永磁電機牽引的地鐵再生制動能量吸收方案仿真與分析

湖南工業大學電氣與信息工程學院 中國動力谷自主創新園軌道交通自動化技術與裝備協同創新中心 馮典森

永磁電機牽引的地鐵再生制動能量吸收方案仿真與分析

湖南工業大學電氣與信息工程學院 中國動力谷自主創新園軌道交通自動化技術與裝備協同創新中心 馮典森

本文針對整個地鐵系統進行研究，針對供電區段內地鐵的數量不同、制動初速度不同、吸收裝置是否投入及投入對牽引網電壓造成的影響等情況下進行仿真及分析。討論了采取的進行改進的型措施對系統的穩定和能量的回收帶來的節能效果的影響，并對混合型再生制動能量回饋控制系統進行仿真，驗證了方法的有效性。

永磁電機；制動能量；MATLAB/Simulink

1 供電區段只存在單一列車時的建模與仿真分析[1]

圖1所示為搭建整體系統仿真模型，進行封裝處理后，24-pulse為直流牽引供電網，PMSM-Control、SVPWM與Sliding mode仿真模型為永磁牽引電機的控制仿真模塊，inverter-pulse與IN-Grid是逆變回饋系統控制仿真模塊。

圖1 單車再生制動能量逆變回饋控制仿真模型

（1）列車以50km/h速度在1.0s制動時，地鐵系統在運行過程中的相關部分波形如圖2所示：

圖2 最大加速至50km/h時牽引網電壓波形

（2）列車以80km/h速度在1.0s制動時，地鐵系統在運行過程中的相關部分波形如圖3所示：

圖3 最大加速至80km/h牽引網電壓波形

圖2 和圖3比較表明，列車制動初速度為50km/h和80km/h時，0s電機處于牽引狀態時，直流電壓隨著列車加速而不斷下降，說明列車此時耗能；0.7s列車平穩運行，電壓上升至1650v左右，列車耗能較少；1.0s進入剎車制動階段，牽引網電壓升高，列車制動可以把產生的再生能量轉變為電能回饋給了牽引網。速度不同時，牽引網電壓的變化程度不同。

圖4 列車制動投入逆變回饋裝置時的牽引網電壓變化波形

投入逆變裝置的牽引網電壓的波形如圖4所示。當列車以50km/ h,牽引網電壓并未超過電網的安全電壓，且未達到電壓檢測裝置的下限，不需要投入逆變回饋裝置；當列車以80km/h,從列車制動開始，牽引網電壓達到逆變回饋裝置電壓檢測信號的1650V電壓，此時，投入逆變裝置進行再生制動能量進行回饋。逆變裝置中有電力電子器件，因此引入電磁干擾，牽引網電壓波形波動比原來要劇烈。在列車制動階段，在1.4s以后逆變裝置退出運行，逆變回饋裝置的投入使用不僅可以使得再生制動能量得到回收利用，也可以有效的降低制動帶來的牽引網電壓升高的問題。

2 供電區段內存在兩列列車時的建模與仿真分析[2]

圖5所示為兩列車運行在同一供電區段內的仿真模型。

圖5 兩列機車再生制動能量逆變回饋控制仿真模型

2.1 一輛列車制動一輛列車牽引

當列車最大速度以50km/h制動時，另一列車則處于牽引狀態時，此時牽引網電壓的波形如圖6所示。

圖6 50km/h兩列機車分別是牽引和制動狀態時牽引網電壓波形

當列車最大速度以80km/h制動時，另一列車則處于牽引狀態時，此時牽引網電壓的波形如圖7所示。

圖7 80km/h兩列機車分別是牽引和制動狀態時牽引網電壓波形

從圖6～圖7可知，當其中一列機車制動，另一機車牽引時，牽引網的最大電壓并未受到制動的影響，反而在兩列車不同狀態下，有所下降，說明牽引機車吸收了制動機車生的制動能量，逆變回饋裝置也并非存在制動機車投入系統，而是要設置電網電壓檢測設備。

