陳 勇

(深圳市地鐵三號線投資有限公司，518100，深圳∥工程師)

地鐵站間距較短，列車啟動、制動頻繁，約有40%的能量被浪費，可回收的制動能量可觀?，F(xiàn)有的電阻制動方式不能將制動能量進行有效利用，能量被電阻以發(fā)熱的形式消耗掉，散發(fā)的熱量還會引起隧道溫度升高，加重空調(diào)和通風(fēng)設(shè)施的負(fù)擔(dān)，進一步引起能源浪費。再生制動是將列車制動時產(chǎn)生的能量反饋回電網(wǎng)加以利用，能夠節(jié)約電能，屬于比較理想的制動方式［2］。

從節(jié)約能源和降低地鐵運營成本的角度出發(fā)，研究逆變回饋型再生制動能量吸收裝置具有重要的現(xiàn)實意義，符合國家節(jié)能減排、低碳環(huán)保政策［3］。本文分析逆變回饋型再生制動能量吸收系統(tǒng)的設(shè)備構(gòu)成及其工作原理，然后運用MATLAB軟件中的Simulink和SimPowerSystems兩個工具箱建立再生制動能量逆變回饋系統(tǒng)的仿真模型，并對仿真結(jié)果進行詳細(xì)討論。

1 逆變回饋系統(tǒng)的構(gòu)成及其工作原理

再生制動能量逆變回饋系統(tǒng)采用能量回饋方式。該系統(tǒng)主要由交直流斷路器、回饋變流器、隔離變壓器等構(gòu)成。其中，回饋變流器主要由電力電子器件IGBT(絕緣柵門雙極型晶體管)、控制單元及濾波器等組成［5］。逆變回饋系統(tǒng)為三相電流型逆變電源，其工作原理框圖如圖1所示。

圖1 再生制動能量逆變回饋系統(tǒng)原理框圖

逆變回饋系統(tǒng)的主要功能是將列車制動時產(chǎn)生的能量通過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，以起到節(jié)約能源的作用?，F(xiàn)將逆變回饋系統(tǒng)的工作原理描述如下:

1)系統(tǒng)的回饋運行:逆變回饋裝置啟動后，實時檢測直流母線電壓，當(dāng)檢測到直流母線電壓高于設(shè)定值(DC 1 680 V，可調(diào)節(jié))后，會即刻開啟脈沖寬度調(diào)制(PWM)信號，控制電力電子器件IGBT，使其工作，通過快速調(diào)節(jié)電流，使直流母線側(cè)由列車制動時產(chǎn)生的能量快速回饋到電網(wǎng)中，同時穩(wěn)定直流母線電壓，將直流母線電壓穩(wěn)定在設(shè)定值，以確保地鐵牽引供電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定。此時，由于直流母線電壓值高于整流器不可控整流值，整流器二極管自動關(guān)斷，停止工作。

2)系統(tǒng)待機運行:當(dāng)裝置檢測到直流電流的方向發(fā)生改變(直流電流＞－100 A)時，回饋變流器為整流工作狀態(tài)，即列車處于牽引狀態(tài)。因列車牽引需要的能量大于回饋裝置的容量，此時回饋裝置即刻封鎖PWM脈沖信號并退出運行，進入待機狀態(tài)，地鐵牽引所需能量全部由牽引整流機組提供，直流母線電壓快速回落至DC 1 500 V附近，保證地鐵牽引供電系統(tǒng)安全可靠運行。

2 逆變回饋系統(tǒng)的建模仿真及結(jié)果分析

再生制動能量逆變回饋系統(tǒng)仿真模型由主電路和控制電路兩部分組成。運用MATLAB 7.1軟件中的Simulink和SimPowerSystems兩個工具箱構(gòu)建再生制動能量逆變回饋系統(tǒng)的主電路仿真模型，如圖2所示。

