曾之煜，陳 桁，敖娜娜

0 引言

逆變回饋型再生制動能量吸收裝置充分利用了列車再生制動能量，提高了再生能量的利用率，節(jié)能效果好，并可減少列車制動電阻的容量；其能量直接回饋到電網(wǎng)，既不要配置儲能元件，也不要吸收電阻；因此對環(huán)境溫度影響小，在大功率室內(nèi)安裝的情況下多采用該方案。

現(xiàn)有的逆變回饋型再生制動能量吸收裝置采用工控機—單片機為核心結構，工控機成本較高，且控制復雜，既浪費資源，又達不到最佳的控制效果，本文提出了以單片機—單片機為核心的方案，該方案在原有逆變功能上增加了諧波抑制的功能。

1 裝置原理

逆變回饋型再生制動能量吸收裝置主要采用電力電子器件構成大功率晶閘管三相逆變器，該逆變器的直流側與牽引變電所中的整流器直流母線相連，其交流進線接到交流電網(wǎng)上；當再生制動使直流電壓超過規(guī)定值時，逆變器啟動并從直流母線吸收電流，將再生直流電能逆變成工頻交流電回饋至交流電網(wǎng)。

逆變吸收裝置主要包括晶閘管逆變器、逆變變壓器、平衡電抗器、交流斷路器、直流快速斷路器、直流電壓變換器和控制等部分，其系統(tǒng)主接線示意圖如圖1所示。

圖1 逆變回饋型再生制動能量吸收裝置原理圖

另外還有一種產(chǎn)品是利用IGBT技術的雙向變流器（同時實現(xiàn)整流和逆變的功能），國內(nèi)正在開發(fā)研制該產(chǎn)品。該技術在起重機、軋鋼機、卷揚機設備中已有實際的工業(yè)運行實例，目前國內(nèi)軌道交通尚處于探索起步階段。

逆變單元的一端通過斷路器連接于直流母線上，另一端與整流變壓器次邊連接?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)交、直流電壓的變化，如直流母線電壓高于1 730 V（DC 1 500 V直流母線，動作值可以設定），及直流側電流的極性進行綜合判斷，確定在線車輛已處于再生制動狀況后，投入逆變回饋裝置。根據(jù)線網(wǎng)再生反饋電流的大小，自動調(diào)節(jié)逆變回饋裝置通過電流，實現(xiàn)穩(wěn)定線網(wǎng)電壓。再生制動逆變回饋裝置將機車再生制動產(chǎn)生的能量通過整流變壓器回饋到AC 35 kV電網(wǎng)，當機車再生制動能量吸收完促使電壓回到設定的整定電壓值（DC 1 730 V，動作值可以設定）以下，或者當車輛由再生電制動轉(zhuǎn)為其他工況運行時，經(jīng)系統(tǒng)判斷，再生制動逆變回饋裝置將停止能量回饋。同時，控制系統(tǒng)根據(jù)采集到的電流、電壓進行諧波分析，并采取相關措施進行諧波抑制。再生制動逆變回饋裝置采用模塊化結構，以750 kW或1 000 kW為一個單元，根據(jù)需要可以并聯(lián)多個再生制動逆變回饋裝置。

2 硬件原理

由于系統(tǒng)實現(xiàn)的功能復雜，傳統(tǒng)裝置的控制系統(tǒng)為工控機—單片機上下2級控制，為節(jié)約成本，本文采用單片機—單片機上下 2級控制結構。其中，上位機選用 Samsung公司基于 ARM 公司ARM920T處理器核的芯片 S3C2410，該 CPU是人機交互的核心，主要功能是接收下位機的采集信息，記錄不同工況下電壓、電流及吸收電流曲線等；對吸收裝置實行監(jiān)控，通過LCD及鍵盤，完成參數(shù)的設置、運行狀態(tài)監(jiān)視、故障判斷及處理、數(shù)據(jù)記憶及外部打印等功能。下位機采用TI 公司的32位DSP芯片TMS320LF2407進行控制，其主要功能是：要完成數(shù)據(jù)采集、邏輯處理、故障判斷、控制輸出、PID調(diào)節(jié)運算、多相PWM輸出、系統(tǒng)通信、諧波分析、諧波抑制等工作。系統(tǒng)根據(jù)交、直流電壓的變化及受流軌電流的極性進行綜合判斷，確定在線車輛已處于再生制動狀況后，開通各晶閘管電路。隨后，根據(jù)線網(wǎng)再生反饋電流的大小，自動調(diào)節(jié)晶閘管的導通比，實現(xiàn)恒壓吸收，穩(wěn)定線網(wǎng)電壓。當車輛由再生電制動轉(zhuǎn)為其他工況運行時，經(jīng)系統(tǒng)判斷，自動關斷晶閘管，使裝置處于待命狀態(tài)。控制系統(tǒng)結構示意圖見圖2。

32位高性能嵌入式處理器 S3C2410，是高度集成化的嵌入式處理器，集成了 ARM920T CPU核，存儲器管理單元（MMU）。16 kB的高速緩沖存儲器以及寫緩沖器，主頻達到了200 MHz，并且具有低功耗等多重優(yōu)點。CAN總線接口保證上下位機的通訊，JTAG接口的功能是調(diào)試和仿真，F(xiàn)LASH和SDRAM作為擴展存儲，LCD和鍵盤通過RS-232和CPU連接。上位機硬件原理圖見圖3。

圖2 控制系統(tǒng)結構圖

在下位機中，CPU通過直流電壓變換器電壓電流采樣，判斷列車運行的不同工況，通過PWM電路控制晶閘管的開通和關斷。同時對整流變壓器次邊電流電壓采樣，通過 TMS320LF2407進行諧波分析，再通過PWM電路、IGBT電路進行諧波抑制。下位機硬件系統(tǒng)見圖4。

圖3 上位機硬件原理圖

3 系統(tǒng)軟件

該系統(tǒng)采用Linux作為操作系統(tǒng)，需要加載硬件設備的驅(qū)動程序，使硬件正常工作。在嵌入式系統(tǒng)中，采用Bootloader來引導程序，在操作系統(tǒng)內(nèi)核運行之前的一段小程序，通過這段小程序，可以初始化硬件設備、建立內(nèi)存空間的映射圖，從而將系統(tǒng)的軟硬件環(huán)境帶到一個合適的狀態(tài)，以便為調(diào)用操作系統(tǒng)內(nèi)核準備好正確的環(huán)境。設備驅(qū)動和操作系統(tǒng)之上是根據(jù)基本協(xié)議所做的API接口程序。系統(tǒng)操作員根據(jù)最上層的應用程序控制整個裝置的運行。

圖4 下位機硬件系統(tǒng)示意圖

4 結論

現(xiàn)有再生制動能量吸收裝置多采用電阻耗能型吸收裝置，從長遠來看，更提倡采用逆變回饋型方案。本文采用單片機—單片機架構，節(jié)約成本，利于控制，同時有效處理了逆變帶來的諧波問題。

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