兆瓦級中壓電網的地鐵再生制動能量回饋裝置優化

仇志凌 胡磊磊 李 錦 劉定坤 陳 蕾 張 明

(南京亞派科技股份有限公司， 210032， 南京∥第一作者，高級工程師)

城市軌道交通總用電量約有一半消耗在車輛的牽引供電及制動系統上。而地鐵制動時產生的再生制動電能可占牽引電能的35%～55%[1]。再生制動電能除了被相鄰加速車輛吸收一部分外，其余能量現在主要采用制動電阻進行吸收[2]，以維持直流母線電壓的安全穩定。電阻制動不僅浪費能量，而且其產生的熱量又增加了環控設備壓力[3]。再生制動能量回饋裝置因其較好的能量吸收效果而受到關注。

根據回饋電壓等級，再生制動能量回饋分為低壓回饋和中壓回饋。低壓回饋的能量吸收功率受到低壓動力變容量限制,普遍不超過兆瓦級，否則會影響低壓配電網的穩定運行[4-5]，降低能量吸收率。中壓回饋的中壓電網容量大，故電能吸收功率高、對電網影響小。根據文獻[2]，列車再生制動瞬時功率較大，達兆瓦級以上。因此，本文針對中壓回饋方案展開研究。

1 能量回饋裝置工作原理及方案優化

1.1 工作原理

再生制動能量回饋裝置(如圖1所示)由回饋逆變器、回饋變壓器和開關柜組成，與現有整流牽引裝置并聯。回饋變壓器負責將回饋逆變器輸出的1 kV交流電(直流電壓1 500 V，現有逆變拓撲的輸出都在1 kV左右)升壓到35 kV，進行電壓匹配。在列車制動過程中，裝置監測直流觸網電壓，一旦超過直流電壓門檻值，立刻啟動逆變回饋過程，把列車制動時產生的能量回饋到中壓電網，供其他負荷使用。

圖1 再生制動能量回饋系統圖

地鐵列車制動功率達數兆瓦，對裝置容量提出了很高要求。為滿足1 500 V直流觸網電壓要求,能饋裝置采用了3 300 V的IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)開關。該IGBT開關速度慢、損耗大，故開關頻率低，不易濾波。由于裝置容量大、開關頻率低，故裝置的體積及重量難以控制。

1.2 優化方案的技術特點

1.2.1 基于升壓變相間隔離的三相H橋拓撲

為提高等效開關頻率，現并聯或者串聯了2個三相橋逆變器進行載波移相(如圖2所示)，并利用升壓變壓器低壓側的2組三相繞組來隔離2個三相逆變器的交流側。這樣，在并聯方案中，可抑制并聯載波移相導致的高頻環流，在串聯方案中可進行電位隔離。但倍頻效果只能在高壓側體現，濾波電感仍需按實際開關頻率設計，無法享受到倍頻的好處。

a) 并聯方案

b) 串聯方案

為此，優化方案提出了基于升壓變壓器相間隔離的三相H橋電路(如圖3所示)。三相H橋電路采用單極倍頻調制，其逆變輸出頻率是實際開關頻率的2倍，所以輸出濾波器電感量及電容量可減小50%。濾波器這樣設計不僅可真正得到倍頻的收益，還可保持較低的實際開關頻率，使整機損耗較小。

圖3 三相H橋變流器拓撲結構

三相H橋電路的實際應用必須解決相間隔離問題。本方案利用能量回饋裝置已有的升壓變壓器，將通常的低壓側星接改為低壓側三相繞組之間不做任何連接。這樣在不增加任何成本的前提下解決了相間隔離問題，保證了裝置較小的體積和質量。

1.2.2 低壓側實現的LCL三階濾波器

目前，并網逆變器網側濾波器有單電感濾波器和LCL(電感-電容-電感)濾波器兩種(如圖4所示)。單電感濾波器的高次諧波濾除衰減率僅為-20 dB/10倍頻程，需較大電感量才能滿足開關紋波濾除要求，其相應的裝置體積及質量較大。三階LCL濾波器通過增加電容低阻通路和高阻網側電感，使得絕大部分開關紋波電流流入電容，對高次諧波的濾除衰減率達60 dB/10倍頻程。能顯著減少電感量，以及其裝置的體積及重量。

a) 單電感濾波器濾波電路

b) LCL濾波器濾波電路

在現有的三相橋逆變器聯接方案中，倍頻效果僅在變壓器高壓側體現，故LCL濾波器的濾波電容和網側濾波電感需安裝在高壓側，而無法集成在能饋裝置柜內。此外，考慮到安全性，地鐵業主并不愿意在35 kV側安裝濾波電容，因此，LCL濾波器方案不易實現。

