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摘要：城市轨道交通具有安全、舒适、快速、运量大和节能环保等特点，但伴随路网规模的扩大和客运量的剧增，城市轨道交通能源消耗总量也大幅增长，尤其是牵引供电所消耗的能源占到总消耗量的30%-40%。在国家节能减排政策的推动下，如何提高供电系统电能利用效率、降低供电总能耗成为研究的热点。基于此，文章探讨分析了地铁再生制动能量回馈装置的无功补偿控制策略，以供参考。
关键词：地铁；能量回馈装置；再生制动；功率因数；无功补偿
一、能量回馈装置的分类和应用
由轨道交通站距短，车辆频繁起停，车辆制动时有大量的动能以再生制动方式转换为电能返送到直流接触网上，为充分利用这部分制动能量，国内外提出了许多再生制动能量利用方案，大致分为三类：
1、能耗型
能耗型再生制动能量利用装置采用DC/DC斩波器和能耗电阻，将不能被相邻车辆吸收利用的多余制动能量消耗到电阻上，从而维持直流电压的稳定。
2、逆变回馈型
逆变回馈型采用DC/AC逆变器和隔离变压器将车辆制动产生的直流电能转换为交流电能，馈入交流电网达到再次利用的目的。逆变回馈型再生制动能量利用装置能最大程度实现车辆制动能量的再利用，作为无功补偿设备和牵引整流器来使用，提高设备利用效率。
3、储能型
储能型再生制动能量利用装置采用双向DC/DC变流器和超级电容（或者飞轮）将车辆制动时的能量存储起来，待车辆牵引时释放出来。根据储能介质不同可分为超级电容储能型和飞轮储能型，飞轮储能型技术难度大、功率小、成本高。超级电容储能型再生制动能量利用装置仅与直流系统相连，不存在电能倒送问题，得到国内外广泛研究和应用。
二、地铁再生制动能量回馈装置的无功补偿控制
1、具备回馈及无功补偿控制方案
地铁回馈变流器采用同步旋转坐标系的控制方案，易实现有功和无功的独立控制。因此，既满足白天实现功率因数为1的逆变回馈要求，也可满足夜间向电网提供无功补偿的要求。地铁回馈变流器系统控制框图如图1所示。
图1 地铁回馈变流器的有功、无功控制框图
电压外环控制直流母线电压，采样的直流母线电压ＵＤＣ与给定电压ＵＤＣ＊的差值作为ＰＩ（比例和积分）调节器的输入，其输出作为对应有功功率ｄ轴电流给定ｉｄ＊，通过调节变流器将有功功率传送到交流电网，使直流接触网电压稳定在给定的参考电压。内环为电流环，在与电网电压矢量同步旋转的ｄ、ｑ坐标系统下，采用两个ＰＩ调节器对变流器输出电流的ｄ、ｑ轴分量进行解耦控制。ｑ轴电流给定ｉｑ＊设置为0，则变流器输出功率因数为1，也可根据需要对ｉｑ＊相应设置，向交流电网输出感性或容性无功。
2、定时、定量无功补偿策略
2.1定时无功补偿
地铁回馈装置根据触摸屏设定好的时间对地铁供电系统补偿无功。一般地铁运营时间是早上６点开始到晚上10点多结束，因此可暂定为从晚上23：00开始输出感性无功，凌晨5点停止输出无功，根据实际情况设置。
2.2定量无功补偿
根据对地铁供电系统夜间无功情况调研，根据全线挂网的地铁回馈装置数量计算每台地铁回馈装置的无功功率大小，从触摸屏上设置。
3、自动无功补偿策略
利用地铁现有的整个监控系统的通信及后台系统，实时读取综合监控系统服务器内各个牵引站内回馈装置的有功功率、无功功率、运行状态及主变电所的有功功率、无功功率值。
地铁回馈装置功率调度系统可对无功功率进行实时计算。设定变电所无功功率指令值为零，根据当前主变电所无功功率之和及各回馈装置的运行状态，实时计算出需要每台回馈装置的无功功率设定值。地铁回馈装置则根据后台下发的无功指令输出无功功率，而实现主变电所无功功率的分布补偿。
4、仿真与试验验证
根据地铁回馈变流器的无功补偿控制策略，搭建仿真和试验平台进行验证。由于地铁输电线路较长，产生较大容性无功。在夜间地铁停运时，用电负荷低，导致晚上功率因素较低，因此夜间需要地铁回馈装置对地铁供电系统补偿感性无功。
4.1仿真研究
为验证地铁回馈变流器的无功补偿控制策略的正确性，在Matlab/Simulink 仿真平台中搭建地铁回馈变流器的仿真模型。直流接触网采用1500Ｖ供电，地铁回馈变流器采用ＬＣＬ（电感电容电感）滤波，开关频率为2kHz。
4.2试验结果
基于地铁回馈装置的夜间无功补偿控制策略及仿真研究，在一台1ＭＷ的地铁回馈装置上进行试验验证。1ＭＷ地铁回馈装置的参数与仿真模型一致。图2为地铁回馈装置输出从0到350ｋＶａｒ无功功率的过程，对比相对应的仿真波形图3，可看出实际情况与仿真结果一致。
图3 输出无功从 0 到 350 kVar过程
对比展开波形与仿真波形图，可看出实际情况与仿真结果一致，能够明显看出相电流与线电压的相位关系，此时地铁回馈装置具备无功补偿功能。
结束语
目前国内外均已开展地铁再生制动能量回馈吸收装置的研究，并将该技术和产品应用到了实际工况。随着国内对地铁节能、环保要求，及回馈装置产品的逐步应用，地铁能量回馈技术及其带来的经济效益和作用效果必将逐步得到验证和显现。
参考文献
[1]王靖满，黄书明.城市轨道交通供电系统技术[Ｍ].上海：上海科学普及出版社，2011：1.
[2]苏劼.城市轨道交通能馈式牵引供电系统的研究应用[Ｄ].北京：北京交通大学，2009.
论文作者:薛全义
论文发表刊物:《电力设备》2016年第24期
论文发表时间:2017/1/17
标签：地铁论文; 装置论文; 变流器论文; 功率论文; 能量论文; 电压论文; 供电系统论文; 《电力设备》2016年第24期论文;