典型城市軌道交通能量回饋系統(tǒng)建模

楊利

【摘 要】本文分析了典型城市軌道交通能量回饋系統(tǒng)的重要性，選取高壓型回饋型能量回饋系統(tǒng)作為研究模型，闡述了該模型的結(jié)構(gòu)框圖，最后詳細(xì)介紹了Matlab建模的實(shí)現(xiàn)思路。

【關(guān)鍵詞】能量回饋系統(tǒng)；高壓型；matlab建模

0 引言

隨著環(huán)境危機(jī)的日益嚴(yán)重，可再生能源已成為現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展的需求，在尋求新能源的同時(shí)，節(jié)能減排也顯得至關(guān)重要。目前我國城市軌道交通快速發(fā)展，城市軌道交通是所有公共交通方式中最綠色環(huán)保的，但其能耗和碳排放總量仍十分巨大，如何利用低碳技術(shù)降低能耗，減少碳排放是城市軌道交通行業(yè)的重要課題。城市軌道交通系統(tǒng)目前正采用或研究的低碳技術(shù)包括車輛輕型化技術(shù)、提升車載系統(tǒng)部件的效率、提升再生制動(dòng)能力、空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)智能化控制技術(shù)、節(jié)能型LED光源技術(shù)等等，其中供電系統(tǒng)回饋能量的再利用技術(shù)也是重要節(jié)能減排技術(shù)之一。

常規(guī)的地鐵與城軌多數(shù)車輛采用直流電源供電，但是車輛運(yùn)行在制動(dòng)工況時(shí)在直流母線上產(chǎn)生了大量能量。傳統(tǒng)牽引供電系統(tǒng)使用的方法是當(dāng)母線電壓超過某個(gè)設(shè)計(jì)限定值時(shí)，采用接入電阻將直流母線上的能量以熱量的形式進(jìn)行消耗，這就造成了大量的能源浪費(fèi)。目前常見的解決方案有兩種：超級電容儲(chǔ)能型系統(tǒng)和能量回饋型系統(tǒng)。

超級電容儲(chǔ)能型系統(tǒng)使用超級電容將制動(dòng)能量進(jìn)行儲(chǔ)存給車站內(nèi)其他設(shè)備使用，但由于超級電容的技術(shù)仍不夠成熟，使用此方案的案例較少。能量回饋型系統(tǒng)將直流母線的電能使用逆變器進(jìn)行逆變，轉(zhuǎn)化為電網(wǎng)同步的電能，并回饋至交流電網(wǎng)。電力系統(tǒng)對能量回饋系統(tǒng)的運(yùn)行提出了苛刻的要求，即能量回饋系統(tǒng)回饋的電能質(zhì)量必須良好，而回饋系統(tǒng)中逆變器輸出電壓和電流中諧波的含量是電能質(zhì)量的重要指標(biāo)。

1 典型能量回饋系統(tǒng)的組成

能量回饋到電力系統(tǒng)中，必然要求將直流電逆變?yōu)榻涣麟?，按照逆變器的交流?cè)電壓大小，將城市軌道交通能量回饋裝置分為三種類型；低壓回饋（400V）；中壓回饋（1180V）；高壓回饋（10KV，35KV）。其中高壓回饋型城市軌道交通車輛供電系統(tǒng)方案圖如圖1所示：

上圖中牽引供電系統(tǒng)將交流電網(wǎng)的高壓電整流為直流電，給城市軌道交通車輛供電。高壓回饋系統(tǒng)將城市軌道車輛制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的能量逆變?yōu)榻涣麟?，回饋到交流電網(wǎng)。由于高壓回饋型能量回饋系統(tǒng)具有對電網(wǎng)沖擊較小、制動(dòng)電能重新分配再利用的特點(diǎn)，本文中選取該高壓回饋型能量回饋系統(tǒng)作為典型城市軌道交通能量回饋系統(tǒng)的研究模型。

典型城市軌道交通能量回饋系統(tǒng)選取高壓回饋方案，其總體框圖如圖2所示，首先控制器通過各類傳感器采集能量回饋系統(tǒng)模型的交流電壓、交流電流、直流電流、直流電壓信號，經(jīng)控制器中調(diào)制算法精確計(jì)算后輸出控制脈沖，控制能量回饋系統(tǒng)模型中的變流器輸出預(yù)期的電流波形。

