基于逆變回饋的地鐵再生制動能量吸收的研究

陳 勇，劉承志，鄭 寧，莊 巖，曹景雷

0 引言

地鐵站間距較短，列車啟動、制動頻繁，約40%的能量被浪費，可回收的制動能量可觀。現有的電阻式再生制動吸收電能未被有效利用，能量被電阻以發熱的形式消耗掉，存在一定的能源浪費，散發的熱量會引起地鐵隧道的溫升，加重空調和通風設施的負擔，進一步引起能源浪費，同時在地鐵隧道的封閉系統里存在粉塵污染及車輛自重大等問題，這與節能環保的主題相悖[1]。再生制動是利用電機轉換的原理消耗機械能，只是將制動中產生的電能反饋到電網中去加以利用，因此再生制動能夠節約電能，屬于比較理想的制動方式[2]。

隨著國內關鍵技術的掌握和發展，開發逆變回饋型再生制動能量吸收裝置無論從技術上還是造價上已具有可行性。例如國內一些公司在逆變回饋型再生制動能量吸收裝置的自主創新上已進入樣機研制階段，因此開展自主研發或集成引進創新逆變回饋型再生制動能量吸收裝置是十分必要的。從降低軌道交通運營成本和節約能源的角度出發，研究逆變回饋型再生制動能量吸收裝置具有重要意義，符合國家節能減排、低碳環保政策[3]。此外，還有其他一些再生制動能量吸收方案，比如電阻耗能型、電容儲能型和飛輪儲能型再生制動能量吸收，這里就不再一一贅述。下面著重分析逆變回饋型再生制動能量吸收裝置的構成、工作原理及其試驗結果。

1 逆變回饋系統的構成及其工作原理

再生制動能量逆變回饋系統采用能量回饋方式，該系統主要由隔離開關、回饋變流器、隔離變壓器構成。其中，回饋變流器主要由電力電子功率模塊、控制單元、濾波器等組成[4]。

逆變回饋系統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輛再生制動時產生的能量通過整流變壓器反饋回交流35 kV 中壓環網，供其他負載使用，起到節約能源的作用，同時穩定直流牽引網電壓，保證地鐵直流牽引供電系統安全可靠運行。

逆變回饋系統的工作原理描述如下：

（1）系統回饋運行。逆變回饋裝置啟動后，裝置首先按照啟動時序將各斷路器、接觸器閉合，使裝置進入待機狀態。進入待機狀態后，裝置實時檢測直流母線電壓，當裝置檢測到直流母線電壓高于設定值（DC 1 650 V，可調節）后，會立即開啟PWM 脈沖信號，控制功率器件IGBT，使其工作，通過快速調節電流，使直流母線側由地鐵剎車制動時產生的能量，快速回饋到電網中；同時穩定直流母線電壓，將直流母線電壓穩定在設定值（DC 1 650 V，可調節），確保地鐵直流供電系統的安全穩定。此時由于直流母線電壓值高于整流器不可控整流值，整流器二極管會自動停止工作。

（2）系統待機運行。當裝置檢測到直流電流的方向發生改變時，回饋變流器為整流工作狀態，即車輛處于牽引狀態，因地鐵牽引啟動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，地鐵牽引所需能量完全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。另外當回饋裝置運行后，檢測到回饋的能量接近于0（30 s 內平均值），裝置會自動退出運行，進入待機運行，因此可避免電網電壓AC 1 180 V 側較高時引起回饋裝置誤動作。

圖1 再生制動能量逆變回饋系統原理框圖

2 系統的仿真建模及試驗結果分析

再生制動能量逆變回饋系統仿真模型由主電路和控制電路組成。運用MATLAB7.1 軟件中的Simulink 和SimPowerSystems 2 個工具箱構建再生制動能量逆變回饋系統的主電路仿真模型，如圖2所示。

圖2 再生制動能量逆變回饋系統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IGBT構成逆變橋，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，所以要設置濾波電路進行濾波，LC 串聯諧振濾波電路設置在隔離變壓器低壓900 V 側。為了防止逆變器的某一橋臂短路時，直流電流直接進入交流系統，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900 V/1 180 V 的隔離變壓器，保證直流電流不會進入交流系統。

運用 MATLAB7.1 軟件中的 Simulink 和SimPowerSystems 2 個工具箱構建再生制動能量逆變回饋系統的控制電路仿真模型，如圖3 所示。

