城軌供電雙線圈接入式中壓能饋系統(tǒng)研究

林云志，羅 金

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城軌供電雙線圈接入式中壓能饋系統(tǒng)研究

林云志，羅 金

城市軌道交通車輛再生制動(dòng)能量的有效吸收利用是牽引供電技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要課題。本文提出了一種新型城軌供電雙線圈接入式中壓能饋系統(tǒng)，逆變回饋裝置從整流變壓器1 180 V側(cè)雙線圈接入供電系統(tǒng)，制動(dòng)能量通過整流變壓器回饋到35 kV中壓電網(wǎng)，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能效果。本文主要從能饋型再生制動(dòng)裝置方案設(shè)計(jì)出發(fā)，著重介紹了系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型、控制策略及控制邏輯等內(nèi)容。為驗(yàn)證方案可靠有效，利用Matlab/Simulink仿真平臺(tái)搭建仿真模型，重點(diǎn)對(duì)共用整流變壓器方案時(shí)1.8 MW間歇循環(huán)峰值時(shí)直流母線電壓波形，整流支路電流波形，能饋系統(tǒng)回饋效率，交流側(cè)AC 35 kV相電壓、相電流、功率因數(shù)及諧波這幾個(gè)方面進(jìn)行分析。仿真結(jié)果表明：該方案能可靠穩(wěn)定的實(shí)現(xiàn)能量回饋功能，能饋過程中各性能指標(biāo)良好，對(duì)整流機(jī)組的正常運(yùn)行沒有影響。

城市軌道交通；雙線圈接入；中壓能饋再生制動(dòng)；逆變；回饋；雙閉環(huán)控制；仿真建模

0 引言

隨著社會(huì)和科技的進(jìn)步發(fā)展，人們的節(jié)能減排和環(huán)保意識(shí)也在逐漸增強(qiáng)。在城市軌道交通系統(tǒng)中，根據(jù)線路條件的差異，牽引負(fù)荷的用電量已占到總用電量的40%～70%。由于地鐵站間距較小，車輛運(yùn)行時(shí)啟停頻繁，產(chǎn)生的制動(dòng)能量較大，約有40%的能量被浪費(fèi)。因此有效利用城市軌道車輛再生制動(dòng)所產(chǎn)生的電能以減少運(yùn)營(yíng)的用電量對(duì)于改善城市軌道交通公共場(chǎng)所的環(huán)境是非常重要的。有效吸收電制動(dòng)產(chǎn)生的能量將緩解因直流母線電壓過高而對(duì)相關(guān)設(shè)備造成損壞的程度。研究再生制動(dòng)電能吸收裝置，對(duì)再生制動(dòng)所產(chǎn)生的電能進(jìn)行吸收、儲(chǔ)存和再利用已然成為軌道交通牽引供電技術(shù)發(fā)展的重要課題[1]。

為了能夠充分吸收利用車輛制動(dòng)電能，世界上很多軌道交通發(fā)達(dá)的國(guó)家都在積極探討制動(dòng)能量的利用模式，陸續(xù)提出了電阻耗能型、電容儲(chǔ)能型、飛輪儲(chǔ)能型、逆變回饋型等多種方式的再生電能吸收裝置。電阻耗能型再生能量通過發(fā)熱消耗，再生能量不能被有效利用，還需增加措施排出熱量，不具備節(jié)能效果[2]。電容儲(chǔ)能型對(duì)電容器要求較為嚴(yán)格，國(guó)內(nèi)技術(shù)還尚未成熟，且電容器耐壓不夠，需大量配置，空間利用率低，使用壽命亦受到質(zhì)疑，不利于推廣[3]。飛輪儲(chǔ)能型由于裝置特性原因，制造成本和維護(hù)成本都很高，裝置運(yùn)行損耗大，影響裝置使用壽命[4]。逆變回饋型可分為逆變至AC 0.4 kV網(wǎng)絡(luò)和逆變至AC 35 kV網(wǎng)絡(luò)2種形式。逆變至AC 0.4 kV網(wǎng)絡(luò)無需配置儲(chǔ)能元件，技術(shù)方案成熟，利于國(guó)產(chǎn)化，缺點(diǎn)是屬于電阻耗能型和全逆變型的過渡產(chǎn)品，將電能逆變至低壓側(cè)，再生電能得不到充分利用，供電質(zhì)量易受影響；逆變至AC 35 kV網(wǎng)絡(luò)沿襲了逆變至AC 0.4 kV網(wǎng)絡(luò)方式的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)消除了其缺點(diǎn)，但是目前還缺乏大規(guī)模工程應(yīng)用及運(yùn)營(yíng)維護(hù)經(jīng)驗(yàn)，單柜設(shè)備容量限制在2 M以內(nèi)，提高容量時(shí)需增加變流器柜[5～9]。

