地鐵再生制動能量回饋裝置軟并網(wǎng)技術(shù)研究

李 潔 鄭伊飛 鄭月賓 唐圣輝 桑福環(huán)

(1.鄭州市軌道交通有限公司，450000，鄭州;2.西安許繼電力電子技術(shù)有限公司，710075，西安∥第一作者，工程師)

地鐵列車電制動時產(chǎn)生的大量再生電能返回到直流接觸網(wǎng)時，會造成直流接觸網(wǎng)電壓升高，這對電站設(shè)備和列車的運行都非常不利。為穩(wěn)定直流接觸網(wǎng)電壓，目前所采用的方案主要有電阻消耗、電容儲能、飛輪儲能、逆變回饋等［1］。其中，逆變回饋裝置可將再生制動能量回饋到電網(wǎng)，節(jié)能效果好，且系統(tǒng)簡單、投資小，得到越來越多的應(yīng)用［2-3］。

地鐵再生制動能量回饋裝置多采用PWM(脈沖寬度調(diào)制)變流器，其直流側(cè)為直流支撐電容，用以穩(wěn)定直流母線電壓;交流側(cè)多采用LCL(電感電容電感多階)濾波器，用以抑制高頻諧波電流。其主電路結(jié)構(gòu)如圖1所示。能量回饋裝置的交流側(cè)一般通過交流接觸器與電網(wǎng)連接，由于電網(wǎng)給交流濾波電容充電，以及通過IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)反并聯(lián)二極管給直流支撐電容充電，若接觸器直接合閘，在合閘瞬間則會產(chǎn)生很大的沖擊電流，甚至?xí)鸾涣鬟^壓、過流保護(hù)，不僅對電網(wǎng)造成了沖擊，而且降低了裝置的可靠性，影響裝置的使用壽命。

圖1 再生制動能量回饋裝置主電路結(jié)構(gòu)圖

再生制動能量回饋裝置并網(wǎng)一般采用電阻輔助軟啟方式，即:通過串聯(lián)軟啟電阻限制沖擊電流，待接觸器合閘后再將軟啟電阻切除。這種并網(wǎng)方式簡單，然而軟啟電阻較難選擇。若軟啟電阻阻值較小，則流過電阻的電流很大，不僅要選取功率很大的電阻，而且損耗還較大;若軟啟電阻阻值較大，則軟啟電阻上分壓較大，在接觸器合閘時仍會給電容充電，沖擊電流仍然較大。本文提出了一種新的軟并網(wǎng)方法:在合閘前通過控制三相逆變橋的輸出，使得交流濾波電容以斜坡遞增的形式逐步建立起與電網(wǎng)同幅、同頻、同相的交流電壓，以抑制接觸器合閘瞬間的電流沖擊。本文利用MATLAB/Simulink 軟件對該并網(wǎng)方法進(jìn)行了仿真驗證，并在一臺1.2 MW 地鐵再生制動能量回饋裝置上進(jìn)行了軟并網(wǎng)試驗，仿真和試驗結(jié)果均證明了該并網(wǎng)方法的有效性。

1 回饋裝置的工作原理

再生制動能量回饋裝置主要由IGBT 逆變器、LCL 濾波器和控制單元構(gòu)成，其控制結(jié)構(gòu)如圖2所示(圖中PLL 為鎖相環(huán))。控制單元采用基于空間矢量調(diào)制(SVPWM)的雙閉環(huán)結(jié)構(gòu)［4］，外環(huán)控制直流接觸網(wǎng)電壓:給定電壓值(Udc_ref)與實際直流接觸網(wǎng)電壓(Udc_fdb)的差值作為PI(比例積分)調(diào)節(jié)器的輸入，PI 調(diào)節(jié)器輸出作為內(nèi)環(huán)對應(yīng)有功功率的d 軸電流的給定，通過調(diào)節(jié)逆變器將有功功率傳送到電網(wǎng)并穩(wěn)定直流接觸網(wǎng)電壓。內(nèi)環(huán)控制逆變器的輸出電流:在與電網(wǎng)電壓矢量同步旋轉(zhuǎn)的d-q 坐標(biāo)系下，利用內(nèi)環(huán)PI 調(diào)節(jié)器分別控制輸出電流的d、q 軸分量，實現(xiàn)有功和無功的解耦控制。最后再經(jīng)過iPark變換后利用 SVPWM 算法生成 PWM 脈沖，控制IGBT 的開通和關(guān)斷。

