地铁再生电能利用试验系统仿真分析

代 静，李群湛



地铁再生电能利用试验系统仿真分析

代 静，李群湛

随着再生制动技术在地铁领域的普遍应用，以逆变回馈为代表的再生电能利用正处于蓬勃发展时期，然而在实际牵引供电系统中模拟列车典型工况并考核逆变回馈装置的性能是十分困难的。本文基于地铁再生电能利用试验系统结构设计，仿真验证了试验系统模拟列车典型工况和考核逆变回馈装置性能的可行性。

地铁；再生电能利用试验系统；典型工况；逆变回馈

0 引言

随着以地铁为代表的城市轨道交通的飞速发展，地铁车辆再生制动电能利用的巨大潜力日益显现。对比现有电阻耗能型、储能型、逆变回馈型3种再生能量利用方式，逆变回馈型以其节能效果佳、技术成熟度高、经济性强等优势被广泛应用于国内外地铁线路中。本文基于地铁再生电能利用试验系统[1]，对该试验系统结构模拟列车典型工况并考核逆变回馈装置的性能进行仿真分析。

1 试验系统结构

地铁再生电能利用试验系统结构主要包括整流机组RC、可逆负荷机组ADR及逆变机组ADI，如图1所示。整流机组RC、可逆负荷机组ADR和逆变机组ADI的变压器T原边分别通过三相低压交流开关KA连接到35 kV或10 kV三相交流母线上，整流机组RC、可逆负荷机组ADR、逆变机组ADI直流侧的一端通过直流开关KD连接到 1 500 V或750 V直流母线上，直流侧的另一端通过接地线直接接地。

该方案下可逆负荷机组ADR为双向可控，通过控制其IGBT变流单元可以模拟实际车辆的牵引工况和再生制动工况。牵引工况对应将直流电转换成交流电，此时可逆负荷机组工作在逆变状态；再生工况对应将交流电转换成直流电，此时可逆负荷机组工作在整流状态。

图1 试验系统结构

2 再生制动工况仿真分析

再生制动工况下系统工作原理如图2所示。

图2 再生制动工况下试验系统工作原理

再生制动工况下，可逆负荷机组ADR和逆变机组ADI工作，电能由ADR流向ADI。

2.1 模型搭建

可逆负荷机组ADR运行于整流状态，模拟列车再生制动；逆变机组ADI作为逆变回馈装置吸收再生制动能量。ADR和ADI的核心结构是PWM变流器。当列车处于再生制动工况时，电能由ADR流向ADI，其本质为2个背靠背PWM变流器[2，3]。再生制动仿真模型如图3所示，变流器VSC1作为可逆负荷机组ADR工作于有源整流状态，变流器VSC2作为逆变机组ADI工作于逆变状态。VSC1和VSC2的电气参数、结构、电流内环控制方式均相同，不同之处体现在外环控制，VSC1采用定直流电压控制，VSC2采用定功率控制。

图3 再生制动仿真模型

基于前馈解耦的电流内环控制器模型为

图4 电流内环控制器结构

为保持系统直流侧电压的稳定及两侧系统间传输功率的平衡，其中一个变流器需采用定直流电压控制。定直流电压控制器模型如式（2）所示，电压PI控制器的输出作为有功电流d的参考量。图5为外环定电压控制框图。

式中，Kup和KuI为电压外环PI控制器参数。

系统有功功率和无功功率可通过有功电流d和无功电流q实现独立控制，有功功率控制器和无功功率控制器的设计模型为

式中，pP、pI为有功功率PI控制器参数；qP、qI为无功功率PI控制器参数。

图6为外环定功率控制框图。

图6 外环定功率控制

2.2 仿真分析

仿真参数：变流器交流侧电源额定电压380 V，频率50 Hz，滤波电感0.6 mH，直流侧电容 2 100 uF，IGBT开关频率3 000 Hz。设置总仿真时长为0.4 s。

= 0 s时，启动整流侧变流器VSC1，设置直流侧电压给定值为860 V，直流电压电流波形如图7所示，可以看出直流电压在变流器VSC1启动后快速达到给定值。VSC1和VSC2交流侧A相电压电流波形分别如图8和图9所示，此时系统两侧未形成电流通路，输出电流为零。

= 0.05 s时，闭合直流母线开关，逆变侧变流器VSC2投入运行，设置有功功率给定值为0 kW，变流器VSC2功率曲线如图10所示，此时功率给定值为零，系统输出电流仍然为零。从图7可以看出，VSC2投入不会引起直流电压的波动。

