地鐵列車模塊化再生制動能量回饋變流器的研制

牛化鵬 張海龍 桑福環 周姝昱

(1.西安許繼電力電子技術有限公司，710075，西安;2.許繼集團有限公司，461000，許昌∥第一作者，工程師)

地鐵再生制動能量的吸收方式主要有電阻消耗、電容儲能、逆變回饋、飛輪儲能等4 種。其中，基于逆變方式的能量回饋變流器的節能效果好，且系統簡單、投資小，得到越來越多的關注和應用。文獻［1］介紹了一種基于SVPWM(空間矢量脈寬調制)控制的制動能量回饋裝置，但是僅僅進行了模擬試驗，其直流電壓只有23 V，不足以用來驗證;文獻［2］設計了一個2 000 kW 的逆變回饋的仿真模型，對主回路的參數和控制方案進行了研究，但未進行實驗驗證;文獻［3］設計了一個1 000 kW 的PWM(脈寬調制)變流器以實現制動能量回饋，采用2 組逆變單元并聯實現，但交流側需接入雙分裂變壓器而非直接并聯，其系統成本高且冗余度低、擴展困難。針對地鐵制動瞬時的功率大、對回饋設備可靠性要求高的情況，西安許繼電力電子技術有限公司設計了1 臺額定容量1.2 MW，具備短時1.25 倍過載能力，6 個子模塊交直流側直接并聯的再生制動能量回饋變流器。該裝置可實現各模塊的智能投入/切除，其冗余度高、擴展性好。

1 再生制動能量回饋系統工作原理

回饋系統包括回饋變流器、隔離變壓器、開關柜等，其接入方案見圖1:直流側通過饋線柜與直流接觸網相接，交流側經隔離變壓器和開關柜與35 kV環網相接，制動能量直接回饋到35 kV 電網。

圖1 再生制動能量回饋系統接入方案示意圖

再生制動能量回饋系統的運行狀態分為待機和回饋運行兩種。該系統能實時檢測接觸網電壓來判斷機車運行狀態:當接觸網電壓升高至超過閥值時可判斷機車處于制動狀態;當接觸網電壓降低時可判斷機車處于牽引或惰行狀態。

1)待機狀態:當裝置檢測到回饋變流器直流電流的方向發生改變時，回饋裝置即刻退出運行，進入待機狀態。此時IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)驅動脈沖封鎖，牽引所需能量完全由牽引整流器提供。

2)回饋運行狀態:進入待機狀態后，回饋裝置實時檢測直流母線電壓。當檢測到母線電壓高于設定值后，會即刻開啟PWM 使IGBT 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，確保地鐵直流供電系統的穩定。

2 回饋變流器主回路參數設計

回饋變流器主電路圖見圖2所示。

圖2 回饋變流器主電路圖

2.1 主回路參數設置

系統參數設置如下:額定功率為1.2 MW (過載為1.5 MW)，交流電壓為1 000 V，額定交流電流為693 A，直流電壓為1 600～1 800 V，最大直流電壓為2 000 V。

子模塊參數設置如下:額定功率為200 kW (過載為250 kW)，交流電壓為1 000 V，額定交流電流為116 A，直流電壓為1 600～1 800 V。

2.2 開關器件的選擇

1)變流器工作最高直流電壓設定為2 000 V，IGBT 可選擇 3 300 V 等級。

2)在額定交流電壓輸入下，變流器單個模塊的額定功率為200 kW。在最大過載要求下，IGBT 輸出電流為1.25 倍額定電流，考慮10%紋波電流，則流過管子的最大峰值電流為226 A。

