基于逆变回馈的地铁再生制动能量吸收的研究

陈 勇，刘承志，郑 宁，庄 岩，曹景雷

0 引言

地铁站间距较短，列车启动、制动频繁，约40%的能量被浪费，可回收的制动能量可观。现有的电阻式再生制动吸收电能未被有效利用，能量被电阻以发热的形式消耗掉，存在一定的能源浪费，散发的热量会引起地铁隧道的温升，加重空调和通风设施的负担，进一步引起能源浪费，同时在地铁隧道的封闭系统里存在粉尘污染及车辆自重大等问题，这与节能环保的主题相悖[1]。再生制动是利用电机转换的原理消耗机械能，只是将制动中产生的电能反馈到电网中去加以利用，因此再生制动能够节约电能，属于比较理想的制动方式[2]。

随着国内关键技术的掌握和发展，开发逆变回馈型再生制动能量吸收装置无论从技术上还是造价上已具有可行性。例如国内一些公司在逆变回馈型再生制动能量吸收装置的自主创新上已进入样机研制阶段，因此开展自主研发或集成引进创新逆变回馈型再生制动能量吸收装置是十分必要的。从降低轨道交通运营成本和节约能源的角度出发，研究逆变回馈型再生制动能量吸收装置具有重要意义，符合国家节能减排、低碳环保政策[3]。此外，还有其他一些再生制动能量吸收方案，比如电阻耗能型、电容储能型和飞轮储能型再生制动能量吸收，这里就不再一一赘述。下面着重分析逆变回馈型再生制动能量吸收装置的构成、工作原理及其试验结果。

1 逆变回馈系统的构成及其工作原理

再生制动能量逆变回馈系统采用能量回馈方式，该系统主要由隔离开关、回馈变流器、隔离变压器构成。其中，回馈变流器主要由电力电子功率模块、控制单元、滤波器等组成[4]。

逆变回馈系统为三相电流型逆变电源，工作原理框图如图1 所示。它的主要功能是将地铁车辆再生制动时产生的能量通过整流变压器反馈回交流35 kV 中压环网，供其他负载使用，起到节约能源的作用，同时稳定直流牵引网电压，保证地铁直流牵引供电系统安全可靠运行。

逆变回馈系统的工作原理描述如下：

（1）系统回馈运行。逆变回馈装置启动后，装置首先按照启动时序将各断路器、接触器闭合，使装置进入待机状态。进入待机状态后，装置实时检测直流母线电压，当装置检测到直流母线电压高于设定值（DC 1 650 V，可调节）后，会立即开启PWM 脉冲信号，控制功率器件IGBT，使其工作，通过快速调节电流，使直流母线侧由地铁刹车制动时产生的能量，快速回馈到电网中；同时稳定直流母线电压，将直流母线电压稳定在设定值（DC 1 650 V，可调节），确保地铁直流供电系统的安全稳定。此时由于直流母线电压值高于整流器不可控整流值，整流器二极管会自动停止工作。

（2）系统待机运行。当装置检测到直流电流的方向发生改变时，回馈变流器为整流工作状态，即车辆处于牵引状态，因地铁牵引启动需要的能量大于回馈装置的容量，此时回馈装置即刻封锁PWM 脉冲信号并退出运行，进入待机状态，地铁牵引所需能量完全由牵引整流机组提供，直流母线电压快速回落至DC 1 500 V 附近。另外当回馈装置运行后，检测到回馈的能量接近于0（30 s 内平均值），装置会自动退出运行，进入待机运行，因此可避免电网电压AC 1 180 V 侧较高时引起回馈装置误动作。

图1 再生制动能量逆变回馈系统原理框图

2 系统的仿真建模及试验结果分析

再生制动能量逆变回馈系统仿真模型由主电路和控制电路组成。运用MATLAB7.1 软件中的Simulink 和SimPowerSystems 2 个工具箱构建再生制动能量逆变回馈系统的主电路仿真模型，如图2所示。

图2 再生制动能量逆变回馈系统的主电路仿真模型图

主电路主要由PWM 型逆变器、LC 滤波器以及隔离变压器组成。PWM 型逆变电路由6 个IGBT构成逆变桥，将直流电变换成交流电。由于逆变器输出的交流电含有大量谐波，所以要设置滤波电路进行滤波，LC 串联谐振滤波电路设置在隔离变压器低压900 V 侧。为了防止逆变器的某一桥臂短路时，直流电流直接进入交流系统，所以在逆变器输出端与整流变压器副边AC 1 180 V 间加入一台900 V/1 180 V 的隔离变压器，保证直流电流不会进入交流系统。

