城市軌道交通再生制動能量利用研究

魏璁琪 王永順 楊魯月

摘 ?要： 為利用地鐵列車產(chǎn)生的再生制動能量，降低直流牽引網(wǎng)電壓以保證電網(wǎng)穩(wěn)定，在原有電阻耗能型裝置的基礎(chǔ)上增加逆變回饋功能，設(shè)計了一種逆變?電阻混合型回饋裝置。主要闡述該裝置的設(shè)計方法、硬件組成及控制方法，通過對直流牽引網(wǎng)列車制動工況模擬仿真，并將仿真結(jié)果與純電阻耗能仿真對比分析。證實該混合裝置可在列車制動時快速降低并穩(wěn)定牽引網(wǎng)電壓，較大程度地改善了隧道內(nèi)的電阻發(fā)熱問題，同時將直流牽引網(wǎng)能量逆變?yōu)槿嘟涣麟姾蟛⒕W(wǎng)，提高了再生制動能量利用率。證實該系統(tǒng)設(shè)計可實現(xiàn)再生制動能量的高效吸收及列車安全穩(wěn)定的運行。

關(guān)鍵詞： 地鐵列車; 再生制動; 逆變回饋; 能量利用; 混合裝置; 三相變流器

中圖分類號： TN99?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標(biāo)識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 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

地鐵列車再生制動能量進行存儲、吸收及再利用[1]，已成為城市軌道交通節(jié)能技術(shù)的未來發(fā)展方向。在國內(nèi)城市軌道交通供電系統(tǒng)中，交流側(cè)電能經(jīng)過不可控二極管整流器后傳送至直流側(cè)，電能只能由交流供電側(cè)單向提供至直流牽引側(cè)，無法將再生制動能量回饋至交流電網(wǎng)。如果列車在制動時產(chǎn)生的巨大能量不能及時被牽引運行列車全部消耗，剩余的制動能量將會引起直流牽引電網(wǎng)電壓迅速升高，將嚴(yán)重危害同牽引網(wǎng)下的行駛車輛及用電設(shè)備，甚至引發(fā)安全事故。

目前，再生制動能量處理裝置的類型主要有電阻耗能型、電池儲能型、飛輪儲能型和超級電容儲能型等[2]。這些儲能裝置因污染大、元器件成本較高、設(shè)計技術(shù)要求嚴(yán)格等原因，只在部分國家或地區(qū)得到應(yīng)用，在國內(nèi)無法大量鋪設(shè)高成本設(shè)備。為了使再生制動電能可以得到優(yōu)化利用，將中壓逆變饋能裝置投入現(xiàn)實運用中具有十分重要的意義。

根據(jù)現(xiàn)階段國內(nèi)外對再生制動能量處理方法的研究，設(shè)計了一種新型的逆變?電阻混合裝置。該裝置在保證直流牽引網(wǎng)電壓穩(wěn)定的前提下，盡可能使再生制動能量高效利用。在再生制動能量回饋裝置的基礎(chǔ)上采用雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，以直流牽引網(wǎng)電壓作為控制參考量，使用電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的SVPWM控制策略，運用Matlab/Simulink仿真平臺搭建1 500 V直流牽引列車的等效模型。

1 ?逆變?電阻混合型設(shè)計

地鐵列車制動時，再生制動能量導(dǎo)致直流牽引網(wǎng)電壓升高[3]。該混合回饋系統(tǒng)中設(shè)置兩個電壓閾值（逆變開啟閾值和電阻耗能開啟閾值），實時監(jiān)測直流牽引網(wǎng)的電壓，控制系統(tǒng)根據(jù)監(jiān)測電壓值所處的電壓區(qū)間開啟對應(yīng)的能量處理裝置。

