王文清

（南京國電南自新能源科技有限公司，江蘇南京210000）

0 引言

城市軌道交通工程中，普遍采用直-交變壓變頻的傳動方式，車輛的制動方式為電制動（再生制動）+機(jī)械制動，運(yùn)行中以電制動為主，機(jī)械制動為輔。列車在運(yùn)行過程中，由于站間距較短，列車啟動、制動頻繁，制動能量相當(dāng)可觀。目前國內(nèi)的城市軌道交通主要是采用電阻能耗吸收裝置處理列車運(yùn)行過程中的再生能量，不僅浪費(fèi)能量，也增加了站內(nèi)空調(diào)通風(fēng)裝置的負(fù)擔(dān)。此外制動電阻如裝在車上，也會增加車身重量，使得城軌建設(shè)費(fèi)用和運(yùn)行費(fèi)用增加。

軌道交通再生制動能量回饋裝置可將車輛的再生制動能量回饋到交流電網(wǎng)，實現(xiàn)再生制動能量的回饋利用，顯著降低城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)耗電量。

1 能饋回饋原理

ASF系列軌道交通再生制動能量回饋系統(tǒng)是利用電力電子器件構(gòu)成的三相逆變器將直流饋線上多余的再生制動能量直接回饋到交流電網(wǎng)，設(shè)備組成如圖1所示，其主要包括逆變器、電抗器和隔離變壓器。

圖1 逆變能饋式吸收裝置組成原理圖

能量回饋型吸收裝置的優(yōu)點是單機(jī)容量大，占地面積少，可完全利用富裕的列車再生制動能量，節(jié)能效果較好，并可減少車載制動電阻容量，其能量直接回饋交流電網(wǎng)供其他設(shè)備使用，不需要配置儲能元件，也不存在電阻發(fā)熱問題，對環(huán)境影響小，易于維護(hù)。

2 再生制動能量回饋裝置設(shè)計

再生制動能量回饋系統(tǒng)框圖如圖2所示?，F(xiàn)在大部分城市軌道交通牽引所都是35 kV或10 kV電網(wǎng)，經(jīng)過牽引整流變壓器，再進(jìn)行12脈波整流輸出直流1500 V或750 V給機(jī)車供電。再生制動能量吸收裝置是并聯(lián)在1500 V或750 V直流系統(tǒng)中，經(jīng)過逆變裝置變成交流，經(jīng)隔離變壓器輸入到電網(wǎng)（35 kV/10 kV或400 V）。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計

3.1 主控硬件設(shè)計

圖2 再生制動能量回饋系統(tǒng)框圖

主控硬件采用了DSP+FPGA結(jié)構(gòu)，主要邏輯和算法控制由DSP執(zhí)行，F(xiàn)PGA通過數(shù)據(jù)總線BUS1控制外部接口。DSP在讀取所需的電壓、電流數(shù)據(jù)后，通過母線電壓閉環(huán)控制以及電流閉環(huán)控制，產(chǎn)生系統(tǒng)運(yùn)行所需調(diào)制波的幅值m和相位θ。此外，該裝置還具備多種通信方式及事件記錄、狀態(tài)監(jiān)測和故障備份等功能。

3.2 軟件設(shè)計

再生制動能量回饋裝置軟件包括主程序和中斷處理程序，程序設(shè)計方案是基于中斷處理程序來實現(xiàn)再生制動能量回饋裝置的控制策略。再生制動能量回饋裝置軟件流程圖如圖3所示。

DSP利用通用定時器產(chǎn)生開關(guān)周期中斷，在開關(guān)周期中斷服務(wù)子程序中實現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)采樣處理、鎖相、算法等相關(guān)程序運(yùn)算。

3.2.1 數(shù)據(jù)采集

中斷服務(wù)程序啟動A/D轉(zhuǎn)換器后，數(shù)據(jù)采集通過外部中斷XINT1來實現(xiàn)。當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換芯片READY信號連接到DSP的中斷引腳的INT1上，觸發(fā)INT1中斷，DSP將A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果取出并處理。單片A/D可以同時進(jìn)行6個通道的模數(shù)轉(zhuǎn)換。

3.2.2 PI調(diào)節(jié)器

首先根據(jù)計算確定PID控制器各參數(shù)范圍，然后在現(xiàn)場試驗中，結(jié)合現(xiàn)場試驗法逐步試驗，最后得到較為滿意的響應(yīng)，確定控制器參數(shù)。

離散化后的PI控制方程為：

圖3 再生制動能量回饋裝置軟件流程圖

式中，Kp為比例系數(shù)；Ki為積分系數(shù)。

3.2.3 PWM輸出

設(shè)置開關(guān)中斷周期、工作模式、死區(qū)模式等寄存器。如果觸發(fā)開關(guān)中斷，算法計算出CMPRx（x=1，2，3）的值，則通過執(zhí)行一個來改變下一個中斷周期里的值。根據(jù)各相脈沖的占空比，產(chǎn)生不同的三相六路SVPWM波輸出波形。

4 現(xiàn)場運(yùn)行

根據(jù)南京地鐵S8號線的運(yùn)行情況，裝置現(xiàn)場運(yùn)行波形如圖4所示，具體運(yùn)行數(shù)據(jù)如表1所示。

圖4 現(xiàn)場運(yùn)行波形圖

表1 再生制動能量回饋裝置節(jié)能數(shù)據(jù)

根據(jù)工業(yè)用電的單價1元/kW·h，以日均2 000 kW·h來計算，每月節(jié)約電費(fèi)6萬元，可推算年節(jié)電量達(dá)到73萬kW·h，一年可節(jié)省73萬元，節(jié)能效果顯著。

若是采用電阻吸收消耗能量，除消耗電費(fèi)73萬kW·h外，還需增加額外通風(fēng)設(shè)施來散熱。

5 結(jié)語

再生制動能量回饋技術(shù)能夠?qū)⒅苿赢a(chǎn)生的能量回饋到電網(wǎng)，從而實現(xiàn)電能的再生利用，節(jié)約了大量的能源，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。