優化后的三相H橋拓撲方案倍頻效果在逆變橋輸出端即可體現。因此，LCL濾波器可安裝在低壓側，便于集成，業主接受度好。此外，網側濾波電感可由升壓變壓器漏感實現。這進一步減小了裝置體積。

2 仿真與試驗結果分析

2.1 仿真模擬

采用Matlab軟件模擬優化后的能量回饋裝置工作。能量回饋裝置容量為2.5 MW，直流電壓為1.8 kV，升壓變壓器高壓側線電壓為35 kV，低壓側相電壓為1 kV，低壓側額定電流為794 A、開關頻率為1 kHz。

圖5為三相H橋逆變電路的單極倍頻調制逆變輸出電壓波形圖。圖5中的逆變電壓為包含+1 800 V、0及-1 800 V等3種電平的脈寬調制波，裝置開關頻率為1 kHz，逆變輸出等效開關頻率為2 kHz。三相逆變輸出之間為120°相位關系。

a) A相逆變電壓波形

b) B相逆變電壓波形

c) C相逆變電壓波形

圖6為三相LCL濾波器電流仿真波形圖。由圖6可見，波形顯示逆變器電感電流除了基波成分還包含大量的2 kHz開關紋波，濾波電容為紋波電流提供了低阻旁路通道，保證了升壓變壓器低壓側電流為純正的正弦波。

a) 三相逆變器電感電流

b) 升壓變壓器低壓側電流

c) 濾波電容電流

2.2 運行試驗

優化后的35 kV、2.5 MW中壓能量回饋裝置通過了國家鐵路產品質量監督檢驗中心的第三方檢驗，其整機效率大于97.8%、電流THD低于3%。

該能量回饋裝置在某地鐵牽引站進行了掛網運行。圖7為在2.5 MW額定功率限容時刻局部放大波形實景圖，其中，設備并網電流為788 A，直流電壓穩定在1.74 kV，直流輸入電流為1 504 A。由圖7可見，設備并網電流的波形正弦度較高。

圖7 能量回饋裝置現場試驗波形實景圖

表1為某日各時段回饋電量統計表。試驗列車為B型車，4節編組。當日回饋電量為4 130 kWh，具有很好的節能效果。統計結果還顯示：回饋電能較多時段分布基本與早晚高峰一致(7:00—9:00、18：00—21：00)，回饋的谷值出現在10：00—11：00、16：00—17：00及22：00—23：00。這說明回饋電能大小與車次間隔及載客量關系密切。

表1 某日各時段的回饋電量統計

3 結語

兆瓦級中壓逆變回饋裝置容量大、開關頻率低。現采用基于升壓變壓器相間隔離的三相H橋電路及低壓側LCL濾波器進行優化。優化后的能量回饋裝置通過了鐵道部產品質量監督檢驗中心的第三方檢測，并在某地鐵牽引站成功掛網運行。仿真和試驗結果表明：優化后的能量回饋裝置具有單機容量大、效率高及體積小的優點，其節能效果顯著。

[1] 劉煒.城市軌道交通牽引供電系統節能技術[C]∥中國軌道交通網. 2015年第三屆中國城市軌道交通系統性節能研討會.南京：中國軌道交通網, 2015.

[2] 陳勇, 羅銳鑫. 城市軌道交通再生制動能量吸收方式的研究[J]. 城市軌道交通研究，2012(8)：157.

[3] 張鋼. 城市軌道交通能饋式牽引供電變流系統關鍵技術研究[D]. 北京：北京交通大學，2010.

[4] 夏景輝，鄭寧，左廣杰. 地鐵車輛逆變型再生制動能量回饋方案與裝置的研究[J]. 城市軌道交通研究，2013(6)：42.

[5] 陶章榮, 潘愛強. 城市軌道交通能饋式再生制動技術及其對電網的影響[J]. 華東電力，2009(12)：2035.