基于SVPWM控制的地鐵再生制動能量吸收系統的仿真研究

彭賽莊，朱曉青，秦斌，黃世敢

(湖南工業大學，電氣與信息工程學院，湖南株洲 412007)

基于SVPWM控制的地鐵再生制動能量吸收系統的仿真研究

彭賽莊，朱曉青，秦斌，黃世敢

(湖南工業大學，電氣與信息工程學院，湖南株洲 412007)

本文首先對城市軌道交通地鐵再生制動能量逆變回饋吸收系統的構成及工作原理進行了分析，然后在MATLAB中搭建了基于SVPWM控制的逆變回饋型再生制動能量吸收系統的仿真模型(包括主電路和控制電路模型)。仿真結果表明：該模型能滿足地鐵列車再生制動能量的吸收利用以及達到穩定牽引網電壓的要求，可為實際工程問題提供參考。

SVPWM；逆變回饋；再生制動能量

0 引言

目前在我國城市軌道交通總運營費用的13%～17%用于電力消耗[1]，城市軌道交通中的用電可分為牽引用電與輔助設備用電。據上海地鐵運營線路的數據統計，機車運行時的牽引用電占到了總用電量的50%～60%，是主要的用電部分，而空調、通風、照明等輔助設備約占總用電量的40%～50%[2]。地鐵車輛在運行過程中，由于站間距離較短，列車的起制動頻繁，因此制動能量相當可觀。

目前，地鐵再生制動能量回饋吸收的代表技術主要分為逆變至城市中壓網和低壓負荷兩類。本文將逆變得到的三相交流電并入地鐵動力照明系統中去(低壓負荷類)，逆變器的控制回路采用基于SVPWM的雙環PI控制策略，具有響應速度快、波形畸變率低、調制深度較高、開關損耗低等優點。

1 逆變回饋系統的構成及其工作原理

當地鐵車輛再生制動時，直流牽引網電壓會升高，這時通過并聯在直流側的三相電壓型逆變器，將地鐵再生制動產生的能量逆變回饋到交流電網中去，能夠實現制動能量的吸收利用。為減少整流裝置產生的高次諧波對電網及其設備的不利影響，目前城市軌道交通牽引供電系統中廣泛采用24脈波整流機組為機車供電。

逆變回饋型再生制動是將逆變裝置與牽引網直流母線相連接，直流電通過三相電壓型逆變器后將變換成三相交流電。由于逆變器由多個開關器件構成，因此在逆變過程中會產生諧波電流，這里采用無阻尼LCL型濾波器對其濾波。然后將濾波后的三相交流電并入地鐵動力照明系統，其間需加設一臺變壓器，該變壓器主要是將得到的電壓降至所需的380V，其次將兩側進行電氣隔離，起隔離變壓器的作用。圖1為逆變回饋型再生制動能量吸收系統的主電路原理圖。

圖1 逆變回饋型再生制動能量吸收系統的主電路原理圖Fig. 1 The main circuit schematics of regenerative braking energy feedback device inverter

逆變回饋型再生制動能量吸收系統的工作原理為：當地鐵機車再生制動時，再生制動能量會使直流牽引網電壓升高，當電壓超過某一設定值時并網逆變器工作并從直流牽引網吸收電流，這樣地鐵再生制動產生的能量最終回饋到380V交流電網；同時直流牽引網的電壓會下降并穩定在設定值，這將確保機車直流牽引供電系統的安全與穩定，防止機車再生制動失效。

2 并網逆變器控制原理分析

2.1 基于SVPWM的雙環控制結構

在三相對稱靜止坐標系的數學模型中，由于并網逆變器交流側的物理量均隨時間的變化而變化,因此控制系統的設計比較復雜。為了簡化控制系統的設計，我們可以通過坐標變換將其轉換到與電網基波頻率同步的旋轉d，q坐標系中，即通過坐標變化將三相靜止坐標系中的交流變量轉化為同步旋轉坐標系中的直流變量。在與電網電壓矢量同步的旋轉d，q坐標系中，對逆變器的輸出電流利用同步矢量電流PI控制器調節后再施行閉環控制，以實現有功與無功的解耦，使并網逆變器的輸出功率因數為1。

圖2 逆變并網控制系統回路Fig. 2 The Inverter Grid control system loop

圖2為逆變并網控制系統的回路圖。控制回路采用采用基于SVPWM控制的雙環結構，外環控制直流牽引網的電壓，而內環控制逆變器的輸出電流。這里把參考電壓值Vdef設為1620V，實時采集牽引網電壓udc信號，然后將參考電壓Vd與牽引網電壓udc送入比較器，實時比較牽引網電壓幅值是否超過設定值，用來判斷逆變器是否觸發啟動，比較得到的誤差通過PI調節器調解得到電流參考值iref。電壓外環有兩個作用：一是為電流內環提供一個參考電流值，二是穩定直流牽引網的電壓。三相交流電的實際電流值iabc經dq解耦后得到電流有功分量id，與iref比較后通過PI調節再經過電網電壓前饋補償得到Vd。而在并網過程中希望盡可能多的產生有功，因此將電流的無功分量iq與0比較后通過PI調節再經過電網電壓前饋補償得到Vq、Vd、Vq通過Park逆變換得到Vα、Vβ，然后將Vα、Vβ信號送入SVPWM調制，得到6路脈沖信號用來觸發逆變器的開關元件。