本文研究一種新型城市軌道交通能饋型再生制動(dòng)裝置接入方案，將再生制動(dòng)裝置系統(tǒng)的交流側(cè)從整流變壓器1 180 V側(cè)的雙線圈接入供電系統(tǒng)，通過整流變壓器將制動(dòng)能量回饋到35 kV中壓電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)車輛再生制動(dòng)能量的回饋利用，從而達(dá)到降低能耗、節(jié)約能源、降低運(yùn)營(yíng)成本的目的。

1 能饋型再生制動(dòng)裝置系統(tǒng)方案

1.1 系統(tǒng)接入方案介紹

能饋型再生制動(dòng)裝置系統(tǒng)增加了回饋?zhàn)兞髌鞯脑O(shè)計(jì)容量，利用2臺(tái)相角差30°的雙線圈隔離變壓器并聯(lián)，分別接至整流變壓器的2個(gè)低壓繞組（1 180 V）上，將制動(dòng)能量通過整流變壓器回饋到35 kV中壓電網(wǎng)實(shí)現(xiàn)節(jié)能目的，隔離變壓器與整流變壓器對(duì)應(yīng)雙分裂繞組保持同相位。能饋型再生制動(dòng)裝置支持四象限運(yùn)行，除回饋功能外還具備牽引及無功補(bǔ)償運(yùn)行功能。系統(tǒng)接入方案如圖1所示。

1.2 能饋型再生制動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)及工作原理

能饋型再生制動(dòng)裝置主要由并網(wǎng)開關(guān)柜、隔離變壓器、逆變柜、直流控制柜4部分組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。在變電所內(nèi)設(shè)置1面并網(wǎng)開關(guān)柜，將再生制動(dòng)裝置系統(tǒng)的交流側(cè)接入到整流變壓器二次側(cè)。所內(nèi)1 500 V直流開關(guān)柜系統(tǒng)中擴(kuò)展一路饋線，即1面1 500 V直流開關(guān)柜連接再生制動(dòng)裝置系統(tǒng)的直流側(cè)。再生制動(dòng)裝置系統(tǒng)的負(fù)極與變電所負(fù)母線相連。

圖1 1 180 V側(cè)接入式（雙線圈）能饋型再生制動(dòng)裝置系統(tǒng)接入方案圖

能饋型再生制動(dòng)裝置的工作原理如下：

（1）列車正常發(fā)車啟動(dòng)及運(yùn)行時(shí)，再生能量回饋裝置不工作，二極管整流機(jī)組工作，向直流 1 500 V牽引電網(wǎng)饋能，為車輛提供牽引電能，此時(shí)電能轉(zhuǎn)化為車輛的動(dòng)能。

（2）當(dāng)車輛采取電制動(dòng)時(shí)，列車的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能，回饋到直流1 500 V牽引電網(wǎng)，引起直流電網(wǎng)電壓升高。再生能量回饋裝置檢測(cè)到直流網(wǎng)壓升高到設(shè)定值，并確定列車處于制動(dòng)狀態(tài)，回饋功能開始啟動(dòng)，將這部分制動(dòng)能量回饋到35 kV交流電網(wǎng)中，該過程中二極管整流機(jī)組反向截止，停止工作。

