城市軌道交通再生制動能量利用研究

魏璁琪 王永順 楊魯月

摘 ?要： 為利用地鐵列車產生的再生制動能量，降低直流牽引網電壓以保證電網穩定，在原有電阻耗能型裝置的基礎上增加逆變回饋功能，設計了一種逆變?電阻混合型回饋裝置。主要闡述該裝置的設計方法、硬件組成及控制方法，通過對直流牽引網列車制動工況模擬仿真，并將仿真結果與純電阻耗能仿真對比分析。證實該混合裝置可在列車制動時快速降低并穩定牽引網電壓，較大程度地改善了隧道內的電阻發熱問題，同時將直流牽引網能量逆變為三相交流電后并網，提高了再生制動能量利用率。證實該系統設計可實現再生制動能量的高效吸收及列車安全穩定的運行。

關鍵詞： 地鐵列車; 再生制動; 逆變回饋; 能量利用; 混合裝置; 三相變流器

中圖分類號： TN99?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2020）01?0131?05

Research of regenerative braking energy utilization in urban rail transit

WEI Congqi， WANG Yongshun， YANG Luyue

Abstract： In order to utilize the regenerative braking energy generated by subway trains and reduce the voltage of DC traction network to ensure the stability of the power grid， an inverter?resistor hybrid feedback device is designed on the basis of adding the inverter feedback function to the original resistance energy dissipation device. The design method， hardware composition and control method are mainly expounded. The simulation of the braking condition of the DC traction network train is implemented， and the simulation results are compared with the simulation of pure resistance energy dissipation. It is proved that the hybrid device can quickly lower and stabilize the traction network voltage during train braking， which relieves the resistance heating in the tunnel. Meanwhile， the DC traction network energy is inverted into three?phase AC and connected to the grid， which improves the regenerative braking energy utilization rate. It is verified that the system design can realize efficient absorption of regenerative braking energy and safe and stable operation of the train.

Keywords： subway train; regenerative braking; invertible feedback; energy utilization; hybrid device; three?phase converter

0 ?引 ?言

地鐵列車再生制動能量進行存儲、吸收及再利用[1]，已成為城市軌道交通節能技術的未來發展方向。在國內城市軌道交通供電系統中，交流側電能經過不可控二極管整流器后傳送至直流側，電能只能由交流供電側單向提供至直流牽引側，無法將再生制動能量回饋至交流電網。如果列車在制動時產生的巨大能量不能及時被牽引運行列車全部消耗，剩余的制動能量將會引起直流牽引電網電壓迅速升高，將嚴重危害同牽引網下的行駛車輛及用電設備，甚至引發安全事故。

目前，再生制動能量處理裝置的類型主要有電阻耗能型、電池儲能型、飛輪儲能型和超級電容儲能型等[2]。這些儲能裝置因污染大、元器件成本較高、設計技術要求嚴格等原因，只在部分國家或地區得到應用，在國內無法大量鋪設高成本設備。為了使再生制動電能可以得到優化利用，將中壓逆變饋能裝置投入現實運用中具有十分重要的意義。

根據現階段國內外對再生制動能量處理方法的研究，設計了一種新型的逆變?電阻混合裝置。該裝置在保證直流牽引網電壓穩定的前提下，盡可能使再生制動能量高效利用。在再生制動能量回饋裝置的基礎上采用雙閉環控制系統，以直流牽引網電壓作為控制參考量，使用電壓外環、電流內環的SVPWM控制策略，運用Matlab/Simulink仿真平臺搭建1 500 V直流牽引列車的等效模型。

1 ?逆變?電阻混合型設計

地鐵列車制動時，再生制動能量導致直流牽引網電壓升高[3]。該混合回饋系統中設置兩個電壓閾值（逆變開啟閾值和電阻耗能開啟閾值），實時監測直流牽引網的電壓，控制系統根據監測電壓值所處的電壓區間開啟對應的能量處理裝置。

當多列車處于制動工況且制動密度較小時，控制系統發出指令使電力電子逆變器進入工作狀態，將直流牽引網的多余電能通過逆變裝置逆變為三相交流電，并進行升壓處理，將電能回饋至城市供電電網。

