城市轨道交通再生制动能量利用研究

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　　摘  要： 为利用地铁列车产生的再生制动能量，降低直流牵引网电压以保证电网稳定，在原有电阻耗能型装置的基础上增加逆变回馈功能，设计了一种逆变?电阻混合型回馈装置。主要阐述该装置的设计方法、硬件组成及控制方法，通过对直流牵引网列车制动工况模拟仿真，并将仿真结果与纯电阻耗能仿真对比分析。证实该混合装置可在列车制动时快速降低并稳定牵引网电压，较大程度地改善了隧道内的电阻发热问题，同时将直流牵引网能量逆变为三相交流电后并网，提高了再生制动能量利用率。证实该系统设计可实现再生制动能量的高效吸收及列车安全稳定的运行。
　　关键词： 地铁列车; 再生制动; 逆变回馈; 能量利用; 混合装置; 三相变流器
　　中图分类号： TN99?34                         文獻标识码： A                            文章编号： 1004?373X（2020）01?0131?05
　　Research of regenerative braking energy utilization in urban rail transit
　　WEI Congqi， WANG Yongshun， YANG Luyue
　　Abstract： In order to utilize the regenerative braking energy generated by subway trains and reduce the voltage of DC traction network to ensure the stability of the power grid， an inverter?resistor hybrid feedback device is designed on the basis of adding the inverter feedback function to the original resistance energy dissipation device. The design method， hardware composition and control method are mainly expounded. The simulation of the braking condition of the DC traction network train is implemented， and the simulation results are compared with the simulation of pure resistance energy dissipation. It is proved that the hybrid device can quickly lower and stabilize the traction network voltage during train braking， which relieves the resistance heating in the tunnel. Meanwhile， the DC traction network energy is inverted into three?phase AC and connected to the grid， which improves the regenerative braking energy utilization rate. It is verified that the system design can realize efficient absorption of regenerative braking energy and safe and stable operation of the train.
　　Keywords： subway train; regenerative braking; invertible feedback; energy utilization; hybrid device; three?phase converter
　　0  引  言
