络内，如图3（a）所示；而当变流器死区状态结束后，存储在准z源网络的能量再经由LLC谐振变流器传输到直流牵引电网，如图3（b）所示。通过控制直通状态，可以调节光伏电池阵列的直流输出电压，进而实现MPPT。另外，直通状态并不影响LLC谐振变流器死区时输出侧的功率流。因此，所提的变流器可以同时实现MPPT和并网变流功能。

图3 MPPT过程的qZS和LLC谐振变流器等效电路Fig. 3 Equivalent circuits of the qZS network and the LLC resonant converter in the MPPT process

图4 LLC谐振变流器的控制原理Fig. 4 Control principle of LLC resonant converter

2.2 储能变流器的调制策略

为了降低弃光率并减轻列车再生制动能量对直流牵引电网的冲击，本文针对所设计的光伏并网变流器中的储能系统提出一种调制策略，其将储能变流器的等效开关频率提高到实际开关频率的2倍，同时将储能元件输出电压降低到直流牵引电网电压的四分之一，从而减少储能元件的串联数量。

图5 储能变流器调制策略Fig. 5 Modulation strategy of the energy storage converter

图6 储能变流器开关周期内的运行模态Fig. 6 Operation modes of the energy storage converter in a switching period

模态1（t1～t2）：SB1和SB3处于导通状态。电容器Cs1通过SB1和D3为储能元件和电抗器LB充电。

模态2（t2～t3）：SB1关断，电抗器LB中存储的能量通过D2和D3释放到储能元件。

模态3（t3～t4）：SB2导通，储能元件通过SB2和SB3将能量传输到电抗器LB中。

模态4（t4～t5）：SB3关断，储能元件通过SB2和D4将能量传输到电抗器LB和电容器Cs2中。

模态5（t5～t6）：SB2和SB4处于导通状态。电容Cs2和电抗器LB为储能元件充电。

模态6（t6～t7）：SB4关断，电抗器LB通过D2和D3向储能元件释放能量。

模态7（t7～t8）：SB2和SB3导通，储能元件将能量传输到电抗器LB中。

模态8（t8～t9）：SB2关断，储能元件通过D1和SB3将能量传输到电抗器LB和电容器Cs1中。

整个阶段中，由于电抗器LB的续流作用，即将导通的开关器件被反并联二极管箝位，因此可实现零电压导通。

储能变流器不同运行模态等效电路如图7所示。在一个开关周期内，储能元件和电抗器LB通过上半桥臂和下半桥臂开关管的通断被轮流连接到直流母线电容器Cs1和Cs2上或短路，因此储能元件的最大电压不超过电容器电压V_Cs1或V_Cs2。通过选取合适的占空比，可以将储能元件的输出电压控制在直流牵引网电压的四分之一以内。

图7 储能变流器不同运行状态等效电路Fig. 7 Equivalent circuits of the energy storage converter in various operation stages

储能变流器的控制原理如图8所示，其含有2个控制环，其中，Dref为占空比指令，Dc1和Dc2为指令修正值。外环通过PI控制器确定储能变流器的基准占空比，使得光储系统直流输出电压跟踪直流牵引网电压。内环通过精细调节从外环获得的占空比来实现串联电容器Cs1和Cs2电压的平衡。

图8 储能变流器的控制框图Fig. 8 Control block diagram of the energy storage converter

3 功能验证

本文搭建了仿真模型对所提光储变流系统及其控制策略进行验证。表1示出仿真模型关键参数。仿真模型选择磷酸铁锂电池作为储能元件。电池输出电压初值设定为300 V，低于直流牵引电网的电压（1 700 V）的四分之一。

表1 仿真参数Tab. 1 Simulation parameters

图9示出LLC谐振变流器一次直流侧、光伏电池和准z源阻抗网络中电容器C1的电压波形。在0.08 s时刻开始进行光伏电池MPPT控制，光伏电池的输出电压（绿线）开始跟踪最大功率点的电压指令（红线）； MPPT控制启动后，因为直通状态的加入，LLC谐振变流器一次侧直流电压出现跌落现象。为方便观察，图10将图9(a)中红色椭圆区域的一次侧直流母线电压进行局部展开。 从仿真波形可以看到，在LLC变流器的直通状态期间，直流侧电压下降到零。另外，一次侧的直流压降是由LLC谐振回路的电感引起的，其详细原理分析可参考文献[14]。

图9 LLC谐振变流器一次侧、光伏电池、准z源阻抗网络电容C1电压波形Fig. 9 Voltage waveforms of the LLC resonant primary side,PV cells and the capacitor C1 in qZS impedance network

图10 LLC谐振变流器一次侧直流电压展开波形Fig. 10 Unfolded DC voltage waveform of the LLC resonant converter in the primary side

为了分析LLC谐振变流器的开关损耗，图11示出了一次侧开关器件S1～S4的电压(红线)和电流（绿线）波形。 由图可知，在大部分开关周期内，开关器件在其两端电压由正降为零的时刻，电流均为负值。这说明此时开关器件的反并联二极管正在导通，进而将开关器件两端电压箝位到零，实现了开关器件的零电压开通，有效地降低了导通损耗。

图11 LLC谐振变流器一次侧开关器件电压、电流波形Fig. 11 Voltage and current waveforms of switches of the LLC resonant converter in the primary side

4 结语

本文提出一种用于地铁直流牵引电网的光储变流系统，其光伏电池的最大功率点跟踪（MPPT）可以通过准z源阻抗网络和LLC谐振变流器的协调控制来实现，无须配置额外DC-DC变换器。 此外，本文还针对该系统提出一种储能变流器调制策略，将储能变流器等效开关频率提高一倍，有效减小了储能变流器的平波电感；同时，可以将储能元件直流电压降低至直流牵引网电压四分之一及以下，减少了储能元件的串联数量，降低了储能元件组失效概率。

由于施加在LLC谐振变流器上的直通状态和准z源阻抗网络的影响，在少数开关周期内，开关器件在导通时刻仍存在损耗，影响系统效率，后续将对该问题进行分析研究。