地鐵再生制動能量回饋裝置控制系統設計及應用

王文清

（南京國電南自新能源科技有限公司，江蘇南京210000）

0 引言

城市軌道交通工程中，普遍采用直-交變壓變頻的傳動方式，車輛的制動方式為電制動（再生制動）+機械制動，運行中以電制動為主，機械制動為輔。列車在運行過程中，由于站間距較短，列車啟動、制動頻繁，制動能量相當可觀。目前國內的城市軌道交通主要是采用電阻能耗吸收裝置處理列車運行過程中的再生能量，不僅浪費能量，也增加了站內空調通風裝置的負擔。此外制動電阻如裝在車上，也會增加車身重量，使得城軌建設費用和運行費用增加。

軌道交通再生制動能量回饋裝置可將車輛的再生制動能量回饋到交流電網，實現再生制動能量的回饋利用，顯著降低城市軌道交通牽引供電系統耗電量。

1 能饋回饋原理

ASF系列軌道交通再生制動能量回饋系統是利用電力電子器件構成的三相逆變器將直流饋線上多余的再生制動能量直接回饋到交流電網，設備組成如圖1所示，其主要包括逆變器、電抗器和隔離變壓器。

圖1 逆變能饋式吸收裝置組成原理圖

能量回饋型吸收裝置的優點是單機容量大，占地面積少，可完全利用富裕的列車再生制動能量，節能效果較好，并可減少車載制動電阻容量，其能量直接回饋交流電網供其他設備使用，不需要配置儲能元件，也不存在電阻發熱問題，對環境影響小，易于維護。

2 再生制動能量回饋裝置設計

再生制動能量回饋系統框圖如圖2所示。現在大部分城市軌道交通牽引所都是35 kV或10 kV電網，經過牽引整流變壓器，再進行12脈波整流輸出直流1500 V或750 V給機車供電。再生制動能量吸收裝置是并聯在1500 V或750 V直流系統中，經過逆變裝置變成交流，經隔離變壓器輸入到電網（35 kV/10 kV或400 V）。

3 控制系統設計

3.1 主控硬件設計

圖2 再生制動能量回饋系統框圖

主控硬件采用了DSP+FPGA結構，主要邏輯和算法控制由DSP執行，FPGA通過數據總線BUS1控制外部接口。DSP在讀取所需的電壓、電流數據后，通過母線電壓閉環控制以及電流閉環控制，產生系統運行所需調制波的幅值m和相位θ。此外，該裝置還具備多種通信方式及事件記錄、狀態監測和故障備份等功能。

3.2 軟件設計

再生制動能量回饋裝置軟件包括主程序和中斷處理程序，程序設計方案是基于中斷處理程序來實現再生制動能量回饋裝置的控制策略。再生制動能量回饋裝置軟件流程圖如圖3所示。

DSP利用通用定時器產生開關周期中斷，在開關周期中斷服務子程序中實現A/D轉換、數據采樣處理、鎖相、算法等相關程序運算。

3.2.1 數據采集

中斷服務程序啟動A/D轉換器后，數據采集通過外部中斷XINT1來實現。當A/D轉換芯片READY信號連接到DSP的中斷引腳的INT1上，觸發INT1中斷，DSP將A/D轉換結果取出并處理。單片A/D可以同時進行6個通道的模數轉換。

3.2.2 PI調節器

首先根據計算確定PID控制器各參數范圍，然后在現場試驗中，結合現場試驗法逐步試驗，最后得到較為滿意的響應，確定控制器參數。

離散化后的PI控制方程為：

圖3 再生制動能量回饋裝置軟件流程圖

式中，Kp為比例系數；Ki為積分系數。

3.2.3 PWM輸出

設置開關中斷周期、工作模式、死區模式等寄存器。如果觸發開關中斷，算法計算出CMPRx（x=1，2，3）的值，則通過執行一個來改變下一個中斷周期里的值。根據各相脈沖的占空比，產生不同的三相六路SVPWM波輸出波形。

4 現場運行

根據南京地鐵S8號線的運行情況，裝置現場運行波形如圖4所示，具體運行數據如表1所示。

圖4 現場運行波形圖

表1 再生制動能量回饋裝置節能數據

根據工業用電的單價1元/kW·h，以日均2 000 kW·h來計算，每月節約電費6萬元，可推算年節電量達到73萬kW·h，一年可節省73萬元，節能效果顯著。

若是采用電阻吸收消耗能量，除消耗電費73萬kW·h外，還需增加額外通風設施來散熱。

5 結語

再生制動能量回饋技術能夠將制動產生的能量回饋到電網，從而實現電能的再生利用，節約了大量的能源，產生了巨大的經濟效益。