地鐵制動(dòng)能量回饋兆瓦級(jí)雙饋逆變器控制策略

蘇先進(jìn)

（1. 廈門科華恒盛股份有限公司，福建 廈門 361000；2. 福州大學(xué)-科華恒盛電力電子研究中心，福州 350116）

我國(guó)軌道交通隨城市化進(jìn)程的快速推進(jìn)，“十三五規(guī)劃”期間新增城市軌道交通運(yùn)營(yíng)里程約3000km、總投資超5000億[1]。如何有效利用能耗對(duì)軌道交通的節(jié)能減排具有重要的經(jīng)濟(jì)及社會(huì)效益[2-3]。

軌道機(jī)車制動(dòng)能量吸收設(shè)計(jì)方案主要包括電阻耗能型[4]、電容儲(chǔ)能型[5-6]、飛輪儲(chǔ)能型[7]和逆變回饋型[8-9]4種方式。針對(duì)地面電阻耗能型存在散熱及征用地的問題，文獻(xiàn)[4]采用車載電阻耗能吸收方案實(shí)現(xiàn)深圳地鐵2號(hào)線列車制動(dòng)；采用電阻耗能方式使隧道溫度上升、制動(dòng)能量無(wú)法回收。文獻(xiàn)[5-6]給出了超級(jí)電容作為制動(dòng)能量存儲(chǔ)媒介，通過(guò)雙向變流設(shè)備將制動(dòng)能量回收，機(jī)車起動(dòng)時(shí)將制動(dòng)能量釋放；飛輪作為儲(chǔ)能媒介時(shí)與電容儲(chǔ)能為同一機(jī)理。超級(jí)電容成本高、飛輪體積大，無(wú)法良好適應(yīng)軌道交通的發(fā)展。為此，具備節(jié)能環(huán)保及成本優(yōu)勢(shì)的逆變回饋技術(shù)成為地鐵制動(dòng)能量吸收的發(fā)展趨勢(shì)[8-9]。現(xiàn)有文獻(xiàn)主要依據(jù)模型仿真及實(shí)驗(yàn)進(jìn)行地鐵制動(dòng)能量回饋模擬，如文獻(xiàn)[10]給出了DSP上弱電回路地鐵制動(dòng)能量回饋控制的基本邏輯；文獻(xiàn)[11]依據(jù)仿真平臺(tái)對(duì)三相逆變地鐵制動(dòng)能量回饋裝置進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，并給出24V直流系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。小功率?shí)驗(yàn)及仿真模擬在實(shí)際大功率地鐵制動(dòng)運(yùn)用中具有參考價(jià)值，但存在控制時(shí)序不精確等局限性。

本文給出了基于三電平逆變拓?fù)漭敵龉β蔬_(dá)2MW的地鐵制動(dòng)能量回饋控制邏輯及控制策略，并給出了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

1 雙饋逆變器控制系統(tǒng)

1.1 地鐵列車供電分析

軌道交通列車采用直流牽引供電，安全性與可靠性是城市軌道交通的根本，因此整流機(jī)組采用技術(shù)可靠的24脈波二極管整流方案實(shí)現(xiàn)。二極管的單向?qū)щ娞匦?，使得列車在電制?dòng)時(shí)反饋到直流牽引網(wǎng)的能量無(wú)法回饋到電網(wǎng)，引起電壓攀升，因此需要配置回饋裝置抑制電壓攀升，使列車安全運(yùn)行。

如圖1所示，列車在1500～1800V的網(wǎng)壓條件下運(yùn)行時(shí)，其牽引系統(tǒng)的電制動(dòng)能力可以正常發(fā)揮。當(dāng)網(wǎng)壓超過(guò)Limit1（1800V）時(shí)，其電制動(dòng)能力將隨網(wǎng)壓的升高而線性地下降，直至電壓升高到 Limit2（1950V），電制動(dòng)能力降為0為止；當(dāng)接觸網(wǎng)網(wǎng)壓繼續(xù)升高到Limit3（2050V）時(shí)，牽引系統(tǒng)控制單元將封鎖 IGBT驅(qū)動(dòng)，進(jìn)行第一級(jí)軟保護(hù)；當(dāng)網(wǎng)壓繼續(xù)越升至Limit4（2100V）時(shí)，牽引系統(tǒng)將切斷其供電主回路的高速斷路器，進(jìn)行第二級(jí)硬保護(hù)。

