地鐵列車模塊化再生制動(dòng)能量回饋?zhàn)兞髌鞯难兄?/h1>
2015-06-28 11:41:56?；i張海龍桑福環(huán)周姝昱
城市軌道交通研究 2015年6期
牛化鵬 張海龍 桑福環(huán) 周姝昱
(1.西安許繼電力電子技術(shù)有限公司，710075，西安;2.許繼集團(tuán)有限公司，461000，許昌∥第一作者，工程師)
地鐵再生制動(dòng)能量的吸收方式主要有電阻消耗、電容儲(chǔ)能、逆變回饋、飛輪儲(chǔ)能等4 種。其中，基于逆變方式的能量回饋?zhàn)兞髌鞯墓?jié)能效果好，且系統(tǒng)簡單、投資小，得到越來越多的關(guān)注和應(yīng)用。文獻(xiàn)［1］介紹了一種基于SVPWM(空間矢量脈寬調(diào)制)控制的制動(dòng)能量回饋裝置，但是僅僅進(jìn)行了模擬試驗(yàn)，其直流電壓只有23 V，不足以用來驗(yàn)證;文獻(xiàn)［2］設(shè)計(jì)了一個(gè)2 000 kW 的逆變回饋的仿真模型，對(duì)主回路的參數(shù)和控制方案進(jìn)行了研究，但未進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證;文獻(xiàn)［3］設(shè)計(jì)了一個(gè)1 000 kW 的PWM(脈寬調(diào)制)變流器以實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量回饋，采用2 組逆變單元并聯(lián)實(shí)現(xiàn)，但交流側(cè)需接入雙分裂變壓器而非直接并聯(lián)，其系統(tǒng)成本高且冗余度低、擴(kuò)展困難。針對(duì)地鐵制動(dòng)瞬時(shí)的功率大、對(duì)回饋設(shè)備可靠性要求高的情況，西安許繼電力電子技術(shù)有限公司設(shè)計(jì)了1 臺(tái)額定容量1.2 MW，具備短時(shí)1.25 倍過載能力，6 個(gè)子模塊交直流側(cè)直接并聯(lián)的再生制動(dòng)能量回饋?zhàn)兞髌?。該裝置可實(shí)現(xiàn)各模塊的智能投入/切除，其冗余度高、擴(kuò)展性好。
1 再生制動(dòng)能量回饋系統(tǒng)工作原理
回饋系統(tǒng)包括回饋?zhàn)兞髌鳌⒏綦x變壓器、開關(guān)柜等，其接入方案見圖1:直流側(cè)通過饋線柜與直流接觸網(wǎng)相接，交流側(cè)經(jīng)隔離變壓器和開關(guān)柜與35 kV環(huán)網(wǎng)相接，制動(dòng)能量直接回饋到35 kV 電網(wǎng)。
圖1 再生制動(dòng)能量回饋系統(tǒng)接入方案示意圖
再生制動(dòng)能量回饋系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)分為待機(jī)和回饋運(yùn)行兩種。該系統(tǒng)能實(shí)時(shí)檢測接觸網(wǎng)電壓來判斷機(jī)車運(yùn)行狀態(tài):當(dāng)接觸網(wǎng)電壓升高至超過閥值時(shí)可判斷機(jī)車處于制動(dòng)狀態(tài);當(dāng)接觸網(wǎng)電壓降低時(shí)可判斷機(jī)車處于牽引或惰行狀態(tài)。
1)待機(jī)狀態(tài):當(dāng)裝置檢測到回饋?zhàn)兞髌髦绷麟娏鞯姆较虬l(fā)生改變時(shí)，回饋裝置即刻退出運(yùn)行，進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。此時(shí)IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)驅(qū)動(dòng)脈沖封鎖，牽引所需能量完全由牽引整流器提供。
2)回饋運(yùn)行狀態(tài):進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)后，回饋裝置實(shí)時(shí)檢測直流母線電壓。當(dāng)檢測到母線電壓高于設(shè)定值后，會(huì)即刻開啟PWM 使IGBT 工作;通過快速調(diào)節(jié)電流，使直流母線側(cè)由地鐵剎車制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的能量快速回饋到電網(wǎng)中;同時(shí)穩(wěn)定直流母線電壓，確保地鐵直流供電系統(tǒng)的穩(wěn)定。