2.2 SVPWM原理

三相全橋電壓型逆變器(其拓撲結構如圖3所示)由6個功率開關管構成，同一橋臂的上、下兩個開關管(如S1、S2)互鎖，而且任意時刻只有3個開關器件導通，因此逆變器只有8種開關狀態。假如每相上橋臂的開關器件用“0”表示關斷狀態，用“1”表示導通狀態，那么這8種開關狀態可用100、110、010、011、001、101以及000和111來表示。每種開關狀態對應一個電壓空間矢量，對應的這8個電壓空間矢量如圖4所示。

圖3 三相電壓型全橋逆變器主電路圖Fig. 3 The circuit diagram of three-phase voltage fullbridge inverter

圖4 電壓空間矢量圖Fig. 4 The voltage space vector

圖4中的電壓空間矢量由兩個位于復平面中心且幅值為零的零矢量U0、U7以及6個相位互差60°、幅值相等的基本矢量U0～U6構成，它們把復平面化分為6個扇區I～VI，形成一個正六邊形。

這里采用基于線性組合的SVPWM控制策略，其原理是在每一個開關周期內，通過對兩個相鄰基本電壓矢量與零矢量之間的切換進行合理地控制使其逼近旋轉參考矢量Uref，讓合成的電壓矢量運動軌跡盡量地接近圓形。以扇區I為例,在一個周期內Uref可由基本電壓矢+量U4、U6及零矢量U0、U7合成，通過控制逆變器輸出電壓矢量U4、U6及U1、U7的切換時刻，就可以逼近參考電壓Uref。則有：

UrefT0=U0T0+U4T4+U6T6+U7T7

式中：T0、T4、T6、T7分別為電壓矢量U0、U4、U6、U7的作用時間，Ts為采樣周期。

3 仿真模型的建立及分析

3.1 仿真模型的建立

利用MATLAB中的Simulink庫和SimPowerSystems 庫搭建逆變回饋型再生制動能量吸收系統的主電路仿真模型，如圖3所示。主電路主要由三相全橋電壓型逆變器、無阻尼LCL型濾波器以及隔離變壓器組成。逆變器由6個IGBT器件構成，能將牽引網中直流電變換成交流；由于逆變器輸出的交流電中含有大量的諧波，所以設置了無阻尼的LCL型濾波電路對其進行濾波，其后加設一臺變壓器，其目的是可將得到的電壓降至所需380V，其次充當隔離變壓器的作用。

根據圖2逆變并網控制回路原理圖，搭建如圖6所示的基于電流內環電壓外環的逆變并網的控制模型，為主電路中三相逆變器提供脈沖觸發信號。

控制回路部分參數設置如下：設直流牽引網電壓參考值U*dc=1620V；K1取值為LCL無源阻尼的虛擬電阻值10.67，K2=K3=ωL=2πfL=2.04；Ud取直流電壓的倍約為1324V；PLL為鎖相環模塊；SVPWM為空間矢量控制模塊，主要由扇區判斷模塊，矢量作用時間計算模塊、PWM波產生模塊組成。

3.2 仿真結果分析

機車制動時反饋的能量會導致直流牽引網中的電壓升高，仿真中做如下假設：

1)機車以恒定的減速度制動。

2)只有一輛地鐵機車制動時，按要求僅一套逆變回饋機組工作。

圖6 逆變并網SVPWM控制模型Fig. 6 SVPWM inverter grid control model

3)據某客運站單列車以初速度80km/h模擬制動時數據顯示，直流牽引網電壓超過1700V,這里假設為1750V。

逆變器輸出的三相電壓如圖8所示，圖9為無阻尼LCL型濾波器輸出側的三相電壓波形，由于LCL濾波器的加入，濾除了高次諧波，可以看出其輸出電壓波形已接近于正弦波。

降壓變壓器并網側的輸出電壓波形如圖10所示，說明其電壓已成功逆變并網至動力照系統380V電網中；圖11為列車制動能饋型逆變器工作時牽引網電壓變換波形，當t=0(s)時地鐵機車制動，牽引網電壓超過1620V達到1750V,逆變器進入逆變狀態，由圖11的仿真波形可以看出牽引網電壓穩定較快，電壓值達到1750V后升迅速下降并穩定在目標值1620V左右,基本達到了預期效果。