圖1 列車制動(dòng)功率與直流網(wǎng)壓的關(guān)系

由此可知，需將直流網(wǎng)壓抑制在1800V以內(nèi)。根據(jù)寧波地鐵實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，列車在無(wú)任何吸收的情況下，直流牽引網(wǎng)壓將在300ms內(nèi)攀升至2100V。

整流機(jī)組帶有下垂特性，根據(jù)廣州地鐵九號(hào)線數(shù)據(jù)，負(fù)載為 0.5%Ie，電壓不超過(guò) 1650V；100%Ie電壓不超過(guò)1500V；300%Ie電壓不低于1320V。

綜上分析，考慮到列車吸收、接觸網(wǎng)阻抗以及避免與整流機(jī)組構(gòu)成環(huán)流，一般回饋起動(dòng)電壓點(diǎn)設(shè)置為 1700左右。考慮到裝置不會(huì)頻繁起動(dòng)整流功能，將整流起動(dòng)電壓點(diǎn)設(shè)定為 1500V，在列車牽引時(shí)，將下垂的電壓拉回至1500V。

1.2 系統(tǒng)模型分析

圖2給出了本文設(shè)計(jì)的地鐵制動(dòng)能量回饋裝置的功率回路原理圖，系統(tǒng)由直流柜、變流器柜、變壓器柜三部分組成。直流牽引網(wǎng)通過(guò)直流1500V開關(guān)、隔離開關(guān)以及電抗器送到變流器柜輸入，經(jīng)過(guò)三相半橋逆變單元將制動(dòng)能量的直流電轉(zhuǎn)換成交流電，再通過(guò)升壓變壓器升至33kV并入中壓電網(wǎng)。

圖2 系統(tǒng)功率回路原理圖

系統(tǒng)控制拓?fù)淙鐖D3所示（接觸器、斷路器不參與閉環(huán)控制，這里省略），前級(jí)掛接牽引網(wǎng)，額定電壓為 1500V，在地鐵運(yùn)行期間直流母線電壓隨地鐵起動(dòng)和制動(dòng)而波動(dòng)。系統(tǒng)控制主要包括并網(wǎng)電流控制（含孤島擾動(dòng)、直流分量控制）、電壓控制、限功率控制、鎖相控制、中點(diǎn)電位平衡控制以及SVPWM調(diào)制。

圖 3中網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)符說(shuō)明如下：Uref電壓環(huán)給定值，Udc為母線電壓反饋值，ΔV為正負(fù)母線電壓差；Sign(v*i)為三相調(diào)制波分別和該相電流乘積正負(fù)符號(hào)；Va、Vb、Vc為三相調(diào)制波；Sa1—Sc4為驅(qū)動(dòng)信號(hào)；Pset和 Qset為有功功率和無(wú)功功率設(shè)置值；ADE指電能芯片負(fù)載輸出有功和無(wú)功采樣并傳送給控制芯片，用于限功率控制；id_island/iq_island為孤島擾動(dòng)給定；id_dc/iq_dc為直流分量控制給定；idr和 iqr為限功率控制后的電流環(huán)dq給定；idf和iqf為電感電流反饋dq值；wL為電流d值和q值之間的解耦系數(shù)（w為角速度）；ud和uq為電壓前饋dq值；uqr為鎖相環(huán)給定值。

