地铁再生制动能量吸收的仿真研究

陈 勇

(深圳市地铁三号线投资有限公司，518100，深圳∥工程师)

地铁站间距较短，列车启动、制动频繁，约有40%的能量被浪费，可回收的制动能量可观。现有的电阻制动方式不能将制动能量进行有效利用，能量被电阻以发热的形式消耗掉，散发的热量还会引起隧道温度升高，加重空调和通风设施的负担，进一步引起能源浪费。再生制动是将列车制动时产生的能量反馈回电网加以利用，能够节约电能，属于比较理想的制动方式［2］。

从节约能源和降低地铁运营成本的角度出发，研究逆变回馈型再生制动能量吸收装置具有重要的现实意义，符合国家节能减排、低碳环保政策［3］。本文分析逆变回馈型再生制动能量吸收系统的设备构成及其工作原理，然后运用MATLAB软件中的Simulink和SimPowerSystems两个工具箱建立再生制动能量逆变回馈系统的仿真模型，并对仿真结果进行详细讨论。

1 逆变回馈系统的构成及其工作原理

再生制动能量逆变回馈系统采用能量回馈方式。该系统主要由交直流断路器、回馈变流器、隔离变压器等构成。其中，回馈变流器主要由电力电子器件IGBT(绝缘栅门双极型晶体管)、控制单元及滤波器等组成［5］。逆变回馈系统为三相电流型逆变电源，其工作原理框图如图1所示。

图1 再生制动能量逆变回馈系统原理框图

逆变回馈系统的主要功能是将列车制动时产生的能量通过整流变压器反馈回交流35 kV中压环网，供其他负载使用，以起到节约能源的作用。现将逆变回馈系统的工作原理描述如下:

1)系统的回馈运行:逆变回馈装置启动后，实时检测直流母线电压，当检测到直流母线电压高于设定值(DC 1 680 V，可调节)后，会即刻开启脉冲宽度调制(PWM)信号，控制电力电子器件IGBT，使其工作，通过快速调节电流，使直流母线侧由列车制动时产生的能量快速回馈到电网中，同时稳定直流母线电压，将直流母线电压稳定在设定值，以确保地铁牵引供电系统的安全稳定。此时，由于直流母线电压值高于整流器不可控整流值，整流器二极管自动关断，停止工作。

2)系统待机运行:当装置检测到直流电流的方向发生改变(直流电流＞－100 A)时，回馈变流器为整流工作状态，即列车处于牵引状态。因列车牵引需要的能量大于回馈装置的容量，此时回馈装置即刻封锁PWM脉冲信号并退出运行，进入待机状态，地铁牵引所需能量全部由牵引整流机组提供，直流母线电压快速回落至DC 1 500 V附近，保证地铁牵引供电系统安全可靠运行。

2 逆变回馈系统的建模仿真及结果分析

再生制动能量逆变回馈系统仿真模型由主电路和控制电路两部分组成。运用MATLAB 7.1软件中的Simulink和SimPowerSystems两个工具箱构建再生制动能量逆变回馈系统的主电路仿真模型，如图2所示。

主电路主要由PWM型逆变器、电感电容(LC)滤波器以及隔离变压器等组成。PWM型逆变电路由6个IGBT构成逆变桥，将直流电变换成交流电［6－7］。由于逆变器输出的交流电含有大量谐波，所以设置滤波电路进行滤波，LC串联谐振滤波电路设置在隔离变压器低压AC 900 V侧。为了防止逆变器的某一桥臂短路时，使直流电流直接进入交流系统，所以，在逆变器输出端与整流变压器副边AC 1 180 V间加入一台变比为900 V/1 180 V的隔离变压器，以保证直流电流不会进入交流系统。

运用 MATLAB 7.1软件中的 Simulink和SimPowerSystems两个工具箱构建该逆变回馈系统的控制电路仿真模型，如图3所示。

逆变回馈系统的控制电路由电流调节子系统和PWM发生器组成。控制电路采用SPWM(正弦脉冲宽度调制)控制策略，调压控制器采用数字式比例积分(PI)控制，实时地调节输出电压的幅值，以满足实际需要。控制电路把逆变后的三相交流电用一个电流测量元件将三相电流反馈回来，与给定的参考电流信号进行比较，所得到的误差信号经过PI调节器进行调节，调节后的信号送入PWM发生器，用来控制PWM发生器的调制正弦波的幅值。PWM发生器产生的PWM波又来控制逆变电路功率器件IGBT的开通与关断，从而实现调压功能［8－9］。同时，使用锁相环(PLL)模块取得整流变压器35 kV侧的同步电压信号，保证逆变器输出交流电压与AC 35 kV中压环网并网时同期［10］。

根据实际情况为该系统模型设置仿真参数，启动仿真后，可以得到整流变压器副边AC 1 180 V侧的三相电压以及线电压的仿真输出波形，分别如图4～5所示。

图3 再生制动能量逆变回馈系统的控制电路仿真模型

图4 整流变压器1 180 V侧三相电压仿真

由图4可以看出，整流变压器1 180 V侧的三相电压波形非常接近正弦波，其数值大小与理论计算结果一致。为了对输出特性进行分析，在仿真结束后，利用快速傅里叶变换(FFT)分析工具对图4中的三个电压波形的谐波含量大小进行分析。它们的各次谐波含量如图6所示。

图5 整流变压器1 180 V侧线电压仿真

由图6可以看出，整流变压器1 180 V侧三相电压的谐波畸变率(THD)都远小于5%，满足国标要求。

图6 整流变压器1 180 V侧三相电压频谱

由图5可以看出，整流变压器1 180 V侧的线电压波形也很接近正弦波，其数值大小与理论计算结果一致。利用FFT分析工具对图5中线电压波形的谐波含量大小进行分析，其各次谐波含量如图7所示。

图7 整流变压器1 180 V侧线电压频谱

由图7可以看出，整流变压器1 180 V侧线电压的THD远小于5%，满足国标要求。

3 结语

本文利用MATLAB 7.1软件中的Simulink和SimPowerSystems两个工具箱构建再生制动能量逆变回馈系统的主电路仿真模型。仿真结果与理论计算结果一致，表明了该仿真模型的准确性。它可以用来定量地分析计算逆变回馈装置的理论输出特性。

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