2 回饋?zhàn)兞髌髦骰芈穮?shù)設(shè)計(jì)
回饋?zhàn)兞髌髦麟娐穲D見圖2所示。
圖2 回饋?zhàn)兞髌髦麟娐穲D
2.1 主回路參數(shù)設(shè)置
系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置如下:額定功率為1.2 MW (過載為1.5 MW)，交流電壓為1 000 V，額定交流電流為693 A，直流電壓為1 600～1 800 V，最大直流電壓為2 000 V。
子模塊參數(shù)設(shè)置如下:額定功率為200 kW (過載為250 kW)，交流電壓為1 000 V，額定交流電流為116 A，直流電壓為1 600～1 800 V。
2.2 開關(guān)器件的選擇
1)變流器工作最高直流電壓設(shè)定為2 000 V，IGBT 可選擇 3 300 V 等級(jí)。
2)在額定交流電壓輸入下，變流器單個(gè)模塊的額定功率為200 kW。在最大過載要求下，IGBT 輸出電流為1.25 倍額定電流，考慮10%紋波電流，則流過管子的最大峰值電流為226 A。
根據(jù)上述工作電壓和電流，開關(guān)器件可選用Infineon 公司的 3 300 V、400 A 半橋模塊，型號(hào)為FF400R33KF2C。
2.3 濾波器參數(shù)計(jì)算
為了實(shí)現(xiàn)對(duì)并網(wǎng)電流開關(guān)諧波的更好濾波效果，這里采用LCL(電感-電容-電感)型濾波器。
1)變流器側(cè)濾波電感設(shè)計(jì):變流器側(cè)濾波電感的設(shè)計(jì)上限應(yīng)滿足變流器輸出最大有功功率時(shí)的電壓約束;濾波電感的設(shè)計(jì)下限為考慮最大允許紋波電流。由主回路參數(shù)值，可得濾波電感L1范圍為347 μH ＜L1＜1 025 μH?？紤]裕量，選定變流器側(cè) L1=400 μH，則變流器側(cè)單模塊電抗器為2 400 μH。
2)電網(wǎng)側(cè)濾波電感設(shè)計(jì):應(yīng)綜合考慮效率和并網(wǎng)電流諧波，現(xiàn)選取電網(wǎng)側(cè)濾波電感L2=150 μH。
3)濾波電容計(jì)算:由于濾波器電容的使用，會(huì)引起無功功率的增加，從而會(huì)降低功率因數(shù)。為了保證系統(tǒng)的高功率因數(shù)，一般限制為電容吸收的無功功率應(yīng)低于額定功率的10%。現(xiàn)選取濾波電容C=360 μF。
3 控制策略
針對(duì)交直流直接并聯(lián)的多模塊地鐵回饋?zhàn)兞髌髟O(shè)計(jì)，其控制策略難點(diǎn)在于均流控制和環(huán)流抑制控制。
3.1 均流控制
對(duì)于多模塊并聯(lián)回饋?zhàn)兞髌?，均流控制不好時(shí)將會(huì)出現(xiàn)回饋功率受限、局部溫度過高、使用壽命下降等不良結(jié)果。為此，采用如圖3所示控制框圖，回饋?zhàn)兞髌鞑捎秒妷?、電流環(huán)的雙環(huán)控制模式。電壓環(huán)用來穩(wěn)定列車制動(dòng)時(shí)接觸網(wǎng)電壓，電壓環(huán)的輸出作為電流環(huán)給定，以實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)并網(wǎng)電流大小。本文采用主從均流控制技術(shù)，以確保各模塊電流給定值相同，從而有效地保證了各并聯(lián)模塊的均流精度。
3.2 環(huán)流抑制控制
多模塊回饋?zhàn)兞髌髟诮恢绷鱾?cè)直接并聯(lián)時(shí)，通過對(duì)每個(gè)模塊的開關(guān)狀態(tài)分析可知，載波移相會(huì)導(dǎo)致模塊之間形成環(huán)流。如果在控制上不做特別的環(huán)流抑制處理，則會(huì)出現(xiàn)效率降低、發(fā)熱嚴(yán)重等問題。針對(duì)這些問題，采用了同步控制策略，使得各模塊載波實(shí)現(xiàn)同相位，進(jìn)而保證各并聯(lián)模塊開關(guān)動(dòng)作時(shí)序一致，從而有效抑制模塊間環(huán)流。圖4 為多模塊回饋?zhàn)兞髌髟谳d波相移為0°及180°時(shí)的環(huán)流仿真波形。由圖4 可見，模塊同步控制可有效抑制高頻環(huán)流。
4 試驗(yàn)
