地鐵再生制動能量回饋裝置軟并網技術研究

李 潔 鄭伊飛 鄭月賓 唐圣輝 桑福環

(1.鄭州市軌道交通有限公司，450000，鄭州;2.西安許繼電力電子技術有限公司，710075，西安∥第一作者，工程師)

地鐵列車電制動時產生的大量再生電能返回到直流接觸網時，會造成直流接觸網電壓升高，這對電站設備和列車的運行都非常不利。為穩定直流接觸網電壓，目前所采用的方案主要有電阻消耗、電容儲能、飛輪儲能、逆變回饋等［1］。其中，逆變回饋裝置可將再生制動能量回饋到電網，節能效果好，且系統簡單、投資小，得到越來越多的應用［2-3］。

地鐵再生制動能量回饋裝置多采用PWM(脈沖寬度調制)變流器，其直流側為直流支撐電容，用以穩定直流母線電壓;交流側多采用LCL(電感電容電感多階)濾波器，用以抑制高頻諧波電流。其主電路結構如圖1所示。能量回饋裝置的交流側一般通過交流接觸器與電網連接，由于電網給交流濾波電容充電，以及通過IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)反并聯二極管給直流支撐電容充電，若接觸器直接合閘，在合閘瞬間則會產生很大的沖擊電流，甚至會引起交流過壓、過流保護，不僅對電網造成了沖擊，而且降低了裝置的可靠性，影響裝置的使用壽命。

圖1 再生制動能量回饋裝置主電路結構圖

再生制動能量回饋裝置并網一般采用電阻輔助軟啟方式，即:通過串聯軟啟電阻限制沖擊電流，待接觸器合閘后再將軟啟電阻切除。這種并網方式簡單，然而軟啟電阻較難選擇。若軟啟電阻阻值較小，則流過電阻的電流很大，不僅要選取功率很大的電阻，而且損耗還較大;若軟啟電阻阻值較大，則軟啟電阻上分壓較大，在接觸器合閘時仍會給電容充電，沖擊電流仍然較大。本文提出了一種新的軟并網方法:在合閘前通過控制三相逆變橋的輸出，使得交流濾波電容以斜坡遞增的形式逐步建立起與電網同幅、同頻、同相的交流電壓，以抑制接觸器合閘瞬間的電流沖擊。本文利用MATLAB/Simulink 軟件對該并網方法進行了仿真驗證，并在一臺1.2 MW 地鐵再生制動能量回饋裝置上進行了軟并網試驗，仿真和試驗結果均證明了該并網方法的有效性。

1 回饋裝置的工作原理

再生制動能量回饋裝置主要由IGBT 逆變器、LCL 濾波器和控制單元構成，其控制結構如圖2所示(圖中PLL 為鎖相環)。控制單元采用基于空間矢量調制(SVPWM)的雙閉環結構［4］，外環控制直流接觸網電壓:給定電壓值(Udc_ref)與實際直流接觸網電壓(Udc_fdb)的差值作為PI(比例積分)調節器的輸入，PI 調節器輸出作為內環對應有功功率的d 軸電流的給定，通過調節逆變器將有功功率傳送到電網并穩定直流接觸網電壓。內環控制逆變器的輸出電流:在與電網電壓矢量同步旋轉的d-q 坐標系下，利用內環PI 調節器分別控制輸出電流的d、q 軸分量，實現有功和無功的解耦控制。最后再經過iPark變換后利用 SVPWM 算法生成 PWM 脈沖，控制IGBT 的開通和關斷。

圖2 回饋裝置控制結構框圖

2 軟并網控制策略

2.1 概述

由于交流濾波電容和直流支撐電容的存在，若能量回饋裝置直接并網，電容上會產生很大的沖擊電流，這對裝置自身及電網都不利。因而，并網前先對交流濾波電容上的電壓進行控制，使其逐步建立起一個與電網同幅、同頻、同相的交流電壓后再進行并網操作，以抑制并網沖擊電流。并網完成后再從軟并網控制切換到電壓電流雙閉環控制，如圖3所示。為實現軟并網控制，首先要進行直流預充電，為能量回饋裝置直流側建立起合適的直流電壓;然后通過檢測交流電網電壓，準確鎖定電網電壓的頻率和相位;最后調節三相逆變橋的調制度，采用基于SVPWM 的開環控制方式控制逆變橋的輸出，使得交流濾波電容上以斜坡遞增的形式建立起與電網同幅、同頻、同相的電壓。

圖3 軟并網控制策略切換框圖

2.2 直流預充電電路

為使并網前三相逆變橋輸出PWM 波，需要先使直流側建立起合適的電壓。本文采用交流電網通過整流橋為直流側充電的方式建立直流電壓。直流預充電電路如圖4所示。所建立的直流電壓的理論值為Udc= 1.414Ue(Ue為交流電網線電壓)。

