彭賽莊，朱曉青，秦斌，黃世敢

(湖南工業(yè)大學(xué)，電氣與信息工程學(xué)院，湖南株洲 412007)

基于SVPWM控制的地鐵再生制動(dòng)能量吸收系統(tǒng)的仿真研究

彭賽莊，朱曉青，秦斌，黃世敢

(湖南工業(yè)大學(xué)，電氣與信息工程學(xué)院，湖南株洲 412007)

本文首先對城市軌道交通地鐵再生制動(dòng)能量逆變回饋吸收系統(tǒng)的構(gòu)成及工作原理進(jìn)行了分析，然后在MATLAB中搭建了基于SVPWM控制的逆變回饋型再生制動(dòng)能量吸收系統(tǒng)的仿真模型(包括主電路和控制電路模型)。仿真結(jié)果表明：該模型能滿足地鐵列車再生制動(dòng)能量的吸收利用以及達(dá)到穩(wěn)定牽引網(wǎng)電壓的要求，可為實(shí)際工程問題提供參考。

SVPWM；逆變回饋；再生制動(dòng)能量

0 引言

目前在我國城市軌道交通總運(yùn)營費(fèi)用的13%～17%用于電力消耗[1]，城市軌道交通中的用電可分為牽引用電與輔助設(shè)備用電。據(jù)上海地鐵運(yùn)營線路的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，機(jī)車運(yùn)行時(shí)的牽引用電占到了總用電量的50%～60%，是主要的用電部分，而空調(diào)、通風(fēng)、照明等輔助設(shè)備約占總用電量的40%～50%[2]。地鐵車輛在運(yùn)行過程中，由于站間距離較短，列車的起制動(dòng)頻繁，因此制動(dòng)能量相當(dāng)可觀。

目前，地鐵再生制動(dòng)能量回饋吸收的代表技術(shù)主要分為逆變至城市中壓網(wǎng)和低壓負(fù)荷兩類。本文將逆變得到的三相交流電并入地鐵動(dòng)力照明系統(tǒng)中去(低壓負(fù)荷類)，逆變器的控制回路采用基于SVPWM的雙環(huán)PI控制策略，具有響應(yīng)速度快、波形畸變率低、調(diào)制深度較高、開關(guān)損耗低等優(yōu)點(diǎn)。

1 逆變回饋系統(tǒng)的構(gòu)成及其工作原理

當(dāng)?shù)罔F車輛再生制動(dòng)時(shí)，直流牽引網(wǎng)電壓會(huì)升高，這時(shí)通過并聯(lián)在直流側(cè)的三相電壓型逆變器，將地鐵再生制動(dòng)產(chǎn)生的能量逆變回饋到交流電網(wǎng)中去，能夠?qū)崿F(xiàn)制動(dòng)能量的吸收利用。為減少整流裝置產(chǎn)生的高次諧波對電網(wǎng)及其設(shè)備的不利影響，目前城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)中廣泛采用24脈波整流機(jī)組為機(jī)車供電。

逆變回饋型再生制動(dòng)是將逆變裝置與牽引網(wǎng)直流母線相連接，直流電通過三相電壓型逆變器后將變換成三相交流電。由于逆變器由多個(gè)開關(guān)器件構(gòu)成，因此在逆變過程中會(huì)產(chǎn)生諧波電流，這里采用無阻尼LCL型濾波器對其濾波。然后將濾波后的三相交流電并入地鐵動(dòng)力照明系統(tǒng)，其間需加設(shè)一臺變壓器，該變壓器主要是將得到的電壓降至所需的380V，其次將兩側(cè)進(jìn)行電氣隔離，起隔離變壓器的作用。圖1為逆變回饋型再生制動(dòng)能量吸收系統(tǒng)的主電路原理圖。

圖1 逆變回饋型再生制動(dòng)能量吸收系統(tǒng)的主電路原理圖Fig. 1 The main circuit schematics of regenerative braking energy feedback device inverter

逆變回饋型再生制動(dòng)能量吸收系統(tǒng)的工作原理為：當(dāng)?shù)罔F機(jī)車再生制動(dòng)時(shí)，再生制動(dòng)能量會(huì)使直流牽引網(wǎng)電壓升高，當(dāng)電壓超過某一設(shè)定值時(shí)并網(wǎng)逆變器工作并從直流牽引網(wǎng)吸收電流，這樣地鐵再生制動(dòng)產(chǎn)生的能量最終回饋到380V交流電網(wǎng)；同時(shí)直流牽引網(wǎng)的電壓會(huì)下降并穩(wěn)定在設(shè)定值，這將確保機(jī)車直流牽引供電系統(tǒng)的安全與穩(wěn)定，防止機(jī)車再生制動(dòng)失效。

