地鐵能量回饋系統充電回路的優化方案

黃志高， 劉洪德， 連建陽， 李曉飛， 杜海源

(1.國網江蘇省電力公司，江蘇 南京 210024；2.南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211102；3.石家莊軌道交通有限責任公司，河北 石家莊 050000)

地鐵能量回饋系統充電回路的優化方案

黃志高1， 劉洪德2， 連建陽2， 李曉飛3， 杜海源3

(1.國網江蘇省電力公司，江蘇 南京 210024；2.南京南瑞繼保電氣有限公司，江蘇 南京 211102；3.石家莊軌道交通有限責任公司，河北 石家莊 050000)

地鐵能量回饋系統可以將地鐵剎車的能量回饋到電網中，達到節能和穩定直流電壓的目的。而充電回路的設計不僅關系到能饋裝置的安全運行而且影響并網后對電網系統的沖擊。分析了地鐵能饋系統的工作原理，并給出交流充電和直流充電2種設計方案和充電流程，最后通過搭建1.2 MW背靠背的能饋系統試驗平臺，進行了充電和并網試驗。試驗結果表明，直流充電方案不僅能滿足能饋系統的并網需求而且操作流程簡單可靠，是理想的充電方案。

能量回饋；充電回路；軟并網

地鐵制動時產生的電能可高達牽引電能的40%，會造成直流電網電壓的升高，傳統的投入電阻方案造成能源的巨大浪費，逆變型地鐵再生能饋裝置成為主流解決方案[1,2]。充電回路的設計不僅關系到能饋裝置的安全運行，而且影響并網后對電網系統的沖擊。文獻[3-5]介紹了逆變型地鐵再生能饋裝置的拓撲、原理及掛網數據。文獻[6]介紹了能饋裝置的交流充電回路和交流側軟并網策略，然而對直流側并網并無分析。本文分析了地鐵能饋系統的工作原理，并給出交流充電和直流充電2種設計方案和充電流程，最后通過搭建1.2 MW背靠背的能饋系統試驗平臺，進行了充電和并網試驗。

1 地鐵能饋系統的原理

能饋裝置的拓撲和控制策略如圖1所示，能饋裝置由LCL濾波器和三相半橋PWM整流器組成。能饋裝置采用基于同步坐標系的雙閉環控制，實現了有功和無功的獨立解耦，外環直流電壓環的作用主要是控制逆變器直流側電壓，而內環的作用主要是按直流電壓外環輸出的電流指令進行電流控制[7-9]。

2 軟并網控制策略及仿真分析

能饋裝置主電路結構圖如圖2所示，由于逆變器的直流電容和濾波器的濾波電容的存在，如果沒有相關充電回路而直接合開關，會造成很大的電容沖擊電流，該電流可能會經過絕緣柵雙極晶體管(IGBT)，對能饋裝置和系統都不利。

圖1 能饋系統的控制策略

圖2 能饋裝置主電路拓撲

2.1 軟并網控制策略

交流軟并網控制策略如圖3所示，Uac_d，Uqb_d表示網側、橋臂側電壓d軸分量，Uac_q、Uqb_q表示網側、橋臂側電壓q軸分量。以電網電壓為控制目標調節橋臂電壓達到軟并網的目的。

圖3 交流軟并網控制策略

2.2 軟并網仿真分析

由圖4、圖5可知，采用軟并網策略后，系統950 V側沖擊電流最大值由1200 A降低到150 A，系統電壓過渡平穩。

表1 主電路參數

圖4 未用軟并網策略時并網波形

圖5 用軟并網策略時的并網波形

3 地鐵能饋系統充電回路的設計

3.1 地鐵能饋系統交流充電回路

地鐵能饋裝置交流充電回路如圖6、7所示，圖中S1為交流開關，S2為交流充電接觸器，S3為直流開關。圖6中R如果選取過大，R上壓降較大，合S2時有較大沖擊電流，如果R選取較小，電容充電電流較大，R上功率較大，阻值較難選擇。另外合S1后，R，Lf,Rd和Cf形成回路，R的功率較大，如果S2不能及時合上，R發熱嚴重，有較大風險。圖7中采用外加二極管整流橋給電容充電，R在直流側可以減小電阻的功率及數量，合上S2后，電容充電電流會逐漸減小到0，相對于圖6是比較合適的充電回路。

圖6 交流充電回路1

圖7 交流充電回路2

地鐵能饋裝置交流充電流程如圖8所示，合S2后，交流電源通過二極管不控整流橋和電阻對逆變器電容進行充電，逆變器電容電壓大于0.9倍交流線電壓峰值表示逆變器電容充電結束，然后進行交流軟并網，橋臂電壓與電網電壓差值小于0.1 p.u.表示軟并網結束，合S1，由于交流充電的Udc1較低，直接合S3仍有較大的電容沖擊電流，所以以Udc為控制目標解鎖逆變器，待逆變器電容電壓與直流電壓電壓一致時合S3，交流充電結束。在此過程中有任一不滿足條件，交流充電失敗跳閘。