當多列車處于制動工況且制動密度較大時，控制系統在逆變回饋裝置工作的同時，發出信號使電阻耗能裝置開啟，將直流牽引網的多余電能通過電子斬波器接入大功率電阻，并且逆變回饋裝置將電能逆變后回饋至城市供電交流電網，使得直流牽引網電壓迅速下降至安全閾值范圍內。

1.1 ?逆變?電阻混合饋能原理

系統硬件設計主要包括電阻制動電路、逆變電路、檢測電路、控制電路及濾波電路五個部分。為了降低逆變過程中產生的高次諧波對電網的影響以及滿足逆變并網要求，該設計對逆變后的電能進行了濾波處理。

目前，城市軌道交通牽引供電中的整流機組均采用24脈波整流電路為列車供電[4]。從逆變并網技術發展前景來看，再生制動能量回饋至中壓交流側比回饋到低壓側更具發展潛力。因后者的回饋電網阻抗大，導致電能損耗較大，回饋能力受到限制。綜上，該設計選擇將再生制動能量回饋至35 kV電壓交流網。逆變?電阻混合型主電路圖如圖1所示。

圖1中該系統由35 kV三相交流電經降壓變壓器后與不可控二極管整流器連接，整流器輸出24脈波整流電壓至直流牽引網。通過改變電動機的狀態，以不同的轉速及扭矩來模擬單列車制動時的不同工況。

1.2 ?高次諧波抑制裝置

逆變器由多個IPM管組成，高頻開關會在逆變過程中產生較高含量的紋波。若直接將逆變后的電能進行并網，電能質量無法滿足并網要求，會對交流電網造成嚴重的諧波污染[5]。

本文設計采用有源阻尼LCL濾波器，因逆變后電壓較大[6]，為了使LCL濾波器中的電容耐壓值能滿足設計，所以選擇在設計中將電容電阻進行串聯，這就使電容所承受電壓大幅降低。從而構造虛擬電阻并搭建有源阻尼濾波器，有效解決了無源阻尼濾波器中電阻對系統造成的發熱以及系統功耗問題[7]。圖2為無源阻尼LCL濾波等效系統結構圖，圖3為有源阻尼LCL濾波等效系統結構圖。

由圖2推導得無源阻尼傳遞函數為：

[i2（s）Ui（s）=CRs+1CL1L2s3+CR（L1+L2）s2+（L1+L2）s] （1）

由圖3推導得有源阻尼傳遞函數為：

[i2（s）Ui（s）=1CL1L2s3+KCL2s2+（L1+L2）s] （2）

由式（1）和式（2）可計算得到虛擬阻值[K=R（L1+L2）L2]，其中，[R]為無源阻尼的實際阻值。

2 ?空間電壓矢量控制系統

SVPWM控制方法是將三相逆變器IGBT的三組開關通過編碼形式轉化為8個電壓矢量，將這些矢量進行合理配置，并控制所選用矢量的作用時間，使磁鏈軌跡盡可能為圓形[8]。

2.1 ?矢量合成

矢量合成是將兩個相鄰電壓矢量與一個電壓零矢量合成來表示參考電壓[Uref]，為確定每個開關周期內需要使用相對應的電壓空間矢量，需要先判斷出參考電壓所在的扇區[9]。

在三相電壓型逆變器中，用“0”表示開關關斷，用“1”表示開關導通。這樣即可得到IGBT的8種開關狀態。其電壓空間矢量圖如圖4所示。

2.2 ?扇區判斷

為確定每個開關周期內需要使用相對應的電壓空間矢量，需要先判斷出參考電壓所在的扇區。用電壓參考量[Uref]與[α]軸的夾角[θ]的大小來判斷所在扇區。具體判斷方法如下：

假設[a]，[b]，[c]變量，其關系如下所示：

[a=Uβb=32Uα-12Uβc=-32Uα-12Uβ] （3）

令[N=a+2b+4c]，其中，[a]，[b]，[c]不能同時為0或1。若[Uβ>0]，則[a=1];否則[a=0]。如果[3Uα-Uβ>0]，則[b]=1;否則[b]=0。如果[3Uα+Uβ>0]，則[c]=1;否則[c]=0。根據[a]，[b]，[c]取值確定[N]，[N]值與扇區對應關系見表1。

