雙向變流型再生電能吸收利用系統研究

張靈芝

（湖南鐵路科技職業技術學院，湖南 株洲 412000）

隨著城市軌道交通網絡的快速發展，人們在關注城市軌道交通車輛舒適性和自動化程度的同時，也逐漸意識到軌道交通的環境效益和節能問題的重要性。城市軌道交通運營過程中必然需要頻繁起動和制動，傳統供電系統中車輛制動時產生的多余能量都被浪費，制動能量若能加以合理利用必能產生良好的經濟效益。針對以上情況，本文以雙向變流型再生電能吸收利用系統為具體對象，研究城市軌道交通再生制動能量利用技術。該系統能實現系統再生能量吸收利用單位功率因數超過95%，是一種較為經濟、有效的解決方案。

1 系統概述

雙向變流型再生電能吸收利用系統的主要功能是在列車制動時將多余的再生制動能量反饋回交流電網，同時不僅能夠抑制直流網壓的大范圍波動，減小直流電壓紋波，提高供電質量，更重要的是還能避免列車再生制動能量在能耗電阻上的白白消耗，節約電能。整套裝置額定工況下輸出功率因數大于0.98，額定工況下整套設備效率超過95%。

1.1 系統原理

雙向變流型再生電能吸收利用系統中為了盡量減少再生電能吸收利用裝置對既有線路運行的影響，將該裝置的整流/逆變通路與既有的牽引變電所整流通路分離，采用其整流/逆變支路與二極管整流牽引機組并列布置方式，再生電能吸收利用系統直流側通過直流饋線柜和直流柜接直流牽引網，交流側通過40.5kV 開關柜接站內35kV 母線，系統工作原理如圖1所示。

圖1 系統工作原理圖

1.2 系統結構

雙向變流型再生電能吸收利用系統中的再生電能吸收利用裝置主要包括變壓器（NKB）、雙向變流柜（NKINV）及直流柜（ZG），變壓器（NKB）低壓側四個繞組分別與雙向變流柜的四重模塊相連，而雙向變流柜（TSB）的直流負極引入直流柜，其直流正極直接引入直流1500V 開關柜（D）；其中直流柜（ZG）完成雙向變流型再生電能吸收利用裝置與直流母線負極（N）的隔離、濾波功能及網絡通訊等功能，雙向變流柜（NKINV）則實現電能在直流側與交流側的雙向流動，同時完成系統級功能、系統級保護等功能；變壓器（NKB）則將電壓在高壓與低壓之間的轉換及隔離。系統內部結構圖如圖2所示。

圖2 雙向變流型再生電能吸收利用裝置系統結構框圖

2 系統功能

雙向變流型再生電能吸收利用裝置主要具有逆變回饋功能、整流牽引功能、穩壓功能等功能，能在列車制動時將多余的再生制動能量反饋回交流中壓電網，并且還可在列車牽引時與變電所牽引整流機組共同為列車提供能量。同時該裝置還可以抑制直流網壓的波動，減小直流電壓紋波，提高牽引供電質量。同時本裝置還具有單位功率因數控制、邏輯控制功能、保護功能、通信功能、顯示功能、數據采集及存儲功能、聯鎖與聯跳功能、試驗功能等輔助功能項。這里主要介紹逆變回饋功能、整流牽引功能和穩壓及單位功率因數控制功能。

2.1 逆變回饋功能

本裝置的回饋功能是將列車電制動時產生的不能被臨近車輛吸收的再生能量反饋回中壓交流電網，供其他負荷使用，實現能量的循環再利用。為實現上述系統主要功能，主電路拓撲方面采用變壓器耦合的4 重化四象限PWM 變流器方案，如圖3所示。

圖3 主電路拓撲方案

2.2 整流牽引功能

本系統具有與二極管整流機組協同供電的功能，即牽引功能，可在本系統額定輸出功率范圍內提供牽引電能，供給車輛起動牽引所需。并根據不同的控制目標，合理分配本系統與二極管整流機組之間的牽引功率大小，以實現協同供電效益最大化。

在雙向變流型再生電能吸收利用裝置工作牽引功能時，為了實現與二極管牽引整流機組的協調工作，并達到特定的控制目標（功率分配、直流電壓波動最小等），可利用雙向變流型再生電能吸收利用裝置良好的可控性，根據需要對直流輸出特性（外特性）進行控制。雙向變流型再生電能吸收利用裝置具備兩種典型的輸出特性曲線——恒壓特性和下垂特性。

2.3 穩壓及單位功率因數控制功能

本系統具有穩定直流母線電壓的功能，通過雙向變流柜的逆變回饋/整流牽引功能及控制軟件中的穩壓控制環節實現，單位功率因數功能則通過控制軟件中的電流環實現。

雙向變流型再生電能吸收利用裝置采用經典的電壓、電流雙閉環PWM 四象限變流器控制策略，電壓外環作為控制外環，通過測量雙向變流器實際輸出的直流電壓，與設定的穩定電壓值比較，進行閉環控制，并給出電流內環的有功電流給定值，使得整套裝置能夠按照設定的穩壓值進行輸出，在額定功率范圍內，達到穩定直流母線電壓的目的。

