陳 勇，劉承志，鄭 寧，莊 巖，曹景雷

0 引言

地鐵站間距較短，列車(chē)啟動(dòng)、制動(dòng)頻繁，約40%的能量被浪費(fèi)，可回收的制動(dòng)能量可觀?，F(xiàn)有的電阻式再生制動(dòng)吸收電能未被有效利用，能量被電阻以發(fā)熱的形式消耗掉，存在一定的能源浪費(fèi)，散發(fā)的熱量會(huì)引起地鐵隧道的溫升，加重空調(diào)和通風(fēng)設(shè)施的負(fù)擔(dān)，進(jìn)一步引起能源浪費(fèi)，同時(shí)在地鐵隧道的封閉系統(tǒng)里存在粉塵污染及車(chē)輛自重大等問(wèn)題，這與節(jié)能環(huán)保的主題相悖[1]。再生制動(dòng)是利用電機(jī)轉(zhuǎn)換的原理消耗機(jī)械能，只是將制動(dòng)中產(chǎn)生的電能反饋到電網(wǎng)中去加以利用，因此再生制動(dòng)能夠節(jié)約電能，屬于比較理想的制動(dòng)方式[2]。

隨著國(guó)內(nèi)關(guān)鍵技術(shù)的掌握和發(fā)展，開(kāi)發(fā)逆變回饋型再生制動(dòng)能量吸收裝置無(wú)論從技術(shù)上還是造價(jià)上已具有可行性。例如國(guó)內(nèi)一些公司在逆變回饋型再生制動(dòng)能量吸收裝置的自主創(chuàng)新上已進(jìn)入樣機(jī)研制階段，因此開(kāi)展自主研發(fā)或集成引進(jìn)創(chuàng)新逆變回饋型再生制動(dòng)能量吸收裝置是十分必要的。從降低軌道交通運(yùn)營(yíng)成本和節(jié)約能源的角度出發(fā)，研究逆變回饋型再生制動(dòng)能量吸收裝置具有重要意義，符合國(guó)家節(jié)能減排、低碳環(huán)保政策[3]。此外，還有其他一些再生制動(dòng)能量吸收方案，比如電阻耗能型、電容儲(chǔ)能型和飛輪儲(chǔ)能型再生制動(dòng)能量吸收，這里就不再一一贅述。下面著重分析逆變回饋型再生制動(dòng)能量吸收裝置的構(gòu)成、工作原理及其試驗(yàn)結(jié)果。

1 逆變回饋系統(tǒng)的構(gòu)成及其工作原理

再生制動(dòng)能量逆變回饋系統(tǒng)采用能量回饋方式，該系統(tǒng)主要由隔離開(kāi)關(guān)、回饋?zhàn)兞髌?、隔離變壓器構(gòu)成。其中，回饋?zhàn)兞髌髦饕呻娏﹄娮庸β誓K、控制單元、濾波器等組成[4]。

逆變回饋系統(tǒng)為三相電流型逆變電源，工作原理框圖如圖1 所示。它的主要功能是將地鐵車(chē)輛再生制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的能量通過(guò)整流變壓器反饋回交流35 kV 中壓環(huán)網(wǎng)，供其他負(fù)載使用，起到節(jié)約能源的作用，同時(shí)穩(wěn)定直流牽引網(wǎng)電壓，保證地鐵直流牽引供電系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行。

逆變回饋系統(tǒng)的工作原理描述如下：

（1）系統(tǒng)回饋運(yùn)行。逆變回饋裝置啟動(dòng)后，裝置首先按照啟動(dòng)時(shí)序?qū)⒏鲾嗦菲?、接觸器閉合，使裝置進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)后，裝置實(shí)時(shí)檢測(cè)直流母線(xiàn)電壓，當(dāng)裝置檢測(cè)到直流母線(xiàn)電壓高于設(shè)定值（DC 1 650 V，可調(diào)節(jié)）后，會(huì)立即開(kāi)啟PWM 脈沖信號(hào)，控制功率器件IGBT，使其工作，通過(guò)快速調(diào)節(jié)電流，使直流母線(xiàn)側(cè)由地鐵剎車(chē)制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的能量，快速回饋到電網(wǎng)中；同時(shí)穩(wěn)定直流母線(xiàn)電壓，將直流母線(xiàn)電壓穩(wěn)定在設(shè)定值（DC 1 650 V，可調(diào)節(jié)），確保地鐵直流供電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定。此時(shí)由于直流母線(xiàn)電壓值高于整流器不可控整流值，整流器二極管會(huì)自動(dòng)停止工作。