2 并網(wǎng)逆變器控制原理分析

2.1 基于SVPWM的雙環(huán)控制結(jié)構(gòu)

在三相對稱靜止坐標(biāo)系的數(shù)學(xué)模型中，由于并網(wǎng)逆變器交流側(cè)的物理量均隨時(shí)間的變化而變化,因此控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)比較復(fù)雜。為了簡化控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，我們可以通過坐標(biāo)變換將其轉(zhuǎn)換到與電網(wǎng)基波頻率同步的旋轉(zhuǎn)d，q坐標(biāo)系中，即通過坐標(biāo)變化將三相靜止坐標(biāo)系中的交流變量轉(zhuǎn)化為同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的直流變量。在與電網(wǎng)電壓矢量同步的旋轉(zhuǎn)d，q坐標(biāo)系中，對逆變器的輸出電流利用同步矢量電流PI控制器調(diào)節(jié)后再施行閉環(huán)控制，以實(shí)現(xiàn)有功與無功的解耦，使并網(wǎng)逆變器的輸出功率因數(shù)為1。

圖2 逆變并網(wǎng)控制系統(tǒng)回路Fig. 2 The Inverter Grid control system loop

圖2為逆變并網(wǎng)控制系統(tǒng)的回路圖?？刂苹芈凡捎貌捎没赟VPWM控制的雙環(huán)結(jié)構(gòu)，外環(huán)控制直流牽引網(wǎng)的電壓，而內(nèi)環(huán)控制逆變器的輸出電流。這里把參考電壓值Vdef設(shè)為1620V，實(shí)時(shí)采集牽引網(wǎng)電壓udc信號，然后將參考電壓Vd與牽引網(wǎng)電壓udc送入比較器，實(shí)時(shí)比較牽引網(wǎng)電壓幅值是否超過設(shè)定值，用來判斷逆變器是否觸發(fā)啟動(dòng)，比較得到的誤差通過PI調(diào)節(jié)器調(diào)解得到電流參考值iref。電壓外環(huán)有兩個(gè)作用：一是為電流內(nèi)環(huán)提供一個(gè)參考電流值，二是穩(wěn)定直流牽引網(wǎng)的電壓。三相交流電的實(shí)際電流值iabc經(jīng)dq解耦后得到電流有功分量id，與iref比較后通過PI調(diào)節(jié)再經(jīng)過電網(wǎng)電壓前饋補(bǔ)償?shù)玫絍d。而在并網(wǎng)過程中希望盡可能多的產(chǎn)生有功，因此將電流的無功分量iq與0比較后通過PI調(diào)節(jié)再經(jīng)過電網(wǎng)電壓前饋補(bǔ)償?shù)玫絍q、Vd、Vq通過Park逆變換得到Vα、Vβ，然后將Vα、Vβ信號送入SVPWM調(diào)制，得到6路脈沖信號用來觸發(fā)逆變器的開關(guān)元件。

2.2 SVPWM原理

三相全橋電壓型逆變器(其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖3所示)由6個(gè)功率開關(guān)管構(gòu)成，同一橋臂的上、下兩個(gè)開關(guān)管(如S1、S2)互鎖，而且任意時(shí)刻只有3個(gè)開關(guān)器件導(dǎo)通，因此逆變器只有8種開關(guān)狀態(tài)。假如每相上橋臂的開關(guān)器件用“0”表示關(guān)斷狀態(tài)，用“1”表示導(dǎo)通狀態(tài)，那么這8種開關(guān)狀態(tài)可用100、110、010、011、001、101以及000和111來表示。每種開關(guān)狀態(tài)對應(yīng)一個(gè)電壓空間矢量，對應(yīng)的這8個(gè)電壓空間矢量如圖4所示。

圖3 三相電壓型全橋逆變器主電路圖Fig. 3 The circuit diagram of three-phase voltage fullbridge inverter

圖4 電壓空間矢量圖Fig. 4 The voltage space vector

圖4中的電壓空間矢量由兩個(gè)位于復(fù)平面中心且幅值為零的零矢量U0、U7以及6個(gè)相位互差60°、幅值相等的基本矢量U0～U6構(gòu)成，它們把復(fù)平面化分為6個(gè)扇區(qū)I～VI，形成一個(gè)正六邊形。

這里采用基于線性組合的SVPWM控制策略，其原理是在每一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)，通過對兩個(gè)相鄰基本電壓矢量與零矢量之間的切換進(jìn)行合理地控制使其逼近旋轉(zhuǎn)參考矢量Uref，讓合成的電壓矢量運(yùn)動(dòng)軌跡盡量地接近圓形。以扇區(qū)I為例,在一個(gè)周期內(nèi)Uref可由基本電壓矢+量U4、U6及零矢量U0、U7合成，通過控制逆變器輸出電壓矢量U4、U6及U1、U7的切換時(shí)刻，就可以逼近參考電壓Uref。則有：

