基于SVPWM控制的地铁再生制动能量吸收系统的仿真研究

彭赛庄，朱晓青，秦斌，黄世敢

(湖南工业大学，电气与信息工程学院，湖南株洲 412007)

基于SVPWM控制的地铁再生制动能量吸收系统的仿真研究

彭赛庄，朱晓青，秦斌，黄世敢

(湖南工业大学，电气与信息工程学院，湖南株洲 412007)

本文首先对城市轨道交通地铁再生制动能量逆变回馈吸收系统的构成及工作原理进行了分析，然后在MATLAB中搭建了基于SVPWM控制的逆变回馈型再生制动能量吸收系统的仿真模型(包括主电路和控制电路模型)。仿真结果表明：该模型能满足地铁列车再生制动能量的吸收利用以及达到稳定牵引网电压的要求，可为实际工程问题提供参考。

SVPWM；逆变回馈；再生制动能量

0 引言

目前在我国城市轨道交通总运营费用的13%～17%用于电力消耗[1]，城市轨道交通中的用电可分为牵引用电与辅助设备用电。据上海地铁运营线路的数据统计，机车运行时的牵引用电占到了总用电量的50%～60%，是主要的用电部分，而空调、通风、照明等辅助设备约占总用电量的40%～50%[2]。地铁车辆在运行过程中，由于站间距离较短，列车的起制动频繁，因此制动能量相当可观。

目前，地铁再生制动能量回馈吸收的代表技术主要分为逆变至城市中压网和低压负荷两类。本文将逆变得到的三相交流电并入地铁动力照明系统中去(低压负荷类)，逆变器的控制回路采用基于SVPWM的双环PI控制策略，具有响应速度快、波形畸变率低、调制深度较高、开关损耗低等优点。

1 逆变回馈系统的构成及其工作原理

当地铁车辆再生制动时，直流牵引网电压会升高，这时通过并联在直流侧的三相电压型逆变器，将地铁再生制动产生的能量逆变回馈到交流电网中去，能够实现制动能量的吸收利用。为减少整流装置产生的高次谐波对电网及其设备的不利影响，目前城市轨道交通牵引供电系统中广泛采用24脉波整流机组为机车供电。

逆变回馈型再生制动是将逆变装置与牵引网直流母线相连接，直流电通过三相电压型逆变器后将变换成三相交流电。由于逆变器由多个开关器件构成，因此在逆变过程中会产生谐波电流，这里采用无阻尼LCL型滤波器对其滤波。然后将滤波后的三相交流电并入地铁动力照明系统，其间需加设一台变压器，该变压器主要是将得到的电压降至所需的380V，其次将两侧进行电气隔离，起隔离变压器的作用。图1为逆变回馈型再生制动能量吸收系统的主电路原理图。

图1 逆变回馈型再生制动能量吸收系统的主电路原理图Fig. 1 The main circuit schematics of regenerative braking energy feedback device inverter

逆变回馈型再生制动能量吸收系统的工作原理为：当地铁机车再生制动时，再生制动能量会使直流牵引网电压升高，当电压超过某一设定值时并网逆变器工作并从直流牵引网吸收电流，这样地铁再生制动产生的能量最终回馈到380V交流电网；同时直流牵引网的电压会下降并稳定在设定值，这将确保机车直流牵引供电系统的安全与稳定，防止机车再生制动失效。

2 并网逆变器控制原理分析

2.1 基于SVPWM的双环控制结构

在三相对称静止坐标系的数学模型中，由于并网逆变器交流侧的物理量均随时间的变化而变化,因此控制系统的设计比较复杂。为了简化控制系统的设计，我们可以通过坐标变换将其转换到与电网基波频率同步的旋转d，q坐标系中，即通过坐标变化将三相静止坐标系中的交流变量转化为同步旋转坐标系中的直流变量。在与电网电压矢量同步的旋转d，q坐标系中，对逆变器的输出电流利用同步矢量电流PI控制器调节后再施行闭环控制，以实现有功与无功的解耦，使并网逆变器的输出功率因数为1。

