仇志凌 胡磊磊 李 錦 劉定坤 陳 蕾 張 明

(南京亞派科技股份有限公司， 210032， 南京∥第一作者，高級(jí)工程師)

城市軌道交通總用電量約有一半消耗在車輛的牽引供電及制動(dòng)系統(tǒng)上。而地鐵制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的再生制動(dòng)電能可占牽引電能的35%～55%[1]。再生制動(dòng)電能除了被相鄰加速車輛吸收一部分外，其余能量現(xiàn)在主要采用制動(dòng)電阻進(jìn)行吸收[2]，以維持直流母線電壓的安全穩(wěn)定。電阻制動(dòng)不僅浪費(fèi)能量，而且其產(chǎn)生的熱量又增加了環(huán)控設(shè)備壓力[3]。再生制動(dòng)能量回饋裝置因其較好的能量吸收效果而受到關(guān)注。

根據(jù)回饋電壓等級(jí)，再生制動(dòng)能量回饋分為低壓回饋和中壓回饋。低壓回饋的能量吸收功率受到低壓動(dòng)力變?nèi)萘肯拗?普遍不超過兆瓦級(jí)，否則會(huì)影響低壓配電網(wǎng)的穩(wěn)定運(yùn)行[4-5]，降低能量吸收率。中壓回饋的中壓電網(wǎng)容量大，故電能吸收功率高、對(duì)電網(wǎng)影響小。根據(jù)文獻(xiàn)[2]，列車再生制動(dòng)瞬時(shí)功率較大，達(dá)兆瓦級(jí)以上。因此，本文針對(duì)中壓回饋方案展開研究。

1 能量回饋裝置工作原理及方案優(yōu)化

1.1 工作原理

再生制動(dòng)能量回饋裝置(如圖1所示)由回饋逆變器、回饋?zhàn)儔浩骱烷_關(guān)柜組成，與現(xiàn)有整流牽引裝置并聯(lián)?；仞?zhàn)儔浩髫?fù)責(zé)將回饋逆變器輸出的1 kV交流電(直流電壓1 500 V，現(xiàn)有逆變拓?fù)涞妮敵龆荚? kV左右)升壓到35 kV，進(jìn)行電壓匹配。在列車制動(dòng)過程中，裝置監(jiān)測(cè)直流觸網(wǎng)電壓，一旦超過直流電壓門檻值，立刻啟動(dòng)逆變回饋過程，把列車制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的能量回饋到中壓電網(wǎng)，供其他負(fù)荷使用。

圖1 再生制動(dòng)能量回饋系統(tǒng)圖

地鐵列車制動(dòng)功率達(dá)數(shù)兆瓦，對(duì)裝置容量提出了很高要求。為滿足1 500 V直流觸網(wǎng)電壓要求,能饋裝置采用了3 300 V的IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)開關(guān)。該IGBT開關(guān)速度慢、損耗大，故開關(guān)頻率低，不易濾波。由于裝置容量大、開關(guān)頻率低，故裝置的體積及重量難以控制。

1.2 優(yōu)化方案的技術(shù)特點(diǎn)

1.2.1 基于升壓變相間隔離的三相H橋拓?fù)?/p>

為提高等效開關(guān)頻率，現(xiàn)并聯(lián)或者串聯(lián)了2個(gè)三相橋逆變器進(jìn)行載波移相(如圖2所示)，并利用升壓變壓器低壓側(cè)的2組三相繞組來隔離2個(gè)三相逆變器的交流側(cè)。這樣，在并聯(lián)方案中，可抑制并聯(lián)載波移相導(dǎo)致的高頻環(huán)流，在串聯(lián)方案中可進(jìn)行電位隔離。但倍頻效果只能在高壓側(cè)體現(xiàn)，濾波電感仍需按實(shí)際開關(guān)頻率設(shè)計(jì)，無法享受到倍頻的好處。

a) 并聯(lián)方案

b) 串聯(lián)方案

為此，優(yōu)化方案提出了基于升壓變壓器相間隔離的三相H橋電路(如圖3所示)。三相H橋電路采用單極倍頻調(diào)制，其逆變輸出頻率是實(shí)際開關(guān)頻率的2倍，所以輸出濾波器電感量及電容量可減小50%。濾波器這樣設(shè)計(jì)不僅可真正得到倍頻的收益，還可保持較低的實(shí)際開關(guān)頻率，使整機(jī)損耗較小。

圖3 三相H橋變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

三相H橋電路的實(shí)際應(yīng)用必須解決相間隔離問題。本方案利用能量回饋裝置已有的升壓變壓器，將通常的低壓側(cè)星接改為低壓側(cè)三相繞組之間不做任何連接。這樣在不增加任何成本的前提下解決了相間隔離問題，保證了裝置較小的體積和質(zhì)量。