在完成1.2 MW 多模塊并聯(lián)地鐵再生制動(dòng)能量回饋?zhàn)兞髌鳂訖C(jī)研制后，進(jìn)行了再生制動(dòng)能量回饋系統(tǒng)的功能測試。圖5 為模擬列車制動(dòng)時(shí)回饋?zhàn)兞髌魍度爰巴顺鲞^程。由圖5 可見，該變流器能夠滿足地鐵列車再生制動(dòng)能量的吸收利用及穩(wěn)定牽引網(wǎng)電壓的實(shí)際要求。
圖6 為回饋?zhàn)兞髌鳚M功率回饋時(shí)其中3 個(gè)功率模塊的并網(wǎng)電流波形。由圖6 可見，各模塊均流精度高，動(dòng)作時(shí)序一致，環(huán)流抑制效果好。
圖3 回饋?zhàn)兞髌鞫嗄K并聯(lián)控制框圖
圖4 載波不同相移下各模塊間的環(huán)流仿真
5 結(jié)語
逆變回饋型再生制動(dòng)能量吸收裝置將會(huì)在城市軌道交通的節(jié)能領(lǐng)域中發(fā)揮重要作用。它能節(jié)約能耗，降低地鐵運(yùn)營成本，提高經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)能保證地鐵車輛及變電所設(shè)備的安全運(yùn)行，因此對(duì)其進(jìn)行相關(guān)研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。仿真及試驗(yàn)結(jié)果表明，文中所設(shè)計(jì)的基于多模塊并聯(lián)的地鐵列車再生制動(dòng)能量回饋?zhàn)兞髌骺梢詫?shí)現(xiàn)交直流側(cè)直接并聯(lián)，且均流精度高、高頻環(huán)流小、冗余度高，因而更為可靠，能夠滿足地鐵列車再生制動(dòng)能量的吸收利用及穩(wěn)定牽引網(wǎng)電壓的要求，并能降低回饋系統(tǒng)的造價(jià)，提高回饋系統(tǒng)的可靠性。
圖5 回饋?zhàn)兞髌骰仞伡巴顺鲈囼?yàn)波形實(shí)景圖
圖6 回饋?zhàn)兞髌鳚M功率試驗(yàn)波形實(shí)景圖
［1］張秋瑞，畢大強(qiáng)，葛寶明.地鐵再生制動(dòng)能量逆變回饋電氣裝置的研究［J］.電力電子技術(shù)，2012(9):60.
［2］曾之煜.地鐵逆變回饋型再生制動(dòng)能量吸收裝置仿真研究［D］.成都:西南交通大學(xué)，2012.
［3］蘇劼.城市軌道交通能饋式牽引供電系統(tǒng)的研究應(yīng)用［D］.北京:北京交通大學(xué)，2009.
［4］何治新.城市軌道交通車輛再生制動(dòng)能量的回收利用［J］.城市軌道交通研究，2013(8):49.
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牛化鵬 張海龍 桑福環(huán) 周姝昱
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地鐵再生制動(dòng)能量的吸收方式主要有電阻消耗、電容儲(chǔ)能、逆變回饋、飛輪儲(chǔ)能等4 種。其中，基于逆變方式的能量回饋?zhàn)兞髌鞯墓?jié)能效果好，且系統(tǒng)簡單、投資小，得到越來越多的關(guān)注和應(yīng)用。文獻(xiàn)［1］介紹了一種基于SVPWM(空間矢量脈寬調(diào)制)控制的制動(dòng)能量回饋裝置，但是僅僅進(jìn)行了模擬試驗(yàn)，其直流電壓只有23 V，不足以用來驗(yàn)證;文獻(xiàn)［2］設(shè)計(jì)了一個(gè)2 000 kW 的逆變回饋的仿真模型，對(duì)主回路的參數(shù)和控制方案進(jìn)行了研究，但未進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證;文獻(xiàn)［3］設(shè)計(jì)了一個(gè)1 000 kW 的PWM(脈寬調(diào)制)變流器以實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量回饋，采用2 組逆變單元并聯(lián)實(shí)現(xiàn)，但交流側(cè)需接入雙分裂變壓器而非直接并聯(lián)，其系統(tǒng)成本高且冗余度低、擴(kuò)展困難。針對(duì)地鐵制動(dòng)瞬時(shí)的功率大、對(duì)回饋設(shè)備可靠性要求高的情況，西安許繼電力電子技術(shù)有限公司設(shè)計(jì)了1 臺(tái)額定容量1.2 MW，具備短時(shí)1.25 倍過載能力，6 個(gè)子模塊交直流側(cè)直接并聯(lián)的再生制動(dòng)能量回饋?zhàn)兞髌?。該裝置可實(shí)現(xiàn)各模塊的智能投入/切除，其冗余度高、擴(kuò)展性好。