（2）系統(tǒng)待機(jī)運(yùn)行。當(dāng)裝置檢測(cè)到直流電流的方向發(fā)生改變時(shí)，回饋?zhàn)兞髌鳛檎鞴ぷ鳡顟B(tài)，即車(chē)輛處于牽引狀態(tài)，因地鐵牽引啟動(dòng)需要的能量大于回饋裝置的容量，此時(shí)回饋裝置即刻封鎖PWM 脈沖信號(hào)并退出運(yùn)行，進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，地鐵牽引所需能量完全由牽引整流機(jī)組提供，直流母線(xiàn)電壓快速回落至DC 1 500 V 附近。另外當(dāng)回饋裝置運(yùn)行后，檢測(cè)到回饋的能量接近于0（30 s 內(nèi)平均值），裝置會(huì)自動(dòng)退出運(yùn)行，進(jìn)入待機(jī)運(yùn)行，因此可避免電網(wǎng)電壓AC 1 180 V 側(cè)較高時(shí)引起回饋裝置誤動(dòng)作。

圖1 再生制動(dòng)能量逆變回饋系統(tǒng)原理框圖

2 系統(tǒng)的仿真建模及試驗(yàn)結(jié)果分析

再生制動(dòng)能量逆變回饋系統(tǒng)仿真模型由主電路和控制電路組成。運(yùn)用MATLAB7.1 軟件中的Simulink 和SimPowerSystems 2 個(gè)工具箱構(gòu)建再生制動(dòng)能量逆變回饋系統(tǒng)的主電路仿真模型，如圖2所示。

圖2 再生制動(dòng)能量逆變回饋系統(tǒng)的主電路仿真模型圖

主電路主要由PWM 型逆變器、LC 濾波器以及隔離變壓器組成。PWM 型逆變電路由6 個(gè)IGBT構(gòu)成逆變橋，將直流電變換成交流電。由于逆變器輸出的交流電含有大量諧波，所以要設(shè)置濾波電路進(jìn)行濾波，LC 串聯(lián)諧振濾波電路設(shè)置在隔離變壓器低壓900 V 側(cè)。為了防止逆變器的某一橋臂短路時(shí)，直流電流直接進(jìn)入交流系統(tǒng)，所以在逆變器輸出端與整流變壓器副邊AC 1 180 V 間加入一臺(tái)900 V/1 180 V 的隔離變壓器，保證直流電流不會(huì)進(jìn)入交流系統(tǒng)。

運(yùn)用 MATLAB7.1 軟件中的 Simulink 和SimPowerSystems 2 個(gè)工具箱構(gòu)建再生制動(dòng)能量逆變回饋系統(tǒng)的控制電路仿真模型，如圖3 所示。

圖3 再生制動(dòng)能量逆變回饋系統(tǒng)的控制電路仿真模型圖

逆變回饋系統(tǒng)的控制電路由電流調(diào)節(jié)子系統(tǒng)和PWM 發(fā)生器組成?？刂齐娐凡捎肧PWM 控制策略，調(diào)壓控制器采用數(shù)字式PI 控制，實(shí)時(shí)地調(diào)節(jié)輸出電壓的幅值，以滿(mǎn)足實(shí)際需要?？刂齐娐钒涯孀兒蟮娜嘟涣麟娪靡粋€(gè)電流測(cè)量元件將三相電流反饋回來(lái)，與給定的參考電流信號(hào)進(jìn)行比較，所得到的誤差信號(hào)經(jīng)過(guò)PI 調(diào)節(jié)器進(jìn)行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)后的信號(hào)送入PWM 發(fā)生器，用來(lái)控制PWM 發(fā)生器的調(diào)制正弦波的幅值。PWM 發(fā)生器產(chǎn)生的PWM波又來(lái)控制逆變電路開(kāi)關(guān)器件IGBT 的開(kāi)通與關(guān)斷，從而實(shí)現(xiàn)調(diào)壓功能。

地鐵列車(chē)運(yùn)行大致可以分為3 個(gè)過(guò)程：車(chē)輛勻速行駛、車(chē)輛剎車(chē)制動(dòng)和車(chē)輛牽引啟動(dòng)。地鐵列車(chē)再生制動(dòng)回饋動(dòng)態(tài)全過(guò)程的模擬試驗(yàn)如圖4 和圖5所示。