（3）當(dāng)制動(dòng)能量回饋完畢，直流網(wǎng)壓降到設(shè)定值時(shí)，再生能量回饋裝置停止回饋功能而轉(zhuǎn)入待機(jī)態(tài)，等待執(zhí)行下一次回饋任務(wù)。

圖2 能饋型再生制動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)圖

1.3 變流器模型研究

能饋型再生制動(dòng)裝置中使用的變流器為多重化四象限電壓源型PWM變流器，該類型變流器具有功率雙向流動(dòng)和功率因數(shù)可控的特性，當(dāng)變流器從電網(wǎng)吸取電能時(shí)，其運(yùn)行于整流狀態(tài)；當(dāng)變流器向電網(wǎng)回饋電能時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行于有源逆變狀態(tài)。正是由于這些良好的特性，該類變流器成為高鐵車輛、磁懸浮車輛牽引、柔性高壓直流輸電等領(lǐng)域的主拓?fù)浞桨覆捎玫闹饕O(shè)備。

由于本文所述系統(tǒng)需要將直流側(cè)過多的再生制動(dòng)能量回饋到三相交流電網(wǎng)，因此選用三相橋式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的四象限電壓源型PWM變流器作為能饋型再生制動(dòng)裝置中使用的變流器，如圖3所示。

圖3 三相橋式PWM變流器拓?fù)鋱D

對(duì)于三相電壓源型四象限PWM變流器，其控制算法有多種，但最為穩(wěn)定、使用最廣泛的是電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的直接電流控制算法。該控制算法通過測(cè)量變流器直流側(cè)電壓和交流側(cè)電流，矢量變換控制變流器閥側(cè)電壓，使交流側(cè)輸出電流與電網(wǎng)電壓反相，從而將多余的再生制動(dòng)能量從直流側(cè)回饋到交流側(cè)，實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)控制。調(diào)制方式采用兩電平雙模式空間矢量過調(diào)制方法，在滿足其可擴(kuò)展性的同時(shí)，可以最大程度地提高直流母線電壓的利用率。此外，考慮到制動(dòng)能量比較大，且系統(tǒng)諧波特性需滿足國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，因此主回路拓?fù)洳捎幂d波移相多重化方案。

1.4 數(shù)學(xué)模型和控制策略

雙閉環(huán)控制策略的基本原理：電流內(nèi)環(huán)、電壓外環(huán)控制技術(shù)選擇基于同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的坐標(biāo)變換，將三相電壓型PWM變流器的表達(dá)式轉(zhuǎn)換到同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下可得式（1）。

式中，d、q為同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下網(wǎng)側(cè)電流；d、q為同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下電網(wǎng)電壓；d、q為同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下整流器網(wǎng)側(cè)電壓；dc為直流側(cè)電壓。

由式（1）可知，整流器軸和軸存在耦合分量q和d，給控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來不便，如若把這2個(gè)耦合分量視為2個(gè)電流控制的受控電壓源，那么適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)控制d、q便可實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的解耦。系統(tǒng)控制框圖見圖4[10～12]。

圖4 電壓外環(huán)，電流內(nèi)環(huán)控制框圖

對(duì)于多重化變流器的協(xié)同控制，系統(tǒng)采用經(jīng)典的共用電壓外環(huán)、獨(dú)立電流內(nèi)環(huán)結(jié)構(gòu)，如圖5所示。

圖5 兩重化外層控制結(jié)構(gòu)示意圖

1.5 能饋型再生制動(dòng)裝置系統(tǒng)邏輯控制

系統(tǒng)邏輯控制主要是指結(jié)合系統(tǒng)所處狀態(tài)及預(yù)先設(shè)定的開關(guān)動(dòng)作邏輯，對(duì)裝置中使用的接觸器、斷路器、中間繼電器等開關(guān)的通斷控制。