圖7 SVPWM仿真模塊Fig.7 SVPWM simulation module

圖8 逆變器輸出三相電壓波形Fig. 8 The output voltage waveform of three-phase inverter

4 結論

這里針對城市軌道交通地鐵機車再生制動的特點，搭建了基于SVPWM控制的逆變回饋型再生制動能量吸收系統的仿真模型。仿真結果驗證了該控制方法的有效性和可行性，該方案能夠有效地抑制直流牽引網電壓的波動，快速穩定直流母線電壓，同時回饋能量給交流電網，提高了系統的效率。

圖9 LCL濾波器輸出三相電壓波形Fig. 9 The output phase voltage waveform of LCL filter

圖10 并網側(低壓)三相電壓波形Fig. 10 The voltage waveform of the network side (low pressure) phase

圖11 列車制動能饋型逆變器工作時牽引網電壓變換波形Fig. 11 The network voltage conversion waveform when the train braking energy inverter is work

[1] 胡俊. 城市軌道交通運營成本研究[D]. 北京: 北京交通大學, 2007.

J Hu. The research of urban rail transit operating costs[D]. Beijing: Beijing Jiaotong University, 2007.

[2] 楊儉, 黃厚明, 方宇, 等. 上海軌道交通二號線列車運行能耗分析[J]. 內燃機車, 2009, 1(4): 23-25.

J Yang, H M Huang, Y Fang, et al. The analysis of Shanghai metro line-2 train operation energy consumption[J]. Internal combustion engine, 2009, 1(4): 23-25.

[3] 葉蘭蘭. 城市軌道交通再生制動能量回收系統研究[D]. 西南交通大學, 2013.

L L Ye. The research of city rail transit regenerative braking energy recovery system[D]. Southwest Jiao Tong University, 2013.

[4] 欒桂海. 城市軌道交通再生制動逆變回饋系統研究[D]. 西南交通大學, 2011.

G H Luan. The research of city rail transit regenerative braking feedback system[D]. Southwest Jiao Tong University, 2011.

[5] 張秋瑞, 畢大強, 葛寶明. 地鐵再生制動能量逆變回饋電網裝置的研究[J]. 電力電子技術, 2012, 09: 61-63.

Q R Zhang, D Q Bi, B M Ge. Study on Metro regenerative braking energy feedback inverter power device[J]. Power electronic technology, 2012, 09: 61-63.

[6] 陳勇, 劉承志, 鄭寧, 等. 基于逆變回饋的地鐵再生制動能量吸收的研究[J]. 電氣化鐵道, 2011, 03: 36-39.

Y Chen, C Z Liu, N Zhen, et al.. Study on the regenerative braking energy feedback inverter based on absorption of subway[J]. Electrified railway, 2011, 03: 36-39.

[7] 唐萍. 城軌交通再生制動仿真計算與逆變回饋式節能方案研究[D]. 華中科技大學, 2013.

P Tang. Study on feedback scheme of urban rail transit energy regeneration braking simulation calculation and inverter[D]. Huazhong University of Science and Technology, 2013.

[8] 趙峰, 理文祥, 葛蓮. 基于SVPWM控制的逆變器仿真研究[J]. 電源技術, 2012, 09: 1386-1389.

F Zhao, W X Li, L Ge. Study on Simulation of inverter based on SVPWM control[J]. Power supply technology, 2012, 09.

The Simulation Research of the Subway Regenerative Braking Energy Absorption System based on SVPWM Control

PENG Saizhuang, ZHU Xiaoqing, QIN Bin, HUANG Shigan
(School of Electrical and Information Engineering, Hunan University of Technology, Zhuzhou Hunan 412007, China)

Firstly this paper analyzes the structure and working principle of inverter feedback type composition of the urban rail transit subway regenerative braking energy absorption systems.And build a simulation models of the feedback inverter regenerative braking energy based on SVPWM control (including the main circuit and control circuit model) in MATLAB. The simulation results showed that: The device can meets the subway regenerative braking energy absorption and utilization, it also can achieve the requirements of stabling traction network voltage and solve practical engineering problems.

SVPWM; inverter feedback; regenerative braking energy

10.3969/j.issn.2095-6649.2015.03.03

: PENG Saizhuang, ZHU Xiaoqing, QIN Bin, et al.. The Simulation Research of the Subway Regenerative Braking Energy Absorption System based on SVPWM Control [J]. The Journal of New Industrialization, 2015, 5(3): 20?27.

國家自然科學基金項目(61074067), 湖南省高校科技創新團隊資助。

彭賽莊(1989-), 男, 湖南工業大學碩士研究生, 主要研究方向: 城市軌道交通再生制動能量回收系統的研究; 朱曉青(1958-), 男, 教授, 研究生導師, 主要研究領域為自動控制與檢測教學與研究; 秦斌(1963-), 男, 教授, 研究生導師,主要研究領域為復雜系統建模與優化控制。

彭賽莊，朱曉青，秦斌，等．基于SVPWM控制的地鐵再生制動能量吸收系統的仿真研究[J]．新型工業化，2015，5(3)：20-27