1.3 雙向饋能控制邏輯

定義：Urec_start為大整流起動(dòng)電壓（可設(shè)置1300～1500V）；Urec_stop為大整流停止電壓（可設(shè)置1500～1550V）；Uinv_stop代表大逆變停止電壓（也叫饋能停止電壓，可設(shè)置 1550～1650V）；Uinv_start表示大逆變起動(dòng)電壓（也叫饋能起動(dòng)電壓，可設(shè)置1650～1950V）；Uref為電壓環(huán)給定值（可設(shè)置 1500～1600V）。正常運(yùn)行過(guò)程中如：Urec_start=1450V；Urec_stop=1500V；Uref=1500V；Uinv_stop=1550V；Uinv_start=1650V，牽引網(wǎng)過(guò)壓保護(hù)點(diǎn) 2100V，欠電壓保護(hù)點(diǎn)1320V，能量流向與牽引網(wǎng)電壓關(guān)系曲線如圖 4所示。饋能起動(dòng)后，電流達(dá)到額定電流時(shí)間設(shè)置300～500ms，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)工況設(shè)置，各起動(dòng)、停止點(diǎn)電壓的檢測(cè)濾波時(shí)間均為10ms。

圖3 系統(tǒng)拓?fù)浼翱刂平Y(jié)構(gòu)

圖4 能量流向與牽引網(wǎng)電壓關(guān)系曲線圖

1.4 逆變饋能控制策略

1）改進(jìn)數(shù)字鎖相環(huán)

基于d-q變換的改進(jìn)數(shù)字鎖相環(huán)如圖5所示，DSP先對(duì)三相電壓采樣值 ua(k)、ub(k)和 uc(k)進(jìn)行3s/2s變換處理得到 uα和 uβ，按等功率 Clarke變換可得三相電壓在兩相靜止坐標(biāo)系下正序分量[12]：

圖5 改進(jìn)數(shù)字鎖相環(huán)

按照采樣頻率1.5kHz，雙線性z變換方法，對(duì)以上傳遞函數(shù)離散化處理可得

由式（1）關(guān)系得到式（3）數(shù)字濾波器，對(duì)uα和 uβ分別移相、濾波和換算得到 uα+和 uβ+；對(duì) uα+和uβ+進(jìn)行2s/2r變換處理得到uqr(k)和udr(k)。uqr(k)作為鎖相環(huán)給定值其反饋值始終被設(shè)置為 0，通過(guò)PI控制器得到頻率值加上內(nèi)部基準(zhǔn)頻率（50Hz）即可做為實(shí)時(shí)跟蹤頻率；已知開關(guān)頻率 fs積分求得實(shí)時(shí)的相位角θ，而sinθ 和cosθ 既是內(nèi)部閉環(huán)信號(hào)，又作為三相電壓d-q反變換的基準(zhǔn)信號(hào)。

2）中點(diǎn)電位平衡控制

空間電壓矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）算法在三電平逆變器中包含 27種開關(guān)狀態(tài)、19個(gè)電壓矢量，按照傳統(tǒng)方式實(shí)現(xiàn)三電平SVPWM調(diào)制需要使用大量條件判斷，占用較多 CPU資源且邏輯復(fù)雜。SVPWM 本質(zhì)上可以被看作是正弦波疊加零序分量，并采用中心對(duì)稱規(guī)則采樣的載波調(diào)制。且疊加零序分量的載波調(diào)制（CBPWM）并不需要如同SVPWM 方法進(jìn)行大量數(shù)學(xué)運(yùn)算，因此采用疊加零序分量的載波調(diào)制。SVPWM等效的CB-PWM疊加的零序分量Vzero為

式中，Va、Vb、Vc為三相正弦調(diào)制波，max( )為取最大值函數(shù)，min( )為取最小值函數(shù)。

SVPWM 調(diào)制三電平對(duì)母線電容充放電時(shí)，使中點(diǎn)電位偏移。采用SVPWM方法，通過(guò)分配流入中點(diǎn)電流相反的冗余小矢量的作用時(shí)間來(lái)控制中點(diǎn)電位平衡。CB-PWM同樣可疊加零序分量來(lái)控制中點(diǎn)電位，根據(jù)載波及電流方向，判斷出所需注入零序分量方向，控制框圖如圖6所示。