當(dāng)多列車處于制動工況且制動密度較小時，控制系統(tǒng)發(fā)出指令使電力電子逆變器進入工作狀態(tài)，將直流牽引網(wǎng)的多余電能通過逆變裝置逆變?yōu)槿嘟涣麟?，并進行升壓處理，將電能回饋至城市供電電網(wǎng)。

當(dāng)多列車處于制動工況且制動密度較大時，控制系統(tǒng)在逆變回饋裝置工作的同時，發(fā)出信號使電阻耗能裝置開啟，將直流牽引網(wǎng)的多余電能通過電子斬波器接入大功率電阻，并且逆變回饋裝置將電能逆變后回饋至城市供電交流電網(wǎng)，使得直流牽引網(wǎng)電壓迅速下降至安全閾值范圍內(nèi)。

1.1 ?逆變?電阻混合饋能原理

系統(tǒng)硬件設(shè)計主要包括電阻制動電路、逆變電路、檢測電路、控制電路及濾波電路五個部分。為了降低逆變過程中產(chǎn)生的高次諧波對電網(wǎng)的影響以及滿足逆變并網(wǎng)要求，該設(shè)計對逆變后的電能進行了濾波處理。

目前，城市軌道交通牽引供電中的整流機組均采用24脈波整流電路為列車供電[4]。從逆變并網(wǎng)技術(shù)發(fā)展前景來看，再生制動能量回饋至中壓交流側(cè)比回饋到低壓側(cè)更具發(fā)展?jié)摿?。因后者的回饋電網(wǎng)阻抗大，導(dǎo)致電能損耗較大，回饋能力受到限制。綜上，該設(shè)計選擇將再生制動能量回饋至35 kV電壓交流網(wǎng)。逆變?電阻混合型主電路圖如圖1所示。

圖1中該系統(tǒng)由35 kV三相交流電經(jīng)降壓變壓器后與不可控二極管整流器連接，整流器輸出24脈波整流電壓至直流牽引網(wǎng)。通過改變電動機的狀態(tài)，以不同的轉(zhuǎn)速及扭矩來模擬單列車制動時的不同工況。

1.2 ?高次諧波抑制裝置

逆變器由多個IPM管組成，高頻開關(guān)會在逆變過程中產(chǎn)生較高含量的紋波。若直接將逆變后的電能進行并網(wǎng)，電能質(zhì)量無法滿足并網(wǎng)要求，會對交流電網(wǎng)造成嚴(yán)重的諧波污染[5]。

本文設(shè)計采用有源阻尼LCL濾波器，因逆變后電壓較大[6]，為了使LCL濾波器中的電容耐壓值能滿足設(shè)計，所以選擇在設(shè)計中將電容電阻進行串聯(lián)，這就使電容所承受電壓大幅降低。從而構(gòu)造虛擬電阻并搭建有源阻尼濾波器，有效解決了無源阻尼濾波器中電阻對系統(tǒng)造成的發(fā)熱以及系統(tǒng)功耗問題[7]。圖2為無源阻尼LCL濾波等效系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，圖3為有源阻尼LCL濾波等效系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

由圖2推導(dǎo)得無源阻尼傳遞函數(shù)為：

[i2（s）Ui（s）=CRs+1CL1L2s3+CR（L1+L2）s2+（L1+L2）s] （1）

由圖3推導(dǎo)得有源阻尼傳遞函數(shù)為：

[i2（s）Ui（s）=1CL1L2s3+KCL2s2+（L1+L2）s] （2）

由式（1）和式（2）可計算得到虛擬阻值[K=R（L1+L2）L2]，其中，[R]為無源阻尼的實際阻值。

2 ?空間電壓矢量控制系統(tǒng)

SVPWM控制方法是將三相逆變器IGBT的三組開關(guān)通過編碼形式轉(zhuǎn)化為8個電壓矢量，將這些矢量進行合理配置，并控制所選用矢量的作用時間，使磁鏈軌跡盡可能為圓形[8]。