图2 逆变并网控制系统回路Fig. 2 The Inverter Grid control system loop

图2为逆变并网控制系统的回路图。控制回路采用采用基于SVPWM控制的双环结构，外环控制直流牵引网的电压，而内环控制逆变器的输出电流。这里把参考电压值Vdef设为1620V，实时采集牵引网电压udc信号，然后将参考电压Vd与牵引网电压udc送入比较器，实时比较牵引网电压幅值是否超过设定值，用来判断逆变器是否触发启动，比较得到的误差通过PI调节器调解得到电流参考值iref。电压外环有两个作用：一是为电流内环提供一个参考电流值，二是稳定直流牵引网的电压。三相交流电的实际电流值iabc经dq解耦后得到电流有功分量id，与iref比较后通过PI调节再经过电网电压前馈补偿得到Vd。而在并网过程中希望尽可能多的产生有功，因此将电流的无功分量iq与0比较后通过PI调节再经过电网电压前馈补偿得到Vq、Vd、Vq通过Park逆变换得到Vα、Vβ，然后将Vα、Vβ信号送入SVPWM调制，得到6路脉冲信号用来触发逆变器的开关元件。

2.2 SVPWM原理

三相全桥电压型逆变器(其拓扑结构如图3所示)由6个功率开关管构成，同一桥臂的上、下两个开关管(如S1、S2)互锁，而且任意时刻只有3个开关器件导通，因此逆变器只有8种开关状态。假如每相上桥臂的开关器件用“0”表示关断状态，用“1”表示导通状态，那么这8种开关状态可用100、110、010、011、001、101以及000和111来表示。每种开关状态对应一个电压空间矢量，对应的这8个电压空间矢量如图4所示。

图3 三相电压型全桥逆变器主电路图Fig. 3 The circuit diagram of three-phase voltage fullbridge inverter

图4 电压空间矢量图Fig. 4 The voltage space vector

图4中的电压空间矢量由两个位于复平面中心且幅值为零的零矢量U0、U7以及6个相位互差60°、幅值相等的基本矢量U0～U6构成，它们把复平面化分为6个扇区I～VI，形成一个正六边形。

这里采用基于线性组合的SVPWM控制策略，其原理是在每一个开关周期内，通过对两个相邻基本电压矢量与零矢量之间的切换进行合理地控制使其逼近旋转参考矢量Uref，让合成的电压矢量运动轨迹尽量地接近圆形。以扇区I为例,在一个周期内Uref可由基本电压矢+量U4、U6及零矢量U0、U7合成，通过控制逆变器输出电压矢量U4、U6及U1、U7的切换时刻，就可以逼近参考电压Uref。则有：

UrefT0=U0T0+U4T4+U6T6+U7T7

式中：T0、T4、T6、T7分别为电压矢量U0、U4、U6、U7的作用时间，Ts为采样周期。

3 仿真模型的建立及分析

3.1 仿真模型的建立

利用MATLAB中的Simulink库和SimPowerSystems 库搭建逆变回馈型再生制动能量吸收系统的主电路仿真模型，如图3所示。主电路主要由三相全桥电压型逆变器、无阻尼LCL型滤波器以及隔离变压器组成。逆变器由6个IGBT器件构成，能将牵引网中直流电变换成交流；由于逆变器输出的交流电中含有大量的谐波，所以设置了无阻尼的LCL型滤波电路对其进行滤波，其后加设一台变压器，其目的是可将得到的电压降至所需380V，其次充当隔离变压器的作用。

根据图2逆变并网控制回路原理图，搭建如图6所示的基于电流内环电压外环的逆变并网的控制模型，为主电路中三相逆变器提供脉冲触发信号。

控制回路部分参数设置如下：设直流牵引网电压参考值U*dc=1620V；K1取值为LCL无源阻尼的虚拟电阻值10.67，K2=K3=ωL=2πfL=2.04；Ud取直流电压的倍约为1324V；PLL为锁相环模块；SVPWM为空间矢量控制模块，主要由扇区判断模块，矢量作用时间计算模块、PWM波产生模块组成。