電流內環作為底層的控制內環，通過對雙向變流器直流側電壓和交流側電流進行測量，并采用基于同步旋轉坐標變化的控制方式，將交流電流轉換成直流電流，從而實現有功電流、無功電流的閉環獨立控制，并通過將無功電流設置為零的方式，使得雙向變流器輸出的功率因數達到±1，實現系統單位功率因數控制。

3 系統特性

3.1 系統外特性

現有的牽引變電所加入雙向變流型再生電能吸收利用系統后，其直流側外特性曲線發生明顯變化如圖4、圖5。列車采取電制動時，二極管整流機組停止工作，再生電能吸收利用裝置起動逆變運行，采用恒壓控制模式，在裝置額定輸出功率范圍內穩定直流輸出電壓，系統工作在V-I特性曲線的左半區；列車起動牽引時，由二極管整流機組與再生電能吸收利用裝置協同工作，系統工作在V-I特性曲線的右半區，根據不同的控制目標，有不同的外特性控制曲線，這里給出典型的兩種外特性曲線圖。

模式1：雙向變流型再生吸收利用裝置在逆變回饋時一般采用恒壓控制模式，當列車制動功率大于裝置的額定回饋功率時，裝置轉入恒功率控制模式；在與二極管整流機組系統供電時，首先采用恒壓控制，當裝置輸出功率達到額定輸出功率時，轉入恒功控制模式。

圖4 恒壓控制模式外特性曲線

圖5 恒功控制模式外特性曲線

模式2：雙向變流型再生吸收利用裝置在逆變回饋時一般采用恒壓控制模式，當列車制動功率大于裝置的額定回饋功率時，裝置轉入恒功率控制模式；在與二極管整流機組系統供電時，首先采用下垂特性控制，當直流牽引網電壓低于DC 1500V 時，裝置轉入恒壓控制，維持直流牽引網電壓，當裝置輸出功率達到額定輸出功率時，轉入恒功控制模式。

3.2 系統保護兼容性

本系統在任何運行狀態下，都不影響供電系統整流機組及繼電保護裝置（如本支路繼保、牽引整流支路繼保及母聯柜繼保等）的正常工作。

1）設備正常運營時，依靠自身內部斷路器、整流/逆變支路上40.5kV 高壓開關柜及1500V 直流開關柜實現整流/逆變支路的保護，不影響其他繼保裝置的工作。

2）當雙向變流型再生電能吸收利用裝置故障時，通過裝置自身輸出分閘信號，依據故障級別分斷整流/逆變支路上的40.5kV 或1500V 開關柜，從而切除雙向變流型再生電能吸收利用系統，在此過程中不聯跳其他高壓開關和直流開關、也不影響其他繼保工作。

3）當雙向變流型再生電能吸收利用裝置對應40.5kV 開關柜分斷或前級母線失壓時，裝置迅速退出運行，不影響母聯備自投及其他繼保裝置的正常工作，具體測試結果如圖6至圖10所示。

3.3 電網兼容性

針對35kV 交流系統下，再生電能吸收利用裝置滿負荷工作條件下在逆變回饋功能下對供電系統網壓影響仿真分析：仿真開始時，裝置處于待機態，此時直流側電壓為空載電壓；從0.5s 開始，裝置開始回饋再生制動能量，并快速進入滿負荷工作狀態，回饋功率為4MW 至中壓交流電網。

圖6 中壓整流/逆變支路支路對應10kV 開關柜 分斷脈沖封鎖時間測試圖

圖7 40.5kV 開關柜分斷裝置退出時間測試圖

圖8 前級母線失壓脈沖封鎖時間測試圖

圖9 前級母線失壓到雙向變流型再生電能吸收 利用裝置退出時間測試圖

圖10 母線失壓后母聯自投時間測試圖

由圖11可知，再生電能吸收利用裝置從0.5s開始回饋車輛再生能量，回饋至35kV 中壓交流側的功率為3.96MW，回饋相電流有效值為64.9A。設備運行期時，35kV 交流側的初始相電壓為：20206V，穩定回饋時相電壓為20261V，相電壓有效值波動率為：0.272%，遠低于GB 12325—2008 《電能質量 供電電壓偏差》中電壓波動的要求。

圖11 中壓35kV 交流側輸出功率、相電壓及 相電流有效值測試波形

3.4 系統功率因數

前面已經介紹了雙向變流型再生電能吸收利用系統的主要功能，其中該系統控制部分采用經典電流、電壓雙閉環控制策略，電流環作為內環，將檢測到的交流電流通過同步旋轉坐標變化轉換為直流電流，從而實現有功電流、無功電流的閉環獨立控 制，并通過將無功電流iq*設置為零的方式，因而使 得雙向變流器輸出的功率因數達到±1。實現系統單位功率因數控制。