再生能量回饋系統(tǒng)工作狀態(tài)分為3種：待機(jī)態(tài)、運(yùn)行態(tài)和故障態(tài)。裝置投入邏輯控制如圖6所示，系統(tǒng)上電后，DCU首先自檢（包括通訊等），并發(fā)出分自身主斷的命令，隨后進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。在待機(jī)狀態(tài)時(shí)，DCU保持對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)視，如果發(fā)現(xiàn)異常，則報(bào)系統(tǒng)故障，裝置運(yùn)行邏輯控制如圖7所示?；仞伖δ軉?dòng)條件：直流母線電壓檢測(cè)值大于直流母線空載電壓歸算值+30 V；回饋停止條件：裝置直流側(cè)電流呈下降態(tài)，且平均值小于20 A。

圖6 裝置投入邏輯控制圖

故障態(tài)指裝置在待機(jī)或運(yùn)行過程中，被監(jiān)控參量超出要求范圍或被監(jiān)控設(shè)備不按要求動(dòng)作或其他設(shè)備發(fā)生故障時(shí)，裝置進(jìn)入一種保護(hù)自身及牽引所內(nèi)其他關(guān)聯(lián)設(shè)備的狀態(tài)。裝置在故障態(tài)或收到正常退出指令后執(zhí)行退出邏輯，裝置退出邏輯控制圖見圖8。

圖7 裝置運(yùn)行邏輯控制圖

圖8 裝置退出邏輯控制圖

1.6 穩(wěn)定直流母線電壓及單位功率因數(shù)控制

本文所述能饋系統(tǒng)具有穩(wěn)定直流母線電壓的功能，通過逆變柜的逆變回饋功能及控制軟件中的穩(wěn)壓控制環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)。直流電壓波動(dòng)小及直流側(cè)的濾波電感的存在，將極大減少逆變時(shí)從直流牽引網(wǎng)流入能饋裝置的高頻諧波含量。單位功率因數(shù)控制功能則通過控制軟件中的電流環(huán)流實(shí)現(xiàn)，可基本消除無功功率。

能饋裝置采用經(jīng)典的電壓、電流雙閉環(huán)PWM四象限變流器控制策略。電壓外環(huán)作為控制外環(huán)，通過測(cè)量逆變器實(shí)際輸出的直流電壓，與設(shè)定的穩(wěn)定電壓值比較，進(jìn)行閉環(huán)控制，并給出電流內(nèi)環(huán)的有功電流給定值，使得整套裝置能夠按照設(shè)定的穩(wěn)壓值進(jìn)行輸出，在額定功率范圍內(nèi)，達(dá)到穩(wěn)定直流母線電壓的目的，如圖4、圖5系統(tǒng)電壓外環(huán)控制框圖所示。

電流內(nèi)環(huán)作為控制內(nèi)環(huán)的底層，通過對(duì)逆變器直流側(cè)電壓和交流側(cè)電流進(jìn)行測(cè)量，并采用基于同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)變化的控制方式，將交流電流轉(zhuǎn)換成直流電流，從而實(shí)現(xiàn)有功電流、無功電流的獨(dú)立閉環(huán)控制，并通過將無功電流設(shè)置為零的方式，使得逆變器輸出的功率因數(shù)達(dá)到-1，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)單位功率因數(shù)控制，見圖4。

1.7 消諧控制方法

本文所述方案采用兩重功率模塊，為降低注入到交流電網(wǎng)的諧波含量，可通過載波移相控制算法來實(shí)現(xiàn)。

載波移相技術(shù)通過將載波均勻平移一定的相位來對(duì)PWM變換器進(jìn)行調(diào)制，在實(shí)際應(yīng)用中，采用移相360o/方式，如重?cái)?shù)為8重，每重間的載波均勻移相45o，構(gòu)成8路移相載波波形，進(jìn)而對(duì)SVPWM生成波形進(jìn)行調(diào)制，移相波形如圖9所示。

圖9 移相載波（移相45°）波形圖

圖10、圖11分別為兩重功率模塊間采用載波移相與不采用載波移相技術(shù)時(shí)注入中壓網(wǎng)側(cè)諧波電流THD圖?？梢钥闯?，采用載波移相時(shí)電流中壓網(wǎng)側(cè)諧波畸變率為3.18%，未采用載波移相技術(shù)時(shí)中壓網(wǎng)側(cè)諧波畸變率為7.95%。