3.2 仿真结果分析

机车制动时反馈的能量会导致直流牵引网中的电压升高，仿真中做如下假设：

1)机车以恒定的减速度制动。

2)只有一辆地铁机车制动时，按要求仅一套逆变回馈机组工作。

图6 逆变并网SVPWM控制模型Fig. 6 SVPWM inverter grid control model

3)据某客运站单列车以初速度80km/h模拟制动时数据显示，直流牵引网电压超过1700V,这里假设为1750V。

逆变器输出的三相电压如图8所示，图9为无阻尼LCL型滤波器输出侧的三相电压波形，由于LCL滤波器的加入，滤除了高次谐波，可以看出其输出电压波形已接近于正弦波。

降压变压器并网侧的输出电压波形如图10所示，说明其电压已成功逆变并网至动力照系统380V电网中；图11为列车制动能馈型逆变器工作时牵引网电压变换波形，当t=0(s)时地铁机车制动，牵引网电压超过1620V达到1750V,逆变器进入逆变状态，由图11的仿真波形可以看出牵引网电压稳定较快，电压值达到1750V后升迅速下降并稳定在目标值1620V左右,基本达到了预期效果。

图7 SVPWM仿真模块Fig.7 SVPWM simulation module

图8 逆变器输出三相电压波形Fig. 8 The output voltage waveform of three-phase inverter

4 结论

这里针对城市轨道交通地铁机车再生制动的特点，搭建了基于SVPWM控制的逆变回馈型再生制动能量吸收系统的仿真模型。仿真结果验证了该控制方法的有效性和可行性，该方案能够有效地抑制直流牵引网电压的波动，快速稳定直流母线电压，同时回馈能量给交流电网，提高了系统的效率。

图9 LCL滤波器输出三相电压波形Fig. 9 The output phase voltage waveform of LCL filter

图10 并网侧(低压)三相电压波形Fig. 10 The voltage waveform of the network side (low pressure) phase

图11 列车制动能馈型逆变器工作时牵引网电压变换波形Fig. 11 The network voltage conversion waveform when the train braking energy inverter is work

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The Simulation Research of the Subway Regenerative Braking Energy Absorption System based on SVPWM Control

PENG Saizhuang, ZHU Xiaoqing, QIN Bin, HUANG Shigan
(School of Electrical and Information Engineering, Hunan University of Technology, Zhuzhou Hunan 412007, China)

Firstly this paper analyzes the structure and working principle of inverter feedback type composition of the urban rail transit subway regenerative braking energy absorption systems.And build a simulation models of the feedback inverter regenerative braking energy based on SVPWM control (including the main circuit and control circuit model) in MATLAB. The simulation results showed that: The device can meets the subway regenerative braking energy absorption and utilization, it also can achieve the requirements of stabling traction network voltage and solve practical engineering problems.

SVPWM; inverter feedback; regenerative braking energy

10.3969/j.issn.2095-6649.2015.03.03

: PENG Saizhuang, ZHU Xiaoqing, QIN Bin, et al.. The Simulation Research of the Subway Regenerative Braking Energy Absorption System based on SVPWM Control [J]. The Journal of New Industrialization, 2015, 5(3): 20‒27.

国家自然科学基金项目(61074067), 湖南省高校科技创新团队资助。

彭赛庄(1989-), 男, 湖南工业大学硕士研究生, 主要研究方向: 城市轨道交通再生制动能量回收系统的研究; 朱晓青(1958-), 男, 教授, 研究生导师, 主要研究领域为自动控制与检测教学与研究; 秦斌(1963-), 男, 教授, 研究生导师,主要研究领域为复杂系统建模与优化控制。

彭赛庄，朱晓青，秦斌，等．基于SVPWM控制的地铁再生制动能量吸收系统的仿真研究[J]．新型工业化，2015，5(3)：20-27