= 0.1 s时，设置有功功率给定值为120 kW。从图8、图9可以看出，VSC1和VSC2的输入电流不为零，VSC1电压电流反向，提供有功功率；VSC2电压电流同向，吸收有功功率。从图10可以看出系统无功功率一直为零，实现了单位功率因数整流和逆变。

= 0.2 s时，将有功功率给定值设置为60 kW，系统功率经短暂调整后稳定在给定值。从图8、图9可以看出，VSC1和VSC2的输入电流快速跟随功率指令而响应。

= 0.3 s时，将电压给定值调整为780 V，直流侧电压经短暂调整稳定运行在780 V。可以看出由于VSC2功率指令未发生变化，VSC1及VSC2的交流侧电压和电流均未变化，处于稳定状态。

图7 直流电压电流波形

图8 VSC1交流侧A相电压电流波形

图9 VSC2交流侧A相电压电流波形

图10 VSC2功率曲线

对VSC2交流侧输入电流谐波含量进行分析，如图11所示。结果表明电流总畸变率为2.8%，且各次谐波含量低于0.5%，均符合逆、变回馈装置并网电流谐波标准。

图11 VSC2A相电流谐波分析

上述仿真过程结果表明，对系统两侧PWM变流器采用的定电压和定功率控制策略具有良好的稳定性，直流侧电压和有功功率响应速度快，系统能很好地稳定直流母线电压并按设定的功率值吸收再生能量；验证了2台变流器模拟列车再生制动工况的可行性，同时可按列车实际再生制动功率大小模拟列车再生制动和逆变回馈过程，且逆变侧并网电能质量满足国家标准。

3 牵引工况仿真分析

牵引工况时，整流机组RC和可逆负荷机组ADR工作，能量由整流机组流向可逆负荷机组。牵引工况下试验系统工作原理如图12所示，整流机组提供能量，可逆负荷机组运行于逆变状态模拟列车牵引取流。

3.1 模型搭建

在Matlab/Simulink中搭建24脉波整流机组和PWM变流器VSC1仿真模型，如图13所示。其中，变流器VSC1采用定功率控制，模拟列车从直流牵引供电系统吸收能量。

图12 牵引工况下试验系统工作原理

图13 牵引仿真模型

3.2 仿真分析

仿真参数：24脉波整流机组交流侧电源额定电压10 kV，频率50 Hz，直流侧输出额定电压 750 V。变流器参数同上。设置总仿真时长为0.3 s。

= 0 s时，启动整流机组，系统两侧未形成通路，整流机组和变流器A相电压电流波形如图14、图15所示，从图中可以看出此时整流机组和变流器输出电流均为零。

= 0.1 s时，投入变流器，并设置有功功率给定值为120 kW，变流器功率曲线如图16所示，从图14、图15可以看出此时整流机组和变流器电流不为零，按给定功率值输出电流，且电压电流基本同相位，实现单位功率因数逆变。

= 0.2 s时，更改有功功率给定值为60 kW，从图14、图15可以看出，整流机组和变流器电流快速跟随功率指令变化。

图14 整流机组A相电压电流波形

图15 变流器A相电压电流波形

图16 变流器功率曲线

通过上述仿真过程，说明采用整流机组和变流器结构模拟列车牵引工况具有一定的可行性，设定变流器有功功率给定值，即可模拟列车实际牵引取流过程。

4 结语

采用1台整流机组、2台变流器构成的地铁再生电能利用试验系统，通过控制2台变流器整流与逆变功能的切换，即可按列车实际运行牵引功率和再生制动功率大小有效模拟列车典型工况并考核逆变回馈装置的性能。

[1] 李群湛，郭育华，黄小红，等. 一种直流牵引变电所再生电能利用试验系统[P]. 中国，ZL201510560323.0，2015-12-02.

[2] 张兴，张崇巍. PWM整流器及其控制[M]. 北京：机械工业出版社，2012.

[3] 王恩德，黄声华. 三相电压型PWM整流器的新型双闭环控制策略[J]. 中国电机工程学报，2012，32（15）：24-30.

Along with the common application of regenerative energy technology in field of subway, the regenerative energy utilization, marked by the inverse feedback, is in a vigorous development period; however, it is difficult to simulate the train’s typical working conditions and assess the inverse feedback devices during the actual traction power supply system simulation. On the basis of structural design of subway regenerative energy utilization test system, the paper introduces that the test system is able to simulate the train’s typical working conditions and to assess the performance of inverse feedback devices.

Subway; regenerative energy utilization test system; typical working condition; inverse feedback device

10.19587/j.cnki.1007-936x.2018.06.019

U231.8

A

1007-936X(2018)06-0077-04

2018-04-02

代 静.西南交通大学电气工程学院，硕士研究生；

李群湛.西南交通大学电气工程学院，教授。