地鐵再生制動能量吸收的仿真研究

2012-01-17 01:41:16陳勇

城市軌道交通研究 2012年12期

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。現有的電阻制動方式不能將制動能量進行有效利用，能量被電阻以發熱的形式消耗掉，散發的熱量還會引起隧道溫度升高，加重空調和通風設施的負擔，進一步引起能源浪費。再生制動是將列車制動時產生的能量反饋回電網加以利用，能夠節約電能，屬于比較理想的制動方式［2］。

從節約能源和降低地鐵運營成本的角度出發，研究逆變回饋型再生制動能量吸收裝置具有重要的現實意義，符合國家節能減排、低碳環保政策［3］。本文分析逆變回饋型再生制動能量吸收系統的設備構成及其工作原理，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的仿真模型，并對仿真結果進行詳細討論。

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。該系統主要由交直流斷路器、回饋變流器、隔離變壓器等構成。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原理框圖

逆變回饋系統的主要功能是將列車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，以起到節約能源的作用。現將逆變回饋系統的工作原理描述如下:

1)系統的回饋運行:逆變回饋裝置啟動后，實時檢測直流母線電壓，當檢測到直流母線電壓高于設定值(DC 1 680 V，可調節)后，會即刻開啟脈沖寬度調制(PWM)信號，控制電力電子器件IGBT，使其工作，通過快速調節電流，使直流母線側由列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，以確保地鐵牽引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，整流器二極管自動關斷，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(直流電流＞－100 A)時，回饋變流器為整流工作狀態，即列車處于牽引狀態。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，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安全可靠運行。

2 逆變回饋系統的建模仿真及結果分析

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兩部分組成。運用MATLAB 7.1軟件中的Simulink和SimPowerSystems兩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。

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AC 900 V側。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，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。

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

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(正弦脈沖寬度調制)控制策略，調壓控制器采用數字式比例積分(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功率器件IGBT的開通與關斷，從而實現調壓功能［8－9］。同時，使用鎖相環(PLL)模塊取得整流變壓器35 kV側的同步電壓信號，保證逆變器輸出交流電壓與AC 35 kV中壓環網并網時同期［10］。

根據實際情況為該系統模型設置仿真參數，啟動仿真后，可以得到整流變壓器副邊AC 1 180 V側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。