永磁電機(jī)牽引的地鐵再生制動(dòng)能量吸收方案仿真與分析

湖南工業(yè)大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院 中國(guó)動(dòng)力谷自主創(chuàng)新園軌道交通自動(dòng)化技術(shù)與裝備協(xié)同創(chuàng)新中心 馮典森

永磁電機(jī)牽引的地鐵再生制動(dòng)能量吸收方案仿真與分析

湖南工業(yè)大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院 中國(guó)動(dòng)力谷自主創(chuàng)新園軌道交通自動(dòng)化技術(shù)與裝備協(xié)同創(chuàng)新中心 馮典森

本文針對(duì)整個(gè)地鐵系統(tǒng)進(jìn)行研究，針對(duì)供電區(qū)段內(nèi)地鐵的數(shù)量不同、制動(dòng)初速度不同、吸收裝置是否投入及投入對(duì)牽引網(wǎng)電壓造成的影響等情況下進(jìn)行仿真及分析。討論了采取的進(jìn)行改進(jìn)的型措施對(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定和能量的回收帶來的節(jié)能效果的影響，并對(duì)混合型再生制動(dòng)能量回饋控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真，驗(yàn)證了方法的有效性。

永磁電機(jī)；制動(dòng)能量；MATLAB/Simulink

1 供電區(qū)段只存在單一列車時(shí)的建模與仿真分析[1]

圖1所示為搭建整體系統(tǒng)仿真模型，進(jìn)行封裝處理后，24-pulse為直流牽引供電網(wǎng)，PMSM-Control、SVPWM與Sliding mode仿真模型為永磁牽引電機(jī)的控制仿真模塊，inverter-pulse與IN-Grid是逆變回饋系統(tǒng)控制仿真模塊。

圖1 單車再生制動(dòng)能量逆變回饋控制仿真模型

（1）列車以50km/h速度在1.0s制動(dòng)時(shí)，地鐵系統(tǒng)在運(yùn)行過程中的相關(guān)部分波形如圖2所示：

圖2 最大加速至50km/h時(shí)牽引網(wǎng)電壓波形

（2）列車以80km/h速度在1.0s制動(dòng)時(shí)，地鐵系統(tǒng)在運(yùn)行過程中的相關(guān)部分波形如圖3所示：

圖3 最大加速至80km/h牽引網(wǎng)電壓波形

圖2 和圖3比較表明，列車制動(dòng)初速度為50km/h和80km/h時(shí)，0s電機(jī)處于牽引狀態(tài)時(shí)，直流電壓隨著列車加速而不斷下降，說明列車此時(shí)耗能；0.7s列車平穩(wěn)運(yùn)行，電壓上升至1650v左右，列車耗能較少；1.0s進(jìn)入剎車制動(dòng)階段，牽引網(wǎng)電壓升高，列車制動(dòng)可以把產(chǎn)生的再生能量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔芑仞伣o了牽引網(wǎng)。速度不同時(shí)，牽引網(wǎng)電壓的變化程度不同。

圖4 列車制動(dòng)投入逆變回饋裝置時(shí)的牽引網(wǎng)電壓變化波形

投入逆變裝置的牽引網(wǎng)電壓的波形如圖4所示。當(dāng)列車以50km/ h,牽引網(wǎng)電壓并未超過電網(wǎng)的安全電壓，且未達(dá)到電壓檢測(cè)裝置的下限，不需要投入逆變回饋裝置；當(dāng)列車以80km/h,從列車制動(dòng)開始，牽引網(wǎng)電壓達(dá)到逆變回饋裝置電壓檢測(cè)信號(hào)的1650V電壓，此時(shí)，投入逆變裝置進(jìn)行再生制動(dòng)能量進(jìn)行回饋。逆變裝置中有電力電子器件，因此引入電磁干擾，牽引網(wǎng)電壓波形波動(dòng)比原來要?jiǎng)×?。在列車制?dòng)階段，在1.4s以后逆變裝置退出運(yùn)行，逆變回饋裝置的投入使用不僅可以使得再生制動(dòng)能量得到回收利用，也可以有效的降低制動(dòng)帶來的牽引網(wǎng)電壓升高的問題。

