双向变流型再生电能吸收利用系统研究

张灵芝

（湖南铁路科技职业技术学院，湖南 株洲 412000）

随着城市轨道交通网络的快速发展，人们在关注城市轨道交通车辆舒适性和自动化程度的同时，也逐渐意识到轨道交通的环境效益和节能问题的重要性。城市轨道交通运营过程中必然需要频繁起动和制动，传统供电系统中车辆制动时产生的多余能量都被浪费，制动能量若能加以合理利用必能产生良好的经济效益。针对以上情况，本文以双向变流型再生电能吸收利用系统为具体对象，研究城市轨道交通再生制动能量利用技术。该系统能实现系统再生能量吸收利用单位功率因数超过95%，是一种较为经济、有效的解决方案。

1 系统概述

双向变流型再生电能吸收利用系统的主要功能是在列车制动时将多余的再生制动能量反馈回交流电网，同时不仅能够抑制直流网压的大范围波动，减小直流电压纹波，提高供电质量，更重要的是还能避免列车再生制动能量在能耗电阻上的白白消耗，节约电能。整套装置额定工况下输出功率因数大于0.98，额定工况下整套设备效率超过95%。

1.1 系统原理

双向变流型再生电能吸收利用系统中为了尽量减少再生电能吸收利用装置对既有线路运行的影响，将该装置的整流/逆变通路与既有的牵引变电所整流通路分离，采用其整流/逆变支路与二极管整流牵引机组并列布置方式，再生电能吸收利用系统直流侧通过直流馈线柜和直流柜接直流牵引网，交流侧通过40.5kV 开关柜接站内35kV 母线，系统工作原理如图1所示。

图1 系统工作原理图

1.2 系统结构

双向变流型再生电能吸收利用系统中的再生电能吸收利用装置主要包括变压器（NKB）、双向变流柜（NKINV）及直流柜（ZG），变压器（NKB）低压侧四个绕组分别与双向变流柜的四重模块相连，而双向变流柜（TSB）的直流负极引入直流柜，其直流正极直接引入直流1500V 开关柜（D）；其中直流柜（ZG）完成双向变流型再生电能吸收利用装置与直流母线负极（N）的隔离、滤波功能及网络通讯等功能，双向变流柜（NKINV）则实现电能在直流侧与交流侧的双向流动，同时完成系统级功能、系统级保护等功能；变压器（NKB）则将电压在高压与低压之间的转换及隔离。系统内部结构图如图2所示。

图2 双向变流型再生电能吸收利用装置系统结构框图

2 系统功能

双向变流型再生电能吸收利用装置主要具有逆变回馈功能、整流牵引功能、稳压功能等功能，能在列车制动时将多余的再生制动能量反馈回交流中压电网，并且还可在列车牵引时与变电所牵引整流机组共同为列车提供能量。同时该装置还可以抑制直流网压的波动，减小直流电压纹波，提高牵引供电质量。同时本装置还具有单位功率因数控制、逻辑控制功能、保护功能、通信功能、显示功能、数据采集及存储功能、联锁与联跳功能、试验功能等辅助功能项。这里主要介绍逆变回馈功能、整流牵引功能和稳压及单位功率因数控制功能。

2.1 逆变回馈功能

本装置的回馈功能是将列车电制动时产生的不能被临近车辆吸收的再生能量反馈回中压交流电网，供其他负荷使用，实现能量的循环再利用。为实现上述系统主要功能，主电路拓扑方面采用变压器耦合的4 重化四象限PWM 变流器方案，如图3所示。

图3 主电路拓扑方案

2.2 整流牵引功能

本系统具有与二极管整流机组协同供电的功能，即牵引功能，可在本系统额定输出功率范围内提供牵引电能，供给车辆起动牵引所需。并根据不同的控制目标，合理分配本系统与二极管整流机组之间的牵引功率大小，以实现协同供电效益最大化。

在双向变流型再生电能吸收利用装置工作牵引功能时，为了实现与二极管牵引整流机组的协调工作，并达到特定的控制目标（功率分配、直流电压波动最小等），可利用双向变流型再生电能吸收利用装置良好的可控性，根据需要对直流输出特性（外特性）进行控制。双向变流型再生电能吸收利用装置具备两种典型的输出特性曲线——恒压特性和下垂特性。

2.3 稳压及单位功率因数控制功能

本系统具有稳定直流母线电压的功能，通过双向变流柜的逆变回馈/整流牵引功能及控制软件中的稳压控制环节实现，单位功率因数功能则通过控制软件中的电流环实现。

双向变流型再生电能吸收利用装置采用经典的电压、电流双闭环PWM 四象限变流器控制策略，电压外环作为控制外环，通过测量双向变流器实际输出的直流电压，与设定的稳定电压值比较，进行闭环控制，并给出电流内环的有功电流给定值，使得整套装置能够按照设定的稳压值进行输出，在额定功率范围内，达到稳定直流母线电压的目的。