圖4 直流預充電電路圖

2.3 軟件鎖相環設計

基于瞬時無功理論的軟件鎖相環［5］可以快速有效地檢測電網電壓相位和頻率。其原理是:首先將三相輸入電壓 Uab、Ubc、Uca經 Clarke 變換后轉換到兩相靜止坐標系，再經過Park 變換后從靜止坐標系轉換到與電壓同步的旋轉d-q 坐標系，得到交流電壓的直流分量Ud、Uq。電壓矢量圖如圖5所示。其中U 表示實際電網電壓矢量，Us表示鎖相環輸出的電壓矢量。

圖5 鎖相環電壓矢量圖

當鎖相環處于精確鎖定時，Us與U 重合，此時Uq=0。用0 與 Uq相減后的值送入 PI 調節器得到角頻率的誤差信號ωcon，再將ωcon與實際角頻率ω0相加得到實際角頻率，再經過積分環節即可得到實際線電壓相位θ。整個控制過程構成負反饋的閉環系統，通過調節PI 調節器來達到鎖相的目的。線電壓的相位減去π/6 即可得到相電壓相位。圖6為鎖相環原理圖。

圖6 鎖相環原理圖

2.4 控制策略

再生制動能量回饋裝置直流側預充電完成后，需要控制三相逆變橋的輸出，使得交流濾波電容上建立起與電網電壓同幅、同頻、同相的電壓。本文采用基于SVPWM 的控制策略，其原理如圖7所示。由SVPWM 的原理［6］可知，當對應有功功率的 d 軸給定時，逆變橋輸出的PWM 波經電容濾波后基本與電網電壓相匹配，若此時接觸器合閘，沖擊電流較小。

式中:

U*d——d 軸給定指令;

Uac——電網線電壓有效值;

Udc——直流側電壓。

圖7 軟并網控制框圖

為了避免逆變橋輸出對濾波電容充電時的電流沖擊，按式(1)計算出d 軸給定后，將實際指令按一定的步長由0 斜坡遞增至，這樣逆變橋輸出對電容無沖擊，電容電壓的建立過程平穩、無超調。

3 仿真分析

本文使用MATLAB/Simulink 軟件搭建了應用于DC 1 500 V 直流牽引供電系統的再生制動能量回饋裝置的軟并網仿真模型，其主要由主回路和控制系統兩部分組成。主回路包括三相PWM 逆變器、LCL 濾波器、交流接觸器和1 000 V/1 180 V 的隔離變壓器，如圖8所示。隔離變壓器高壓側接至地鐵牽引變電所的1 180 V 側。控制系統主要包括軟件鎖相環、iPark 變換和 SVPWM 模塊，如圖 9所示。

圖8 主回路模型

圖10 為再生制動能量回饋裝置直接并網的電流波形，可以看出并網時沖擊電流很大，瞬時值達到1 200 A。圖11 為軟并網波形。由圖11a)可知，在并網前，交流濾波電容電壓幅值由0 逐漸遞增，最終與電網電壓幅值相等，交流濾波電容電壓的頻率和相位基本與電網電壓的一致。由圖11b)可知，當交流濾波電容上建立起與電網同幅、同頻、同相的電壓后，在0.6 s 處進行并網，并網瞬間電網電壓過渡平穩。由圖11c)可知，在并網過程中沖擊電流很小，瞬時值最大為80 A。

圖9 控制系統模型

圖10 直接并網波形

圖11 軟并網仿真波形

4 試驗驗證

為驗證本文軟并網方法的有效性，在一臺1.2 MW 地鐵再生制動能量回饋裝置上進行軟并網試驗。圖12 a)是并網過程試驗波形。圖12 b)是并網瞬間局部放大波形。可以看出，并網前交流濾波電容電壓以斜坡遞增，當其幅值、頻率和相位與電網電壓接近時，開始執行并網操作。并網過程中，電網電壓過渡平穩，電網電流沖擊較小，瞬時值最大為152 A，滿足并網要求。

圖12 軟并網試驗波形

5 結語

針對地鐵再生制動能量回饋裝置在并網時沖擊電流過大的問題，提出了一種新的軟并網方法:在并網前通過控制三相逆變橋的輸出，使交流濾波電容上以斜坡遞增的形式逐步建立起與電網同幅、同頻、同相的電壓，以抑制并網時較大的電流沖擊。仿真和試驗均驗證了該并網方法的正確性和有效性。該方案能夠實現再生制動能量回饋裝置的平滑并網，并且提高了裝置的可靠性。

［1］馮劍冰.再生制動能量利用方式的探討［J］.城市軌道交通研究，2007(5):46.

［2］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(3):36.

［3］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，2012，46(9):60.

［4］夏景輝，鄭寧，左廣杰.地鐵車輛逆變型再生制動能量回饋方案與裝置的研究［J］.城市軌道交通研究.2013(5):53.

［5］Chung Se-kyo.A phase tracking system for three phase utility interface inverters［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，2000，15(3):431.

［6］張興，張崇巍.PWM 整流器及其控制［M］.北京:機械工業出版社，2012.