典型城市軌道交通能量回饋系統建模

楊利

【摘 要】本文分析了典型城市軌道交通能量回饋系統的重要性，選取高壓型回饋型能量回饋系統作為研究模型，闡述了該模型的結構框圖，最后詳細介紹了Matlab建模的實現思路。

【關鍵詞】能量回饋系統；高壓型；matlab建模

0 引言

隨著環境危機的日益嚴重，可再生能源已成為現代社會發展的需求，在尋求新能源的同時，節能減排也顯得至關重要。目前我國城市軌道交通快速發展，城市軌道交通是所有公共交通方式中最綠色環保的，但其能耗和碳排放總量仍十分巨大，如何利用低碳技術降低能耗，減少碳排放是城市軌道交通行業的重要課題。城市軌道交通系統目前正采用或研究的低碳技術包括車輛輕型化技術、提升車載系統部件的效率、提升再生制動能力、空調通風系統智能化控制技術、節能型LED光源技術等等，其中供電系統回饋能量的再利用技術也是重要節能減排技術之一。

常規的地鐵與城軌多數車輛采用直流電源供電，但是車輛運行在制動工況時在直流母線上產生了大量能量。傳統牽引供電系統使用的方法是當母線電壓超過某個設計限定值時，采用接入電阻將直流母線上的能量以熱量的形式進行消耗，這就造成了大量的能源浪費。目前常見的解決方案有兩種：超級電容儲能型系統和能量回饋型系統。

超級電容儲能型系統使用超級電容將制動能量進行儲存給車站內其他設備使用，但由于超級電容的技術仍不夠成熟，使用此方案的案例較少。能量回饋型系統將直流母線的電能使用逆變器進行逆變，轉化為電網同步的電能，并回饋至交流電網。電力系統對能量回饋系統的運行提出了苛刻的要求，即能量回饋系統回饋的電能質量必須良好，而回饋系統中逆變器輸出電壓和電流中諧波的含量是電能質量的重要指標。

1 典型能量回饋系統的組成

能量回饋到電力系統中，必然要求將直流電逆變為交流電，按照逆變器的交流側電壓大小，將城市軌道交通能量回饋裝置分為三種類型；低壓回饋（400V）；中壓回饋（1180V）；高壓回饋（10KV，35KV）。其中高壓回饋型城市軌道交通車輛供電系統方案圖如圖1所示：

上圖中牽引供電系統將交流電網的高壓電整流為直流電，給城市軌道交通車輛供電。高壓回饋系統將城市軌道車輛制動時產生的能量逆變為交流電，回饋到交流電網。由于高壓回饋型能量回饋系統具有對電網沖擊較小、制動電能重新分配再利用的特點，本文中選取該高壓回饋型能量回饋系統作為典型城市軌道交通能量回饋系統的研究模型。

典型城市軌道交通能量回饋系統選取高壓回饋方案，其總體框圖如圖2所示，首先控制器通過各類傳感器采集能量回饋系統模型的交流電壓、交流電流、直流電流、直流電壓信號，經控制器中調制算法精確計算后輸出控制脈沖，控制能量回饋系統模型中的變流器輸出預期的電流波形。

2 典型能量回饋系統建模

城市軌道交通能饋系統的主電路框圖如圖3所示。系統主電路分為交流電網子模型、變壓器子模型、能饋變流器子模型、能饋中間回路子模型、直流電網子模型五大子模型。其中交流電網模型向變壓器子模型輸出交流牽引網電壓信號，變壓器子模型輸出交流電流信號給能饋變流器模型，能饋變流器模型返回交流電壓信號給變壓器子模型，變壓器子模型返回交流電流給交流電網模型；直流電網模型向能饋變流器模型輸出直流牽引網電壓信號，能饋變流器模型返回直流電流信號給直流電網模型。這些主電路模型輸出電壓、電流信號給控制器模型。

由于該仿真系統側重于能量回饋系統穩定運行模擬和諧波消除，對仿真的實時性要求不高，因此，仿真系統采用純數字離線仿真模式，可直接采用MATLAB/Simulink的電力系統仿真工具箱SimPowerSystems（ 簡稱SPS）進行建模，主電路各模塊或者由SPS直接提供，或者由SPS中各基本模塊搭建組合而成，完成各模塊建模后，按照系統拓撲結構連接構成系統仿真模型。

各子模型的具體實現思路：

變壓電網子模型：直接采用SPS中的Three-Phase-Soure模塊模擬35kv或10kv高壓交流供電網。

變壓器子模型建模：在本文中不考慮變壓器非線性飽和特性，對變壓器模型進行簡化建模；

能饋變流器模塊：為便于單獨設置變流器模塊中每個開關器件的參數，以模擬環流的產生，采用六個SPS中分立的IGBT（）原件模型構成一個變流器仿真模型；

能饋中間回路子模型： 在本文中不考慮其非線性飽和特性，對能饋中間回路子模型進行簡化建模；

直流電網子模型：在每個仿真時刻，讀取相應的預期電壓值，并按需求疊加相應的諧波信號（諧波信號發生器采用SPS中的正弦波模塊“Sine Wave”，可設置其幅值、相位和頻率），將疊加后的信號作為受控電壓源的輸入，再將受控電壓源與電感、電阻串接即可構建基于電壓源的直流牽引網仿真模型。

3 結論

針對能源緊缺、城市軌道交通節能的迫切需求，本文研究典型城市軌道交通能量回饋系統。由于高壓回饋型能量回饋系統具有對電網沖擊較小、制動電能重新分配再利用的特點，本文中選取該高壓回饋型能量回饋系統作為研究模型。在Matlab中搭建模型時，將能量回饋系統模型分為交流電網子模型、變壓器子模型、能饋變流器子模型、能饋中間回路子模型、直流電網子模型五大子模型，并詳細闡述了各子模型的實現思路，為后續典型城市軌道交通能量回饋系統的研究和優化打下了基礎。

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[責任編輯：張濤]endprint