圖2 回饋裝置控制結(jié)構(gòu)框圖

2 軟并網(wǎng)控制策略

2.1 概述

由于交流濾波電容和直流支撐電容的存在，若能量回饋裝置直接并網(wǎng)，電容上會產(chǎn)生很大的沖擊電流，這對裝置自身及電網(wǎng)都不利。因而，并網(wǎng)前先對交流濾波電容上的電壓進(jìn)行控制，使其逐步建立起一個與電網(wǎng)同幅、同頻、同相的交流電壓后再進(jìn)行并網(wǎng)操作，以抑制并網(wǎng)沖擊電流。并網(wǎng)完成后再從軟并網(wǎng)控制切換到電壓電流雙閉環(huán)控制，如圖3所示。為實現(xiàn)軟并網(wǎng)控制，首先要進(jìn)行直流預(yù)充電，為能量回饋裝置直流側(cè)建立起合適的直流電壓;然后通過檢測交流電網(wǎng)電壓，準(zhǔn)確鎖定電網(wǎng)電壓的頻率和相位;最后調(diào)節(jié)三相逆變橋的調(diào)制度，采用基于SVPWM 的開環(huán)控制方式控制逆變橋的輸出，使得交流濾波電容上以斜坡遞增的形式建立起與電網(wǎng)同幅、同頻、同相的電壓。

圖3 軟并網(wǎng)控制策略切換框圖

2.2 直流預(yù)充電電路

為使并網(wǎng)前三相逆變橋輸出PWM 波，需要先使直流側(cè)建立起合適的電壓。本文采用交流電網(wǎng)通過整流橋為直流側(cè)充電的方式建立直流電壓。直流預(yù)充電電路如圖4所示。所建立的直流電壓的理論值為Udc= 1.414Ue(Ue為交流電網(wǎng)線電壓)。

圖4 直流預(yù)充電電路圖

2.3 軟件鎖相環(huán)設(shè)計

基于瞬時無功理論的軟件鎖相環(huán)［5］可以快速有效地檢測電網(wǎng)電壓相位和頻率。其原理是:首先將三相輸入電壓 Uab、Ubc、Uca經(jīng) Clarke 變換后轉(zhuǎn)換到兩相靜止坐標(biāo)系，再經(jīng)過Park 變換后從靜止坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到與電壓同步的旋轉(zhuǎn)d-q 坐標(biāo)系，得到交流電壓的直流分量Ud、Uq。電壓矢量圖如圖5所示。其中U 表示實際電網(wǎng)電壓矢量，Us表示鎖相環(huán)輸出的電壓矢量。

圖5 鎖相環(huán)電壓矢量圖

當(dāng)鎖相環(huán)處于精確鎖定時，Us與U 重合，此時Uq=0。用0 與 Uq相減后的值送入 PI 調(diào)節(jié)器得到角頻率的誤差信號ωcon，再將ωcon與實際角頻率ω0相加得到實際角頻率，再經(jīng)過積分環(huán)節(jié)即可得到實際線電壓相位θ。整個控制過程構(gòu)成負(fù)反饋的閉環(huán)系統(tǒng)，通過調(diào)節(jié)PI 調(diào)節(jié)器來達(dá)到鎖相的目的。線電壓的相位減去π/6 即可得到相電壓相位。圖6為鎖相環(huán)原理圖。

圖6 鎖相環(huán)原理圖

2.4 控制策略

再生制動能量回饋裝置直流側(cè)預(yù)充電完成后，需要控制三相逆變橋的輸出，使得交流濾波電容上建立起與電網(wǎng)電壓同幅、同頻、同相的電壓。本文采用基于SVPWM 的控制策略，其原理如圖7所示。由SVPWM 的原理［6］可知，當(dāng)對應(yīng)有功功率的 d 軸給定時，逆變橋輸出的PWM 波經(jīng)電容濾波后基本與電網(wǎng)電壓相匹配，若此時接觸器合閘，沖擊電流較小。

