城轨供电双线圈接入式中压能馈系统研究

林云志，罗 金



城轨供电双线圈接入式中压能馈系统研究

林云志，罗 金

城市轨道交通车辆再生制动能量的有效吸收利用是牵引供电技术发展的一个重要课题。本文提出了一种新型城轨供电双线圈接入式中压能馈系统，逆变回馈装置从整流变压器1 180 V侧双线圈接入供电系统，制动能量通过整流变压器回馈到35 kV中压电网，从而实现节能效果。本文主要从能馈型再生制动装置方案设计出发，着重介绍了系统的数学模型、控制策略及控制逻辑等内容。为验证方案可靠有效，利用Matlab/Simulink仿真平台搭建仿真模型，重点对共用整流变压器方案时1.8 MW间歇循环峰值时直流母线电压波形，整流支路电流波形，能馈系统回馈效率，交流侧AC 35 kV相电压、相电流、功率因数及谐波这几个方面进行分析。仿真结果表明：该方案能可靠稳定的实现能量回馈功能，能馈过程中各性能指标良好，对整流机组的正常运行没有影响。

城市轨道交通；双线圈接入；中压能馈再生制动；逆变；回馈；双闭环控制；仿真建模

0 引言

随着社会和科技的进步发展，人们的节能减排和环保意识也在逐渐增强。在城市轨道交通系统中，根据线路条件的差异，牵引负荷的用电量已占到总用电量的40%～70%。由于地铁站间距较小，车辆运行时启停频繁，产生的制动能量较大，约有40%的能量被浪费。因此有效利用城市轨道车辆再生制动所产生的电能以减少运营的用电量对于改善城市轨道交通公共场所的环境是非常重要的。有效吸收电制动产生的能量将缓解因直流母线电压过高而对相关设备造成损坏的程度。研究再生制动电能吸收装置，对再生制动所产生的电能进行吸收、储存和再利用已然成为轨道交通牵引供电技术发展的重要课题[1]。

为了能够充分吸收利用车辆制动电能，世界上很多轨道交通发达的国家都在积极探讨制动能量的利用模式，陆续提出了电阻耗能型、电容储能型、飞轮储能型、逆变回馈型等多种方式的再生电能吸收装置。电阻耗能型再生能量通过发热消耗，再生能量不能被有效利用，还需增加措施排出热量，不具备节能效果[2]。电容储能型对电容器要求较为严格，国内技术还尚未成熟，且电容器耐压不够，需大量配置，空间利用率低，使用寿命亦受到质疑，不利于推广[3]。飞轮储能型由于装置特性原因，制造成本和维护成本都很高，装置运行损耗大，影响装置使用寿命[4]。逆变回馈型可分为逆变至AC 0.4 kV网络和逆变至AC 35 kV网络2种形式。逆变至AC 0.4 kV网络无需配置储能元件，技术方案成熟，利于国产化，缺点是属于电阻耗能型和全逆变型的过渡产品，将电能逆变至低压侧，再生电能得不到充分利用，供电质量易受影响；逆变至AC 35 kV网络沿袭了逆变至AC 0.4 kV网络方式的优点，同时消除了其缺点，但是目前还缺乏大规模工程应用及运营维护经验，单柜设备容量限制在2 M以内，提高容量时需增加变流器柜[5～9]。

本文研究一种新型城市轨道交通能馈型再生制动装置接入方案，将再生制动装置系统的交流侧从整流变压器1 180 V侧的双线圈接入供电系统，通过整流变压器将制动能量回馈到35 kV中压电网，实现车辆再生制动能量的回馈利用，从而达到降低能耗、节约能源、降低运营成本的目的。

1 能馈型再生制动装置系统方案

1.1 系统接入方案介绍

能馈型再生制动装置系统增加了回馈变流器的设计容量，利用2台相角差30°的双线圈隔离变压器并联，分别接至整流变压器的2个低压绕组（1 180 V）上，将制动能量通过整流变压器回馈到35 kV中压电网实现节能目的，隔离变压器与整流变压器对应双分裂绕组保持同相位。能馈型再生制动装置支持四象限运行，除回馈功能外还具备牵引及无功补偿运行功能。系统接入方案如图1所示。