UrefT0=U0T0+U4T4+U6T6+U7T7

式中：T0、T4、T6、T7分別為電壓矢量U0、U4、U6、U7的作用時(shí)間，Ts為采樣周期。

3 仿真模型的建立及分析

3.1 仿真模型的建立

利用MATLAB中的Simulink庫和SimPowerSystems 庫搭建逆變回饋型再生制動(dòng)能量吸收系統(tǒng)的主電路仿真模型，如圖3所示。主電路主要由三相全橋電壓型逆變器、無阻尼LCL型濾波器以及隔離變壓器組成。逆變器由6個(gè)IGBT器件構(gòu)成，能將牽引網(wǎng)中直流電變換成交流；由于逆變器輸出的交流電中含有大量的諧波，所以設(shè)置了無阻尼的LCL型濾波電路對其進(jìn)行濾波，其后加設(shè)一臺變壓器，其目的是可將得到的電壓降至所需380V，其次充當(dāng)隔離變壓器的作用。

根據(jù)圖2逆變并網(wǎng)控制回路原理圖，搭建如圖6所示的基于電流內(nèi)環(huán)電壓外環(huán)的逆變并網(wǎng)的控制模型，為主電路中三相逆變器提供脈沖觸發(fā)信號。

控制回路部分參數(shù)設(shè)置如下：設(shè)直流牽引網(wǎng)電壓參考值U*dc=1620V；K1取值為LCL無源阻尼的虛擬電阻值10.67，K2=K3=ωL=2πfL=2.04；Ud取直流電壓的倍約為1324V；PLL為鎖相環(huán)模塊；SVPWM為空間矢量控制模塊，主要由扇區(qū)判斷模塊，矢量作用時(shí)間計(jì)算模塊、PWM波產(chǎn)生模塊組成。

3.2 仿真結(jié)果分析

機(jī)車制動(dòng)時(shí)反饋的能量會(huì)導(dǎo)致直流牽引網(wǎng)中的電壓升高，仿真中做如下假設(shè)：

1)機(jī)車以恒定的減速度制動(dòng)。

2)只有一輛地鐵機(jī)車制動(dòng)時(shí)，按要求僅一套逆變回饋機(jī)組工作。

圖6 逆變并網(wǎng)SVPWM控制模型Fig. 6 SVPWM inverter grid control model

3)據(jù)某客運(yùn)站單列車以初速度80km/h模擬制動(dòng)時(shí)數(shù)據(jù)顯示，直流牽引網(wǎng)電壓超過1700V,這里假設(shè)為1750V。

逆變器輸出的三相電壓如圖8所示，圖9為無阻尼LCL型濾波器輸出側(cè)的三相電壓波形，由于LCL濾波器的加入，濾除了高次諧波，可以看出其輸出電壓波形已接近于正弦波。

降壓變壓器并網(wǎng)側(cè)的輸出電壓波形如圖10所示，說明其電壓已成功逆變并網(wǎng)至動(dòng)力照系統(tǒng)380V電網(wǎng)中；圖11為列車制動(dòng)能饋型逆變器工作時(shí)牽引網(wǎng)電壓變換波形，當(dāng)t=0(s)時(shí)地鐵機(jī)車制動(dòng)，牽引網(wǎng)電壓超過1620V達(dá)到1750V,逆變器進(jìn)入逆變狀態(tài)，由圖11的仿真波形可以看出牽引網(wǎng)電壓穩(wěn)定較快，電壓值達(dá)到1750V后升迅速下降并穩(wěn)定在目標(biāo)值1620V左右,基本達(dá)到了預(yù)期效果。

圖7 SVPWM仿真模塊Fig.7 SVPWM simulation module

圖8 逆變器輸出三相電壓波形Fig. 8 The output voltage waveform of three-phase inverter

4 結(jié)論

這里針對城市軌道交通地鐵機(jī)車再生制動(dòng)的特點(diǎn)，搭建了基于SVPWM控制的逆變回饋型再生制動(dòng)能量吸收系統(tǒng)的仿真模型。仿真結(jié)果驗(yàn)證了該控制方法的有效性和可行性，該方案能夠有效地抑制直流牽引網(wǎng)電壓的波動(dòng)，快速穩(wěn)定直流母線電壓，同時(shí)回饋能量給交流電網(wǎng)，提高了系統(tǒng)的效率。

圖9 LCL濾波器輸出三相電壓波形Fig. 9 The output phase voltage waveform of LCL filter

圖10 并網(wǎng)側(cè)(低壓)三相電壓波形Fig. 10 The voltage waveform of the network side (low pressure) phase

圖11 列車制動(dòng)能饋型逆變器工作時(shí)牽引網(wǎng)電壓變換波形Fig. 11 The network voltage conversion waveform when the train braking energy inverter is work

[1] 胡俊. 城市軌道交通運(yùn)營成本研究[D]. 北京: 北京交通大學(xué), 2007.