式中:

U*d——d 軸給定指令;

Uac——電網(wǎng)線電壓有效值;

Udc——直流側(cè)電壓。

圖7 軟并網(wǎng)控制框圖

為了避免逆變橋輸出對濾波電容充電時的電流沖擊，按式(1)計算出d 軸給定后，將實際指令按一定的步長由0 斜坡遞增至，這樣逆變橋輸出對電容無沖擊，電容電壓的建立過程平穩(wěn)、無超調(diào)。

3 仿真分析

本文使用MATLAB/Simulink 軟件搭建了應(yīng)用于DC 1 500 V 直流牽引供電系統(tǒng)的再生制動能量回饋裝置的軟并網(wǎng)仿真模型，其主要由主回路和控制系統(tǒng)兩部分組成。主回路包括三相PWM 逆變器、LCL 濾波器、交流接觸器和1 000 V/1 180 V 的隔離變壓器，如圖8所示。隔離變壓器高壓側(cè)接至地鐵牽引變電所的1 180 V 側(cè)。控制系統(tǒng)主要包括軟件鎖相環(huán)、iPark 變換和 SVPWM 模塊，如圖 9所示。

圖8 主回路模型

圖10 為再生制動能量回饋裝置直接并網(wǎng)的電流波形，可以看出并網(wǎng)時沖擊電流很大，瞬時值達(dá)到1 200 A。圖11 為軟并網(wǎng)波形。由圖11a)可知，在并網(wǎng)前，交流濾波電容電壓幅值由0 逐漸遞增，最終與電網(wǎng)電壓幅值相等，交流濾波電容電壓的頻率和相位基本與電網(wǎng)電壓的一致。由圖11b)可知，當(dāng)交流濾波電容上建立起與電網(wǎng)同幅、同頻、同相的電壓后，在0.6 s 處進(jìn)行并網(wǎng)，并網(wǎng)瞬間電網(wǎng)電壓過渡平穩(wěn)。由圖11c)可知，在并網(wǎng)過程中沖擊電流很小，瞬時值最大為80 A。

圖9 控制系統(tǒng)模型

圖10 直接并網(wǎng)波形

圖11 軟并網(wǎng)仿真波形

4 試驗驗證

為驗證本文軟并網(wǎng)方法的有效性，在一臺1.2 MW 地鐵再生制動能量回饋裝置上進(jìn)行軟并網(wǎng)試驗。圖12 a)是并網(wǎng)過程試驗波形。圖12 b)是并網(wǎng)瞬間局部放大波形。可以看出，并網(wǎng)前交流濾波電容電壓以斜坡遞增，當(dāng)其幅值、頻率和相位與電網(wǎng)電壓接近時，開始執(zhí)行并網(wǎng)操作。并網(wǎng)過程中，電網(wǎng)電壓過渡平穩(wěn)，電網(wǎng)電流沖擊較小，瞬時值最大為152 A，滿足并網(wǎng)要求。

圖12 軟并網(wǎng)試驗波形

5 結(jié)語

針對地鐵再生制動能量回饋裝置在并網(wǎng)時沖擊電流過大的問題，提出了一種新的軟并網(wǎng)方法:在并網(wǎng)前通過控制三相逆變橋的輸出，使交流濾波電容上以斜坡遞增的形式逐步建立起與電網(wǎng)同幅、同頻、同相的電壓，以抑制并網(wǎng)時較大的電流沖擊。仿真和試驗均驗證了該并網(wǎng)方法的正確性和有效性。該方案能夠?qū)崿F(xiàn)再生制動能量回饋裝置的平滑并網(wǎng)，并且提高了裝置的可靠性。

［1］馮劍冰.再生制動能量利用方式的探討［J］.城市軌道交通研究，2007(5):46.

［2］陳勇，劉承志，鄭寧，等.基于逆變回饋的地鐵再生制動能量吸收的研究［J］.電氣化鐵道，2011(3):36.

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