2.1 ?矢量合成

矢量合成是將兩個相鄰電壓矢量與一個電壓零矢量合成來表示參考電壓[Uref]，為確定每個開關(guān)周期內(nèi)需要使用相對應(yīng)的電壓空間矢量，需要先判斷出參考電壓所在的扇區(qū)[9]。

在三相電壓型逆變器中，用“0”表示開關(guān)關(guān)斷，用“1”表示開關(guān)導(dǎo)通。這樣即可得到IGBT的8種開關(guān)狀態(tài)。其電壓空間矢量圖如圖4所示。

2.2 ?扇區(qū)判斷

為確定每個開關(guān)周期內(nèi)需要使用相對應(yīng)的電壓空間矢量，需要先判斷出參考電壓所在的扇區(qū)。用電壓參考量[Uref]與[α]軸的夾角[θ]的大小來判斷所在扇區(qū)。具體判斷方法如下：

假設(shè)[a]，[b]，[c]變量，其關(guān)系如下所示：

[a=Uβb=32Uα-12Uβc=-32Uα-12Uβ] （3）

令[N=a+2b+4c]，其中，[a]，[b]，[c]不能同時為0或1。若[Uβ>0]，則[a=1];否則[a=0]。如果[3Uα-Uβ>0]，則[b]=1;否則[b]=0。如果[3Uα+Uβ>0]，則[c]=1;否則[c]=0。根據(jù)[a]，[b]，[c]取值確定[N]，[N]值與扇區(qū)對應(yīng)關(guān)系見表1。

2.3 ?合成時間計算

以第一扇區(qū)為例，設(shè)電壓矢量[U0]，[U1]，[U2]作用時間分別為[T0]，[T1]，[T2]，PWM周期為[Ts]，基準(zhǔn)電壓矢量為[Uref]，計算矢量[U1]和[U2]的各自作用時間。在兩相靜止坐標(biāo)系中，電壓矢量線性組合示意圖如圖5所示。

由圖5可知，電壓矢量[U1]與[U2]滿足以下關(guān)系式：

[U1T1+U2T2cos 60°=UαTsU2T2cos 60°=UβTs] （4）

其余5個扇區(qū)的基本計算原理與第一扇區(qū)推導(dǎo)過程相同，各扇區(qū)的基準(zhǔn)電壓矢量作用時間表見表2。

在SVPWM調(diào)制過程中，若在一個開關(guān)周期內(nèi)，兩個非零電壓矢量的作用總時間大于一個開關(guān)周期，即[T1+T2>Ts]，那么[T1=T1T1+T2Ts]，[T2=T2T1+T2Ts]。若[T1+T2

2.4 ?切換時間計算

設(shè)圖1中[Q1?Q2]，[Q3?Q4]，[Q5?Q6]三個開關(guān)的切換時間分別為[Tcmp1]，[Tcmp2]，[Tcmp3]。逆變器三個橋臂上的開關(guān)導(dǎo)通時間分別為[Ta]，[Tb]，[Tc]，其關(guān)系如下所示：

[Ta=T04=Ts-T1-T24Tb=T04+T12=Ta+T12Tc=T04+T12+T22=Tb+T22] （5）

根據(jù)合成空間電壓矢量所在扇區(qū)，可得出不同扇區(qū)切換點[Tcmp1]，[Tcmp2]，[Tcmp3]與各橋臂開關(guān)導(dǎo)通時間[Ta]，[Tb]，[Tc]關(guān)系如表3所示。

3 ?三相變流器并網(wǎng)控制

逆變器控制回路的設(shè)計采用空間矢量脈寬調(diào)制（SVPWM）控制策略，該策略使得波形畸變率較低以及調(diào)制深度較高，并且具有響應(yīng)速度快和開關(guān)損耗低等優(yōu)點[10]。轉(zhuǎn)速外環(huán)電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制方式能夠增強系統(tǒng)靜態(tài)能力、提高動態(tài)響應(yīng)速度，且具有抗干擾能力強、低頻段增益較高等優(yōu)點[11]。雙閉環(huán)控制系統(tǒng)流程圖如圖6所示。