电流内环作为底层的控制内环，通过对双向变流器直流侧电压和交流侧电流进行测量，并采用基于同步旋转坐标变化的控制方式，将交流电流转换成直流电流，从而实现有功电流、无功电流的闭环独立控制，并通过将无功电流设置为零的方式，使得双向变流器输出的功率因数达到±1，实现系统单位功率因数控制。

3 系统特性

3.1 系统外特性

现有的牵引变电所加入双向变流型再生电能吸收利用系统后，其直流侧外特性曲线发生明显变化如图4、图5。列车采取电制动时，二极管整流机组停止工作，再生电能吸收利用装置起动逆变运行，采用恒压控制模式，在装置额定输出功率范围内稳定直流输出电压，系统工作在V-I特性曲线的左半区；列车起动牵引时，由二极管整流机组与再生电能吸收利用装置协同工作，系统工作在V-I特性曲线的右半区，根据不同的控制目标，有不同的外特性控制曲线，这里给出典型的两种外特性曲线图。

模式1：双向变流型再生吸收利用装置在逆变回馈时一般采用恒压控制模式，当列车制动功率大于装置的额定回馈功率时，装置转入恒功率控制模式；在与二极管整流机组系统供电时，首先采用恒压控制，当装置输出功率达到额定输出功率时，转入恒功控制模式。

图4 恒压控制模式外特性曲线

图5 恒功控制模式外特性曲线

模式2：双向变流型再生吸收利用装置在逆变回馈时一般采用恒压控制模式，当列车制动功率大于装置的额定回馈功率时，装置转入恒功率控制模式；在与二极管整流机组系统供电时，首先采用下垂特性控制，当直流牵引网电压低于DC 1500V 时，装置转入恒压控制，维持直流牵引网电压，当装置输出功率达到额定输出功率时，转入恒功控制模式。

3.2 系统保护兼容性

本系统在任何运行状态下，都不影响供电系统整流机组及继电保护装置（如本支路继保、牵引整流支路继保及母联柜继保等）的正常工作。

1）设备正常运营时，依靠自身内部断路器、整流/逆变支路上40.5kV 高压开关柜及1500V 直流开关柜实现整流/逆变支路的保护，不影响其他继保装置的工作。

2）当双向变流型再生电能吸收利用装置故障时，通过装置自身输出分闸信号，依据故障级别分断整流/逆变支路上的40.5kV 或1500V 开关柜，从而切除双向变流型再生电能吸收利用系统，在此过程中不联跳其他高压开关和直流开关、也不影响其他继保工作。

3）当双向变流型再生电能吸收利用装置对应40.5kV 开关柜分断或前级母线失压时，装置迅速退出运行，不影响母联备自投及其他继保装置的正常工作，具体测试结果如图6至图10所示。

3.3 电网兼容性

针对35kV 交流系统下，再生电能吸收利用装置满负荷工作条件下在逆变回馈功能下对供电系统网压影响仿真分析：仿真开始时，装置处于待机态，此时直流侧电压为空载电压；从0.5s 开始，装置开始回馈再生制动能量，并快速进入满负荷工作状态，回馈功率为4MW 至中压交流电网。

图6 中压整流/逆变支路支路对应10kV 开关柜 分断脉冲封锁时间测试图

图7 40.5kV 开关柜分断装置退出时间测试图

图8 前级母线失压脉冲封锁时间测试图

图9 前级母线失压到双向变流型再生电能吸收 利用装置退出时间测试图

图10 母线失压后母联自投时间测试图

由图11可知，再生电能吸收利用装置从0.5s开始回馈车辆再生能量，回馈至35kV 中压交流侧的功率为3.96MW，回馈相电流有效值为64.9A。设备运行期时，35kV 交流侧的初始相电压为：20206V，稳定回馈时相电压为20261V，相电压有效值波动率为：0.272%，远低于GB 12325—2008 《电能质量 供电电压偏差》中电压波动的要求。

图11 中压35kV 交流侧输出功率、相电压及 相电流有效值测试波形

3.4 系统功率因数

前面已经介绍了双向变流型再生电能吸收利用系统的主要功能，其中该系统控制部分采用经典电流、电压双闭环控制策略，电流环作为内环，将检测到的交流电流通过同步旋转坐标变化转换为直流电流，从而实现有功电流、无功电流的闭环独立控 制，并通过将无功电流iq*设置为零的方式，因而使 得双向变流器输出的功率因数达到±1。实现系统单位功率因数控制。

如图12所示，35kV 网侧相电压与相电流相位互差近180°，可以保证回馈过程中35kV PCC 处监测的网侧功率功率因数接近-1，满足城市轨道交通系统再生能源回馈技术要求。