1 再生制動(dòng)能量回饋系統(tǒng)工作原理
回饋系統(tǒng)包括回饋?zhàn)兞髌鳌⒏綦x變壓器、開關(guān)柜等，其接入方案見圖1:直流側(cè)通過饋線柜與直流接觸網(wǎng)相接，交流側(cè)經(jīng)隔離變壓器和開關(guān)柜與35 kV環(huán)網(wǎng)相接，制動(dòng)能量直接回饋到35 kV 電網(wǎng)。
圖1 再生制動(dòng)能量回饋系統(tǒng)接入方案示意圖
再生制動(dòng)能量回饋系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)分為待機(jī)和回饋運(yùn)行兩種。該系統(tǒng)能實(shí)時(shí)檢測接觸網(wǎng)電壓來判斷機(jī)車運(yùn)行狀態(tài):當(dāng)接觸網(wǎng)電壓升高至超過閥值時(shí)可判斷機(jī)車處于制動(dòng)狀態(tài);當(dāng)接觸網(wǎng)電壓降低時(shí)可判斷機(jī)車處于牽引或惰行狀態(tài)。
1)待機(jī)狀態(tài):當(dāng)裝置檢測到回饋?zhàn)兞髌髦绷麟娏鞯姆较虬l(fā)生改變時(shí)，回饋裝置即刻退出運(yùn)行，進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。此時(shí)IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)驅(qū)動(dòng)脈沖封鎖，牽引所需能量完全由牽引整流器提供。
2)回饋運(yùn)行狀態(tài):進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)后，回饋裝置實(shí)時(shí)檢測直流母線電壓。當(dāng)檢測到母線電壓高于設(shè)定值后，會(huì)即刻開啟PWM 使IGBT 工作;通過快速調(diào)節(jié)電流，使直流母線側(cè)由地鐵剎車制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的能量快速回饋到電網(wǎng)中;同時(shí)穩(wěn)定直流母線電壓，確保地鐵直流供電系統(tǒng)的穩(wěn)定。
2 回饋?zhàn)兞髌髦骰芈穮?shù)設(shè)計(jì)
回饋?zhàn)兞髌髦麟娐穲D見圖2所示。
圖2 回饋?zhàn)兞髌髦麟娐穲D
2.1 主回路參數(shù)設(shè)置
系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置如下:額定功率為1.2 MW (過載為1.5 MW)，交流電壓為1 000 V，額定交流電流為693 A，直流電壓為1 600～1 800 V，最大直流電壓為2 000 V。
子模塊參數(shù)設(shè)置如下:額定功率為200 kW (過載為250 kW)，交流電壓為1 000 V，額定交流電流為116 A，直流電壓為1 600～1 800 V。
2.2 開關(guān)器件的選擇
1)變流器工作最高直流電壓設(shè)定為2 000 V，IGBT 可選擇 3 300 V 等級(jí)。
2)在額定交流電壓輸入下，變流器單個(gè)模塊的額定功率為200 kW。在最大過載要求下，IGBT 輸出電流為1.25 倍額定電流，考慮10%紋波電流，則流過管子的最大峰值電流為226 A。
根據(jù)上述工作電壓和電流，開關(guān)器件可選用Infineon 公司的 3 300 V、400 A 半橋模塊，型號(hào)為FF400R33KF2C。
2.3 濾波器參數(shù)計(jì)算
為了實(shí)現(xiàn)對(duì)并網(wǎng)電流開關(guān)諧波的更好濾波效果，這里采用LCL(電感-電容-電感)型濾波器。
1)變流器側(cè)濾波電感設(shè)計(jì):變流器側(cè)濾波電感的設(shè)計(jì)上限應(yīng)滿足變流器輸出最大有功功率時(shí)的電壓約束;濾波電感的設(shè)計(jì)下限為考慮最大允許紋波電流。由主回路參數(shù)值，可得濾波電感L1范圍為347 μH ＜L1＜1 025 μH?？紤]裕量，選定變流器側(cè) L1=400 μH，則變流器側(cè)單模塊電抗器為2 400 μH。