1.2 能馈型再生制动装置的设计及工作原理

能馈型再生制动装置主要由并网开关柜、隔离变压器、逆变柜、直流控制柜4部分组成，其结构如图2所示。在变电所内设置1面并网开关柜，将再生制动装置系统的交流侧接入到整流变压器二次侧。所内1 500 V直流开关柜系统中扩展一路馈线，即1面1 500 V直流开关柜连接再生制动装置系统的直流侧。再生制动装置系统的负极与变电所负母线相连。

图1 1 180 V侧接入式（双线圈）能馈型再生制动装置系统接入方案图

能馈型再生制动装置的工作原理如下：

（1）列车正常发车启动及运行时，再生能量回馈装置不工作，二极管整流机组工作，向直流 1 500 V牵引电网馈能，为车辆提供牵引电能，此时电能转化为车辆的动能。

（2）当车辆采取电制动时，列车的动能转化为电能，回馈到直流1 500 V牵引电网，引起直流电网电压升高。再生能量回馈装置检测到直流网压升高到设定值，并确定列车处于制动状态，回馈功能开始启动，将这部分制动能量回馈到35 kV交流电网中，该过程中二极管整流机组反向截止，停止工作。

（3）当制动能量回馈完毕，直流网压降到设定值时，再生能量回馈装置停止回馈功能而转入待机态，等待执行下一次回馈任务。

图2 能馈型再生制动装置结构图

1.3 变流器模型研究

能馈型再生制动装置中使用的变流器为多重化四象限电压源型PWM变流器，该类型变流器具有功率双向流动和功率因数可控的特性，当变流器从电网吸取电能时，其运行于整流状态；当变流器向电网回馈电能时，系统运行于有源逆变状态。正是由于这些良好的特性，该类变流器成为高铁车辆、磁悬浮车辆牵引、柔性高压直流输电等领域的主拓扑方案采用的主要设备。

由于本文所述系统需要将直流侧过多的再生制动能量回馈到三相交流电网，因此选用三相桥式拓扑结构的四象限电压源型PWM变流器作为能馈型再生制动装置中使用的变流器，如图3所示。

图3 三相桥式PWM变流器拓扑图

对于三相电压源型四象限PWM变流器，其控制算法有多种，但最为稳定、使用最广泛的是电压外环、电流内环的直接电流控制算法。该控制算法通过测量变流器直流侧电压和交流侧电流，矢量变换控制变流器阀侧电压，使交流侧输出电流与电网电压反相，从而将多余的再生制动能量从直流侧回馈到交流侧，实现单位功率因数控制。调制方式采用两电平双模式空间矢量过调制方法，在满足其可扩展性的同时，可以最大程度地提高直流母线电压的利用率。此外，考虑到制动能量比较大，且系统谐波特性需满足国家相关标准，因此主回路拓扑采用载波移相多重化方案。

1.4 数学模型和控制策略

双闭环控制策略的基本原理：电流内环、电压外环控制技术选择基于同步旋转坐标系的坐标变换，将三相电压型PWM变流器的表达式转换到同步旋转坐标系下可得式（1）。

式中，d、q为同步旋转坐标系下网侧电流；d、q为同步旋转坐标系下电网电压；d、q为同步旋转坐标系下整流器网侧电压；dc为直流侧电压。

由式（1）可知，整流器轴和轴存在耦合分量q和d，给控制系统的设计带来不便，如若把这2个耦合分量视为2个电流控制的受控电压源，那么适当的调节控制d、q便可实现系统的解耦。系统控制框图见图4[10～12]。

图4 电压外环，电流内环控制框图

对于多重化变流器的协同控制，系统采用经典的共用电压外环、独立电流内环结构，如图5所示。

图5 两重化外层控制结构示意图

1.5 能馈型再生制动装置系统逻辑控制

系统逻辑控制主要是指结合系统所处状态及预先设定的开关动作逻辑，对装置中使用的接触器、断路器、中间继电器等开关的通断控制。

再生能量回馈系统工作状态分为3种：待机态、运行态和故障态。装置投入逻辑控制如图6所示，系统上电后，DCU首先自检（包括通讯等），并发出分自身主断的命令，随后进入待机状态。在待机状态时，DCU保持对整个系统的监视，如果发现异常，则报系统故障，装置运行逻辑控制如图7所示。回馈功能启动条件：直流母线电压检测值大于直流母线空载电压归算值+30 V；回馈停止条件：装置直流侧电流呈下降态，且平均值小于20 A。