圖3 再生制動能量逆變回饋系統的控制電路仿真模型圖

逆變回饋系統的控制電路由電流調節子系統和PWM 發生器組成。控制電路采用SPWM 控制策略，調壓控制器采用數字式PI 控制，實時地調節輸出電壓的幅值，以滿足實際需要。控制電路把逆變后的三相交流電用一個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過PI 調節器進行調節，調節后的信號送入PWM 發生器，用來控制PWM 發生器的調制正弦波的幅值。PWM 發生器產生的PWM波又來控制逆變電路開關器件IGBT 的開通與關斷，從而實現調壓功能。

地鐵列車運行大致可以分為3 個過程：車輛勻速行駛、車輛剎車制動和車輛牽引啟動。地鐵列車再生制動回饋動態全過程的模擬試驗如圖4 和圖5所示。

圖4 列車制動時電壓和回饋能量變化圖

由試驗結果圖4 可以看出，當列車由勻速行駛轉為制動時，直流母線電壓開始升高；此刻，當逆變回饋型再生制動能量吸收裝置檢測到直流母線電壓高于設定值后立刻投入運行，將制動能量迅速回饋至交流電網，回饋電網電流平穩。同時使直流母線電壓穩定在設定值，確保不超過穩壓設定值；直流穩壓動態無超調，穩態電壓恒定。

圖5 列車啟動時電壓和回饋能量變化圖

由試驗結果圖5 可以看出，當列車啟動時，通過檢測能量流動的方向，若能量由再生制動回饋變流器流向直流母線，則逆變回饋型再生制動能量吸收裝置退出回饋運行狀態并轉到系統待機狀態，直流母線電壓迅速降低，地鐵列車運行時的所需能量由牽引變電所大功率整流機組提供。由試驗結果分析表明，本文中設計的逆變回饋型再生制動能量吸收裝置達到了預期的能量吸收、降低直流母線電壓的效果[5]。

逆變回饋型再生制動能量吸收裝置采用高頻開關器件IGBT 實現的變流器具有諧波含量小、控制方法靈活并且動態性能好等優點，成為人們研究和應用的熱點[6，7]。基于PWM 并網逆變器的再生制動能量吸收方案除了可以在機車再生制動時穩定直流側電壓，還有如下優點：

（1）交流電網側采用電感濾波，不存在換向電壓畸變，且交流電流諧波含量小，對電網污染輕。

（2）入網功率因數高，并且不因回饋功率變化而變化，可減少無功補償設備的投資。

（3）由于功率管的開關頻率比較高，濾波器體積容量可以設計得比較小，濾波器損耗小，并且動態響應快。

（4）充分利用了地鐵列車再生制動能量，提高了再生制動能量的利用效率，節能效果好，還可減小機車制動電阻的容量。

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

3 結論

逆變回饋型再生制動能量吸收裝置將在城市軌道交通中發揮著重要作用，它的應用能夠節約能源，降低地鐵運營成本，提高經濟效益，同時保證地鐵車輛及變電所設備的安全運行，因此對其進行相關研究具有重要的現實意義。仿真試驗結果表明，文中所設計的逆變回饋型再生制動能量吸收裝置滿足地鐵列車再生制動能量的吸收利用以及穩定牽引網電壓的要求，能夠解決實際工程問題。

[1] 馬琪.國產地鐵車輛制動系統[J].都市快軌交通，2004，17（增刊）：101-110.

[2] 吳峻，李圣怡，潘孟春，等.再生制動的分析與控制[J].電工技術，2001，（12）：21-22.

[3] 孫延煥.再生制動吸收設備的應用介紹[J].電氣化鐵道，2005，（3）：40-41.

[4] 馮建兵.再生制動能量方式的探討[J].城市軌道交通研究2007，（6）：46-52.

[5] 李政，潘孟春，胡楷.城市輕軌再生制動能量吸收的仿真研究[J].系統仿真學報，2009，（8）：4916-4919.

[6] Sang-Hoon Song, Su-Jin Jang, Hyo-Jin Bang,Chung-Yuen Won.Regeneration inverter system for DC traction with harmonic reduction capability.IEEE, IECON 2004:1463-1468.

[7] C.H.Bael, M.S.Han, Y.K.Kim, C.Y.Choi, and S.J.Jang.Simulation study of regenerative inverter for DC traction substation.IEEE, ICEMS 2005, vol 2:1452-1456.