圖10 采用載波移相時(shí)中壓網(wǎng)側(cè)的電流THD圖

圖11 未采用載波移相時(shí)中壓網(wǎng)側(cè)的電流THD圖

圖12、圖13分別為2種模式下兩重模塊間A相電流波形圖，從圖中可以看出，采用載波移相時(shí)，兩重電流相互疊加，可以消除10 kV側(cè)電流波形中的尖峰（圖12中，10 kV側(cè)電流被放大了）；未采用載波移相時(shí)，兩重電流相互疊加，導(dǎo)致10 kV側(cè)電流波形中的尖峰成倍增加。

由以上分析可以得出結(jié)論，多重間載波移相技術(shù)是消除網(wǎng)側(cè)電流及電壓諧波的有效手段。

2 方案仿真模擬計(jì)算

由于該方案裝置接入整流變壓器2個(gè)低壓端共同回饋，因此可以將回饋?zhàn)兞髌鞯娜萘刻岣叩秸髯儔浩魅萘扛浇? 000～2 500 kW），這樣變電所內(nèi)的回饋裝置可基本將進(jìn)站車輛制動(dòng)功率全部吸收利用，基本不需要鄰所回饋裝置輔助吸收，節(jié)能效果更優(yōu)。

為了驗(yàn)證該方案的可行性，本文對(duì)方案進(jìn)行了基于Matlab/Simulink仿真平臺(tái)的仿真模型搭建，對(duì)其功能和性能進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，并對(duì)該系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)進(jìn)行理論驗(yàn)證，觀察系統(tǒng)內(nèi)各部件工作狀態(tài)是否滿足要求，以便優(yōu)化設(shè)計(jì)系統(tǒng)參數(shù)，并對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行過程中可能出現(xiàn)的問題進(jìn)行前期預(yù)判。

圖12 采用載波移相時(shí)兩重模塊間A相電流波形圖

圖13 未采用載波移相時(shí)兩重模塊間A相電流波形圖

2.1 仿真模型搭建

驗(yàn)證方案的仿真模型如圖14所示，其中深色部分為各部件輸入輸出信號(hào)和PWM逆變器模塊。系統(tǒng)設(shè)置能量回饋電壓?jiǎn)?dòng)值為1 720 V，能饋裝置啟動(dòng)后，系統(tǒng)通過雙閉環(huán)控制將直流母線電壓穩(wěn)定在1 720 V，回饋能量的間歇循環(huán)功率（峰值功率）為1.8 MW。

圖14 共用整流變壓器型能量回饋系統(tǒng)仿真模型圖

仿真過程：仿真步長(zhǎng)為10-5s，仿真時(shí)長(zhǎng)為1 s，0—0.15 s模擬空載狀態(tài)；0.15—0.55 s模擬列車制動(dòng)，能饋系統(tǒng)工作過程，在0.15 s時(shí)列車開始制動(dòng)，0.2 s時(shí)達(dá)到回饋峰值功率，0.5 s時(shí)回饋功率開始下降，0.55 s時(shí)回饋功率降為0；0.55—0.65 s列車停止運(yùn)行，仿真中設(shè)列車停止運(yùn)行時(shí)直流電流為0；0.65—1 s模擬列車運(yùn)行，二極管整流機(jī)組工作過程。整個(gè)仿真運(yùn)行過程如圖15所示，仿真過程中設(shè)能量回饋時(shí)的直流電流為正，整流時(shí)的直流電流為負(fù)。

圖15 仿真運(yùn)行過程示意圖

2.2 仿真結(jié)果及分析

2.2.1 直流母線電壓變化波形

直流母線電壓是判斷能饋系統(tǒng)能否可靠運(yùn)行的一個(gè)重要因素，圖16為1.8 MW間歇循環(huán)峰值回饋功率下的直流母線電壓波形圖。圖中縱坐標(biāo)dc表示直流母線電壓，其中支撐電壓初始值為 1 650 V。在0.15 s前系統(tǒng)處于空載狀態(tài)，直流母線空載電壓約為1 652 V。0.15 s時(shí)列車進(jìn)入制動(dòng)狀態(tài)，直流母線電壓開始抬升，升至1 720 V時(shí)達(dá)到能饋系統(tǒng)啟動(dòng)門檻值，能饋裝置開始運(yùn)行。