2.2 兩列車均處于制動狀態

當兩列機車同時以最大速度50km/h在1.0s制動時，此時牽引網電壓的波形如圖8所示。

圖8 兩列機車同時以50km/h速度制動時牽引網電壓波形

當兩列機車同時以最大速度80km/h在1.0s制動時，此時牽引網電壓的波形如圖9所示。

圖9 兩列機車同時以80km/h速度制動時牽引網電壓波形

從圖8～圖9可知，兩列機車同時制動時，牽引網電壓受到制動的影響，明顯上升，并高于單一但列車制動時對牽引網電壓的影響，且比較來看，制動時速度越高，對牽引網電壓影響越大。兩圖的牽引網電壓波形的峰值均超過1800V，需要在列車制動時投入逆變回饋裝置對再生制動能量進行吸收利用，牽引網電壓波形變化如下：

圖10中，當兩列車以50km/h的速度開始制動時，投入逆變回饋裝置，對再生制動能量進行吸收利用，直流牽引網的電壓峰值降到了逆變回饋系統中的電壓檢測值一下。而圖11中兩列車以較大的80km/h速度制動時，即使投入了逆變回饋裝置，但是其峰值仍然超過1650V。

圖11 投入逆變回饋裝置兩列機車同時以80km/h速度制動時牽引網電壓波形

3 改進型地鐵再生制動能量吸收系統仿真與分析

針對當兩列車以較大的80km/h速度制動時，受到逆變回饋裝置容量的限制，牽引網電壓仍然超過安全范圍。改進型的再生制動能量吸收利用裝置是利用逆變回饋裝置的同時，加入電阻制動，可以有效地保證再生制動能量的吸收并減少逆變裝置的容量，在再生制動能量過剩的狀態下，保證牽引供電網電壓的穩定。

3.1 電阻制動裝置設計

電阻制動裝置一般選IGBT的斬波電路，斬波器啟動電壓設定為1650V。當牽引網電壓Udc超過規定的啟動閥值時，測量電壓值延遲一個采樣周期后，與給定的啟動電壓值互相比較，得到電阻IGBT斬波電路開啟的觸發脈沖，斬波電路的占空比與牽引網電壓升高成正比，流過電阻的電流也會跟隨占空比的增大而增大，通過電阻消耗保證牽引網電壓在預定的安全范圍值以內，其仿真結構圖如圖12所示。

圖12 電阻制動裝置仿真結構圖

將圖12中仿真模型進行封裝成下圖，在兩列車運行的仿真圖中的R-braking模塊，可根據牽引網電壓波形設定其是否接入列車運行系統。

圖13 電阻制動裝置封裝圖

3.2 改進型地鐵再生制動能量吸收系統仿真分析及結論

對于電阻制動裝置的選擇，一般是按照國內的地鐵線路的常用配置，額定電阻值一般是2.8Ω（-5%～+7%）。加入電阻制動裝置后，以較大的80km/h速度制動的兩列車系統的牽引網電壓的波形如圖14所示。

從仿真結果來看，和未加入電阻制動裝置相比，牽引網的電壓恢復在安全范圍內，證明了這種改進型的地鐵再生制動能量利用系統的可行性。能夠保證在再生制動能量過剩的狀況下，受到逆變裝置容量的限制，采取一種保證電網安全的混合型的再生制動能量吸收利用的方式。

圖14 改進型系統的牽引網電壓的波形

4 結論

動能量吸收利用的模型進行仿真，如不同制動初速度，同一供電區段不同車輛數，多輛列車同一時間的運行工況等，針對多輛列車在再生制動能量不能完全吸收的狀況下，為避免對電網的影響采取的改進型系統進行模擬仿真，驗證了其有效性。

[1]王曉亞,刑東峰．地鐵列車運行自動控制系統設計[J]．電子世界,2015(16):28-30．

[2]馮典森,唐勇奇,伍玉凱,張曙云,曾麗瓊．基于雙閉環控制的單相PWM整流器仿真研究[J]．新型工業化,2016,5．

本文主要針對不同狀況下的永磁牽引供電的地鐵系統的再生制

馮典森（1992—），男，碩士，主要研究方向：現代電力電子技術及系統。