在三相靜止對稱坐標(biāo)系中，逆變并網(wǎng)中時變交流量的控制設(shè)計較為復(fù)雜，將三相靜止對稱坐標(biāo)通過Park變換，使得其轉(zhuǎn)化為與電網(wǎng)基波頻率下同步旋轉(zhuǎn)的[dq]坐標(biāo)系。經(jīng)過坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)變換可將基波正弦量轉(zhuǎn)化為同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系的直流分量，從而使控制策略得到優(yōu)化[12]。本文設(shè)計的SVPWM逆變并網(wǎng)控制框圖如圖7所示。

控制電路的設(shè)計采用電壓解耦型矢量控制。該系統(tǒng)由兩部分構(gòu)成，其中內(nèi)環(huán)為電機勵磁與轉(zhuǎn)矩的電流環(huán)，外環(huán)為磁鏈與電機轉(zhuǎn)速控制環(huán)。

在系統(tǒng)外環(huán)中，實際轉(zhuǎn)速[ω]與給定轉(zhuǎn)速[ωref]進行比較，將差值傳送至轉(zhuǎn)速PI調(diào)節(jié)器后得到[Tref]。磁鏈觀測器實測的轉(zhuǎn)矩[Te]與給定轉(zhuǎn)矩[Tref]比較，將差值傳送至轉(zhuǎn)矩PI調(diào)節(jié)器后得到轉(zhuǎn)矩電流給定值[iqref]。同時，實測磁鏈值[?r]與磁鏈給定值[?ref]做差后并傳送至磁鏈PI調(diào)節(jié)器后得到勵磁電流給定值[idref]。

在系統(tǒng)內(nèi)環(huán)中，將測量到的電機三相交流電流[iABC]經(jīng)過Clarke，Park變換，得到電機定子電流勵磁分量[id]和轉(zhuǎn)矩分量[iq]。將[iq]，[iqref]及[id]，[idref]分別進行做差計算，再將差值分別傳送至電流解耦PI調(diào)節(jié)后得到兩相旋轉(zhuǎn)[dq]坐標(biāo)系下的電壓分量[Udref]和[Uqref]，再通過Park逆變換后得到兩相靜止坐標(biāo)系下的給定電壓分量[Uαref]和[Uβref]。通過SVPWM調(diào)制電壓分量[Uαref]和[Uβref]得到脈沖信號，該脈沖信號可有效控制逆變器開關(guān)的通斷，從而實現(xiàn)IGBT逆變器和斬波器的導(dǎo)通與關(guān)斷。

4 ?仿真平臺及參數(shù)

4.1 ?仿真平臺

本文使用Matlab R2016a軟件中Simulink工具對設(shè)計進行仿真，建立了DC 1 500 V再生制動能量逆變回饋混合系統(tǒng)的仿真模型[13]。異步電機采用矢量控制方式，其原理為借助坐標(biāo)變換可將三相交流的磁場和旋轉(zhuǎn)體上的直流磁場進行等效變換，直流磁場系統(tǒng)的兩個相互垂直的分量分別代表直流電機的勵磁分量和轉(zhuǎn)矩分量，分別用勵磁分量、轉(zhuǎn)矩分量來調(diào)節(jié)磁場及轉(zhuǎn)矩大小，即將交流量轉(zhuǎn)化為直流量進行控制，再分別對勵磁分量和轉(zhuǎn)矩分量進行調(diào)節(jié)以獲得較好的控制性能[14]。

該模型通過調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速及扭矩以模擬地鐵列車運行的不同工況，并分別模擬不同的行車密度，對SVPWM控制策略的響應(yīng)速度、混合裝置的可行性及性能狀態(tài)進行仿真測試。

4.2 ?仿真參數(shù)