2 供電區(qū)段內(nèi)存在兩列列車時(shí)的建模與仿真分析[2]

圖5所示為兩列車運(yùn)行在同一供電區(qū)段內(nèi)的仿真模型。

圖5 兩列機(jī)車再生制動(dòng)能量逆變回饋控制仿真模型

2.1 一輛列車制動(dòng)一輛列車牽引

當(dāng)列車最大速度以50km/h制動(dòng)時(shí)，另一列車則處于牽引狀態(tài)時(shí)，此時(shí)牽引網(wǎng)電壓的波形如圖6所示。

圖6 50km/h兩列機(jī)車分別是牽引和制動(dòng)狀態(tài)時(shí)牽引網(wǎng)電壓波形

當(dāng)列車最大速度以80km/h制動(dòng)時(shí)，另一列車則處于牽引狀態(tài)時(shí)，此時(shí)牽引網(wǎng)電壓的波形如圖7所示。

圖7 80km/h兩列機(jī)車分別是牽引和制動(dòng)狀態(tài)時(shí)牽引網(wǎng)電壓波形

從圖6～圖7可知，當(dāng)其中一列機(jī)車制動(dòng)，另一機(jī)車牽引時(shí)，牽引網(wǎng)的最大電壓并未受到制動(dòng)的影響，反而在兩列車不同狀態(tài)下，有所下降，說明牽引機(jī)車吸收了制動(dòng)機(jī)車生的制動(dòng)能量，逆變回饋裝置也并非存在制動(dòng)機(jī)車投入系統(tǒng)，而是要設(shè)置電網(wǎng)電壓檢測(cè)設(shè)備。

2.2 兩列車均處于制動(dòng)狀態(tài)

當(dāng)兩列機(jī)車同時(shí)以最大速度50km/h在1.0s制動(dòng)時(shí)，此時(shí)牽引網(wǎng)電壓的波形如圖8所示。

圖8 兩列機(jī)車同時(shí)以50km/h速度制動(dòng)時(shí)牽引網(wǎng)電壓波形

當(dāng)兩列機(jī)車同時(shí)以最大速度80km/h在1.0s制動(dòng)時(shí)，此時(shí)牽引網(wǎng)電壓的波形如圖9所示。

圖9 兩列機(jī)車同時(shí)以80km/h速度制動(dòng)時(shí)牽引網(wǎng)電壓波形

從圖8～圖9可知，兩列機(jī)車同時(shí)制動(dòng)時(shí)，牽引網(wǎng)電壓受到制動(dòng)的影響，明顯上升，并高于單一但列車制動(dòng)時(shí)對(duì)牽引網(wǎng)電壓的影響，且比較來看，制動(dòng)時(shí)速度越高，對(duì)牽引網(wǎng)電壓影響越大。兩圖的牽引網(wǎng)電壓波形的峰值均超過1800V，需要在列車制動(dòng)時(shí)投入逆變回饋裝置對(duì)再生制動(dòng)能量進(jìn)行吸收利用，牽引網(wǎng)電壓波形變化如下：

圖10中，當(dāng)兩列車以50km/h的速度開始制動(dòng)時(shí)，投入逆變回饋裝置，對(duì)再生制動(dòng)能量進(jìn)行吸收利用，直流牽引網(wǎng)的電壓峰值降到了逆變回饋系統(tǒng)中的電壓檢測(cè)值一下。而圖11中兩列車以較大的80km/h速度制動(dòng)時(shí)，即使投入了逆變回饋裝置，但是其峰值仍然超過1650V。