圖6中點(diǎn)電位控制

1.5 電壓、電流環(huán)及限功率控制算法

圖7 給出了系統(tǒng)電壓控制示意圖。電壓環(huán)使用PI控制器，令母線電壓跟隨電壓給定值 Uref，電壓環(huán)輸出作為電流環(huán)的給定值。電壓閉環(huán)給定值分兩種：①緩起動(dòng)給定值和正常運(yùn)行給定值；②穩(wěn)壓饋能和牽引網(wǎng)模式。穩(wěn)壓饋能和牽引網(wǎng)模式適用于調(diào)試階段使用。

圖7 系統(tǒng)的電壓控制

1）緩起動(dòng)。母線電壓從0開始由輔助接觸器吸合緩沖，再由主接觸器吸合緩沖，最后起動(dòng)反向整流跟蹤牽引網(wǎng)電壓。

2）正常運(yùn)行。電壓環(huán)可設(shè)置1500～1600V，正常情況下牽引網(wǎng)電壓高于停止電壓且低于起動(dòng)電壓（1650～1950V可設(shè)）。本系統(tǒng)對(duì)電壓環(huán)的 PI輸出會(huì)進(jìn)行相應(yīng)限幅處理，以滿足現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用需求：當(dāng)牽引網(wǎng)電壓在起動(dòng)電壓和停止電壓之間時(shí)，通過(guò)限制電壓環(huán)輸出限幅值來(lái)禁止逆變饋能，允許反向整流。當(dāng)列車制動(dòng)引起電壓抬升到起動(dòng)電壓及以上時(shí)，通過(guò)放開電壓環(huán)限幅來(lái)起動(dòng)逆變饋能，并在電壓重新下降到停止電壓時(shí)禁止逆變饋能。

地鐵現(xiàn)場(chǎng)要求牽引網(wǎng)電壓大于起動(dòng)電壓后饋網(wǎng)功率從0到額定功率所需時(shí)間300～500ms，為保證饋網(wǎng)功率變化速率可控，對(duì)電壓環(huán)PI輸出進(jìn)行限幅。PI限幅按固定步長(zhǎng)遞增或遞減，步長(zhǎng)根據(jù)設(shè)置的滿載饋能響應(yīng)時(shí)間Tr、系統(tǒng)開關(guān)頻率fs以及額定電流Ir換算，電壓環(huán)PI輸出限幅變化步長(zhǎng)為

電壓環(huán)PI系數(shù)選擇必須滿足現(xiàn)場(chǎng)需求，積分環(huán)作用快慢與Ki系數(shù)、起動(dòng)電壓和停止電壓均有關(guān)系。以最小的起動(dòng)電壓 1650V、最高的電壓環(huán)給定1600V為計(jì)算依據(jù)，只要保證電壓環(huán)PI輸出變化速率大于300ms滿載饋能響應(yīng)時(shí)間對(duì)應(yīng)的限幅變化步長(zhǎng)Istep(300ms)=(1111.0/(1500×0.3))=2.47即可。

圖8給出了三相并網(wǎng)電流控制框圖，由電壓給定經(jīng)過(guò)電壓PI調(diào)節(jié)器的輸出加上有功設(shè)置值Pset限幅后作為電流d值給定，同理電流q值給定由系統(tǒng)設(shè)置的無(wú)功Qset值決定；idf和iqf為電感電流反饋dq值，通過(guò)wL解耦系數(shù)進(jìn)行解耦控制；電流環(huán)PI控制器輸出后疊加電網(wǎng)電壓前饋ud和uq，以提高系統(tǒng)對(duì)電網(wǎng)波動(dòng)的抗擾性。

圖8 并網(wǎng)電流控制框圖

功率控制環(huán)實(shí)現(xiàn)輸出期望的功率，便于測(cè)試不同功率段性能指標(biāo)。功率控制環(huán)是根據(jù)地鐵工況設(shè)置的功率對(duì)并網(wǎng)電流進(jìn)行閉環(huán)限幅，使輸出功率精度滿足要求1%。有功、無(wú)功電流限幅式如下：

式中，Pset、Qset為用戶設(shè)置的有功功率和無(wú)功功率，Ppi_out、Qpi_out為電能芯片ADE7878實(shí)時(shí)計(jì)算的功率閉環(huán)調(diào)節(jié)輸出，Ug為電網(wǎng)線電壓有效值，限功率控制環(huán)路框圖如圖9所示。