2.3 ?合成時間計算

以第一扇區為例，設電壓矢量[U0]，[U1]，[U2]作用時間分別為[T0]，[T1]，[T2]，PWM周期為[Ts]，基準電壓矢量為[Uref]，計算矢量[U1]和[U2]的各自作用時間。在兩相靜止坐標系中，電壓矢量線性組合示意圖如圖5所示。

由圖5可知，電壓矢量[U1]與[U2]滿足以下關系式：

[U1T1+U2T2cos 60°=UαTsU2T2cos 60°=UβTs] （4）

其余5個扇區的基本計算原理與第一扇區推導過程相同，各扇區的基準電壓矢量作用時間表見表2。

在SVPWM調制過程中，若在一個開關周期內，兩個非零電壓矢量的作用總時間大于一個開關周期，即[T1+T2>Ts]，那么[T1=T1T1+T2Ts]，[T2=T2T1+T2Ts]。若[T1+T2

2.4 ?切換時間計算

設圖1中[Q1?Q2]，[Q3?Q4]，[Q5?Q6]三個開關的切換時間分別為[Tcmp1]，[Tcmp2]，[Tcmp3]。逆變器三個橋臂上的開關導通時間分別為[Ta]，[Tb]，[Tc]，其關系如下所示：

[Ta=T04=Ts-T1-T24Tb=T04+T12=Ta+T12Tc=T04+T12+T22=Tb+T22] （5）

根據合成空間電壓矢量所在扇區，可得出不同扇區切換點[Tcmp1]，[Tcmp2]，[Tcmp3]與各橋臂開關導通時間[Ta]，[Tb]，[Tc]關系如表3所示。

3 ?三相變流器并網控制

逆變器控制回路的設計采用空間矢量脈寬調制（SVPWM）控制策略，該策略使得波形畸變率較低以及調制深度較高，并且具有響應速度快和開關損耗低等優點[10]。轉速外環電流內環的雙閉環控制方式能夠增強系統靜態能力、提高動態響應速度，且具有抗干擾能力強、低頻段增益較高等優點[11]。雙閉環控制系統流程圖如圖6所示。

在三相靜止對稱坐標系中，逆變并網中時變交流量的控制設計較為復雜，將三相靜止對稱坐標通過Park變換，使得其轉化為與電網基波頻率下同步旋轉的[dq]坐標系。經過坐標旋轉變換可將基波正弦量轉化為同步旋轉坐標系的直流分量，從而使控制策略得到優化[12]。本文設計的SVPWM逆變并網控制框圖如圖7所示。

控制電路的設計采用電壓解耦型矢量控制。該系統由兩部分構成，其中內環為電機勵磁與轉矩的電流環，外環為磁鏈與電機轉速控制環。

在系統外環中，實際轉速[ω]與給定轉速[ωref]進行比較，將差值傳送至轉速PI調節器后得到[Tref]。磁鏈觀測器實測的轉矩[Te]與給定轉矩[Tref]比較，將差值傳送至轉矩PI調節器后得到轉矩電流給定值[iqref]。同時，實測磁鏈值[?r]與磁鏈給定值[?ref]做差后并傳送至磁鏈PI調節器后得到勵磁電流給定值[idref]。

在系統內環中，將測量到的電機三相交流電流[iABC]經過Clarke，Park變換，得到電機定子電流勵磁分量[id]和轉矩分量[iq]。將[iq]，[iqref]及[id]，[idref]分別進行做差計算，再將差值分別傳送至電流解耦PI調節后得到兩相旋轉[dq]坐標系下的電壓分量[Udref]和[Uqref]，再通過Park逆變換后得到兩相靜止坐標系下的給定電壓分量[Uαref]和[Uβref]。通過SVPWM調制電壓分量[Uαref]和[Uβref]得到脈沖信號，該脈沖信號可有效控制逆變器開關的通斷，從而實現IGBT逆變器和斬波器的導通與關斷。