牽引供電系統(tǒng)參數(shù)：三相交流電電壓35 kV，頻率50 Hz。整流變壓器容量3.5 MV?A，額定變壓比35/1.18/1.18 kV，線路阻抗12%，12%，8%。

線路參數(shù)：線路電阻[0.01 ?Ω/m]，線路電感0.2 mH，直流側(cè)電容7 500 [μF]。

開關(guān)參數(shù)：IGBT開關(guān)頻率[fIGBT=]10 kHz。

LCL濾波器參數(shù)：[L1=]6.5 mH，[L2=]1.5 mH，濾波電感[C=]20 [μF]，虛擬電阻[K=]10.67 Ω。

電機參數(shù)：三相鼠籠式異步電機;[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 ?仿真結(jié)果

為解決文中提出的直流牽引網(wǎng)因再生制動導(dǎo)致的電壓升高問題，對電阻耗能裝置及混合饋能裝置進行制動的仿真驗證并對仿真結(jié)果進行對比分析。

圖8為基于純電阻制動裝置的直流牽引網(wǎng)電壓波形。列車制動時再生制動能量導(dǎo)致直流牽引網(wǎng)電壓升高。其電壓超過設(shè)置閾值后，開啟電阻耗能裝置，此時電壓迅速下降并穩(wěn)定在1 650 V左右。從圖8中可看出電阻耗能型制動裝置反應(yīng)迅速，性能穩(wěn)定。但再生制動能量以熱能散失，造成了大量的能源浪費。

圖9為逆變?電阻混合制動裝置的直流牽引網(wǎng)電壓波形圖。該控制系統(tǒng)在電壓達到1 780 V時，開啟逆變裝置，但因為逆變裝置容量有限，當(dāng)多列車同時制動時，無法將全部的再生制動能量進行逆變。所以直流牽引網(wǎng)電壓持續(xù)升高，0.95 s時達到電阻耗能裝置的開啟閾值，此時電阻裝置與逆變裝置均處于工作狀態(tài)。大功率電阻吸收再生制動能量，使得直流牽引網(wǎng)電壓迅速下降。在1.1 s時，電網(wǎng)電壓降至1 730 V時，切除電阻耗能裝置，此時只啟用逆變裝置對電能進行處理。最終將牽引網(wǎng)電壓穩(wěn)定至1 650 V左右，保證了列車的運行安全。

圖10為回饋并網(wǎng)側(cè)A相電壓、電流波形圖。啟動逆變裝置后，逆變并網(wǎng)的電流[ia]波形幾乎與電壓[Ua]同頻率、同相位，因此可見逆變回饋效果較好，功率因數(shù)接近1，基本滿足并網(wǎng)要求。

6 ?結(jié) ?語

本文將逆變回饋型裝置的節(jié)能特性與電阻耗能型裝置的高效特性相結(jié)合，提出并設(shè)計了一種逆變?電阻混合型再生制動能量利用裝置。通過仿真實驗結(jié)果證實該混合型制動裝置的優(yōu)勢如下：

1） 減少了逆變裝置的容量，降低了設(shè)備成本;

2） 大功率電阻耗能裝置可作為備用能量消耗裝置，用于多列車制動時電壓過高，進一步提高了系統(tǒng)運行的安全性;

3） 逆變裝置可有效吸收多余再生制動能量以達到節(jié)能的目的;

4） 逆變后具有電能穩(wěn)定性強和功率因數(shù)高等優(yōu)點，可滿足并網(wǎng)回收要求，有效保證了地鐵列車安全穩(wěn)定運行。

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作者簡介：魏璁琪（1993—），男，江蘇鎮(zhèn)江人，碩士研究生，主要研究方向為智能軌道交通。

王永順（1957—），男，甘肅天水人，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向為智能軌道交通。

楊魯月（1995—），女，甘肅天水人，碩士研究生，主要研究方向為電子與通信。