張靈芝

（湖南鐵路科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 株洲 412000）

隨著城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展，人們在關(guān)注城市軌道交通車輛舒適性和自動化程度的同時，也逐漸意識到軌道交通的環(huán)境效益和節(jié)能問題的重要性。城市軌道交通運營過程中必然需要頻繁起動和制動，傳統(tǒng)供電系統(tǒng)中車輛制動時產(chǎn)生的多余能量都被浪費，制動能量若能加以合理利用必能產(chǎn)生良好的經(jīng)濟效益。針對以上情況，本文以雙向變流型再生電能吸收利用系統(tǒng)為具體對象，研究城市軌道交通再生制動能量利用技術(shù)。該系統(tǒng)能實現(xiàn)系統(tǒng)再生能量吸收利用單位功率因數(shù)超過95%，是一種較為經(jīng)濟、有效的解決方案。

1 系統(tǒng)概述

雙向變流型再生電能吸收利用系統(tǒng)的主要功能是在列車制動時將多余的再生制動能量反饋回交流電網(wǎng)，同時不僅能夠抑制直流網(wǎng)壓的大范圍波動，減小直流電壓紋波，提高供電質(zhì)量，更重要的是還能避免列車再生制動能量在能耗電阻上的白白消耗，節(jié)約電能。整套裝置額定工況下輸出功率因數(shù)大于0.98，額定工況下整套設(shè)備效率超過95%。

1.1 系統(tǒng)原理

雙向變流型再生電能吸收利用系統(tǒng)中為了盡量減少再生電能吸收利用裝置對既有線路運行的影響，將該裝置的整流/逆變通路與既有的牽引變電所整流通路分離，采用其整流/逆變支路與二極管整流牽引機組并列布置方式，再生電能吸收利用系統(tǒng)直流側(cè)通過直流饋線柜和直流柜接直流牽引網(wǎng)，交流側(cè)通過40.5kV 開關(guān)柜接站內(nèi)35kV 母線，系統(tǒng)工作原理如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)工作原理圖

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

雙向變流型再生電能吸收利用系統(tǒng)中的再生電能吸收利用裝置主要包括變壓器（NKB）、雙向變流柜（NKINV）及直流柜（ZG），變壓器（NKB）低壓側(cè)四個繞組分別與雙向變流柜的四重模塊相連，而雙向變流柜（TSB）的直流負極引入直流柜，其直流正極直接引入直流1500V 開關(guān)柜（D）；其中直流柜（ZG）完成雙向變流型再生電能吸收利用裝置與直流母線負極（N）的隔離、濾波功能及網(wǎng)絡(luò)通訊等功能，雙向變流柜（NKINV）則實現(xiàn)電能在直流側(cè)與交流側(cè)的雙向流動，同時完成系統(tǒng)級功能、系統(tǒng)級保護等功能；變壓器（NKB）則將電壓在高壓與低壓之間的轉(zhuǎn)換及隔離。系統(tǒng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 雙向變流型再生電能吸收利用裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)功能

雙向變流型再生電能吸收利用裝置主要具有逆變回饋功能、整流牽引功能、穩(wěn)壓功能等功能，能在列車制動時將多余的再生制動能量反饋回交流中壓電網(wǎng)，并且還可在列車牽引時與變電所牽引整流機組共同為列車提供能量。同時該裝置還可以抑制直流網(wǎng)壓的波動，減小直流電壓紋波，提高牽引供電質(zhì)量。同時本裝置還具有單位功率因數(shù)控制、邏輯控制功能、保護功能、通信功能、顯示功能、數(shù)據(jù)采集及存儲功能、聯(lián)鎖與聯(lián)跳功能、試驗功能等輔助功能項。這里主要介紹逆變回饋功能、整流牽引功能和穩(wěn)壓及單位功率因數(shù)控制功能。

2.1 逆變回饋功能

本裝置的回饋功能是將列車電制動時產(chǎn)生的不能被臨近車輛吸收的再生能量反饋回中壓交流電網(wǎng)，供其他負荷使用，實現(xiàn)能量的循環(huán)再利用。為實現(xiàn)上述系統(tǒng)主要功能，主電路拓撲方面采用變壓器耦合的4 重化四象限PWM 變流器方案，如圖3所示。

圖3 主電路拓撲方案

2.2 整流牽引功能

本系統(tǒng)具有與二極管整流機組協(xié)同供電的功能，即牽引功能，可在本系統(tǒng)額定輸出功率范圍內(nèi)提供牽引電能，供給車輛起動牽引所需。并根據(jù)不同的控制目標，合理分配本系統(tǒng)與二極管整流機組之間的牽引功率大小，以實現(xiàn)協(xié)同供電效益最大化。