4 ?仿真平臺及參數

4.1 ?仿真平臺

本文使用Matlab R2016a軟件中Simulink工具對設計進行仿真，建立了DC 1 500 V再生制動能量逆變回饋混合系統的仿真模型[13]。異步電機采用矢量控制方式，其原理為借助坐標變換可將三相交流的磁場和旋轉體上的直流磁場進行等效變換，直流磁場系統的兩個相互垂直的分量分別代表直流電機的勵磁分量和轉矩分量，分別用勵磁分量、轉矩分量來調節磁場及轉矩大小，即將交流量轉化為直流量進行控制，再分別對勵磁分量和轉矩分量進行調節以獲得較好的控制性能[14]。

該模型通過調節電機轉速及扭矩以模擬地鐵列車運行的不同工況，并分別模擬不同的行車密度，對SVPWM控制策略的響應速度、混合裝置的可行性及性能狀態進行仿真測試。

4.2 ?仿真參數

牽引供電系統參數：三相交流電電壓35 kV，頻率50 Hz。整流變壓器容量3.5 MV?A，額定變壓比35/1.18/1.18 kV，線路阻抗12%，12%，8%。

線路參數：線路電阻[0.01 ?Ω/m]，線路電感0.2 mH，直流側電容7 500 [μF]。

開關參數：IGBT開關頻率[fIGBT=]10 kHz。

LCL濾波器參數：[L1=]6.5 mH，[L2=]1.5 mH，濾波電感[C=]20 [μF]，虛擬電阻[K=]10.67 Ω。

電機參數：三相鼠籠式異步電機;[PN=]188 kV?A，[UN=]1 170 V，[Rs=]1.798 Ω，[Ls=]7.3 mH，[Rr=]1.588 Ω，[Lr=]7.7 mH，[Lm=]0.388 mH，[Np=2]，[nN=]1 600 r/min。

5 ?仿真結果

為解決文中提出的直流牽引網因再生制動導致的電壓升高問題，對電阻耗能裝置及混合饋能裝置進行制動的仿真驗證并對仿真結果進行對比分析。

圖8為基于純電阻制動裝置的直流牽引網電壓波形。列車制動時再生制動能量導致直流牽引網電壓升高。其電壓超過設置閾值后，開啟電阻耗能裝置，此時電壓迅速下降并穩定在1 650 V左右。從圖8中可看出電阻耗能型制動裝置反應迅速，性能穩定。但再生制動能量以熱能散失，造成了大量的能源浪費。

圖9為逆變?電阻混合制動裝置的直流牽引網電壓波形圖。該控制系統在電壓達到1 780 V時，開啟逆變裝置，但因為逆變裝置容量有限，當多列車同時制動時，無法將全部的再生制動能量進行逆變。所以直流牽引網電壓持續升高，0.95 s時達到電阻耗能裝置的開啟閾值，此時電阻裝置與逆變裝置均處于工作狀態。大功率電阻吸收再生制動能量，使得直流牽引網電壓迅速下降。在1.1 s時，電網電壓降至1 730 V時，切除電阻耗能裝置，此時只啟用逆變裝置對電能進行處理。最終將牽引網電壓穩定至1 650 V左右，保證了列車的運行安全。

圖10為回饋并網側A相電壓、電流波形圖。啟動逆變裝置后，逆變并網的電流[ia]波形幾乎與電壓[Ua]同頻率、同相位，因此可見逆變回饋效果較好，功率因數接近1，基本滿足并網要求。

6 ?結 ?語

本文將逆變回饋型裝置的節能特性與電阻耗能型裝置的高效特性相結合，提出并設計了一種逆變?電阻混合型再生制動能量利用裝置。通過仿真實驗結果證實該混合型制動裝置的優勢如下：

1） 減少了逆變裝置的容量，降低了設備成本;

2） 大功率電阻耗能裝置可作為備用能量消耗裝置，用于多列車制動時電壓過高，進一步提高了系統運行的安全性;

3） 逆變裝置可有效吸收多余再生制動能量以達到節能的目的;

4） 逆變后具有電能穩定性強和功率因數高等優點，可滿足并網回收要求，有效保證了地鐵列車安全穩定運行。

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作者簡介：魏璁琪（1993—），男，江蘇鎮江人，碩士研究生，主要研究方向為智能軌道交通。

王永順（1957—），男，甘肅天水人，教授，博士生導師，主要研究方向為智能軌道交通。

楊魯月（1995—），女，甘肅天水人，碩士研究生，主要研究方向為電子與通信。