J Hu. The research of urban rail transit operating costs[D]. Beijing: Beijing Jiaotong University, 2007.

[2] 楊儉, 黃厚明, 方宇, 等. 上海軌道交通二號線列車運(yùn)行能耗分析[J]. 內(nèi)燃機(jī)車, 2009, 1(4): 23-25.

J Yang, H M Huang, Y Fang, et al. The analysis of Shanghai metro line-2 train operation energy consumption[J]. Internal combustion engine, 2009, 1(4): 23-25.

[3] 葉蘭蘭. 城市軌道交通再生制動(dòng)能量回收系統(tǒng)研究[D]. 西南交通大學(xué), 2013.

L L Ye. The research of city rail transit regenerative braking energy recovery system[D]. Southwest Jiao Tong University, 2013.

[4] 欒桂海. 城市軌道交通再生制動(dòng)逆變回饋系統(tǒng)研究[D]. 西南交通大學(xué), 2011.

G H Luan. The research of city rail transit regenerative braking feedback system[D]. Southwest Jiao Tong University, 2011.

[5] 張秋瑞, 畢大強(qiáng), 葛寶明. 地鐵再生制動(dòng)能量逆變回饋電網(wǎng)裝置的研究[J]. 電力電子技術(shù), 2012, 09: 61-63.

Q R Zhang, D Q Bi, B M Ge. Study on Metro regenerative braking energy feedback inverter power device[J]. Power electronic technology, 2012, 09: 61-63.

[6] 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, 03: 36-39.

Y Chen, C Z Liu, N Zhen, et al.. Study on the regenerative braking energy feedback inverter based on absorption of subway[J]. Electrified railway, 2011, 03: 36-39.

[7] 唐萍. 城軌交通再生制動(dòng)仿真計(jì)算與逆變回饋式節(jié)能方案研究[D]. 華中科技大學(xué), 2013.

P Tang. Study on feedback scheme of urban rail transit energy regeneration braking simulation calculation and inverter[D]. Huazhong University of Science and Technology, 2013.

[8] 趙峰, 理文祥, 葛蓮. 基于SVPWM控制的逆變器仿真研究[J]. 電源技術(shù), 2012, 09: 1386-1389.

F Zhao, W X Li, L Ge. Study on Simulation of inverter based on SVPWM control[J]. Power supply technology, 2012, 09.

The Simulation Research of the Subway Regenerative Braking Energy Absorption System based on SVPWM Control

PENG Saizhuang, ZHU Xiaoqing, QIN Bin, HUANG Shigan
(School of Electrical and Information Engineering, Hunan University of Technology, Zhuzhou Hunan 412007, China)

Firstly this paper analyzes the structure and working principle of inverter feedback type composition of the urban rail transit subway regenerative braking energy absorption systems.And build a simulation models of the feedback inverter regenerative braking energy based on SVPWM control (including the main circuit and control circuit model) in MATLAB. The simulation results showed that: The device can meets the subway regenerative braking energy absorption and utilization, it also can achieve the requirements of stabling traction network voltage and solve practical engineering problems.

SVPWM; inverter feedback; regenerative braking energy

10.3969/j.issn.2095-6649.2015.03.03

: PENG Saizhuang, ZHU Xiaoqing, QIN Bin, et al.. The Simulation Research of the Subway Regenerative Braking Energy Absorption System based on SVPWM Control [J]. The Journal of New Industrialization, 2015, 5(3): 20?27.

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61074067), 湖南省高?？萍紕?chuàng)新團(tuán)隊(duì)資助。

彭賽莊(1989-), 男, 湖南工業(yè)大學(xué)碩士研究生, 主要研究方向: 城市軌道交通再生制動(dòng)能量回收系統(tǒng)的研究; 朱曉青(1958-), 男, 教授, 研究生導(dǎo)師, 主要研究領(lǐng)域?yàn)樽詣?dòng)控制與檢測教學(xué)與研究; 秦斌(1963-), 男, 教授, 研究生導(dǎo)師,主要研究領(lǐng)域?yàn)閺?fù)雜系統(tǒng)建模與優(yōu)化控制。

彭賽莊，朱曉青，秦斌，等．基于SVPWM控制的地鐵再生制動(dòng)能量吸收系統(tǒng)的仿真研究[J]．新型工業(yè)化，2015，5(3)：20-27