　　地铁列车再生制动能量进行存储、吸收及再利用[1]，已成为城市轨道交通节能技术的未来发展方向。在国内城市轨道交通供电系统中，交流侧电能经过不可控二极管整流器后传送至直流侧，电能只能由交流供电侧单向提供至直流牵引侧，无法将再生制动能量回馈至交流电网。如果列车在制动时产生的巨大能量不能及时被牵引运行列车全部消耗，剩余的制动能量将会引起直流牵引电网电压迅速升高，将严重危害同牵引网下的行驶车辆及用电设备，甚至引发安全事故。
　　目前，再生制动能量处理装置的类型主要有电阻耗能型、电池储能型、飞轮储能型和超级电容储能型等[2]。这些储能装置因污染大、元器件成本较高、设计技术要求严格等原因，只在部分国家或地区得到应用，在国内无法大量铺设高成本设备。为了使再生制动电能可以得到优化利用，将中压逆变馈能装置投入现实运用中具有十分重要的意义。
　　根据现阶段国内外对再生制动能量处理方法的研究，设计了一种新型的逆变?电阻混合装置。该装置在保证直流牵引网电压稳定的前提下，尽可能使再生制动能量高效利用。在再生制动能量回馈装置的基础上采用双闭环控制系统，以直流牵引网电压作为控制参考量，使用电压外环、电流内环的SVPWM控制策略，运用Matlab/Simulink仿真平台搭建1 500 V直流牵引列车的等效模型。 　　1  逆变?电阻混合型设计
　　地铁列车制动时，再生制动能量导致直流牵引网电压升高[3]。该混合回馈系统中设置两个电压阈值（逆变开启阈值和电阻耗能开启阈值），实时监测直流牵引网的电压，控制系统根据监测电压值所处的电压区间开启对应的能量处理装置。
　　当多列车处于制动工况且制动密度较小时，控制系统发出指令使电力电子逆变器进入工作状态，将直流牵引网的多余电能通过逆变装置逆变为三相交流电，并进行升压处理，将电能回馈至城市供电电网。
　　当多列车处于制动工况且制动密度较大时，控制系统在逆变回馈装置工作的同时，发出信号使电阻耗能装置开启，将直流牵引网的多余电能通过电子斩波器接入大功率电阻，并且逆变回馈装置将电能逆变后回馈至城市供电交流电网，使得直流牵引网电压迅速下降至安全阈值范围内。
　　1.1  逆变?电阻混合馈能原理
　　系统硬件设计主要包括电阻制动电路、逆变电路、检测电路、控制电路及滤波电路五个部分。为了降低逆变过程中产生的高次谐波对电网的影响以及满足逆变并网要求，该设计对逆变后的电能进行了滤波处理。
　　目前，城市轨道交通牵引供电中的整流机组均采用24脉波整流电路为列车供电[4]。从逆变并网技术发展前景来看，再生制动能量回馈至中压交流侧比回馈到低压侧更具发展潜力。因后者的回馈电网阻抗大，导致电能损耗较大，回馈能力受到限制。综上，该设计选择将再生制动能量回馈至35 kV电压交流网。逆变?电阻混合型主电路图如图1所示。
　　图1中该系统由35 kV三相交流电经降压变压器后与不可控二极管整流器连接，整流器输出24脉波整流电压至直流牵引网。通过改变电动机的状态，以不同的转速及扭矩来模拟单列车制动时的不同工况。
　　1.2  高次谐波抑制装置
　　逆变器由多个IPM管组成，高频开关会在逆变过程中产生较高含量的纹波。若直接将逆变后的电能进行并网，电能质量无法满足并网要求，会对交流电网造成严重的谐波污染[5]。
　　本文设计采用有源阻尼LCL滤波器，因逆变后电压较大[6]，为了使LCL滤波器中的电容耐压值能满足设计，所以选择在设计中将电容电阻进行串联，这就使电容所承受电压大幅降低。从而构造虚拟电阻并搭建有源阻尼滤波器，有效解决了无源阻尼滤波器中电阻对系统造成的发热以及系统功耗问题[7]。图2为无源阻尼LCL滤波等效系统结构图，图3为有源阻尼LCL滤波等效系统结构图。
　　由图2推导得无源阻尼传递函数为：
　　[i2（s）Ui（s）=CRs+1CL1L2s3+CR（L1+L2）s2+（L1+L2）s] （1）
　　由图3推导得有源阻尼传递函数为：
　　[i2（s）Ui（s）=1CL1L2s3+KCL2s2+（L1+L2）s] （2）
　　由式（1）和式（2）可计算得到虚拟阻值[K=R（L1+L2）L2]，其中，[R]为无源阻尼的实际阻值。
　　2  空間电压矢量控制系统
　　SVPWM控制方法是将三相逆变器IGBT的三组开关通过编码形式转化为8个电压矢量，将这些矢量进行合理配置，并控制所选用矢量的作用时间，使磁链轨迹尽可能为圆形[8]。
　　2.1  矢量合成