圖16 直流母線電壓波形圖

從圖16中可以看到，在1.8 MW間歇循環(huán)峰值回饋功率時(shí)，能饋裝置投入瞬間，直流母線電壓在控制系統(tǒng)的作用下快速響應(yīng)，有35 V左右的超調(diào)量，并在0.15 s內(nèi)迅速恢復(fù)穩(wěn)定，維持在1 720 V左右，直流母線電壓穩(wěn)定后有10 V左右的震蕩。可見能饋系統(tǒng)在列車制動(dòng)引起直流母線電壓抬升時(shí)能快速響應(yīng)，并能很好地維持直流母線電壓穩(wěn)定。0.5 s時(shí)回饋功率開始下降，并在0.55 s時(shí)降至0，0.55—0.65 s列車處于停車狀態(tài)，該過程中直流母線電壓開始下降。0.65 s時(shí)列車開始啟動(dòng)運(yùn)行，二極管整流機(jī)組開始工作，直流母線電壓有較大下降，最終穩(wěn)定在1 500 V左右。

2.2.2 整流支路電流

圖17為共用整流變壓器方案在1.8 MW間歇循環(huán)峰值回饋功率時(shí)仿真得到的整流支路電流d的波形圖，可以看到在能量回饋過程中（0.15—0.55 s），整流支路上均有10 A左右的環(huán)流，在 0.65 s后，二極管整流支路電流迅速增大，達(dá)到設(shè)定值輸出。

圖17 整流支路電流波形圖

2.2.3 能饋系統(tǒng)回饋效率

能量回饋效率是能饋系統(tǒng)的一個(gè)重要指標(biāo)，圖18為共用整流變壓器方案在1.8 MW間歇循環(huán)峰值回饋功率時(shí)的回饋效率圖。由圖可以看出，當(dāng)系統(tǒng)處于能量回饋狀態(tài)時(shí)，在1.8 MW間歇循環(huán)峰值回饋功率情況下，能饋系統(tǒng)的能量回饋效率均能達(dá)到96%，回饋效率較高。

圖18 能量回饋效率波形圖

2.2.4 AC 35 kV網(wǎng)側(cè)相電壓、相電流及功率因數(shù)

圖19—圖21為1.8 MW間歇循環(huán)峰值回饋功率時(shí)的AC 35 kV網(wǎng)側(cè)相電壓、相電流波形圖，為了方便在示波器中同時(shí)觀測(cè)電壓、電流，圖中顯示的交流電壓波形為實(shí)際交流電壓乘以0.002的增益后的波形。圖19為整個(gè)仿真過程的相電壓、相電流波形，圖20為能饋裝置工作過程的AC 35 kV網(wǎng)側(cè)相電壓、相電流波形，可以看到在能饋過程中，AC 35 kV網(wǎng)側(cè)相電壓、相電流波形正弦性好，AC 35 kV網(wǎng)側(cè)相電壓、相電流的相位相反，此時(shí)處于逆變狀態(tài)。圖21為二極管整流機(jī)組工作時(shí)的AC 35 kV網(wǎng)側(cè)相電壓、相電流波形，此時(shí)處于整流狀態(tài)。

圖19 AC 35 kV網(wǎng)側(cè)整體相電壓、相電流波形圖

圖20 AC 35 kV網(wǎng)側(cè)回饋相電壓、相電流波形圖

圖21 AC 35 kV網(wǎng)側(cè)整流相電壓、相電流波形圖

圖22—圖24為1.8 MW間歇循環(huán)峰值回饋功率時(shí)的功率因數(shù)波形圖，從圖中可以看到，在能饋過程中功率因數(shù)接近-1，為單位功率因數(shù)；在二極管整流機(jī)組牽引供電過程中，功率因數(shù)為0.972。

