地鐵列車模塊化再生制動能量回饋變流器的研制

?；i 張海龍 桑福環(huán) 周姝昱

(1.西安許繼電力電子技術(shù)有限公司，710075，西安;2.許繼集團(tuán)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(jié)能效果好，且系統(tǒng)簡單、投資小，得到越來越多的關(guān)注和應(yīng)用。文獻(xiàn)［1］介紹了一種基于SVPWM(空間矢量脈寬調(diào)制)控制的制動能量回饋裝置，但是僅僅進(jìn)行了模擬試驗，其直流電壓只有23 V，不足以用來驗證;文獻(xiàn)［2］設(shè)計了一個2 000 kW 的逆變回饋的仿真模型，對主回路的參數(shù)和控制方案進(jìn)行了研究，但未進(jìn)行實驗驗證;文獻(xiàn)［3］設(shè)計了一個1 000 kW 的PWM(脈寬調(diào)制)變流器以實現(xiàn)制動能量回饋，采用2 組逆變單元并聯(lián)實現(xiàn)，但交流側(cè)需接入雙分裂變壓器而非直接并聯(lián)，其系統(tǒng)成本高且冗余度低、擴(kuò)展困難。針對地鐵制動瞬時的功率大、對回饋設(shè)備可靠性要求高的情況，西安許繼電力電子技術(shù)有限公司設(shè)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(cè)直接并聯(lián)的再生制動能量回饋變流器。該裝置可實現(xiàn)各模塊的智能投入/切除，其冗余度高、擴(kuò)展性好。

1 再生制動能量回饋系統(tǒng)工作原理

回饋系統(tǒng)包括回饋變流器、隔離變壓器、開關(guān)柜等，其接入方案見圖1:直流側(cè)通過饋線柜與直流接觸網(wǎng)相接，交流側(cè)經(jīng)隔離變壓器和開關(guān)柜與35 kV環(huán)網(wǎng)相接，制動能量直接回饋到35 kV 電網(wǎng)。

圖1 再生制動能量回饋系統(tǒng)接入方案示意圖

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

1)待機狀態(tài):當(dāng)裝置檢測到回饋變流器直流電流的方向發(fā)生改變時，回饋裝置即刻退出運行，進(jìn)入待機狀態(tài)。此時IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)驅(qū)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(tài):進(jìn)入待機狀態(tài)后，回饋裝置實時檢測直流母線電壓。當(dāng)檢測到母線電壓高于設(shè)定值后，會即刻開啟PWM 使IGBT 工作;通過快速調(diào)節(jié)電流，使直流母線側(cè)由地鐵剎車制動時產(chǎn)生的能量快速回饋到電網(wǎng)中;同時穩(wěn)定直流母線電壓，確保地鐵直流供電系統(tǒng)的穩(wěn)定。

2 回饋變流器主回路參數(shù)設(shè)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(shù)設(shè)置

系統(tǒng)參數(shù)設(shè)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(shù)設(shè)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(guān)器件的選擇

1)變流器工作最高直流電壓設(shè)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(jù)上述工作電壓和電流，開關(guān)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(shù)計算

為了實現(xiàn)對并網(wǎng)電流開關(guān)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(cè)濾波電感設(shè)計:變流器側(cè)濾波電感的設(shè)計上限應(yīng)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(shè)計下限為考慮最大允許紋波電流。由主回路參數(shù)值，可得濾波電感L1范圍為347 μH ＜L1＜1 025 μH?？紤]裕量，選定變流器側(cè) L1=400 μH，則變流器側(cè)單模塊電抗器為2 400 μH。

2)電網(wǎng)側(cè)濾波電感設(shè)計:應(yīng)綜合考慮效率和并網(wǎng)電流諧波，現(xiàn)選取電網(wǎng)側(cè)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(shù)。為了保證系統(tǒng)的高功率因數(shù)，一般限制為電容吸收的無功功率應(yīng)低于額定功率的10%?，F(xiàn)選取濾波電容C=360 μF。

3 控制策略

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

3.1 均流控制

對于多模塊并聯(lián)回饋變流器，均流控制不好時將會出現(xiàn)回饋功率受限、局部溫度過高、使用壽命下降等不良結(jié)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(huán)的雙環(huán)控制模式。電壓環(huán)用來穩(wěn)定列車制動時接觸網(wǎng)電壓，電壓環(huán)的輸出作為電流環(huán)給定，以實時調(diào)節(jié)并網(wǎng)電流大小。本文采用主從均流控制技術(shù)，以確保各模塊電流給定值相同，從而有效地保證了各并聯(lián)模塊的均流精度。

3.2 環(huán)流抑制控制

多模塊回饋變流器在交直流側(cè)直接并聯(lián)時，通過對每個模塊的開關(guān)狀態(tài)分析可知，載波移相會導(dǎo)致模塊之間形成環(huán)流。如果在控制上不做特別的環(huán)流抑制處理，則會出現(xiàn)效率降低、發(fā)熱嚴(yán)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(xiàn)同相位，進(jìn)而保證各并聯(lián)模塊開關(guān)動作時序一致，從而有效抑制模塊間環(huán)流。圖4 為多模塊回饋變流器在載波相移為0°及180°時的環(huán)流仿真波形。由圖4 可見，模塊同步控制可有效抑制高頻環(huán)流。

4 試驗

在完成1.2 MW 多模塊并聯(lián)地鐵再生制動能量回饋變流器樣機研制后，進(jìn)行了再生制動能量回饋系統(tǒng)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(wěn)定牽引網(wǎng)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(wǎng)電流波形。由圖6 可見，各模塊均流精度高，動作時序一致，環(huán)流抑制效果好。

圖3 回饋變流器多模塊并聯(lián)控制框圖

圖4 載波不同相移下各模塊間的環(huán)流仿真

5 結(jié)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(jié)能領(lǐng)域中發(fā)揮重要作用。它能節(jié)約能耗，降低地鐵運營成本，提高經(jīng)濟(jì)效益，同時能保證地鐵車輛及變電所設(shè)備的安全運行，因此對其進(jìn)行相關(guān)研究具有重要的現(xiàn)實意義。仿真及試驗結(jié)果表明，文中所設(shè)計的基于多模塊并聯(lián)的地鐵列車再生制動能量回饋變流器可以實現(xiàn)交直流側(cè)直接并聯(lián)，且均流精度高、高頻環(huán)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(wěn)定牽引網(wǎng)電壓的要求，并能降低回饋系統(tǒng)的造價，提高回饋系統(tǒng)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(shù)，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(xué)，2012.

［3］蘇劼.城市軌道交通能饋式牽引供電系統(tǒng)的研究應(yīng)用［D］.北京:北京交通大學(xué)，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.