　　矢量合成是将两个相邻电压矢量与一个电压零矢量合成来表示参考电压[Uref]，为确定每个开关周期内需要使用相对应的电压空间矢量，需要先判断出参考电压所在的扇区[9]。
　　在三相电压型逆变器中，用“0”表示开关关断，用“1”表示开关导通。这样即可得到IGBT的8种开关状态。其电压空间矢量图如图4所示。
　　2.2  扇区判断
　　为确定每个开关周期内需要使用相对应的电压空间矢量，需要先判断出参考电压所在的扇区。用电压参考量[Uref]与[α]轴的夹角[θ]的大小来判断所在扇区。具体判断方法如下：
　　假设[a]，[b]，[c]变量，其关系如下所示：
　　[a=Uβb=32Uα-12Uβc=-32Uα-12Uβ] （3）
　　令[N=a+2b+4c]，其中，[a]，[b]，[c]不能同时为0或1。若[Uβ>0]，则[a=1];否则[a=0]。如果[3Uα-Uβ>0]，则[b]=1;否则[b]=0。如果[3Uα+Uβ>0]，则[c]=1;否则[c]=0。根据[a]，[b]，[c]取值确定[N]，[N]值与扇区对应关系见表1。
　　2.3  合成时间计算
　　以第一扇区为例，设电压矢量[U0]，[U1]，[U2]作用时间分别为[T0]，[T1]，[T2]，PWM周期为[Ts]，基准电压矢量为[Uref]，计算矢量[U1]和[U2]的各自作用时间。在两相静止坐标系中，电压矢量线性组合示意图如图5所示。
　　由图5可知，电压矢量[U1]与[U2]满足以下关系式：
　　[U1T1+U2T2cos 60°=UαTsU2T2cos 60°=UβTs] （4）
　　其余5个扇区的基本计算原理与第一扇区推导过程相同，各扇区的基准电压矢量作用时间表见表2。
　　在SVPWM调制过程中，若在一个开关周期内，两个非零电压矢量的作用总时间大于一个开关周期，即[T1+T2>Ts]，那么[T1=T1T1+T2Ts]，[T2=T2T1+T2Ts]。若[T1+T2<Ts]，那么[T1]，[T2]保持原值输出。
　　2.4  切换时间计算
　　设图1中[Q1?Q2]，[Q3?Q4]，[Q5?Q6]三个开关的切换时间分别为[Tcmp1]，[Tcmp2]，[Tcmp3]。逆变器三个桥臂上的开关导通时间分别为[Ta]，[Tb]，[Tc]，其关系如下所示： 　　[Ta=T04=Ts-T1-T24Tb=T04+T12=Ta+T12Tc=T04+T12+T22=Tb+T22] （5）
　　根据合成空间电压矢量所在扇区，可得出不同扇区切换点[Tcmp1]，[Tcmp2]，[Tcmp3]与各桥臂开关导通时间[Ta]，[Tb]，[Tc]关系如表3所示。
　　3  三相变流器并网控制
　　逆变器控制回路的设计采用空间矢量脉宽调制（SVPWM）控制策略，该策略使得波形畸变率较低以及调制深度较高，并且具有响应速度快和开关损耗低等优点[10]。转速外环电流内环的双闭环控制方式能够增强系统静态能力、提高动态响应速度，且具有抗干扰能力强、低频段增益较高等优点[11]。双闭环控制系统流程图如图6所示。
　　在三相静止对称坐标系中，逆变并网中时变交流量的控制设计较为复杂，将三相静止对称坐标通过Park变换，使得其转化为与电网基波频率下同步旋转的[dq]坐标系。经过坐标旋转变换可将基波正弦量转化为同步旋转坐标系的直流分量，从而使控制策略得到优化[12]。本文设计的SVPWM逆变并网控制框图如图7所示。
　　控制电路的设计采用电压解耦型矢量控制。该系统由两部分构成，其中内环为电机励磁与转矩的电流环，外环为磁链与电机转速控制环。
　　在系统外环中，实际转速[ω]与给定转速[ωref]进行比较，将差值传送至转速PI调节器后得到[Tref]。磁链观测器实测的转矩[Te]与给定转矩[Tref]比较，将差值传送至转矩PI调节器后得到转矩电流给定值[iqref]。同时，实测磁链值[?r]与磁链给定值[?ref]做差后并传送至磁链PI调节器后得到励磁电流给定值[idref]。
　　在系统内环中，将测量到的电机三相交流电流[iABC]经过Clarke，Park变换，得到电机定子电流励磁分量[id]和转矩分量[iq]。将[iq]，[iqref]及[id]，[idref]分别进行做差计算，再将差值分别传送至电流解耦PI调节后得到两相旋转[dq]坐标系下的电压分量[Udref]和[Uqref]，再通過Park逆变换后得到两相静止坐标系下的给定电压分量[Uαref]和[Uβref]。通过SVPWM调制电压分量[Uαref]和[Uβref]得到脉冲信号，该脉冲信号可有效控制逆变器开关的通断，从而实现IGBT逆变器和斩波器的导通与关断。