圖22 1.8 MW間歇循環(huán)峰值回饋功率時(shí)整體功率因數(shù)波形圖

圖23 1.8 MW間歇循環(huán)峰值回饋功率時(shí)能饋功率因數(shù)波形圖

圖24 1.8 MW間歇循環(huán)峰值回饋功率時(shí)整流功率因數(shù)波形圖

2.2.5 諧波分析

圖25、圖26為共用整流變壓器方案1.8 MW間歇循環(huán)峰值回饋功率時(shí)的AC 35 kV網(wǎng)側(cè)電流諧波、電壓諧波分析圖，可以看到在1.8 MW間歇循環(huán)峰值回饋功率時(shí)，AC 35 kV網(wǎng)側(cè)電流諧波畸變率為1.57%，電壓諧波畸變率為0.66%，符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)及項(xiàng)目技術(shù)指標(biāo)。

圖25 1.8 MW間歇循環(huán)峰值回饋功率時(shí)AC 35 kV網(wǎng)側(cè)電流諧波圖

圖26 1.8 MW間歇循環(huán)峰值回饋功率時(shí)AC 35 kV網(wǎng)側(cè)電壓諧波圖

根據(jù)國(guó)家公用電網(wǎng)諧波標(biāo)準(zhǔn)，35 kV電網(wǎng)電壓、250 MV·A短路容量的AC 35 kV網(wǎng)側(cè)電流諧波含量標(biāo)準(zhǔn)及通過仿真計(jì)算得到的1.8 MW能饋系統(tǒng)的AC 35 kV網(wǎng)側(cè)電流諧波含量如表1所示。由表1可以看出，在1.8 MW間歇循環(huán)峰值功率輸出時(shí)，能饋系統(tǒng)注入到AC 35 kV電網(wǎng)的網(wǎng)側(cè)電流的各次諧波含量均符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，總諧波含量也符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

表1 1.8 MW能饋系統(tǒng)AC 35 kV網(wǎng)側(cè)電流諧波含量分析表 A

2.2.6 結(jié)果分析

從仿真結(jié)果可以看出，在共用整流變壓器的能饋系統(tǒng)中，能量回饋裝置工作在間歇循環(huán)峰值回饋功率1.8 MW情況下，能饋啟動(dòng)電壓為1 720 V，回饋電流為1 060 A，能饋過程中直流母線電壓穩(wěn)定在1 720 V；當(dāng)列車制動(dòng)過程結(jié)束，二極管整流機(jī)組開始工作，直流母線電壓能穩(wěn)定在1 500 V，電流為-1 200 A左右，輸出2 MW有功功率。在能量回饋過程中，AC 35 kV網(wǎng)側(cè)電壓、電流均能保持穩(wěn)定，功率因數(shù)為單位功率因數(shù)，AC 35 kV網(wǎng)側(cè)電流、電壓諧波率較小，系統(tǒng)的回饋效率達(dá)到96%～97%。

3 結(jié)語

本文所述方案使能饋型再生制動(dòng)裝置通過整流變壓器二次側(cè)接入供電系統(tǒng)，再生制動(dòng)能量通過整流變壓器回饋至AC 35 kV中壓網(wǎng)絡(luò)。該方案能夠節(jié)省土建面積和中壓GIS開關(guān)柜；保護(hù)方案較獨(dú)立，容易設(shè)置。同時(shí)由仿真結(jié)果表明，共用整流變壓器的中壓型能饋系統(tǒng)，在1.8 MW間歇循環(huán)峰值回饋功率情況下工作，能可靠穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)能量回饋功能，能饋過程中能很好地維持直流母線電壓穩(wěn)定，整流直流環(huán)流較小，回饋電流質(zhì)量好，功率因數(shù)高，能量回饋效率高，并且不影響二極管整流機(jī)組的正常工作。因此本文設(shè)計(jì)方案滿足地鐵車輛再生制動(dòng)能量吸收利用及穩(wěn)定牽引網(wǎng)壓的要求，可以解決實(shí)際工程問題。

[1] 陳勇，羅銳鑫. 城市軌道交通再生制動(dòng)能量吸收方式的研究[J].城市軌道交通研究，2012，（8）：157-159.