图6 装置投入逻辑控制图

故障态指装置在待机或运行过程中，被监控参量超出要求范围或被监控设备不按要求动作或其他设备发生故障时，装置进入一种保护自身及牵引所内其他关联设备的状态。装置在故障态或收到正常退出指令后执行退出逻辑，装置退出逻辑控制图见图8。

图7 装置运行逻辑控制图

图8 装置退出逻辑控制图

1.6 稳定直流母线电压及单位功率因数控制

本文所述能馈系统具有稳定直流母线电压的功能，通过逆变柜的逆变回馈功能及控制软件中的稳压控制环节实现。直流电压波动小及直流侧的滤波电感的存在，将极大减少逆变时从直流牵引网流入能馈装置的高频谐波含量。单位功率因数控制功能则通过控制软件中的电流环流实现，可基本消除无功功率。

能馈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，通过测量逆变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，如图4、图5系统电压外环控制框图所示。

电流内环作为控制内环的底层，通过对逆变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、无功电流的独立闭环控制，并通过将无功电流设置为零的方式，使得逆变器输出的功率因数达到-1，实现系统单位功率因数控制，见图4。

1.7 消谐控制方法

本文所述方案采用两重功率模块，为降低注入到交流电网的谐波含量，可通过载波移相控制算法来实现。

载波移相技术通过将载波均匀平移一定的相位来对PWM变换器进行调制，在实际应用中，采用移相360º/方式，如重数为8重，每重间的载波均匀移相45º，构成8路移相载波波形，进而对SVPWM生成波形进行调制，移相波形如图9所示。

图9 移相载波（移相45°）波形图

图10、图11分别为两重功率模块间采用载波移相与不采用载波移相技术时注入中压网侧谐波电流THD图。可以看出，采用载波移相时电流中压网侧谐波畸变率为3.18%，未采用载波移相技术时中压网侧谐波畸变率为7.95%。

图10 采用载波移相时中压网侧的电流THD图

图11 未采用载波移相时中压网侧的电流THD图

图12、图13分别为2种模式下两重模块间A相电流波形图，从图中可以看出，采用载波移相时，两重电流相互叠加，可以消除10 kV侧电流波形中的尖峰（图12中，10 kV侧电流被放大了）；未采用载波移相时，两重电流相互叠加，导致10 kV侧电流波形中的尖峰成倍增加。

由以上分析可以得出结论，多重间载波移相技术是消除网侧电流及电压谐波的有效手段。

2 方案仿真模拟计算

由于该方案装置接入整流变压器2个低压端共同回馈，因此可以将回馈变流器的容量提高到整流变压器容量附近（2 000～2 500 kW），这样变电所内的回馈装置可基本将进站车辆制动功率全部吸收利用，基本不需要邻所回馈装置辅助吸收，节能效果更优。

为了验证该方案的可行性，本文对方案进行了基于Matlab/Simulink仿真平台的仿真模型搭建，对其功能和性能进行了仿真验证，并对该系统的功能实现进行理论验证，观察系统内各部件工作状态是否满足要求，以便优化设计系统参数，并对系统运行过程中可能出现的问题进行前期预判。

图12 采用载波移相时两重模块间A相电流波形图

图13 未采用载波移相时两重模块间A相电流波形图

2.1 仿真模型搭建

验证方案的仿真模型如图14所示，其中深色部分为各部件输入输出信号和PWM逆变器模块。系统设置能量回馈电压启动值为1 720 V，能馈装置启动后，系统通过双闭环控制将直流母线电压稳定在1 720 V，回馈能量的间歇循环功率（峰值功率）为1.8 MW。

