深圳市市政设计研究院有限公司 广东省 518000
摘要：地铁车辆制动时，电机由电动机状态转化为发电机状态，列车的动能转化为电能，向直流网反馈能量，此过程称为再生制动。地铁具有运量大、站间距离短、车辆启停频繁等特点，列车制动回馈能量可达牵引能量的30%～40%。由于整流机组采用的是二极管不控整流，再生制动能量无法回馈到交流侧。当列车制动时，如果再生制动电能没有被同一供电区内处于牵引工况的其他列车吸收，反馈回电网的电能会造成直流侧网压的升高，当网压升高超过上限值时，可能会造成再生制动失效。
关键词：地铁逆变 回馈型再生 制动能量利用
导言
目前对再生制动能量的处理主要有电阻耗能型、能量存储型和逆变回馈型三种。其主要工作原理为：处于再生制动工况下的列车回馈的能量引起网压上升，当网压上升至限值时，开启再生制动能量吸收装置，吸收多余的能量，以维持牵引网网压稳定。本文主要对逆变回馈型再生制动能量吸收装置的工作原理、输出特性、控制策略进行分析。
1工作原理
逆变回馈型吸收装置的核心是大功率四象限变流器（又称PWM变流器），它是基于PWM脉宽调制技术的一种功率变换装置，将再生制动能量回馈给不同电压幅值的交流电网。整个装置包括双向变流器，隔离变压器等。其成本较高，且目前受功率等级限制。
地铁牵引供电的实际情况是，需要反送回交流电网的再生制动能量小于列车从牵引网上所获取的牵引能量。因此，对于牵引变电所而言，所需配备的逆变容量也比整流的容量小。鉴于此种情况且基于成本的考虑，目前国内实际应用中，基本都是采用二极管整流机组与PWM变流机组相结合的方案，充分发挥二者各自优势。但由于二极管整流机组已满足整流容量需求，该PWM变流机组仅用于逆变。
二极管整流机组与PWM变流机组相结合方案的系统结构示意图如下：
x
图2 PWM变流机组
2输出特性
由于PWM整流器完全可控，所以能量可以实现双向流动，因此PWM变流机组的输出特性不止局限于第一象限，也能够工作在第二象限。PWM变流机组的两种基本的输出特性曲线如下图所示：
（a）稳压特性
其中，U0为PWM整流器空载电压；Req为等效电阻（下垂斜率）。采用下垂控制特性无需控制信号线就可实现自动均流，且相互独立性好，系统可扩展性好，可靠性高。
在上述两种输出特性的基础上，通过优化组合，可以衍生出多种多种控制策略，满足实际工程需求。
3运行模式及控制策略
当采用能馈装置仅用于逆变这种运行模式时，控制策略如下：
其中：
为能馈装置的直流特性曲线；
为二极管整流机组的直流特性曲线；
Udo为二极管整流机组的理想空载直流电压；
Uk为能馈装置的空载直流电压；
ULIM为能馈装置逆变电压限制值；
A为逆变区限功点；
这种控制策略下，逆变回馈装置仅用于逆变。逆变回馈装置启动后，实时检测直流母线电压，当装置检测到直流母线电压高于逆变起始电压后，开启PWM脉冲信号，控制功率器件IGBT，通过调节电流，使再生制动能量快速回馈到电网中，同时稳定直流母线电压。为保证能馈装置与既有二极管整流机组并联运行不会产生环流，能馈装置的空载电压须实时动态跟踪35kV网压，且比二极管整流机组理想空载电压高，一般设置在高30V左右。此时由于直流母线电压高于整流器不可控整流值，整流二极管会自动停止工作。随着制动功率的增大，直流母线电压也随之线性增加，当达到限制值A点后，逆变回馈装置按恒功率运行，如图5中曲线AX段所示。
当装置检测到网压高于二极管整流装置空载电压但低于能馈装置逆变起始电压时，装置均处于等待状态。
当采用能馈装置替代传统的二极管整流装置时，控制策略如下：
其中：
Udo为能馈装置的空载直流电压；
Uk为能馈装置的逆变起始电压；
ULIM为中压能馈装置逆变电压限制值；
A为逆变区限功点；
B为整流区限功点；
这种控制策略下，逆变回馈装置仅用于既用于逆变又用于整流。能馈装置启动后，实时检测直流母线电压及35kV母线电压，当装置检测到直流母线电压高于逆变起始电压后，使能馈装置工作在逆变状态。列车牵引时，直流母线电压下降，当装置检测到网压低于空载电压时，能馈装置工作在整流状态。其中A、B 分为限功点。当装置检测到网压高于空载电压但低于能馈装置逆变起始电压时，装置处于等待状态。
4结语
相较于传统的牵引供电系统，在牵引供电系统中引入能馈式变流机组，能够起到如下几方面作用：①将制动能量反馈到中压网络再利用，节约能源；②减小直流电压波动，提高牵引供电品质；③对交流中压电网进行无功补偿，提高功率因数。所以，在地铁牵引变电所设置能馈式变流机组是更优的选择。
参考文献:
[1]曾之煜. 地铁逆变回馈型再生制动能量吸收装置仿真研究[D].西南交通大学,2012.
[2]刘向飞.城市轨道交通逆变回馈系统装置控制研究[J].中国科技信息,2018(16):85-87.
[3]卢伟,王建凤,姜彬.中压逆变回馈装置在石家庄地铁中的仿真研究[J].现代城市轨道交通,2018(08):9-12.
论文作者:张智鹏
论文发表刊物:《防护工程》2019年第5期
论文发表时间:2019/6/13
标签：装置论文; 电压论文; 逆变论文; 能量论文; 机组论文; 母线论文; 特性论文; 《防护工程》2019年第5期论文;