代 靜，李群湛

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地鐵再生電能利用試驗系統(tǒng)仿真分析

代 靜，李群湛

隨著再生制動技術(shù)在地鐵領(lǐng)域的普遍應(yīng)用，以逆變回饋為代表的再生電能利用正處于蓬勃發(fā)展時期，然而在實際牽引供電系統(tǒng)中模擬列車典型工況并考核逆變回饋裝置的性能是十分困難的。本文基于地鐵再生電能利用試驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計，仿真驗證了試驗系統(tǒng)模擬列車典型工況和考核逆變回饋裝置性能的可行性。

地鐵；再生電能利用試驗系統(tǒng)；典型工況；逆變回饋

0 引言

隨著以地鐵為代表的城市軌道交通的飛速發(fā)展，地鐵車輛再生制動電能利用的巨大潛力日益顯現(xiàn)。對比現(xiàn)有電阻耗能型、儲能型、逆變回饋型3種再生能量利用方式，逆變回饋型以其節(jié)能效果佳、技術(shù)成熟度高、經(jīng)濟性強等優(yōu)勢被廣泛應(yīng)用于國內(nèi)外地鐵線路中。本文基于地鐵再生電能利用試驗系統(tǒng)[1]，對該試驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模擬列車典型工況并考核逆變回饋裝置的性能進行仿真分析。

1 試驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

地鐵再生電能利用試驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要包括整流機組RC、可逆負荷機組ADR及逆變機組ADI，如圖1所示。整流機組RC、可逆負荷機組ADR和逆變機組ADI的變壓器T原邊分別通過三相低壓交流開關(guān)KA連接到35 kV或10 kV三相交流母線上，整流機組RC、可逆負荷機組ADR、逆變機組ADI直流側(cè)的一端通過直流開關(guān)KD連接到 1 500 V或750 V直流母線上，直流側(cè)的另一端通過接地線直接接地。

該方案下可逆負荷機組ADR為雙向可控，通過控制其IGBT變流單元可以模擬實際車輛的牽引工況和再生制動工況。牽引工況對應(yīng)將直流電轉(zhuǎn)換成交流電，此時可逆負荷機組工作在逆變狀態(tài)；再生工況對應(yīng)將交流電轉(zhuǎn)換成直流電，此時可逆負荷機組工作在整流狀態(tài)。

圖1 試驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 再生制動工況仿真分析

再生制動工況下系統(tǒng)工作原理如圖2所示。

圖2 再生制動工況下試驗系統(tǒng)工作原理

再生制動工況下，可逆負荷機組ADR和逆變機組ADI工作，電能由ADR流向ADI。

2.1 模型搭建

可逆負荷機組ADR運行于整流狀態(tài)，模擬列車再生制動；逆變機組ADI作為逆變回饋裝置吸收再生制動能量。ADR和ADI的核心結(jié)構(gòu)是PWM變流器。當列車處于再生制動工況時，電能由ADR流向ADI，其本質(zhì)為2個背靠背PWM變流器[2，3]。再生制動仿真模型如圖3所示，變流器VSC1作為可逆負荷機組ADR工作于有源整流狀態(tài)，變流器VSC2作為逆變機組ADI工作于逆變狀態(tài)。VSC1和VSC2的電氣參數(shù)、結(jié)構(gòu)、電流內(nèi)環(huán)控制方式均相同，不同之處體現(xiàn)在外環(huán)控制，VSC1采用定直流電壓控制，VSC2采用定功率控制。

圖3 再生制動仿真模型

基于前饋解耦的電流內(nèi)環(huán)控制器模型為

圖4 電流內(nèi)環(huán)控制器結(jié)構(gòu)

為保持系統(tǒng)直流側(cè)電壓的穩(wěn)定及兩側(cè)系統(tǒng)間傳輸功率的平衡，其中一個變流器需采用定直流電壓控制。定直流電壓控制器模型如式（2）所示，電壓PI控制器的輸出作為有功電流d的參考量。圖5為外環(huán)定電壓控制框圖。

式中，Kup和KuI為電壓外環(huán)PI控制器參數(shù)。

系統(tǒng)有功功率和無功功率可通過有功電流d和無功電流q實現(xiàn)獨立控制，有功功率控制器和無功功率控制器的設(shè)計模型為

式中，pP、pI為有功功率PI控制器參數(shù)；qP、qI為無功功率PI控制器參數(shù)。

圖6為外環(huán)定功率控制框圖。

圖6 外環(huán)定功率控制

2.2 仿真分析

仿真參數(shù)：變流器交流側(cè)電源額定電壓380 V，頻率50 Hz，濾波電感0.6 mH，直流側(cè)電容 2 100 uF，IGBT開關(guān)頻率3 000 Hz。設(shè)置總仿真時長為0.4 s。

= 0 s時，啟動整流側(cè)變流器VSC1，設(shè)置直流側(cè)電壓給定值為860 V，直流電壓電流波形如圖7所示，可以看出直流電壓在變流器VSC1啟動后快速達到給定值。VSC1和VSC2交流側(cè)A相電壓電流波形分別如圖8和圖9所示，此時系統(tǒng)兩側(cè)未形成電流通路，輸出電流為零。