圖11 投入逆變回饋裝置兩列機(jī)車同時(shí)以80km/h速度制動(dòng)時(shí)牽引網(wǎng)電壓波形

3 改進(jìn)型地鐵再生制動(dòng)能量吸收系統(tǒng)仿真與分析

針對(duì)當(dāng)兩列車以較大的80km/h速度制動(dòng)時(shí)，受到逆變回饋裝置容量的限制，牽引網(wǎng)電壓仍然超過安全范圍。改進(jìn)型的再生制動(dòng)能量吸收利用裝置是利用逆變回饋裝置的同時(shí)，加入電阻制動(dòng)，可以有效地保證再生制動(dòng)能量的吸收并減少逆變裝置的容量，在再生制動(dòng)能量過剩的狀態(tài)下，保證牽引供電網(wǎng)電壓的穩(wěn)定。

3.1 電阻制動(dòng)裝置設(shè)計(jì)

電阻制動(dòng)裝置一般選IGBT的斬波電路，斬波器啟動(dòng)電壓設(shè)定為1650V。當(dāng)牽引網(wǎng)電壓Udc超過規(guī)定的啟動(dòng)閥值時(shí)，測(cè)量電壓值延遲一個(gè)采樣周期后，與給定的啟動(dòng)電壓值互相比較，得到電阻IGBT斬波電路開啟的觸發(fā)脈沖，斬波電路的占空比與牽引網(wǎng)電壓升高成正比，流過電阻的電流也會(huì)跟隨占空比的增大而增大，通過電阻消耗保證牽引網(wǎng)電壓在預(yù)定的安全范圍值以內(nèi)，其仿真結(jié)構(gòu)圖如圖12所示。

圖12 電阻制動(dòng)裝置仿真結(jié)構(gòu)圖

將圖12中仿真模型進(jìn)行封裝成下圖，在兩列車運(yùn)行的仿真圖中的R-braking模塊，可根據(jù)牽引網(wǎng)電壓波形設(shè)定其是否接入列車運(yùn)行系統(tǒng)。

圖13 電阻制動(dòng)裝置封裝圖

3.2 改進(jìn)型地鐵再生制動(dòng)能量吸收系統(tǒng)仿真分析及結(jié)論

對(duì)于電阻制動(dòng)裝置的選擇，一般是按照國(guó)內(nèi)的地鐵線路的常用配置，額定電阻值一般是2.8Ω（-5%～+7%）。加入電阻制動(dòng)裝置后，以較大的80km/h速度制動(dòng)的兩列車系統(tǒng)的牽引網(wǎng)電壓的波形如圖14所示。

從仿真結(jié)果來看，和未加入電阻制動(dòng)裝置相比，牽引網(wǎng)的電壓恢復(fù)在安全范圍內(nèi)，證明了這種改進(jìn)型的地鐵再生制動(dòng)能量利用系統(tǒng)的可行性。能夠保證在再生制動(dòng)能量過剩的狀況下，受到逆變裝置容量的限制，采取一種保證電網(wǎng)安全的混合型的再生制動(dòng)能量吸收利用的方式。

圖14 改進(jìn)型系統(tǒng)的牽引網(wǎng)電壓的波形

4 結(jié)論

動(dòng)能量吸收利用的模型進(jìn)行仿真，如不同制動(dòng)初速度，同一供電區(qū)段不同車輛數(shù)，多輛列車同一時(shí)間的運(yùn)行工況等，針對(duì)多輛列車在再生制動(dòng)能量不能完全吸收的狀況下，為避免對(duì)電網(wǎng)的影響采取的改進(jìn)型系統(tǒng)進(jìn)行模擬仿真，驗(yàn)證了其有效性。

[1]王曉亞,刑?hào)|峰．地鐵列車運(yùn)行自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]．電子世界,2015(16):28-30．

[2]馮典森,唐勇奇,伍玉凱,張曙云,曾麗瓊．基于雙閉環(huán)控制的單相PWM整流器仿真研究[J]．新型工業(yè)化,2016,5．

本文主要針對(duì)不同狀況下的永磁牽引供電的地鐵系統(tǒng)的再生制

馮典森（1992—），男，碩士，主要研究方向：現(xiàn)代電力電子技術(shù)及系統(tǒng)。