圖4 列車(chē)制動(dòng)時(shí)電壓和回饋能量變化圖

由試驗(yàn)結(jié)果圖4 可以看出，當(dāng)列車(chē)由勻速行駛轉(zhuǎn)為制動(dòng)時(shí)，直流母線(xiàn)電壓開(kāi)始升高；此刻，當(dāng)逆變回饋型再生制動(dòng)能量吸收裝置檢測(cè)到直流母線(xiàn)電壓高于設(shè)定值后立刻投入運(yùn)行，將制動(dòng)能量迅速回饋至交流電網(wǎng)，回饋電網(wǎng)電流平穩(wěn)。同時(shí)使直流母線(xiàn)電壓穩(wěn)定在設(shè)定值，確保不超過(guò)穩(wěn)壓設(shè)定值；直流穩(wěn)壓動(dòng)態(tài)無(wú)超調(diào)，穩(wěn)態(tài)電壓恒定。

圖5 列車(chē)啟動(dòng)時(shí)電壓和回饋能量變化圖

由試驗(yàn)結(jié)果圖5 可以看出，當(dāng)列車(chē)啟動(dòng)時(shí)，通過(guò)檢測(cè)能量流動(dòng)的方向，若能量由再生制動(dòng)回饋?zhàn)兞髌髁飨蛑绷髂妇€(xiàn)，則逆變回饋型再生制動(dòng)能量吸收裝置退出回饋運(yùn)行狀態(tài)并轉(zhuǎn)到系統(tǒng)待機(jī)狀態(tài)，直流母線(xiàn)電壓迅速降低，地鐵列車(chē)運(yùn)行時(shí)的所需能量由牽引變電所大功率整流機(jī)組提供。由試驗(yàn)結(jié)果分析表明，本文中設(shè)計(jì)的逆變回饋型再生制動(dòng)能量吸收裝置達(dá)到了預(yù)期的能量吸收、降低直流母線(xiàn)電壓的效果[5]。

逆變回饋型再生制動(dòng)能量吸收裝置采用高頻開(kāi)關(guān)器件IGBT 實(shí)現(xiàn)的變流器具有諧波含量小、控制方法靈活并且動(dòng)態(tài)性能好等優(yōu)點(diǎn)，成為人們研究和應(yīng)用的熱點(diǎn)[6，7]。基于PWM 并網(wǎng)逆變器的再生制動(dòng)能量吸收方案除了可以在機(jī)車(chē)再生制動(dòng)時(shí)穩(wěn)定直流側(cè)電壓，還有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）交流電網(wǎng)側(cè)采用電感濾波，不存在換向電壓畸變，且交流電流諧波含量小，對(duì)電網(wǎng)污染輕。

（2）入網(wǎng)功率因數(shù)高，并且不因回饋功率變化而變化，可減少無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備的投資。

（3）由于功率管的開(kāi)關(guān)頻率比較高，濾波器體積容量可以設(shè)計(jì)得比較小，濾波器損耗小，并且動(dòng)態(tài)響應(yīng)快。

（4）充分利用了地鐵列車(chē)再生制動(dòng)能量，提高了再生制動(dòng)能量的利用效率，節(jié)能效果好，還可減小機(jī)車(chē)制動(dòng)電阻的容量。

（5）其能量直接回饋到電網(wǎng)，既不要配置儲(chǔ)能元件，也不要吸收電阻，因此對(duì)環(huán)境溫度影響小。

3 結(jié)論

逆變回饋型再生制動(dòng)能量吸收裝置將在城市軌道交通中發(fā)揮著重要作用，它的應(yīng)用能夠節(jié)約能源，降低地鐵運(yùn)營(yíng)成本，提高經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)保證地鐵車(chē)輛及變電所設(shè)備的安全運(yùn)行，因此對(duì)其進(jìn)行相關(guān)研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。仿真試驗(yàn)結(jié)果表明，文中所設(shè)計(jì)的逆變回饋型再生制動(dòng)能量吸收裝置滿(mǎn)足地鐵列車(chē)再生制動(dòng)能量的吸收利用以及穩(wěn)定牽引網(wǎng)電壓的要求，能夠解決實(shí)際工程問(wèn)題。

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