在雙向變流型再生電能吸收利用裝置工作牽引功能時，為了實現(xiàn)與二極管牽引整流機組的協(xié)調(diào)工作，并達到特定的控制目標（功率分配、直流電壓波動最小等），可利用雙向變流型再生電能吸收利用裝置良好的可控性，根據(jù)需要對直流輸出特性（外特性）進行控制。雙向變流型再生電能吸收利用裝置具備兩種典型的輸出特性曲線——恒壓特性和下垂特性。

2.3 穩(wěn)壓及單位功率因數(shù)控制功能

本系統(tǒng)具有穩(wěn)定直流母線電壓的功能，通過雙向變流柜的逆變回饋/整流牽引功能及控制軟件中的穩(wěn)壓控制環(huán)節(jié)實現(xiàn)，單位功率因數(shù)功能則通過控制軟件中的電流環(huán)實現(xiàn)。

雙向變流型再生電能吸收利用裝置采用經(jīng)典的電壓、電流雙閉環(huán)PWM 四象限變流器控制策略，電壓外環(huán)作為控制外環(huán)，通過測量雙向變流器實際輸出的直流電壓，與設(shè)定的穩(wěn)定電壓值比較，進行閉環(huán)控制，并給出電流內(nèi)環(huán)的有功電流給定值，使得整套裝置能夠按照設(shè)定的穩(wěn)壓值進行輸出，在額定功率范圍內(nèi)，達到穩(wěn)定直流母線電壓的目的。

電流內(nèi)環(huán)作為底層的控制內(nèi)環(huán)，通過對雙向變流器直流側(cè)電壓和交流側(cè)電流進行測量，并采用基于同步旋轉(zhuǎn)坐標變化的控制方式，將交流電流轉(zhuǎn)換成直流電流，從而實現(xiàn)有功電流、無功電流的閉環(huán)獨立控制，并通過將無功電流設(shè)置為零的方式，使得雙向變流器輸出的功率因數(shù)達到±1，實現(xiàn)系統(tǒng)單位功率因數(shù)控制。

3 系統(tǒng)特性

3.1 系統(tǒng)外特性

現(xiàn)有的牽引變電所加入雙向變流型再生電能吸收利用系統(tǒng)后，其直流側(cè)外特性曲線發(fā)生明顯變化如圖4、圖5。列車采取電制動時，二極管整流機組停止工作，再生電能吸收利用裝置起動逆變運行，采用恒壓控制模式，在裝置額定輸出功率范圍內(nèi)穩(wěn)定直流輸出電壓，系統(tǒng)工作在V-I特性曲線的左半?yún)^(qū)；列車起動牽引時，由二極管整流機組與再生電能吸收利用裝置協(xié)同工作，系統(tǒng)工作在V-I特性曲線的右半?yún)^(qū)，根據(jù)不同的控制目標，有不同的外特性控制曲線，這里給出典型的兩種外特性曲線圖。

模式1：雙向變流型再生吸收利用裝置在逆變回饋時一般采用恒壓控制模式，當(dāng)列車制動功率大于裝置的額定回饋功率時，裝置轉(zhuǎn)入恒功率控制模式；在與二極管整流機組系統(tǒng)供電時，首先采用恒壓控制，當(dāng)裝置輸出功率達到額定輸出功率時，轉(zhuǎn)入恒功控制模式。

圖4 恒壓控制模式外特性曲線

圖5 恒功控制模式外特性曲線

模式2：雙向變流型再生吸收利用裝置在逆變回饋時一般采用恒壓控制模式，當(dāng)列車制動功率大于裝置的額定回饋功率時，裝置轉(zhuǎn)入恒功率控制模式；在與二極管整流機組系統(tǒng)供電時，首先采用下垂特性控制，當(dāng)直流牽引網(wǎng)電壓低于DC 1500V 時，裝置轉(zhuǎn)入恒壓控制，維持直流牽引網(wǎng)電壓，當(dāng)裝置輸出功率達到額定輸出功率時，轉(zhuǎn)入恒功控制模式。

3.2 系統(tǒng)保護兼容性

本系統(tǒng)在任何運行狀態(tài)下，都不影響供電系統(tǒng)整流機組及繼電保護裝置（如本支路繼保、牽引整流支路繼保及母聯(lián)柜繼保等）的正常工作。

1）設(shè)備正常運營時，依靠自身內(nèi)部斷路器、整流/逆變支路上40.5kV 高壓開關(guān)柜及1500V 直流開關(guān)柜實現(xiàn)整流/逆變支路的保護，不影響其他繼保裝置的工作。

