一種模擬地鐵環境的能饋試驗系統

劉洪德, 王 宇， 桑靜波,杜海源

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

0 引言

隨著我國大城市交通問題的日益突出，大力發展城市軌道交通已成為城市交通發展的必然選擇[1-5]。地鐵再生制動能量的吸收方式主要有電阻消耗、電容儲能、逆變回饋、飛輪儲能等。其中，基于逆變方式的能量回饋變流器的節能效果好，且系統簡單、投資小，得到越來越多的關注與應用[6-10]。北京千駟馭、湖南恒信、許繼電氣、時代電氣、株洲所等國內廠家都已研制兆瓦級逆變型能饋裝置，然而如何模擬地鐵頻繁的啟動、制動工況，為能饋裝置提供試驗環境，國內一直未見相關報道。

文中設計了由背靠背2臺逆變器組成的再生電能回饋試驗系統。該試驗系統中一臺逆變器控制有功功率，模擬地鐵的啟動和制動，使得直流網壓升高或降低。另一臺逆變器工作在能饋模式，在直流網壓高于能饋門檻值時解鎖，把功率輸送到交流電網中，同時穩定直流電壓；在直流網壓低于能饋門檻值時閉鎖進入待機狀態。該系統為地鐵能饋系統現場掛網運行提供了有力的試驗支撐。

1 能饋系統工作原理

能饋系統在地鐵供電系統的接入方案見圖1，地鐵供電系統是由并聯的2個12脈動的整流器構成24脈波整流器。能饋系統可以將地鐵剎車后直流母線的能量回饋到10 kV/35 kV交流系統中。

圖1 能饋系統接入方案示意Fig.1 Experimental access scheme

(1) 能饋系統解鎖。能饋系統檢測直流電壓，當其大于啟動門檻時，立即開啟脈寬調制(pluse width modulation,PWM)脈沖信號，并將直流電壓控制到特定控制目標，使地鐵剎車制動能量快速回饋到電網。該特定控制目標要大于二極管整流器空載電壓，以防止二極管整流器與系統形成環流[11-13]。

(2) 能饋系統待機。能饋系統檢測到交流電流小于特定值或者直流電流反向，表明地鐵剎車已結束或地鐵已啟動，能饋系統立即閉鎖PWM脈沖信號，進入待機狀態。

2 能饋試驗系統研究

2.1 能饋試驗平臺設計

地鐵能饋試驗平臺構成的總體拓撲如圖2所示，由2臺三相半橋逆變器S1、S2和一個三繞組變壓器組成，2臺逆變器的直流母線并聯。S1為模擬剎車逆變器，S2為能饋逆變器，S1、S2通過變壓器兩副邊繞組形成功率環流[14-17]。

圖2 試驗平臺總體拓撲圖Fig.2 Experimental overall topology

2.2 能饋系統試驗方法

圖3為模擬地鐵環境的能饋系統試驗流程。S1和S2分別交流充電進入待機狀態。以有功功率為控制目標解鎖S1，該功率方向為S1流向S2，指令為脈沖型(30 s為1.2 MW，90 s為0 MW)，功率指令斜率為1.2 MW/s。S2檢測到直流電壓升高超過能饋啟動門檻1600 V后，以直流電壓為控制目標解鎖S2，直流電壓指令1500 V。等待直流電壓穩定，且持續90 s后，控制S1的功率指令為0 MW，此時回饋過程結束，逆變器2閉鎖進入待機狀態。重復以上步驟，可以校核逆變器S1和S2器件溫升情況。

圖3 試驗流程Fig.3 Experimental flow

3 試驗研究

試驗平臺的主電路參數如表1所示，按照圖3的試驗方法，S2由待機進入解鎖時網側有功功率波形如圖4所示，直流電壓波形如圖5所示。

表1 主電路參數Tab.1 Main circuit paramers

圖4 S2解鎖時網側有功功率Fig.4 Input power (S2 deblock)

圖5 S2解鎖時直流電壓Fig.5 DC voltage (S2 delock)

由圖4、圖5可見，直流電壓達到能饋啟動門檻1600 V時，S2迅速解鎖，功率1 s內由0 kW到-1200 kW。

S2由解鎖進入待機時網側有功功率波形如圖6所示，直流電壓波形如圖7所示。由圖6、圖7可知，網側功率變小時，交流電流小于門檻值40 A后，S2迅速閉鎖，功率1 s內由-1200 kW到0 kW。

圖6 S2待機時輸入功率Fig.6 Input power (S2 standby)

圖7 S2待機時直流電壓Fig.7 DC voltage (S2 standby)

4 結語

文中設計了一套模擬地鐵環境的能饋試驗系統，并通過搭建試驗平臺完成了能量回饋試驗，試驗結果表明該試驗系統可以模擬地鐵啟動和制動的過程，模擬地鐵制動車時，能饋設備快速解鎖回饋能量，模擬地鐵啟動時，能饋設備快速閉鎖。試驗系統可以為能饋設備提供真實的工作環境，試驗方法對能饋設備的出廠試驗具有較大的指導意義。

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