地铁再生制动能量逆变回馈装置关键技术及应用研究

地铁再生制动能量逆变回馈装置关键技术及应用研究

孙大航

中铁建电气化局集团第四工程有限公司湖南省长沙市410116

摘要：针对三种新型的地铁再生制动能量吸收方案进行了对比，其中逆变回馈方案具有技术成熟度高、性价比高、运营维护方便的特点更适合地铁应用。对逆变回馈方案的工作原理以及关键技术进行了分析，对其中主电路拓扑、输出滤波器、闭环控制系统的不同方案进行了对比。最后给出了装置实际运行和节能的数据，验证了逆变回馈装置能够稳定牵引网电压的同时具有巨大的节能效果。

一概述

当前阶段城市快速发展对交通的要求越来越高，城市轨道交通特别是地铁工程对于电力的需要与日俱增。对于城市地铁交通项目，其中的电能消耗有一多半是用在了车辆的牵引供电以及制动系统中去。当前阶段，列车进站采取的制动方式通常依靠电制动，其再生制动产生的电能大约能够占到地铁车辆牵引电能的35%~55%这个区间[1]，由此可以看出如果这部分被合理利用起来那么就会非常可观。

对于传统的再生制动能量吸收方案，普遍会采取的方案为电阻耗能方案。这种方案实现起来比较简单，缺点在于无法实现再生电能的持续利用，还有就是增加的电阻导致了占地面积以及车重的增加，同时电阻发热又增加了环控设备的压力，因此建议不采取这类方案。对于制动能量如何有效利用是当前研究城市轨道用电节能工作的重中之重，当前新型再生制动能量回馈方案有三种，这三种方案各有千秋，下面列表如下：

表1新型再生制动能量吸收方案对比

通过表1的展示可以看出，逆变回馈方案优点相对其他两种更为明显。面对当前可持续发展的要求，社会生态的严峻性，都要求城市轨道交通工程努力降低用电的成本，未来的研究重点就是再生制动能量逆变回馈装置，实现电能的有效节约。

二工作原理

如图1所示，再生制动能量逆变回馈成套装置由直流DC1500V开关柜、中压40.5kV开关柜、逆变柜、回馈变压器等组成，成套装置安装在牵引变电所中，电气上可与现有牵引整流机组连接在同一段交流母线也可在不同段母线上。

成套装置通过检测牵引网的电压来判断列车的状态，在列车制动过程中牵引网电压会上升，一旦确认列车处于再生制动状态，装置立刻启动能量吸收过程，稳定牵引网电压同时把列车制动时产生的能量回馈到中压环网，供给环网中其他负荷使用，在制动过程结束后装置根据牵引网电压和回馈电流自动判断并关闭能量吸收过程。

对于成套装置，技术基础为四象限变流技术，技术除了具备逆变回馈这一功能以外，还应当具备无功补偿功能、牵引整流功能。对于地铁列车组，在进行启动和加速的这个阶段，利用成套装置可以实现与牵引整流机组的共同配合，通过相互配合来实现列车的供电，充分保证牵引网的供电电能质量，保证可靠程度。当夜间列车完成工作停车以后，利用成套装置可以实现感性无功功率得输出，对线路的容性无功进行补偿，将供电系统的功率因素提高上去。

三、关键技术分析

逆变回馈装置主电路设计和软件控制算法设计是装置的关键技术，对于装置的可靠性和各项功能性能影响很大，以下分别对变流器主电路拓扑设计、输出滤波器设计以及闭环算法进行分析：

1.变流器主电路拓扑

目前常见的逆变回馈装置的变流器主电路拓扑主要有三种形式，如采用半桥两电平拓扑、半桥三电平拓扑以及全桥三电平拓扑等。不同的变流器拓扑对于IGBT器件的选型、装置的容量、各项性能都有影响。

图2全桥三电平变流器拓扑结构

2.输出滤波器

输出滤波器连接于IGBT功率模块与电网之间，可滤除IGBT产生的高次谐波，实现并网电流的低谐波含量。常见逆变回馈装置网侧使用的输出滤波器主要有两种，一种是单电感的L型滤波器（或者采用高阻抗变压器滤波），另一种是采用电感加电容的LCL型滤波器。

L型滤波器具有简单的结构，这种滤波器的缺点在于无法很好地实现于高次谐波滤除衰减，滤除衰减率只能达到-20dB/10倍频程，效果比较差。没有较好的滤波效果，就会导致高次谐波大批量流入到电网内，造成电网污染，要想满足并网谐波含量的要求就需要做好增大滤波电感量这一工作。但是采取这种方法就会增加滤波器（或变压器）损耗，对系统动态方面的响应速度也有影响。LCL型输出滤波器属于性能更加优越的一款，这一类型的频率特性像下图所示：滤除衰减率达到了-60dB/10倍频程，能够更好的实现高频谐波滤除，还有就是设计阶段利用回馈变压器自身漏感实现网侧滤波电感节省，同时将逆变器侧滤波电感体积减小，有效增强了滤波效果。

图3LCL型滤波器的频率特性

3.基于抑制电网扰动的双闭环控制策略

通过下图4可以看到，通过在逆变回馈装置中添加双闭环控制策略可以实现更好反馈。利用软件软件锁做到对交流电网电压频率、幅值、相位得实时动态检测，输出参考电流相位被控制主要是借助电网相位检测来达到目的，从而实现有功无功的独立控制。对于并网输出电流，为了实现波形优化输出以及无差跟踪指令这些目的选择在内环电流环中加入比例谐振调节器（PR）。与此同时，引入交流电网电压前馈能够快速响应电网电压扰动，将系统抗干扰能力提高。

对于电压外环、电流内环控制器，设计和验证基础条件为准确的变流器、电网模型，所以可以最优化控制系统稳定程度、快速程度、稳态精度等等。

图4逆变回馈装置双闭环控制框图

四装置实际运行效果

在南京S8线路正线长芦站变电所内安装投运了一套南京亚派科技股份有限公司的再生制动能量逆变回馈装置，该线采用了4B型车辆，车辆设计时速为100km/h，车辆上配置有全功率的制动电阻吸收装置，电阻吸收装置的启动电压为1800V，而逆变回馈装置的启动阀值设置为低于制动电阻启动阀值。图5所示为当再生制动能量小于逆变回馈装置的最大吸收能力时，电阻吸收装置无需启动，逆变回馈装置可完全吸收再生制动能量，独立稳定牵引网网压。图5所示当再生制动能量超过逆变回馈装置的最大吸收能力时，逆变回馈装置进入限容输出工况，牵引网的电压会继续抬升触发车载电阻启动吸收多余的电能，此时由逆变回馈装置与电阻吸收共同稳定牵引网的网压。

图6装置一年的节能数据柱状图

五总结

再生制动能量逆变回馈是一种有效的地铁再生制动电能吸收利用方式，再生制动能量逆变回馈装置的关键技术涉及变流器的主电路拓扑、输出滤波器以及闭环控制方法等。本文介绍了一种采用三相全桥变流器拓扑、LCL型输出滤波器以及电压外环和电流内环的双闭环控制技术的再生制动能量逆变回馈装置，该装置在南京地铁应用运行一年多已取得了显著的节能效果。

参考文献

[1]王兆安，黄俊.电力电子技术[M].北京，机械工业出版社，2008.

[2]刘炜.城市轨道交通牵引供电系统节能技术[C].2015年第三届中国城市轨道交通系统性节能研讨会.

[3]鲁玉桐.再生制动能量吸收装置在北京地铁中的应用[J].都市快轨交通2014.8.