2)電網(wǎng)側(cè)濾波電感設(shè)計(jì):應(yīng)綜合考慮效率和并網(wǎng)電流諧波，現(xiàn)選取電網(wǎng)側(cè)濾波電感L2=150 μH。
3)濾波電容計(jì)算:由于濾波器電容的使用，會(huì)引起無功功率的增加，從而會(huì)降低功率因數(shù)。為了保證系統(tǒng)的高功率因數(shù)，一般限制為電容吸收的無功功率應(yīng)低于額定功率的10%。現(xiàn)選取濾波電容C=360 μF。
3 控制策略
針對(duì)交直流直接并聯(lián)的多模塊地鐵回饋?zhàn)兞髌髟O(shè)計(jì)，其控制策略難點(diǎn)在于均流控制和環(huán)流抑制控制。
3.1 均流控制
對(duì)于多模塊并聯(lián)回饋?zhàn)兞髌?，均流控制不好時(shí)將會(huì)出現(xiàn)回饋功率受限、局部溫度過高、使用壽命下降等不良結(jié)果。為此，采用如圖3所示控制框圖，回饋?zhàn)兞髌鞑捎秒妷?、電流環(huán)的雙環(huán)控制模式。電壓環(huán)用來穩(wěn)定列車制動(dòng)時(shí)接觸網(wǎng)電壓，電壓環(huán)的輸出作為電流環(huán)給定，以實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)并網(wǎng)電流大小。本文采用主從均流控制技術(shù)，以確保各模塊電流給定值相同，從而有效地保證了各并聯(lián)模塊的均流精度。
3.2 環(huán)流抑制控制
多模塊回饋?zhàn)兞髌髟诮恢绷鱾?cè)直接并聯(lián)時(shí)，通過對(duì)每個(gè)模塊的開關(guān)狀態(tài)分析可知，載波移相會(huì)導(dǎo)致模塊之間形成環(huán)流。如果在控制上不做特別的環(huán)流抑制處理，則會(huì)出現(xiàn)效率降低、發(fā)熱嚴(yán)重等問題。針對(duì)這些問題，采用了同步控制策略，使得各模塊載波實(shí)現(xiàn)同相位，進(jìn)而保證各并聯(lián)模塊開關(guān)動(dòng)作時(shí)序一致，從而有效抑制模塊間環(huán)流。圖4 為多模塊回饋?zhàn)兞髌髟谳d波相移為0°及180°時(shí)的環(huán)流仿真波形。由圖4 可見，模塊同步控制可有效抑制高頻環(huán)流。
4 試驗(yàn)
在完成1.2 MW 多模塊并聯(lián)地鐵再生制動(dòng)能量回饋?zhàn)兞髌鳂訖C(jī)研制后，進(jìn)行了再生制動(dòng)能量回饋系統(tǒng)的功能測試。圖5 為模擬列車制動(dòng)時(shí)回饋?zhàn)兞髌魍度爰巴顺鲞^程。由圖5 可見，該變流器能夠滿足地鐵列車再生制動(dòng)能量的吸收利用及穩(wěn)定牽引網(wǎng)電壓的實(shí)際要求。
圖6 為回饋?zhàn)兞髌鳚M功率回饋時(shí)其中3 個(gè)功率模塊的并網(wǎng)電流波形。由圖6 可見，各模塊均流精度高，動(dòng)作時(shí)序一致，環(huán)流抑制效果好。
圖3 回饋?zhàn)兞髌鞫嗄K并聯(lián)控制框圖
圖4 載波不同相移下各模塊間的環(huán)流仿真
5 結(jié)語
逆變回饋型再生制動(dòng)能量吸收裝置將會(huì)在城市軌道交通的節(jié)能領(lǐng)域中發(fā)揮重要作用。它能節(jié)約能耗，降低地鐵運(yùn)營成本，提高經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)能保證地鐵車輛及變電所設(shè)備的安全運(yùn)行，因此對(duì)其進(jìn)行相關(guān)研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。仿真及試驗(yàn)結(jié)果表明，文中所設(shè)計(jì)的基于多模塊并聯(lián)的地鐵列車再生制動(dòng)能量回饋?zhàn)兞髌骺梢詫?shí)現(xiàn)交直流側(cè)直接并聯(lián)，且均流精度高、高頻環(huán)流小、冗余度高，因而更為可靠，能夠滿足地鐵列車再生制動(dòng)能量的吸收利用及穩(wěn)定牽引網(wǎng)電壓的要求，并能降低回饋系統(tǒng)的造價(jià)，提高回饋系統(tǒng)的可靠性。
圖5 回饋?zhàn)兞髌骰仞伡巴顺鲈囼?yàn)波形實(shí)景圖
圖6 回饋?zhàn)兞髌鳚M功率試驗(yàn)波形實(shí)景圖
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