图14 共用整流变压器型能量回馈系统仿真模型图

仿真过程：仿真步长为10-5s，仿真时长为1 s，0—0.15 s模拟空载状态；0.15—0.55 s模拟列车制动，能馈系统工作过程，在0.15 s时列车开始制动，0.2 s时达到回馈峰值功率，0.5 s时回馈功率开始下降，0.55 s时回馈功率降为0；0.55—0.65 s列车停止运行，仿真中设列车停止运行时直流电流为0；0.65—1 s模拟列车运行，二极管整流机组工作过程。整个仿真运行过程如图15所示，仿真过程中设能量回馈时的直流电流为正，整流时的直流电流为负。

图15 仿真运行过程示意图

2.2 仿真结果及分析

2.2.1 直流母线电压变化波形

直流母线电压是判断能馈系统能否可靠运行的一个重要因素，图16为1.8 MW间歇循环峰值回馈功率下的直流母线电压波形图。图中纵坐标dc表示直流母线电压，其中支撑电压初始值为 1 650 V。在0.15 s前系统处于空载状态，直流母线空载电压约为1 652 V。0.15 s时列车进入制动状态，直流母线电压开始抬升，升至1 720 V时达到能馈系统启动门槛值，能馈装置开始运行。

图16 直流母线电压波形图

从图16中可以看到，在1.8 MW间歇循环峰值回馈功率时，能馈装置投入瞬间，直流母线电压在控制系统的作用下快速响应，有35 V左右的超调量，并在0.15 s内迅速恢复稳定，维持在1 720 V左右，直流母线电压稳定后有10 V左右的震荡。可见能馈系统在列车制动引起直流母线电压抬升时能快速响应，并能很好地维持直流母线电压稳定。0.5 s时回馈功率开始下降，并在0.55 s时降至0，0.55—0.65 s列车处于停车状态，该过程中直流母线电压开始下降。0.65 s时列车开始启动运行，二极管整流机组开始工作，直流母线电压有较大下降，最终稳定在1 500 V左右。

2.2.2 整流支路电流

图17为共用整流变压器方案在1.8 MW间歇循环峰值回馈功率时仿真得到的整流支路电流d的波形图，可以看到在能量回馈过程中（0.15—0.55 s），整流支路上均有10 A左右的环流，在 0.65 s后，二极管整流支路电流迅速增大，达到设定值输出。

图17 整流支路电流波形图

2.2.3 能馈系统回馈效率

能量回馈效率是能馈系统的一个重要指标，图18为共用整流变压器方案在1.8 MW间歇循环峰值回馈功率时的回馈效率图。由图可以看出，当系统处于能量回馈状态时，在1.8 MW间歇循环峰值回馈功率情况下，能馈系统的能量回馈效率均能达到96%，回馈效率较高。

图18 能量回馈效率波形图

2.2.4 AC 35 kV网侧相电压、相电流及功率因数

图19—图21为1.8 MW间歇循环峰值回馈功率时的AC 35 kV网侧相电压、相电流波形图，为了方便在示波器中同时观测电压、电流，图中显示的交流电压波形为实际交流电压乘以0.002的增益后的波形。图19为整个仿真过程的相电压、相电流波形，图20为能馈装置工作过程的AC 35 kV网侧相电压、相电流波形，可以看到在能馈过程中，AC 35 kV网侧相电压、相电流波形正弦性好，AC 35 kV网侧相电压、相电流的相位相反，此时处于逆变状态。图21为二极管整流机组工作时的AC 35 kV网侧相电压、相电流波形，此时处于整流状态。

图19 AC 35 kV网侧整体相电压、相电流波形图

图20 AC 35 kV网侧回馈相电压、相电流波形图

图21 AC 35 kV网侧整流相电压、相电流波形图

图22—图24为1.8 MW间歇循环峰值回馈功率时的功率因数波形图，从图中可以看到，在能馈过程中功率因数接近-1，为单位功率因数；在二极管整流机组牵引供电过程中，功率因数为0.972。

