张健楠
北京市地铁运营有限公司供电分公司 北京 100082
摘要：本文以地铁再生制动能量回馈装置中心，从其工作原理、设置方案、模型仿真等多个方面研究了该装置。此过程中，可设置其工作模式为：在地铁再生制动能量促使牵引直流电网的电压升高并达到设定上限时，能量回馈装置则会将直流高压转换为交流高压，并将其传输至10kV中压网，以实现制动能量的再利用，这样不仅可大大降低地铁牵引供电系统的能耗，同时也可保证地铁制动过程中直流网压处于稳定状态，并提升供电设备的安全性和可靠性。
关键词：地铁；再生制动；能量回馈；牵引直流网；牵引供电
1.再生制动能量回馈装置的工作原理
通常情况下，城市轨道交通均会使用可随时变换电压频率的直交传动方式，制动过程中通常会使用再生制动、电阻制动、空气制动、液压制动等相互结合的制动方式。但是，地铁运行期间，使用的制动方式主要以再生制动、电阻制动为主，当地铁运行时速降至5KM以下时，则会使用空气制动、液压制动等辅助制动方式，直至地铁完全停止。现阶段，绝大多数地铁都使用制动电阻来消耗能量，这样不仅会消耗大量的电能，同时也会增加通风设备的负荷。其次，由于制动电阻会占用地铁自身的重量，增加车身负担，基于此，本文重点研究了地铁再生制动能量回馈装置，以便能够将地铁运行过程中的制动能量回馈至交流电网并对其进行再次利用，以此来降低能耗，实现能量的回收利用。
能量回馈装置交流侧通过断路器柜经变压器接入10kV中压网，直流侧通过断路器柜连接750V直流网。若此时系统检测发现直流侧的电压值超出设置的逆变电压值时，变流器就会在逆变状态下运行，并会将直流侧能量回馈至交流网，直至直流侧电压值小于设置的逆变电压值为止，这时变流器将处于待机模式；若在系统检测过程中，直流侧电压值小于设置的整流电压值时，变流器就会在整流状态下运行，并将交流网的能量传输至直流网，直至直流侧的电压值大于设定整流电压值为止，此时变流器处于待机模式，同时整个设备也无需配备能量存储组件，无需考虑电阻发热问题，该装置运行过程中，环境影响也相对较小且便于维护。
2.设计方案
能量回馈装置主要由以下组件组成，如能馈变压器、交流断路器柜、直流断路器柜及变流器柜等。本文所使用的是两台750kW的变流器柜并联在一起，让其组合成一个具备扩展功能的1.5MW能量回馈输出装备。
2.1能馈变压器
能馈变压器使用的是四线圈轴向双分裂结构的三绕组干式变压器，并联输出的高压线圈和独立输出的低压线圈形式，这种情况下，变压器不仅可进行高低压之间的转换、匹配，也可将两个高低压电阻相互阻隔，除此之外，变压器的漏感功能也可起到滤波器电感的作用。
2.2交流断路器柜
交流断路器柜使用CW3-2500M通用断路器，额定直流绝缘电压为1000V，额定工作电压为440V，额定电流为2000A，额定频率为50/60Hz。
2.3直流断路器柜
直流断路器柜主要由直流接触器、电动断路器、直流避雷器、电压传感器以及电压表等部件组成。直流断路器柜的主要作用在于隔离750V直流线网和制动能量吸收装置，并且可以在零负载情况下断开连接。
2.4变流器柜
变流器柜作为地铁再生制动能量回馈交流和直流功率转换的主要设备，能量传输、控制过程中，该装置使用的是IGBT开关器件以及矢量控制、SVPWM调制技术传输、控制能量。
2.5设计能量回馈装置
设计的地铁制动能量回馈装置主要包括整个系统的设计、三相软件锁相环设计、SVPWM调制策略的实现以及系统故障保护设计。
2.5.1整个系统的设计
系统运行过程中，电压和电流检测设备会收集逆变器输出侧的LCL滤波器的电容电压以及逆变器侧的电感电流、电网侧的电感电流等，所收集的信号信息经过模数转换后，会传输至DSP内部，以计算SVPWM的脉冲信号，进而该系统则会根据计算的SVPWM的脉冲信号控制逆变器各桥臂内的每一个TGBT开关，与此同时，还需收集电网信息，这是因为所收集的信息可有效控制逆变器输出的电流的频率、功率以及相位等因数，并可将地铁能量回馈装置所收集的能量及时传输至10kV电网。