如圖12所示，35kV 網側相電壓與相電流相位互差近180°，可以保證回饋過程中35kV PCC 處監測的網側功率功率因數接近-1，滿足城市軌道交通系統再生能源回饋技術要求。

圖12 35kV 網側相電壓及相電流仿真波形

3.5 系統效率

1）在額定功率為2MW 時

應用Infineon（英飛凌）提供的IGBT 損耗軟件仿真結果如圖13所示。

圖13 額定電流時IGBT 器件損耗仿真分析

由圖13可得知，IGBT 的損耗為715+369= 1.084kW，考慮到其他部件的損耗為3.2kW，整個變流柜的損耗估算為1.084×24+3.2=29.216kW。

由上可知，雙向變流柜在額定功率為2MW 時的，損耗為29.216kW，其效率為98.54%。

2）輸出功率為1.6MW 時

應用Infineon（英飛凌）提供的IGBT 損耗軟件仿真結果如圖14所示。

圖14 額定電流的80%時IGBT 器件損耗仿真分析

由圖14可得知，IGBT 的損耗為557+345= 902W，考慮到其他部件的損耗為3.2kW，整個雙向變流柜的損耗估算為0.902×24+3.2=24.848kW。因此效率為98.447%。

3）輸出功率為1.2MW 時

應用Infineon（英飛凌）提供的IGBT 損耗軟件仿真結果如圖15所示。

圖15 額定電流的60%時IGBT 器件損耗仿真分析

由圖15可得知，IGBT 的損耗為411+322=733W，考慮到其他部件的損耗為3.2kW，整個雙向變流柜的損耗估算為0.733×24+3.2=19.592kW。因此效率為98.267%。

4）輸出功率為0.8MW 時

應用Infineon（英飛凌）提供的IGBT 損耗軟件仿真結果如圖16所示。

圖16 額定電流的40%時IGBT 器件損耗仿真分析

由圖16可得知，IGBT 的損耗為268+300=568W，考慮到其他部件的損耗為3.2kW，整個雙向變流柜的損耗估算為0.568×24+3.2=16.832kW。因此效率為97.896%。

系統效率分析：

雙向變流柜的效率曲線如圖17所示，主要設備中：隔離變壓器效率為98.9%，雙向變流柜效率為98.5%，直流控制柜中僅電抗器存在2.2kW 左右的損耗，效率為99.8%，因此額定工況下整套設備的效率為：97.2%，加入運行中預期的運行損耗，雙向變流型再生電能吸收利用裝置的利用效率超過95%。

圖17 雙向變流柜不同負載條件下效率分析

3.6 系統整體特點

除了上述5 點系統特性，雙向變流型再生吸收利用系統具有如下整體特點：

1）雙向變流型再生吸收利用系統采用城軌車輛牽引系統所用的大功率牽引級IGBT 器件，過載能力強，在間歇工作制（30s/120s）時最高過載可達到200%；牽引級IGBT 比工業等級IGBT 在工藝流程方面更加嚴格，如在晶圓測試、硅片測試、封裝及整件測試方面，均體現其質量安全可靠，確保系統高可靠性、高功率密度、節能率高等特點。

2）雙向變流型再生吸收利用系統集能量回饋、牽引供電、提高供電品質等多種功能于一體，設備利用率高，供電系統大大簡化。

3）雙向變流型再生吸收利用裝置在回饋模式時，因短時過載能力強，在地鐵負載間歇工作制下，節能率高，本產品在某地鐵正線進行了近1年運營考核，平均節能率達到38%。

4）雙向變流型再生吸收利用系統采用了多重化并聯技術，提高系統輸出電能質量，保證系統與既有電網良好兼容性。

5）雙向變流型再生吸收利用系統采用軸向多分裂變壓器技術，提高系統抗故障失效能力，增強系統與既有變電所供電系統的保護兼容性。

6）雙向變流型再生吸收利用系統采用了完善的外特性控制技術，提供多種控制方式，實現系統整流與逆變工況之間平滑過渡，以及與既有整流機組之間能量的自動分配。

7）雙向變流型再生吸收利用系統采用基于功率組件的系統設計理念，可實現快速的維護維修，最大限度減少設備停機時間。

8）雙向變流型再生吸收利用系統實現了基于以太網的實時數據采集與記錄，可實現系統運行狀態的實時監控，以及智能故障診斷。

4 結論

綜上所述，雙向變流型再生電能吸收利用系統具有能量雙向流動，輸出特性可控，功率因數可調等顯著優點，不僅能夠實現列車制動能量的再生利用，取代能耗電阻，達到節能減排的目的，還能減小直流電壓波動范圍及紋波，提高供電品質。此外，還可以對中壓環網進行無功補償，提高系統功率因數。整套系統技術先進、性能可靠，結合工程實際需要，采取合理的應用方案，可以發揮其巨大的技術優勢，獲得良好的投資回報，市場前景非常廣闊。因此，雙向變流型再生電能吸收利用系統是解決城市軌道交通再生能源利用問題的一種較為經濟、有效的解決方案。

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