2）當(dāng)雙向變流型再生電能吸收利用裝置故障時，通過裝置自身輸出分閘信號，依據(jù)故障級別分斷整流/逆變支路上的40.5kV 或1500V 開關(guān)柜，從而切除雙向變流型再生電能吸收利用系統(tǒng)，在此過程中不聯(lián)跳其他高壓開關(guān)和直流開關(guān)、也不影響其他繼保工作。

3）當(dāng)雙向變流型再生電能吸收利用裝置對應(yīng)40.5kV 開關(guān)柜分斷或前級母線失壓時，裝置迅速退出運行，不影響母聯(lián)備自投及其他繼保裝置的正常工作，具體測試結(jié)果如圖6至圖10所示。

3.3 電網(wǎng)兼容性

針對35kV 交流系統(tǒng)下，再生電能吸收利用裝置滿負荷工作條件下在逆變回饋功能下對供電系統(tǒng)網(wǎng)壓影響仿真分析：仿真開始時，裝置處于待機態(tài)，此時直流側(cè)電壓為空載電壓；從0.5s 開始，裝置開始回饋再生制動能量，并快速進入滿負荷工作狀態(tài)，回饋功率為4MW 至中壓交流電網(wǎng)。

圖6 中壓整流/逆變支路支路對應(yīng)10kV 開關(guān)柜 分斷脈沖封鎖時間測試圖

圖7 40.5kV 開關(guān)柜分斷裝置退出時間測試圖

圖8 前級母線失壓脈沖封鎖時間測試圖

圖9 前級母線失壓到雙向變流型再生電能吸收 利用裝置退出時間測試圖

圖10 母線失壓后母聯(lián)自投時間測試圖

由圖11可知，再生電能吸收利用裝置從0.5s開始回饋車輛再生能量，回饋至35kV 中壓交流側(cè)的功率為3.96MW，回饋相電流有效值為64.9A。設(shè)備運行期時，35kV 交流側(cè)的初始相電壓為：20206V，穩(wěn)定回饋時相電壓為20261V，相電壓有效值波動率為：0.272%，遠低于GB 12325—2008 《電能質(zhì)量 供電電壓偏差》中電壓波動的要求。

圖11 中壓35kV 交流側(cè)輸出功率、相電壓及 相電流有效值測試波形

3.4 系統(tǒng)功率因數(shù)

前面已經(jīng)介紹了雙向變流型再生電能吸收利用系統(tǒng)的主要功能，其中該系統(tǒng)控制部分采用經(jīng)典電流、電壓雙閉環(huán)控制策略，電流環(huán)作為內(nèi)環(huán)，將檢測到的交流電流通過同步旋轉(zhuǎn)坐標變化轉(zhuǎn)換為直流電流，從而實現(xiàn)有功電流、無功電流的閉環(huán)獨立控 制，并通過將無功電流iq*設(shè)置為零的方式，因而使 得雙向變流器輸出的功率因數(shù)達到±1。實現(xiàn)系統(tǒng)單位功率因數(shù)控制。

如圖12所示，35kV 網(wǎng)側(cè)相電壓與相電流相位互差近180°，可以保證回饋過程中35kV PCC 處監(jiān)測的網(wǎng)側(cè)功率功率因數(shù)接近-1，滿足城市軌道交通系統(tǒng)再生能源回饋技術(shù)要求。

圖12 35kV 網(wǎng)側(cè)相電壓及相電流仿真波形

3.5 系統(tǒng)效率

1）在額定功率為2MW 時

應(yīng)用Infineon（英飛凌）提供的IGBT 損耗軟件仿真結(jié)果如圖13所示。

圖13 額定電流時IGBT 器件損耗仿真分析

由圖13可得知，IGBT 的損耗為715+369= 1.084kW，考慮到其他部件的損耗為3.2kW，整個變流柜的損耗估算為1.084×24+3.2=29.216kW。

由上可知，雙向變流柜在額定功率為2MW 時的，損耗為29.216kW，其效率為98.54%。

2）輸出功率為1.6MW 時

應(yīng)用Infineon（英飛凌）提供的IGBT 損耗軟件仿真結(jié)果如圖14所示。

圖14 額定電流的80%時IGBT 器件損耗仿真分析

由圖14可得知，IGBT 的損耗為557+345= 902W，考慮到其他部件的損耗為3.2kW，整個雙向變流柜的損耗估算為0.902×24+3.2=24.848kW。因此效率為98.447%。