　　4  仿真平台及参数
　　4.1  仿真平台
　　本文使用Matlab R2016a软件中Simulink工具对设计进行仿真，建立了DC 1 500 V再生制动能量逆变回馈混合系统的仿真模型[13]。异步电机采用矢量控制方式，其原理为借助坐标变换可将三相交流的磁场和旋转体上的直流磁场进行等效变换，直流磁场系统的两个相互垂直的分量分别代表直流电机的励磁分量和转矩分量，分别用励磁分量、转矩分量来调节磁场及转矩大小，即将交流量转化为直流量进行控制，再分别对励磁分量和转矩分量进行调节以获得较好的控制性能[14]。
　　该模型通过调节电机转速及扭矩以模拟地铁列车运行的不同工况，并分别模拟不同的行车密度，对SVPWM控制策略的响应速度、混合装置的可行性及性能状态进行仿真测试。
　　4.2  仿真参数
　　牵引供电系统参数：三相交流电电压35 kV，频率50 Hz。整流变压器容量3.5 MV?A，额定变压比35/1.18/1.18 kV，线路阻抗12%，12%，8%。
　　线路参数：线路电阻[0.01  Ω/m]，线路电感0.2 mH，直流侧电容7 500 [μF]。
　　开关参数：IGBT开关频率[fIGBT=]10 kHz。
　　LCL滤波器参数：[L1=]6.5 mH，[L2=]1.5 mH，滤波电感[C=]20 [μF]，虚拟电阻[K=]10.67 Ω。
　　电机参数：三相鼠笼式异步电机;[PN=]188 kV?A，[UN=]1 170 V，[Rs=]1.798 Ω，[Ls=]7.3 mH，[Rr=]1.588 Ω，[Lr=]7.7 mH，[Lm=]0.388 mH，[Np=2]，[nN=]1 600 r/min。
　　5  仿真结果
　　为解决文中提出的直流牵引网因再生制动导致的电压升高问题，对电阻耗能装置及混合馈能装置进行制动的仿真验证并对仿真结果进行对比分析。
　　图8为基于纯电阻制动装置的直流牵引网电压波形。列车制动时再生制动能量导致直流牵引网电压升高。其电压超过设置阈值后，开启电阻耗能装置，此时电压迅速下降并稳定在1 650 V左右。从图8中可看出电阻耗能型制动装置反应迅速，性能稳定。但再生制动能量以热能散失，造成了大量的能源浪费。
　　图9为逆变?电阻混合制动装置的直流牵引网电压波形图。该控制系统在电压达到1 780 V时，开启逆变装置，但因为逆变装置容量有限，当多列车同时制动时，无法将全部的再生制动能量进行逆变。所以直流牵引网电压持续升高，0.95 s时达到电阻耗能装置的开启阈值，此时电阻装置与逆变装置均处于工作状态。大功率电阻吸收再生制动能量，使得直流牵引网电压迅速下降。在1.1 s时，电网电压降至1 730 V时，切除电阻耗能装置，此时只启用逆变装置对电能进行处理。最终将牵引网电压稳定至1 650 V左右，保证了列车的运行安全。
　　图10为回馈并网侧A相电压、电流波形图。启动逆变装置后，逆变并网的电流[ia]波形几乎与电压[Ua]同频率、同相位，因此可见逆变回馈效果较好，功率因数接近1，基本满足并网要求。
　　6  结  语
　　本文将逆变回馈型装置的节能特性与电阻耗能型装置的高效特性相结合，提出并设计了一种逆变?电阻混合型再生制动能量利用装置。通过仿真实验结果证实该混合型制动装置的优势如下： 　　1） 减少了逆变装置的容量，降低了设备成本;
　　2） 大功率电阻耗能装置可作为备用能量消耗装置，用于多列车制动时电压过高，进一步提高了系统运行的安全性;
　　3） 逆变装置可有效吸收多余再生制动能量以达到节能的目的;
　　4） 逆变后具有电能稳定性强和功率因数高等优点，可满足并网回收要求，有效保证了地铁列车安全稳定运行。
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　　作者简介：魏璁琪（1993—），男，江苏镇江人，硕士研究生，主要研究方向为智能轨道交通。
　　王永顺（1957—），男，甘肃天水人，教授，博士生导师，主要研究方向为智能轨道交通。
　　杨鲁月（1995—），女，甘肃天水人，硕士研究生，主要研究方向为电子与通信。
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