图22 1.8 MW间歇循环峰值回馈功率时整体功率因数波形图

图23 1.8 MW间歇循环峰值回馈功率时能馈功率因数波形图

图24 1.8 MW间歇循环峰值回馈功率时整流功率因数波形图

2.2.5 谐波分析

图25、图26为共用整流变压器方案1.8 MW间歇循环峰值回馈功率时的AC 35 kV网侧电流谐波、电压谐波分析图，可以看到在1.8 MW间歇循环峰值回馈功率时，AC 35 kV网侧电流谐波畸变率为1.57%，电压谐波畸变率为0.66%，符合国家标准及项目技术指标。

图25 1.8 MW间歇循环峰值回馈功率时AC 35 kV网侧电流谐波图

图26 1.8 MW间歇循环峰值回馈功率时AC 35 kV网侧电压谐波图

根据国家公用电网谐波标准，35 kV电网电压、250 MV·A短路容量的AC 35 kV网侧电流谐波含量标准及通过仿真计算得到的1.8 MW能馈系统的AC 35 kV网侧电流谐波含量如表1所示。由表1可以看出，在1.8 MW间歇循环峰值功率输出时，能馈系统注入到AC 35 kV电网的网侧电流的各次谐波含量均符合国家标准，总谐波含量也符合国家标准。

表1 1.8 MW能馈系统AC 35 kV网侧电流谐波含量分析表 A

2.2.6 结果分析

从仿真结果可以看出，在共用整流变压器的能馈系统中，能量回馈装置工作在间歇循环峰值回馈功率1.8 MW情况下，能馈启动电压为1 720 V，回馈电流为1 060 A，能馈过程中直流母线电压稳定在1 720 V；当列车制动过程结束，二极管整流机组开始工作，直流母线电压能稳定在1 500 V，电流为-1 200 A左右，输出2 MW有功功率。在能量回馈过程中，AC 35 kV网侧电压、电流均能保持稳定，功率因数为单位功率因数，AC 35 kV网侧电流、电压谐波率较小，系统的回馈效率达到96%～97%。

3 结语

本文所述方案使能馈型再生制动装置通过整流变压器二次侧接入供电系统，再生制动能量通过整流变压器回馈至AC 35 kV中压网络。该方案能够节省土建面积和中压GIS开关柜；保护方案较独立，容易设置。同时由仿真结果表明，共用整流变压器的中压型能馈系统，在1.8 MW间歇循环峰值回馈功率情况下工作，能可靠稳定地实现能量回馈功能，能馈过程中能很好地维持直流母线电压稳定，整流直流环流较小，回馈电流质量好，功率因数高，能量回馈效率高，并且不影响二极管整流机组的正常工作。因此本文设计方案满足地铁车辆再生制动能量吸收利用及稳定牵引网压的要求，可以解决实际工程问题。

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The effective absorption & utilization of regenerative energy of vehicles for urban rail transit is an important subject for development of traction power supply technologies. The paper puts forward a new mode of medium voltage energy feedback system connected with double coil, the inverse feedback device is connected to the power supply system from the double coil at 1 180 V side of rectifying transformer, the braking energy is fed back to 35kV medium voltage network via rectifying transformer to realize energy saving. The paper introduces in details the contents of mathematical models, control strategies and control logics of the system by starting from the scheme design for energy feedback type regenerative braking device. In order to verify the reliability and effectiveness of the scheme, Matlab/Simulink is adopted to set the simulation model to analyze with emphasis in several aspects of voltage waveform of DC bus bar, current waveform of rectifying branch circuit and feedback efficiency of the feedback system as well as the AC side AC 35kV phase voltage, phase current, power factor and harmonics when the scheme of shared rectifying transformer is adopted with the intermittent cyclic peak value of 1.8 MW. The simulation results indicate that the scheme is able to realize the energy feedback function reliably and stably, performance parameters are satisfactory during energy feedback without influences to normal operation of the rectifier sets.

Urban rail transit; double coil connected; medium voltage energy feedback regenerative braking; inversion; feedback; double closed loop control; simulation and modeling

U231.8

A

1007-936X(2017)03-0001-09

2016-09-28

林云志.中铁电气化局集团有限公司，教授级高级工程师，电话：010-51872227；罗 金.中铁电气化局集团有限公司，工程师。