图12 35kV 网侧相电压及相电流仿真波形

3.5 系统效率

1）在额定功率为2MW 时

应用Infineon（英飞凌）提供的IGBT 损耗软件仿真结果如图13所示。

图13 额定电流时IGBT 器件损耗仿真分析

由图13可得知，IGBT 的损耗为715+369= 1.084kW，考虑到其他部件的损耗为3.2kW，整个变流柜的损耗估算为1.084×24+3.2=29.216kW。

由上可知，双向变流柜在额定功率为2MW 时的，损耗为29.216kW，其效率为98.54%。

2）输出功率为1.6MW 时

应用Infineon（英飞凌）提供的IGBT 损耗软件仿真结果如图14所示。

图14 额定电流的80%时IGBT 器件损耗仿真分析

由图14可得知，IGBT 的损耗为557+345= 902W，考虑到其他部件的损耗为3.2kW，整个双向变流柜的损耗估算为0.902×24+3.2=24.848kW。因此效率为98.447%。

3）输出功率为1.2MW 时

应用Infineon（英飞凌）提供的IGBT 损耗软件仿真结果如图15所示。

图15 额定电流的60%时IGBT 器件损耗仿真分析

由图15可得知，IGBT 的损耗为411+322=733W，考虑到其他部件的损耗为3.2kW，整个双向变流柜的损耗估算为0.733×24+3.2=19.592kW。因此效率为98.267%。

4）输出功率为0.8MW 时

应用Infineon（英飞凌）提供的IGBT 损耗软件仿真结果如图16所示。

图16 额定电流的40%时IGBT 器件损耗仿真分析

由图16可得知，IGBT 的损耗为268+300=568W，考虑到其他部件的损耗为3.2kW，整个双向变流柜的损耗估算为0.568×24+3.2=16.832kW。因此效率为97.896%。

系统效率分析：

双向变流柜的效率曲线如图17所示，主要设备中：隔离变压器效率为98.9%，双向变流柜效率为98.5%，直流控制柜中仅电抗器存在2.2kW 左右的损耗，效率为99.8%，因此额定工况下整套设备的效率为：97.2%，加入运行中预期的运行损耗，双向变流型再生电能吸收利用装置的利用效率超过95%。

图17 双向变流柜不同负载条件下效率分析

3.6 系统整体特点

除了上述5 点系统特性，双向变流型再生吸收利用系统具有如下整体特点：

1）双向变流型再生吸收利用系统采用城轨车辆牵引系统所用的大功率牵引级IGBT 器件，过载能力强，在间歇工作制（30s/120s）时最高过载可达到200%；牵引级IGBT 比工业等级IGBT 在工艺流程方面更加严格，如在晶圆测试、硅片测试、封装及整件测试方面，均体现其质量安全可靠，确保系统高可靠性、高功率密度、节能率高等特点。

2）双向变流型再生吸收利用系统集能量回馈、牵引供电、提高供电品质等多种功能于一体，设备利用率高，供电系统大大简化。

3）双向变流型再生吸收利用装置在回馈模式时，因短时过载能力强，在地铁负载间歇工作制下，节能率高，本产品在某地铁正线进行了近1年运营考核，平均节能率达到38%。

4）双向变流型再生吸收利用系统采用了多重化并联技术，提高系统输出电能质量，保证系统与既有电网良好兼容性。

5）双向变流型再生吸收利用系统采用轴向多分裂变压器技术，提高系统抗故障失效能力，增强系统与既有变电所供电系统的保护兼容性。

6）双向变流型再生吸收利用系统采用了完善的外特性控制技术，提供多种控制方式，实现系统整流与逆变工况之间平滑过渡，以及与既有整流机组之间能量的自动分配。

7）双向变流型再生吸收利用系统采用基于功率组件的系统设计理念，可实现快速的维护维修，最大限度减少设备停机时间。

8）双向变流型再生吸收利用系统实现了基于以太网的实时数据采集与记录，可实现系统运行状态的实时监控，以及智能故障诊断。

4 结论

综上所述，双向变流型再生电能吸收利用系统具有能量双向流动，输出特性可控，功率因数可调等显著优点，不仅能够实现列车制动能量的再生利用，取代能耗电阻，达到节能减排的目的，还能减小直流电压波动范围及纹波，提高供电品质。此外，还可以对中压环网进行无功补偿，提高系统功率因数。整套系统技术先进、性能可靠，结合工程实际需要，采取合理的应用方案，可以发挥其巨大的技术优势，获得良好的投资回报，市场前景非常广阔。因此，双向变流型再生电能吸收利用系统是解决城市轨道交通再生能源利用问题的一种较为经济、有效的解决方案。

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