地铁再生制动能量回馈装置软并网技术研究

李 洁 郑伊飞 郑月宾 唐圣辉 桑福环

(1.郑州市轨道交通有限公司，450000，郑州;2.西安许继电力电子技术有限公司，710075，西安∥第一作者，工程师)

地铁列车电制动时产生的大量再生电能返回到直流接触网时，会造成直流接触网电压升高，这对电站设备和列车的运行都非常不利。为稳定直流接触网电压，目前所采用的方案主要有电阻消耗、电容储能、飞轮储能、逆变回馈等［1］。其中，逆变回馈装置可将再生制动能量回馈到电网，节能效果好，且系统简单、投资小，得到越来越多的应用［2-3］。

地铁再生制动能量回馈装置多采用PWM(脉冲宽度调制)变流器，其直流侧为直流支撑电容，用以稳定直流母线电压;交流侧多采用LCL(电感电容电感多阶)滤波器，用以抑制高频谐波电流。其主电路结构如图1所示。能量回馈装置的交流侧一般通过交流接触器与电网连接，由于电网给交流滤波电容充电，以及通过IGBT(绝缘栅双极型晶体管)反并联二极管给直流支撑电容充电，若接触器直接合闸，在合闸瞬间则会产生很大的冲击电流，甚至会引起交流过压、过流保护，不仅对电网造成了冲击，而且降低了装置的可靠性，影响装置的使用寿命。

图1 再生制动能量回馈装置主电路结构图

再生制动能量回馈装置并网一般采用电阻辅助软启方式，即:通过串联软启电阻限制冲击电流，待接触器合闸后再将软启电阻切除。这种并网方式简单，然而软启电阻较难选择。若软启电阻阻值较小，则流过电阻的电流很大，不仅要选取功率很大的电阻，而且损耗还较大;若软启电阻阻值较大，则软启电阻上分压较大，在接触器合闸时仍会给电容充电，冲击电流仍然较大。本文提出了一种新的软并网方法:在合闸前通过控制三相逆变桥的输出，使得交流滤波电容以斜坡递增的形式逐步建立起与电网同幅、同频、同相的交流电压，以抑制接触器合闸瞬间的电流冲击。本文利用MATLAB/Simulink 软件对该并网方法进行了仿真验证，并在一台1.2 MW 地铁再生制动能量回馈装置上进行了软并网试验，仿真和试验结果均证明了该并网方法的有效性。

1 回馈装置的工作原理

再生制动能量回馈装置主要由IGBT 逆变器、LCL 滤波器和控制单元构成，其控制结构如图2所示(图中PLL 为锁相环)。控制单元采用基于空间矢量调制(SVPWM)的双闭环结构［4］，外环控制直流接触网电压:给定电压值(Udc_ref)与实际直流接触网电压(Udc_fdb)的差值作为PI(比例积分)调节器的输入，PI 调节器输出作为内环对应有功功率的d 轴电流的给定，通过调节逆变器将有功功率传送到电网并稳定直流接触网电压。内环控制逆变器的输出电流:在与电网电压矢量同步旋转的d-q 坐标系下，利用内环PI 调节器分别控制输出电流的d、q 轴分量，实现有功和无功的解耦控制。最后再经过iPark变换后利用 SVPWM 算法生成 PWM 脉冲，控制IGBT 的开通和关断。

图2 回馈装置控制结构框图

2 软并网控制策略

2.1 概述

由于交流滤波电容和直流支撑电容的存在，若能量回馈装置直接并网，电容上会产生很大的冲击电流，这对装置自身及电网都不利。因而，并网前先对交流滤波电容上的电压进行控制，使其逐步建立起一个与电网同幅、同频、同相的交流电压后再进行并网操作，以抑制并网冲击电流。并网完成后再从软并网控制切换到电压电流双闭环控制，如图3所示。为实现软并网控制，首先要进行直流预充电，为能量回馈装置直流侧建立起合适的直流电压;然后通过检测交流电网电压，准确锁定电网电压的频率和相位;最后调节三相逆变桥的调制度，采用基于SVPWM 的开环控制方式控制逆变桥的输出，使得交流滤波电容上以斜坡递增的形式建立起与电网同幅、同频、同相的电压。

图3 软并网控制策略切换框图

2.2 直流预充电电路

为使并网前三相逆变桥输出PWM 波，需要先使直流侧建立起合适的电压。本文采用交流电网通过整流桥为直流侧充电的方式建立直流电压。直流预充电电路如图4所示。所建立的直流电压的理论值为Udc= 1.414Ue(Ue为交流电网线电压)。