根據上述工作電壓和電流，開關器件可選用Infineon 公司的 3 300 V、400 A 半橋模塊，型號為FF400R33KF2C。

2.3 濾波器參數計算

為了實現對并網電流開關諧波的更好濾波效果，這里采用LCL(電感-電容-電感)型濾波器。

1)變流器側濾波電感設計:變流器側濾波電感的設計上限應滿足變流器輸出最大有功功率時的電壓約束;濾波電感的設計下限為考慮最大允許紋波電流。由主回路參數值，可得濾波電感L1范圍為347 μH ＜L1＜1 025 μH。考慮裕量，選定變流器側 L1=400 μH，則變流器側單模塊電抗器為2 400 μH。

2)電網側濾波電感設計:應綜合考慮效率和并網電流諧波，現選取電網側濾波電感L2=150 μH。

3)濾波電容計算:由于濾波器電容的使用，會引起無功功率的增加，從而會降低功率因數。為了保證系統的高功率因數，一般限制為電容吸收的無功功率應低于額定功率的10%?，F選取濾波電容C=360 μF。

3 控制策略

針對交直流直接并聯的多模塊地鐵回饋變流器設計，其控制策略難點在于均流控制和環流抑制控制。

3.1 均流控制

對于多模塊并聯回饋變流器，均流控制不好時將會出現回饋功率受限、局部溫度過高、使用壽命下降等不良結果。為此，采用如圖3所示控制框圖，回饋變流器采用電壓、電流環的雙環控制模式。電壓環用來穩定列車制動時接觸網電壓，電壓環的輸出作為電流環給定，以實時調節并網電流大小。本文采用主從均流控制技術，以確保各模塊電流給定值相同，從而有效地保證了各并聯模塊的均流精度。

3.2 環流抑制控制

多模塊回饋變流器在交直流側直接并聯時，通過對每個模塊的開關狀態分析可知，載波移相會導致模塊之間形成環流。如果在控制上不做特別的環流抑制處理，則會出現效率降低、發熱嚴重等問題。針對這些問題，采用了同步控制策略，使得各模塊載波實現同相位，進而保證各并聯模塊開關動作時序一致，從而有效抑制模塊間環流。圖4 為多模塊回饋變流器在載波相移為0°及180°時的環流仿真波形。由圖4 可見，模塊同步控制可有效抑制高頻環流。

4 試驗

在完成1.2 MW 多模塊并聯地鐵再生制動能量回饋變流器樣機研制后，進行了再生制動能量回饋系統的功能測試。圖5 為模擬列車制動時回饋變流器投入及退出過程。由圖5 可見，該變流器能夠滿足地鐵列車再生制動能量的吸收利用及穩定牽引網電壓的實際要求。

圖6 為回饋變流器滿功率回饋時其中3 個功率模塊的并網電流波形。由圖6 可見，各模塊均流精度高，動作時序一致，環流抑制效果好。

圖3 回饋變流器多模塊并聯控制框圖

圖4 載波不同相移下各模塊間的環流仿真

5 結語

逆變回饋型再生制動能量吸收裝置將會在城市軌道交通的節能領域中發揮重要作用。它能節約能耗，降低地鐵運營成本，提高經濟效益，同時能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。仿真及試驗結果表明，文中所設計的基于多模塊并聯的地鐵列車再生制動能量回饋變流器可以實現交直流側直接并聯，且均流精度高、高頻環流小、冗余度高，因而更為可靠，能夠滿足地鐵列車再生制動能量的吸收利用及穩定牽引網電壓的要求，并能降低回饋系統的造價，提高回饋系統的可靠性。

圖5 回饋變流器回饋及退出試驗波形實景圖

圖6 回饋變流器滿功率試驗波形實景圖

［1］張秋瑞，畢大強，葛寶明.地鐵再生制動能量逆變回饋電氣裝置的研究［J］.電力電子技術，2012(9):60.

［2］曾之煜.地鐵逆變回饋型再生制動能量吸收裝置仿真研究［D］.成都:西南交通大學，2012.

［3］蘇劼.城市軌道交通能饋式牽引供電系統的研究應用［D］.北京:北京交通大學，2009.

［4］何治新.城市軌道交通車輛再生制動能量的回收利用［J］.城市軌道交通研究，2013(8):49.