圖9 限功率控制環(huán)路框圖

由圖9可知，電流環(huán)限幅主要由Pset/Ug和Qset/Ug決定，限功率環(huán)PI控制器起到微調(diào)作用。在電感電流采樣準(zhǔn)確、濾波電容無(wú)功補(bǔ)償準(zhǔn)確的情況下，限功率控制環(huán)PI控制器輸出為0，電流限幅直接等于Pset/Ug和 Qset/Ug。實(shí)際如果電感電流采樣偏差、無(wú)功補(bǔ)償不到位，就需要PI控制器對(duì)電流限幅進(jìn)行微調(diào)。ADE7878作為電能計(jì)量芯片，具備較高的采樣精度，因此可用于校正功率。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為驗(yàn)證所提出的控制方法，研制了一臺(tái)峰值功率變換2MW、適用于2MW制動(dòng)能量地鐵機(jī)組的雙饋?zhàn)兞髟O(shè)備，逆變并網(wǎng)試驗(yàn)波形如圖10所示。

圖102 MW饋能并網(wǎng)實(shí)驗(yàn)波形

其中通道4為并網(wǎng)AB線電壓900V，通道1—3分別為A、B、C三相電流，此時(shí)逆變饋網(wǎng)總功率為2MW。

地鐵制動(dòng)饋能實(shí)際工況過(guò)程如圖11（a）所示，設(shè)置整流起動(dòng)電壓 Urec_start=1450V、整流停止電壓Urec_stop=1500V、電壓環(huán)電壓給定值Uref=1500V、饋能起動(dòng)電壓Uinv_start=1650V，饋能停止電壓Uinv_stop=1550V。中通道1為牽引網(wǎng)電壓，通道3為A相輸出電流，地鐵制動(dòng)饋網(wǎng)能量為2WM。

當(dāng)牽引網(wǎng)電壓逐漸抬升到1650V后輸出電流在300ms內(nèi)遞增到 1WM制動(dòng)滿載電流，變流器實(shí)現(xiàn)逆變饋能如圖11（b）所示。

當(dāng)牽引網(wǎng)電壓逐漸下降到1550V時(shí)，大逆變停止，輸出電流幅值逐漸減小，因大逆變停止的限幅漸變速度較慢，電流減小速度明顯小于遞增速度如圖圖 11（c）所示。當(dāng)牽引網(wǎng)電壓繼續(xù)跌落到大整流起動(dòng)點(diǎn)1450V時(shí)，大整流起動(dòng)。因電壓環(huán)退積分速度和輸出限幅，裝置需要一段時(shí)間才能轉(zhuǎn)入整流狀態(tài)。牽引網(wǎng)電壓逐漸恢復(fù)到大整流停止點(diǎn)以上，大整流停止，整流電流逐漸遞減至小整流電流值，維持牽引網(wǎng)電壓平衡。

為驗(yàn)證限功率控制功能，分別測(cè)試不同 Pset、Qset以及PF設(shè)置值對(duì)應(yīng)功率分析儀WT1800測(cè)量的實(shí)際值，并計(jì)算偏差量，分別見表1至表3。

圖11 地鐵制動(dòng)能量回饋動(dòng)態(tài)過(guò)程

表1 Pset設(shè)置值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

表2 Qset設(shè)置值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

表3 PF設(shè)置值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

綜合以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，通過(guò)限功率控制可將輸出有功功率、無(wú)功功率以及 PF控制在預(yù)期精度內(nèi)，以滿足設(shè)計(jì)需求。

3 結(jié)論

本文依據(jù)2MW地鐵制動(dòng)能量回饋的實(shí)際工況，給出了一種地鐵制動(dòng)能量回饋控策略及控制時(shí)序方案，并在一臺(tái)額定功率1MW（峰值功率2MW）的雙饋?zhàn)兞餮b置上得到驗(yàn)證，所提出的方法可有效回饋軌道交通的制動(dòng)能量。

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