3）輸出功率為1.2MW 時

應(yīng)用Infineon（英飛凌）提供的IGBT 損耗軟件仿真結(jié)果如圖15所示。

圖15 額定電流的60%時IGBT 器件損耗仿真分析

由圖15可得知，IGBT 的損耗為411+322=733W，考慮到其他部件的損耗為3.2kW，整個雙向變流柜的損耗估算為0.733×24+3.2=19.592kW。因此效率為98.267%。

4）輸出功率為0.8MW 時

應(yīng)用Infineon（英飛凌）提供的IGBT 損耗軟件仿真結(jié)果如圖16所示。

圖16 額定電流的40%時IGBT 器件損耗仿真分析

由圖16可得知，IGBT 的損耗為268+300=568W，考慮到其他部件的損耗為3.2kW，整個雙向變流柜的損耗估算為0.568×24+3.2=16.832kW。因此效率為97.896%。

系統(tǒng)效率分析：

雙向變流柜的效率曲線如圖17所示，主要設(shè)備中：隔離變壓器效率為98.9%，雙向變流柜效率為98.5%，直流控制柜中僅電抗器存在2.2kW 左右的損耗，效率為99.8%，因此額定工況下整套設(shè)備的效率為：97.2%，加入運行中預(yù)期的運行損耗，雙向變流型再生電能吸收利用裝置的利用效率超過95%。

圖17 雙向變流柜不同負載條件下效率分析

3.6 系統(tǒng)整體特點

除了上述5 點系統(tǒng)特性，雙向變流型再生吸收利用系統(tǒng)具有如下整體特點：

1）雙向變流型再生吸收利用系統(tǒng)采用城軌車輛牽引系統(tǒng)所用的大功率牽引級IGBT 器件，過載能力強，在間歇工作制（30s/120s）時最高過載可達到200%；牽引級IGBT 比工業(yè)等級IGBT 在工藝流程方面更加嚴格，如在晶圓測試、硅片測試、封裝及整件測試方面，均體現(xiàn)其質(zhì)量安全可靠，確保系統(tǒng)高可靠性、高功率密度、節(jié)能率高等特點。

2）雙向變流型再生吸收利用系統(tǒng)集能量回饋、牽引供電、提高供電品質(zhì)等多種功能于一體，設(shè)備利用率高，供電系統(tǒng)大大簡化。

3）雙向變流型再生吸收利用裝置在回饋模式時，因短時過載能力強，在地鐵負載間歇工作制下，節(jié)能率高，本產(chǎn)品在某地鐵正線進行了近1年運營考核，平均節(jié)能率達到38%。

4）雙向變流型再生吸收利用系統(tǒng)采用了多重化并聯(lián)技術(shù)，提高系統(tǒng)輸出電能質(zhì)量，保證系統(tǒng)與既有電網(wǎng)良好兼容性。

5）雙向變流型再生吸收利用系統(tǒng)采用軸向多分裂變壓器技術(shù)，提高系統(tǒng)抗故障失效能力，增強系統(tǒng)與既有變電所供電系統(tǒng)的保護兼容性。

6）雙向變流型再生吸收利用系統(tǒng)采用了完善的外特性控制技術(shù)，提供多種控制方式，實現(xiàn)系統(tǒng)整流與逆變工況之間平滑過渡，以及與既有整流機組之間能量的自動分配。

7）雙向變流型再生吸收利用系統(tǒng)采用基于功率組件的系統(tǒng)設(shè)計理念，可實現(xiàn)快速的維護維修，最大限度減少設(shè)備停機時間。

8）雙向變流型再生吸收利用系統(tǒng)實現(xiàn)了基于以太網(wǎng)的實時數(shù)據(jù)采集與記錄，可實現(xiàn)系統(tǒng)運行狀態(tài)的實時監(jiān)控，以及智能故障診斷。

4 結(jié)論

綜上所述，雙向變流型再生電能吸收利用系統(tǒng)具有能量雙向流動，輸出特性可控，功率因數(shù)可調(diào)等顯著優(yōu)點，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)列車制動能量的再生利用，取代能耗電阻，達到節(jié)能減排的目的，還能減小直流電壓波動范圍及紋波，提高供電品質(zhì)。此外，還可以對中壓環(huán)網(wǎng)進行無功補償，提高系統(tǒng)功率因數(shù)。整套系統(tǒng)技術(shù)先進、性能可靠，結(jié)合工程實際需要，采取合理的應(yīng)用方案，可以發(fā)揮其巨大的技術(shù)優(yōu)勢，獲得良好的投資回報，市場前景非常廣闊。因此，雙向變流型再生電能吸收利用系統(tǒng)是解決城市軌道交通再生能源利用問題的一種較為經(jīng)濟、有效的解決方案。

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