一种模拟地铁环境的能馈试验系统

刘洪德, 王 宇， 桑静波,杜海源

( 1. 南京南瑞继保电气有限公司, 江苏 南京 211102;2. 石家庄轨道交通有限责任公司，河北 石家庄 050000)

0 引言

随着我国大城市交通问题的日益突出，大力发展城市轨道交通已成为城市交通发展的必然选择[1-5]。地铁再生制动能量的吸收方式主要有电阻消耗、电容储能、逆变回馈、飞轮储能等。其中，基于逆变方式的能量回馈变流器的节能效果好，且系统简单、投资小，得到越来越多的关注与应用[6-10]。北京千驷驭、湖南恒信、许继电气、时代电气、株洲所等国内厂家都已研制兆瓦级逆变型能馈装置，然而如何模拟地铁频繁的启动、制动工况，为能馈装置提供试验环境，国内一直未见相关报道。

文中设计了由背靠背2台逆变器组成的再生电能回馈试验系统。该试验系统中一台逆变器控制有功功率，模拟地铁的启动和制动，使得直流网压升高或降低。另一台逆变器工作在能馈模式，在直流网压高于能馈门槛值时解锁，把功率输送到交流电网中，同时稳定直流电压；在直流网压低于能馈门槛值时闭锁进入待机状态。该系统为地铁能馈系统现场挂网运行提供了有力的试验支撑。

1 能馈系统工作原理

能馈系统在地铁供电系统的接入方案见图1，地铁供电系统是由并联的2个12脉动的整流器构成24脉波整流器。能馈系统可以将地铁刹车后直流母线的能量回馈到10 kV/35 kV交流系统中。

图1 能馈系统接入方案示意Fig.1 Experimental access scheme

(1) 能馈系统解锁。能馈系统检测直流电压，当其大于启动门槛时，立即开启脉宽调制(pluse width modulation,PWM)脉冲信号，并将直流电压控制到特定控制目标，使地铁刹车制动能量快速回馈到电网。该特定控制目标要大于二极管整流器空载电压，以防止二极管整流器与系统形成环流[11-13]。

(2) 能馈系统待机。能馈系统检测到交流电流小于特定值或者直流电流反向，表明地铁刹车已结束或地铁已启动，能馈系统立即闭锁PWM脉冲信号，进入待机状态。

2 能馈试验系统研究

2.1 能馈试验平台设计

地铁能馈试验平台构成的总体拓扑如图2所示，由2台三相半桥逆变器S1、S2和一个三绕组变压器组成，2台逆变器的直流母线并联。S1为模拟刹车逆变器，S2为能馈逆变器，S1、S2通过变压器两副边绕组形成功率环流[14-17]。

图2 试验平台总体拓扑图Fig.2 Experimental overall topology

2.2 能馈系统试验方法

图3为模拟地铁环境的能馈系统试验流程。S1和S2分别交流充电进入待机状态。以有功功率为控制目标解锁S1，该功率方向为S1流向S2，指令为脉冲型(30 s为1.2 MW，90 s为0 MW)，功率指令斜率为1.2 MW/s。S2检测到直流电压升高超过能馈启动门槛1600 V后，以直流电压为控制目标解锁S2，直流电压指令1500 V。等待直流电压稳定，且持续90 s后，控制S1的功率指令为0 MW，此时回馈过程结束，逆变器2闭锁进入待机状态。重复以上步骤，可以校核逆变器S1和S2器件温升情况。

图3 试验流程Fig.3 Experimental flow

3 试验研究

试验平台的主电路参数如表1所示，按照图3的试验方法，S2由待机进入解锁时网侧有功功率波形如图4所示，直流电压波形如图5所示。

表1 主电路参数Tab.1 Main circuit paramers

图4 S2解锁时网侧有功功率Fig.4 Input power (S2 deblock)

图5 S2解锁时直流电压Fig.5 DC voltage (S2 delock)

由图4、图5可见，直流电压达到能馈启动门槛1600 V时，S2迅速解锁，功率1 s内由0 kW到-1200 kW。

S2由解锁进入待机时网侧有功功率波形如图6所示，直流电压波形如图7所示。由图6、图7可知，网侧功率变小时，交流电流小于门槛值40 A后，S2迅速闭锁，功率1 s内由-1200 kW到0 kW。

图6 S2待机时输入功率Fig.6 Input power (S2 standby)

图7 S2待机时直流电压Fig.7 DC voltage (S2 standby)

4 结语

文中设计了一套模拟地铁环境的能馈试验系统，并通过搭建试验平台完成了能量回馈试验，试验结果表明该试验系统可以模拟地铁启动和制动的过程，模拟地铁制动车时，能馈设备快速解锁回馈能量，模拟地铁启动时，能馈设备快速闭锁。试验系统可以为能馈设备提供真实的工作环境，试验方法对能馈设备的出厂试验具有较大的指导意义。

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