主電路主要由PWM型逆變器、電感電容(LC)濾波器以及隔離變壓器等組成。PWM型逆變電路由6個IGBT構(gòu)成逆變橋，將直流電變換成交流電［6－7］。由于逆變器輸出的交流電含有大量諧波，所以設(shè)置濾波電路進行濾波，LC串聯(lián)諧振濾波電路設(shè)置在隔離變壓器低壓AC 900 V側(cè)。為了防止逆變器的某一橋臂短路時，使直流電流直接進入交流系統(tǒng)，所以，在逆變器輸出端與整流變壓器副邊AC 1 180 V間加入一臺變比為900 V/1 180 V的隔離變壓器，以保證直流電流不會進入交流系統(tǒng)。

運用 MATLAB 7.1軟件中的 Simulink和SimPowerSystems兩個工具箱構(gòu)建該逆變回饋系統(tǒng)的控制電路仿真模型，如圖3所示。

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。控制電路采用SPWM(正弦脈沖寬度調(diào)制)控制策略，調(diào)壓控制器采用數(shù)字式比例積分(PI)控制，實時地調(diào)節(jié)輸出電壓的幅值，以滿足實際需要?？刂齐娐钒涯孀兒蟮娜嘟涣麟娪靡粋€電流測量元件將三相電流反饋回來，與給定的參考電流信號進行比較，所得到的誤差信號經(jīng)過PI調(diào)節(jié)器進行調(diào)節(jié)，調(diào)節(jié)后的信號送入PWM發(fā)生器，用來控制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波又來控制逆變電路功率器件IGBT的開通與關(guān)斷，從而實現(xiàn)調(diào)壓功能［8－9］。同時，使用鎖相環(huán)(PLL)模塊取得整流變壓器35 kV側(cè)的同步電壓信號，保證逆變器輸出交流電壓與AC 35 kV中壓環(huán)網(wǎng)并網(wǎng)時同期［10］。

根據(jù)實際情況為該系統(tǒng)模型設(shè)置仿真參數(shù)，啟動仿真后，可以得到整流變壓器副邊AC 1 180 V側(cè)的三相電壓以及線電壓的仿真輸出波形，分別如圖4～5所示。

圖3 再生制動能量逆變回饋系統(tǒng)的控制電路仿真模型

圖4 整流變壓器1 180 V側(cè)三相電壓仿真

由圖4可以看出，整流變壓器1 180 V側(cè)的三相電壓波形非常接近正弦波，其數(shù)值大小與理論計算結(jié)果一致。為了對輸出特性進行分析，在仿真結(jié)束后，利用快速傅里葉變換(FFT)分析工具對圖4中的三個電壓波形的諧波含量大小進行分析。它們的各次諧波含量如圖6所示。

圖5 整流變壓器1 180 V側(cè)線電壓仿真

由圖6可以看出，整流變壓器1 180 V側(cè)三相電壓的諧波畸變率(THD)都遠(yuǎn)小于5%，滿足國標(biāo)要求。

圖6 整流變壓器1 180 V側(cè)三相電壓頻譜

由圖5可以看出，整流變壓器1 180 V側(cè)的線電壓波形也很接近正弦波，其數(shù)值大小與理論計算結(jié)果一致。利用FFT分析工具對圖5中線電壓波形的諧波含量大小進行分析，其各次諧波含量如圖7所示。

圖7 整流變壓器1 180 V側(cè)線電壓頻譜

由圖7可以看出，整流變壓器1 180 V側(cè)線電壓的THD遠(yuǎn)小于5%，滿足國標(biāo)要求。

3 結(jié)語

本文利用MATLAB 7.1軟件中的Simulink和SimPowerSystems兩個工具箱構(gòu)建再生制動能量逆變回饋系統(tǒng)的主電路仿真模型。仿真結(jié)果與理論計算結(jié)果一致，表明了該仿真模型的準(zhǔn)確性。它可以用來定量地分析計算逆變回饋裝置的理論輸出特性。

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