2.5.2 SVPWM调制策略
SVPWM是由带有外部回路电压和内部电流回路的双闭环PI变流控制系统控制，其中将1650V的设定电压值用作参考电压值Vref，收集牵引网的电压和电流信号，同时还需实时比对牵引网的电压Udc与参考电压，以有效防止牵引网的电压超出设定电压值，防止逆变器出现跳闸问题，比对过程中所得的误差可通过比例积分调节器校正后方可获得电流参考值iref。外部电压环路所起的作用主要包括以下两点：(1)可确保直流侧电压的稳定性；（2）为电流内部回路提供电流参考值。三相交流电的电流iabc的实际值与dq解耦，则可计算出电流有功分量id与iref，并通过PI进行调整。并网过程中因期待可得到更多的有功功率，因此需将电流无功分量iq与0进行比较，并调整PI，通过直流电压补偿获得的Vd和Vq电压通过Park转换，并将信号传输至SVPWM进行调制，接收脉冲信号以触发逆变器开关元件。
2.5.3三相软件锁相环设计
并网逆变过程中，则可使用三相锁相环电路收集精准的瞬时相位信息，以此来提升计算、补偿基准。三相锁相环电路通常主要由鉴相器、分频器以及压控振荡器、环路滤波器等组成。通常而言，电网电压信号与分频器传输的锁相信号都会出现相位差，而鉴别器则可有效将相位差转换为电压信号，并在此基础上使用环路滤波器处理滤波，除去转换的电压信号中的高频分量及噪音信号，进而在控制压控振荡器，调整系统内部输出的控制信息的频率及相位，实现锁相目的。此外，还可使用三相锁相环计算电网电压的三相电压的所有相位信息。在压控振荡器的固有频率为电网频率的两倍的情况下，其频率则为100Hz，此时方可快速准确锁相。
2.5.4系统故障保护设计
系统所设置的故障保护需在DSP内部设置中断响应程序。检测过程中，若检测系统发现采样电流高于或低于设定电压值时，DSP内部设置的中断响应程序内的比较器就会自行控制寄存器并输出DSP中每一个PWM脉冲，让其处于高阻态，这样方可有效阻止脉冲输出，发挥过流保护作用，并与硬件保护系统相互配合，对该系统进行双重保护。
3.模型仿真分析
文中进行仿真验证选用的是MATLAB中的工具箱，通过simulink创建回馈系统的仿真模型。此过程中，直流侧的电能经过三相逆变器后就会转换成三相交流电能，进而再使用滤波器将其与电网连接。设置仿真模型内电网侧的电压值为690V,可将电网视为尚未设限的容量系统，对该模型进行动静态运行试验，试验过程中，还需确保静态运行试验装置必须在满载状况下运行，动态运行试验必须在整流逆变模式切换过程中保持其动态特性。
文中以我国某地铁线路的实际运行情况为主，对其进行稳态仿真试验及动态仿真试验，实验结果如下：
3.1稳态运行
通过稳态仿真试验可看出，地铁再生制动能量回馈装置与两个变流器并联并网过程中，两个变流器的电流纹波则会最大限度的对消，对电网造成的冲击及谐波均在可控范围内。
3.2动态运行
通过动态仿真试验可看出，地铁再生制动能量回馈装置需将逆变及整流模式之间的切换时间控制在10ms内，这样方可将电网产生的冲击及谐波控制在可控范围内。
结束语
综上所述，地铁运行过程中，则可使用再生制动能量回馈技术将其运行过程中产生的制动能量通过回馈装置回馈至电网，以实现对电能的回收利用。文中从该装置的设计、工作原理、模型仿真等多个方面，研究了再生制动能量回馈装置，以便该装置能够在地铁运行过程中发挥更大的作用，进而进一步提升电能回收利用率，为企业创造更高的经济效益。
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