1.2.2 低壓側(cè)實(shí)現(xiàn)的LCL三階濾波器

目前，并網(wǎng)逆變器網(wǎng)側(cè)濾波器有單電感濾波器和LCL(電感-電容-電感)濾波器兩種(如圖4所示)。單電感濾波器的高次諧波濾除衰減率僅為-20 dB/10倍頻程，需較大電感量才能滿足開關(guān)紋波濾除要求，其相應(yīng)的裝置體積及質(zhì)量較大。三階LCL濾波器通過增加電容低阻通路和高阻網(wǎng)側(cè)電感，使得絕大部分開關(guān)紋波電流流入電容，對(duì)高次諧波的濾除衰減率達(dá)60 dB/10倍頻程。能顯著減少電感量，以及其裝置的體積及重量。

a) 單電感濾波器濾波電路

b) LCL濾波器濾波電路

在現(xiàn)有的三相橋逆變器聯(lián)接方案中，倍頻效果僅在變壓器高壓側(cè)體現(xiàn)，故LCL濾波器的濾波電容和網(wǎng)側(cè)濾波電感需安裝在高壓側(cè)，而無法集成在能饋裝置柜內(nèi)。此外，考慮到安全性，地鐵業(yè)主并不愿意在35 kV側(cè)安裝濾波電容，因此，LCL濾波器方案不易實(shí)現(xiàn)。

優(yōu)化后的三相H橋拓?fù)浞桨副额l效果在逆變橋輸出端即可體現(xiàn)。因此，LCL濾波器可安裝在低壓側(cè)，便于集成，業(yè)主接受度好。此外，網(wǎng)側(cè)濾波電感可由升壓變壓器漏感實(shí)現(xiàn)。這進(jìn)一步減小了裝置體積。

2 仿真與試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 仿真模擬

采用Matlab軟件模擬優(yōu)化后的能量回饋裝置工作。能量回饋裝置容量為2.5 MW，直流電壓為1.8 kV，升壓變壓器高壓側(cè)線電壓為35 kV，低壓側(cè)相電壓為1 kV，低壓側(cè)額定電流為794 A、開關(guān)頻率為1 kHz。

圖5為三相H橋逆變電路的單極倍頻調(diào)制逆變輸出電壓波形圖。圖5中的逆變電壓為包含+1 800 V、0及-1 800 V等3種電平的脈寬調(diào)制波，裝置開關(guān)頻率為1 kHz，逆變輸出等效開關(guān)頻率為2 kHz。三相逆變輸出之間為120°相位關(guān)系。

a) A相逆變電壓波形

b) B相逆變電壓波形

c) C相逆變電壓波形

圖6為三相LCL濾波器電流仿真波形圖。由圖6可見，波形顯示逆變器電感電流除了基波成分還包含大量的2 kHz開關(guān)紋波，濾波電容為紋波電流提供了低阻旁路通道，保證了升壓變壓器低壓側(cè)電流為純正的正弦波。

a) 三相逆變器電感電流

b) 升壓變壓器低壓側(cè)電流

c) 濾波電容電流

2.2 運(yùn)行試驗(yàn)

優(yōu)化后的35 kV、2.5 MW中壓能量回饋裝置通過了國(guó)家鐵路產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心的第三方檢驗(yàn)，其整機(jī)效率大于97.8%、電流THD低于3%。

該能量回饋裝置在某地鐵牽引站進(jìn)行了掛網(wǎng)運(yùn)行。圖7為在2.5 MW額定功率限容時(shí)刻局部放大波形實(shí)景圖，其中，設(shè)備并網(wǎng)電流為788 A，直流電壓穩(wěn)定在1.74 kV，直流輸入電流為1 504 A。由圖7可見，設(shè)備并網(wǎng)電流的波形正弦度較高。

圖7 能量回饋裝置現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)波形實(shí)景圖

表1為某日各時(shí)段回饋電量統(tǒng)計(jì)表。試驗(yàn)列車為B型車，4節(jié)編組。當(dāng)日回饋電量為4 130 kWh，具有很好的節(jié)能效果。統(tǒng)計(jì)結(jié)果還顯示：回饋電能較多時(shí)段分布基本與早晚高峰一致(7:00—9:00、18：00—21：00)，回饋的谷值出現(xiàn)在10：00—11：00、16：00—17：00及22：00—23：00。這說明回饋電能大小與車次間隔及載客量關(guān)系密切。

表1 某日各時(shí)段的回饋電量統(tǒng)計(jì)

3 結(jié)語

兆瓦級(jí)中壓逆變回饋裝置容量大、開關(guān)頻率低。現(xiàn)采用基于升壓變壓器相間隔離的三相H橋電路及低壓側(cè)LCL濾波器進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化后的能量回饋裝置通過了鐵道部產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心的第三方檢測(cè)，并在某地鐵牽引站成功掛網(wǎng)運(yùn)行。仿真和試驗(yàn)結(jié)果表明：優(yōu)化后的能量回饋裝置具有單機(jī)容量大、效率高及體積小的優(yōu)點(diǎn)，其節(jié)能效果顯著。

[1] 劉煒.城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)節(jié)能技術(shù)[C]∥中國(guó)軌道交通網(wǎng). 2015年第三屆中國(guó)城市軌道交通系統(tǒng)性節(jié)能研討會(huì).南京：中國(guó)軌道交通網(wǎng), 2015.

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