2 典型能量回饋系統(tǒng)建模

城市軌道交通能饋系統(tǒng)的主電路框圖如圖3所示。系統(tǒng)主電路分為交流電網(wǎng)子模型、變壓器子模型、能饋?zhàn)兞髌髯幽Ｐ汀⒛莛佒虚g回路子模型、直流電網(wǎng)子模型五大子模型。其中交流電網(wǎng)模型向變壓器子模型輸出交流牽引網(wǎng)電壓信號，變壓器子模型輸出交流電流信號給能饋?zhàn)兞髌髂Ｐ?，能饋?zhàn)兞髌髂Ｐ头祷亟涣麟妷盒盘柦o變壓器子模型，變壓器子模型返回交流電流給交流電網(wǎng)模型；直流電網(wǎng)模型向能饋?zhàn)兞髌髂Ｐ洼敵鲋绷鳡恳W(wǎng)電壓信號，能饋?zhàn)兞髌髂Ｐ头祷刂绷麟娏餍盘柦o直流電網(wǎng)模型。這些主電路模型輸出電壓、電流信號給控制器模型。

由于該仿真系統(tǒng)側(cè)重于能量回饋系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行模擬和諧波消除，對仿真的實(shí)時(shí)性要求不高，因此，仿真系統(tǒng)采用純數(shù)字離線仿真模式，可直接采用MATLAB/Simulink的電力系統(tǒng)仿真工具箱SimPowerSystems（ 簡稱SPS）進(jìn)行建模，主電路各模塊或者由SPS直接提供，或者由SPS中各基本模塊搭建組合而成，完成各模塊建模后，按照系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)連接構(gòu)成系統(tǒng)仿真模型。

各子模型的具體實(shí)現(xiàn)思路：

變壓電網(wǎng)子模型：直接采用SPS中的Three-Phase-Soure模塊模擬35kv或10kv高壓交流供電網(wǎng)。

變壓器子模型建模：在本文中不考慮變壓器非線性飽和特性，對變壓器模型進(jìn)行簡化建模；

能饋?zhàn)兞髌髂K：為便于單獨(dú)設(shè)置變流器模塊中每個(gè)開關(guān)器件的參數(shù)，以模擬環(huán)流的產(chǎn)生，采用六個(gè)SPS中分立的IGBT（）原件模型構(gòu)成一個(gè)變流器仿真模型；

能饋中間回路子模型： 在本文中不考慮其非線性飽和特性，對能饋中間回路子模型進(jìn)行簡化建模；

直流電網(wǎng)子模型：在每個(gè)仿真時(shí)刻，讀取相應(yīng)的預(yù)期電壓值，并按需求疊加相應(yīng)的諧波信號（諧波信號發(fā)生器采用SPS中的正弦波模塊“Sine Wave”，可設(shè)置其幅值、相位和頻率），將疊加后的信號作為受控電壓源的輸入，再將受控電壓源與電感、電阻串接即可構(gòu)建基于電壓源的直流牽引網(wǎng)仿真模型。

3 結(jié)論

針對能源緊缺、城市軌道交通節(jié)能的迫切需求，本文研究典型城市軌道交通能量回饋系統(tǒng)。由于高壓回饋型能量回饋系統(tǒng)具有對電網(wǎng)沖擊較小、制動(dòng)電能重新分配再利用的特點(diǎn)，本文中選取該高壓回饋型能量回饋系統(tǒng)作為研究模型。在Matlab中搭建模型時(shí)，將能量回饋系統(tǒng)模型分為交流電網(wǎng)子模型、變壓器子模型、能饋?zhàn)兞髌髯幽Ｐ?、能饋中間回路子模型、直流電網(wǎng)子模型五大子模型，并詳細(xì)闡述了各子模型的實(shí)現(xiàn)思路，為后續(xù)典型城市軌道交通能量回饋系統(tǒng)的研究和優(yōu)化打下了基礎(chǔ)。

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[責(zé)任編輯：張濤]endprint