运用 MATLAB7.1 软件中的 Simulink 和SimPowerSystems 2 个工具箱构建再生制动能量逆变回馈系统的控制电路仿真模型，如图3 所示。

图3 再生制动能量逆变回馈系统的控制电路仿真模型图

逆变回馈系统的控制电路由电流调节子系统和PWM 发生器组成。控制电路采用SPWM 控制策略，调压控制器采用数字式PI 控制，实时地调节输出电压的幅值，以满足实际需要。控制电路把逆变后的三相交流电用一个电流测量元件将三相电流反馈回来，与给定的参考电流信号进行比较，所得到的误差信号经过PI 调节器进行调节，调节后的信号送入PWM 发生器，用来控制PWM 发生器的调制正弦波的幅值。PWM 发生器产生的PWM波又来控制逆变电路开关器件IGBT 的开通与关断，从而实现调压功能。

地铁列车运行大致可以分为3 个过程：车辆匀速行驶、车辆刹车制动和车辆牵引启动。地铁列车再生制动回馈动态全过程的模拟试验如图4 和图5所示。

图4 列车制动时电压和回馈能量变化图

由试验结果图4 可以看出，当列车由匀速行驶转为制动时，直流母线电压开始升高；此刻，当逆变回馈型再生制动能量吸收装置检测到直流母线电压高于设定值后立刻投入运行，将制动能量迅速回馈至交流电网，回馈电网电流平稳。同时使直流母线电压稳定在设定值，确保不超过稳压设定值；直流稳压动态无超调，稳态电压恒定。

图5 列车启动时电压和回馈能量变化图

由试验结果图5 可以看出，当列车启动时，通过检测能量流动的方向，若能量由再生制动回馈变流器流向直流母线，则逆变回馈型再生制动能量吸收装置退出回馈运行状态并转到系统待机状态，直流母线电压迅速降低，地铁列车运行时的所需能量由牵引变电所大功率整流机组提供。由试验结果分析表明，本文中设计的逆变回馈型再生制动能量吸收装置达到了预期的能量吸收、降低直流母线电压的效果[5]。

逆变回馈型再生制动能量吸收装置采用高频开关器件IGBT 实现的变流器具有谐波含量小、控制方法灵活并且动态性能好等优点，成为人们研究和应用的热点[6，7]。基于PWM 并网逆变器的再生制动能量吸收方案除了可以在机车再生制动时稳定直流侧电压，还有如下优点：

（1）交流电网侧采用电感滤波，不存在换向电压畸变，且交流电流谐波含量小，对电网污染轻。

（2）入网功率因数高，并且不因回馈功率变化而变化，可减少无功补偿设备的投资。

（3）由于功率管的开关频率比较高，滤波器体积容量可以设计得比较小，滤波器损耗小，并且动态响应快。

（4）充分利用了地铁列车再生制动能量，提高了再生制动能量的利用效率，节能效果好，还可减小机车制动电阻的容量。

（5）其能量直接回馈到电网，既不要配置储能元件，也不要吸收电阻，因此对环境温度影响小。

3 结论

逆变回馈型再生制动能量吸收装置将在城市轨道交通中发挥着重要作用，它的应用能够节约能源，降低地铁运营成本，提高经济效益，同时保证地铁车辆及变电所设备的安全运行，因此对其进行相关研究具有重要的现实意义。仿真试验结果表明，文中所设计的逆变回馈型再生制动能量吸收装置满足地铁列车再生制动能量的吸收利用以及稳定牵引网电压的要求，能够解决实际工程问题。

[1] 马琪.国产地铁车辆制动系统[J].都市快轨交通，2004，17（增刊）：101-110.

[2] 吴峻，李圣怡，潘孟春，等.再生制动的分析与控制[J].电工技术，2001，（12）：21-22.

[3] 孙延焕.再生制动吸收设备的应用介绍[J].电气化铁道，2005，（3）：40-41.

[4] 冯建兵.再生制动能量方式的探讨[J].城市轨道交通研究2007，（6）：46-52.

[5] 李政，潘孟春，胡楷.城市轻轨再生制动能量吸收的仿真研究[J].系统仿真学报，2009，（8）：4916-4919.

[6] Sang-Hoon Song, Su-Jin Jang, Hyo-Jin Bang,Chung-Yuen Won.Regeneration inverter system for DC traction with harmonic reduction capability.IEEE, IECON 2004:1463-1468.

[7] C.H.Bael, M.S.Han, Y.K.Kim, C.Y.Choi, and S.J.Jang.Simulation study of regenerative inverter for DC traction substation.IEEE, ICEMS 2005, vol 2:1452-1456.