= 0.05 s時，閉合直流母線開關(guān)，逆變側(cè)變流器VSC2投入運行，設(shè)置有功功率給定值為0 kW，變流器VSC2功率曲線如圖10所示，此時功率給定值為零，系統(tǒng)輸出電流仍然為零。從圖7可以看出，VSC2投入不會引起直流電壓的波動。

= 0.1 s時，設(shè)置有功功率給定值為120 kW。從圖8、圖9可以看出，VSC1和VSC2的輸入電流不為零，VSC1電壓電流反向，提供有功功率；VSC2電壓電流同向，吸收有功功率。從圖10可以看出系統(tǒng)無功功率一直為零，實現(xiàn)了單位功率因數(shù)整流和逆變。

= 0.2 s時，將有功功率給定值設(shè)置為60 kW，系統(tǒng)功率經(jīng)短暫調(diào)整后穩(wěn)定在給定值。從圖8、圖9可以看出，VSC1和VSC2的輸入電流快速跟隨功率指令而響應(yīng)。

= 0.3 s時，將電壓給定值調(diào)整為780 V，直流側(cè)電壓經(jīng)短暫調(diào)整穩(wěn)定運行在780 V?？梢钥闯鲇捎赩SC2功率指令未發(fā)生變化，VSC1及VSC2的交流側(cè)電壓和電流均未變化，處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖7 直流電壓電流波形

圖8 VSC1交流側(cè)A相電壓電流波形

圖9 VSC2交流側(cè)A相電壓電流波形

圖10 VSC2功率曲線

對VSC2交流側(cè)輸入電流諧波含量進行分析，如圖11所示。結(jié)果表明電流總畸變率為2.8%，且各次諧波含量低于0.5%，均符合逆、變回饋裝置并網(wǎng)電流諧波標準。

圖11 VSC2A相電流諧波分析

上述仿真過程結(jié)果表明，對系統(tǒng)兩側(cè)PWM變流器采用的定電壓和定功率控制策略具有良好的穩(wěn)定性，直流側(cè)電壓和有功功率響應(yīng)速度快，系統(tǒng)能很好地穩(wěn)定直流母線電壓并按設(shè)定的功率值吸收再生能量；驗證了2臺變流器模擬列車再生制動工況的可行性，同時可按列車實際再生制動功率大小模擬列車再生制動和逆變回饋過程，且逆變側(cè)并網(wǎng)電能質(zhì)量滿足國家標準。

3 牽引工況仿真分析

牽引工況時，整流機組RC和可逆負荷機組ADR工作，能量由整流機組流向可逆負荷機組。牽引工況下試驗系統(tǒng)工作原理如圖12所示，整流機組提供能量，可逆負荷機組運行于逆變狀態(tài)模擬列車牽引取流。

3.1 模型搭建

在Matlab/Simulink中搭建24脈波整流機組和PWM變流器VSC1仿真模型，如圖13所示。其中，變流器VSC1采用定功率控制，模擬列車從直流牽引供電系統(tǒng)吸收能量。

圖12 牽引工況下試驗系統(tǒng)工作原理

圖13 牽引仿真模型

3.2 仿真分析

仿真參數(shù)：24脈波整流機組交流側(cè)電源額定電壓10 kV，頻率50 Hz，直流側(cè)輸出額定電壓 750 V。變流器參數(shù)同上。設(shè)置總仿真時長為0.3 s。

= 0 s時，啟動整流機組，系統(tǒng)兩側(cè)未形成通路，整流機組和變流器A相電壓電流波形如圖14、圖15所示，從圖中可以看出此時整流機組和變流器輸出電流均為零。

= 0.1 s時，投入變流器，并設(shè)置有功功率給定值為120 kW，變流器功率曲線如圖16所示，從圖14、圖15可以看出此時整流機組和變流器電流不為零，按給定功率值輸出電流，且電壓電流基本同相位，實現(xiàn)單位功率因數(shù)逆變。

= 0.2 s時，更改有功功率給定值為60 kW，從圖14、圖15可以看出，整流機組和變流器電流快速跟隨功率指令變化。

圖14 整流機組A相電壓電流波形

圖15 變流器A相電壓電流波形

圖16 變流器功率曲線

通過上述仿真過程，說明采用整流機組和變流器結(jié)構(gòu)模擬列車牽引工況具有一定的可行性，設(shè)定變流器有功功率給定值，即可模擬列車實際牽引取流過程。

4 結(jié)語

采用1臺整流機組、2臺變流器構(gòu)成的地鐵再生電能利用試驗系統(tǒng)，通過控制2臺變流器整流與逆變功能的切換，即可按列車實際運行牽引功率和再生制動功率大小有效模擬列車典型工況并考核逆變回饋裝置的性能。

[1] 李群湛，郭育華，黃小紅，等. 一種直流牽引變電所再生電能利用試驗系統(tǒng)[P]. 中國，ZL201510560323.0，2015-12-02.

[2] 張興，張崇巍. PWM整流器及其控制[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2012.

[3] 王恩德，黃聲華. 三相電壓型PWM整流器的新型雙閉環(huán)控制策略[J]. 中國電機工程學報，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 靜.西南交通大學電氣工程學院，碩士研究生；

李群湛.西南交通大學電氣工程學院，教授。