圖8 交流充電流程

3.2 地鐵能饋系統直流充電回路

地鐵能饋裝置直流充電回路如圖9所示，圖中S1為交流開關，S2為直流充電接觸器，S3為直流開關。地鐵能饋裝置直流充電流程如圖10所示，合S2后，直流電網通過電阻對逆變器電容進行充電，若逆變器電容電壓大于0.9倍直流電網電壓，表示充電完成，合S3，然后進行交流軟并網，待橋臂電壓和交流電網電壓一致時合S1，直流充電結束。在此過程中有任一不滿足條件，直流充電失敗跳閘。

圖9 直流充電回路

圖10 直流充電流程

4 實驗驗證

地鐵能饋試驗平臺構成的總體拓撲如圖11所示，由2臺三相半橋逆變器S1、S2和1個三繞組變壓器組成，2臺逆變器的直流母線并聯，交流輸出與變壓器的兩組副邊繞組連接[10]。

圖11 試驗平臺總體拓撲

圖12為試驗平臺交流軟并網的電網電壓和橋臂電壓波形，由圖中可知橋臂電壓Ua以斜坡上升，幅值和相位與網側壓Ua一致時進行并網。由圖13知，并網時電網電壓過渡平穩，橋臂電流沖擊較小，最大瞬時值只有250 A。

圖12 并網時電網電壓和橋臂電壓波形

圖13 并網時橋臂電流波形

5 結束語

地鐵能量回饋系統使地鐵制動能量的利用率大幅提高。本文介紹了能饋系統交流直流兩種充電方案，兩種方案的都能抑制并網電流沖擊，實現能饋系統平滑并網。常規的交流充電回路操作復雜，用的元器件較多，直流充電回路操作流程簡單可靠，充電回路僅需電阻和充電接觸器，成本較低，是理想的充電方案。

[1] 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, 14(6)：42-45.

[2] 龐艷鳳，袁月賽. 地鐵再生能量利用方案比較[J]. 機車電傳動，2014(1)：77-83.[3] 牛化鵬，張海龍，桑福環，等. 地鐵列車模塊化再生制動能量回饋變流器的研制[J]. 城市軌道交通研究，2015, 16(6)：87-89.

[4] 陳德勝. 城軌新型能饋式牽引供電集成技術研究及試驗[D]. 北京：北京交通大學，2014.

[5] 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]. 城市軌道交通研究， 2011，12(3)：36-39.

[6] 李 潔，鄭伊飛，鄭月賓，等. 地鐵再生制動能量回饋裝置軟并網技術研究[J]. 城市軌道交通研究，2015,16(10)：89-92.

[7] 劉國華，洪 丹，王 瑞，等. 雙饋風機轉子側變流器不平衡控制策略[J]. 江蘇電機工程，2015,34(2)：5-9.

[8] 許愛國，謝少軍. 城市軌道交通牽引供電PWM變流器的研究[J]. 電力電子技術，2009, 43(12)：7-9.

[9] 王 軍，江 平，楊海英. 城市軌道交通制動能量逆變回饋系統研究[J]. 城市軌道交通研究，2007, 8(12)：23-27.

[10] 王 宇，楊 浩，方太勛，等. 地鐵再生電能回饋系統試驗研究[J]. 電力電子技術，2016, 50(6)：86-90.

黃志高

黃志高(1962 —)，男，江蘇泗陽人，高級工程師，從事電力系統及自動化研究工作；

劉洪德(1986 —)，男，山東濰坊人，工程師，從事電子技術在電力系統中應用工作；

連建陽(1987 —)，男，福建泉州人，工程師，從事電子技術在電力系統中應用工作；

李曉飛(1983 —)男， 河北廊坊人， 工程師，從事軌道交通供變電系統應用技術工作；

杜海源 (1982 —)男, 河北井陘人，工程師，從事軌道交通供變電及自動化工作。

Optimization Scheme for Charging Circuit of the Subway Energy Feedback System

HUANG Zhigao1，LIU Hongde2，LIAN Jianyang2，LI Xiaofei3，DU Haiyuan3

(1. State Grid Jiangsu Electric Power Company, Nanjing 210024, China; 2. Nanjing Nari-Relays Electric Co. Ltd.,Nanjing 211102, China; 3. Shijiazhuang Urban Rail Transit Co. Ltd., Shijiazhuang 050000, China)

Subway energy feedback system can put the subway brake energy back to the power grid, to save energy and stabilize DC voltage. The design of the charging circuit is related to not only the secure operation of the energy feedback device, but also the impact on the power grid when the device is connected to the power grid. After analyzing the working principle of subway energy feedback system, AC charging and DC charging, the two design schemes are given with their charging process. Through building 1.2 MW back-to-back test platform system, the charging experiment and the grid connection experiment have been conducted. The results show that the DC charging scheme is the ideal charging scheme, not only because it meets the cut-in requirements of the subway energy feedback system, but also because its operation process is simple and reliable.

energy feedback; charging circuit; soft cut-in

2016-10-15；

2016-11-21

U231.8

A

2096-3203(2017)01-0095-03