[2] 葉飛. 城市軌道交通地面制動(dòng)電阻設(shè)置方案[J]. 城市軌道交通研究，2011，（10）；75-77.

[3] 張秋瑞，葛寶明，畢大強(qiáng). 超級(jí)電容在地鐵制動(dòng)能量回收中的應(yīng)用研究[J]. 電氣化鐵道，2012，（2）：40-43.

[4] 徐長(zhǎng)勤，宋德銀，董傳海. 城市軌道交通再生制動(dòng)能量?jī)?chǔ)存利用[J]. 現(xiàn)代城市軌道交通，2005，（6）：18-20.

[5] 林云志，周志宇. 基于DSP的再生制動(dòng)能量吸收裝置控制器的設(shè)計(jì)[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用，2014，40（3）：9-11.

[6] 馬瑜冰，張澤萌，吳越，等. 逆變+電阻混合型再生制動(dòng)逆變裝置在城市軌道交通中的應(yīng)用[J].變頻器世界，2014，（11）：48-51.

[7] 史麗萍，湯家升，羅明，等. 制動(dòng)能量吸收裝置的選取及其控制分析[J]. 城市軌道交通研究，2013，（8）：92-96.

[8] 楊儉，李發(fā)揚(yáng)，宋瑞剛，等. 城市軌道交通車輛制動(dòng)能量回收技術(shù)現(xiàn)狀及研究進(jìn)展[J]. 鐵道學(xué)報(bào)，2011，（2）：26-33.

[9] 黃小紅. 城市軌道交通車輛再生制動(dòng)能量回饋系統(tǒng)PWM整流器容量計(jì)算方法[J].城市軌道交通研究，2014，（1）：83-85，110.

[10] 陳勇，劉承志，鄭寧，等. 基于逆變回饋的地鐵再生制動(dòng)能量吸收的研究[J]. 電氣化鐵道，2011，（3）：36-39.

[11] 欒桂海，夏猛，蔣海. 城市軌道交通再生制動(dòng)逆變回饋裝置研究[J]. 變頻器世界，2011，（9）：79-82.

[12] 張鐵軍，陳剛，陳雪，等.一種能饋型牽引供電裝置及其控制方法[P]. 湖南：CN102267405A，2011-12-07.

The effective absorption & utilization of regenerative energy of vehicles for urban rail transit is an important subject for development of traction power supply technologies. The paper puts forward a new mode of medium voltage energy feedback system connected with double coil, the inverse feedback device is connected to the power supply system from the double coil at 1 180 V side of rectifying transformer, the braking energy is fed back to 35kV medium voltage network via rectifying transformer to realize energy saving. The paper introduces in details the contents of mathematical models, control strategies and control logics of the system by starting from the scheme design for energy feedback type regenerative braking device. In order to verify the reliability and effectiveness of the scheme, Matlab/Simulink is adopted to set the simulation model to analyze with emphasis in several aspects of voltage waveform of DC bus bar, current waveform of rectifying branch circuit and feedback efficiency of the feedback system as well as the AC side AC 35kV phase voltage, phase current, power factor and harmonics when the scheme of shared rectifying transformer is adopted with the intermittent cyclic peak value of 1.8 MW. The simulation results indicate that the scheme is able to realize the energy feedback function reliably and stably, performance parameters are satisfactory during energy feedback without influences to normal operation of the rectifier sets.

Urban rail transit; double coil connected; medium voltage energy feedback regenerative braking; inversion; feedback; double closed loop control; simulation and modeling

U231.8

A

1007-936X(2017)03-0001-09

2016-09-28

林云志.中鐵電氣化局集團(tuán)有限公司，教授級(jí)高級(jí)工程師，電話：010-51872227；羅 金.中鐵電氣化局集團(tuán)有限公司，工程師。