图4 直流预充电电路图

2.3 软件锁相环设计

基于瞬时无功理论的软件锁相环［5］可以快速有效地检测电网电压相位和频率。其原理是:首先将三相输入电压 Uab、Ubc、Uca经 Clarke 变换后转换到两相静止坐标系，再经过Park 变换后从静止坐标系转换到与电压同步的旋转d-q 坐标系，得到交流电压的直流分量Ud、Uq。电压矢量图如图5所示。其中U 表示实际电网电压矢量，Us表示锁相环输出的电压矢量。

图5 锁相环电压矢量图

当锁相环处于精确锁定时，Us与U 重合，此时Uq=0。用0 与 Uq相减后的值送入 PI 调节器得到角频率的误差信号ωcon，再将ωcon与实际角频率ω0相加得到实际角频率，再经过积分环节即可得到实际线电压相位θ。整个控制过程构成负反馈的闭环系统，通过调节PI 调节器来达到锁相的目的。线电压的相位减去π/6 即可得到相电压相位。图6为锁相环原理图。

图6 锁相环原理图

2.4 控制策略

再生制动能量回馈装置直流侧预充电完成后，需要控制三相逆变桥的输出，使得交流滤波电容上建立起与电网电压同幅、同频、同相的电压。本文采用基于SVPWM 的控制策略，其原理如图7所示。由SVPWM 的原理［6］可知，当对应有功功率的 d 轴给定时，逆变桥输出的PWM 波经电容滤波后基本与电网电压相匹配，若此时接触器合闸，冲击电流较小。

式中:

U*d——d 轴给定指令;

Uac——电网线电压有效值;

Udc——直流侧电压。

图7 软并网控制框图

为了避免逆变桥输出对滤波电容充电时的电流冲击，按式(1)计算出d 轴给定后，将实际指令按一定的步长由0 斜坡递增至，这样逆变桥输出对电容无冲击，电容电压的建立过程平稳、无超调。

3 仿真分析

本文使用MATLAB/Simulink 软件搭建了应用于DC 1 500 V 直流牵引供电系统的再生制动能量回馈装置的软并网仿真模型，其主要由主回路和控制系统两部分组成。主回路包括三相PWM 逆变器、LCL 滤波器、交流接触器和1 000 V/1 180 V 的隔离变压器，如图8所示。隔离变压器高压侧接至地铁牵引变电所的1 180 V 侧。控制系统主要包括软件锁相环、iPark 变换和 SVPWM 模块，如图 9所示。

图8 主回路模型

图10 为再生制动能量回馈装置直接并网的电流波形，可以看出并网时冲击电流很大，瞬时值达到1 200 A。图11 为软并网波形。由图11a)可知，在并网前，交流滤波电容电压幅值由0 逐渐递增，最终与电网电压幅值相等，交流滤波电容电压的频率和相位基本与电网电压的一致。由图11b)可知，当交流滤波电容上建立起与电网同幅、同频、同相的电压后，在0.6 s 处进行并网，并网瞬间电网电压过渡平稳。由图11c)可知，在并网过程中冲击电流很小，瞬时值最大为80 A。

图9 控制系统模型

图10 直接并网波形

图11 软并网仿真波形

4 试验验证

为验证本文软并网方法的有效性，在一台1.2 MW 地铁再生制动能量回馈装置上进行软并网试验。图12 a)是并网过程试验波形。图12 b)是并网瞬间局部放大波形。可以看出，并网前交流滤波电容电压以斜坡递增，当其幅值、频率和相位与电网电压接近时，开始执行并网操作。并网过程中，电网电压过渡平稳，电网电流冲击较小，瞬时值最大为152 A，满足并网要求。

图12 软并网试验波形

5 结语

针对地铁再生制动能量回馈装置在并网时冲击电流过大的问题，提出了一种新的软并网方法:在并网前通过控制三相逆变桥的输出，使交流滤波电容上以斜坡递增的形式逐步建立起与电网同幅、同频、同相的电压，以抑制并网时较大的电流冲击。仿真和试验均验证了该并网方法的正确性和有效性。该方案能够实现再生制动能量回馈装置的平滑并网，并且提高了装置的可靠性。

［1］冯剑冰.再生制动能量利用方式的探讨［J］.城市轨道交通研究，2007(5):46.

［2］陈勇，刘承志，郑宁，等.基于逆变回馈的地铁再生制动能量吸收的研究［J］.电气化铁道，2011(3):36.

［3］张秋瑞，毕大强，葛宝明.地铁再生制动能量逆变回馈电网装置的研究［J］.电力电子技术，2012，46(9):60.

［4］夏景辉，郑宁，左广杰.地铁车辆逆变型再生制动能量回馈方案与装置的研究［J］.城市轨道交通研究.2013(5):53.

［5］Chung Se-kyo.A phase tracking system for three phase utility interface inverters［J］.IEEE Transactions on Power Electronics，2000，15(3):431.

［6］张兴，张崇巍.PWM 整流器及其控制［M］.北京:机械工业出版社，2012.