典型城市轨道交通能量回馈系统建模

杨利

【摘 要】本文分析了典型城市轨道交通能量回馈系统的重要性，选取高压型回馈型能量回馈系统作为研究模型，阐述了该模型的结构框图，最后详细介绍了Matlab建模的实现思路。

【关键词】能量回馈系统；高压型；matlab建模

0 引言

随着环境危机的日益严重，可再生能源已成为现代社会发展的需求，在寻求新能源的同时，节能减排也显得至关重要。目前我国城市轨道交通快速发展，城市轨道交通是所有公共交通方式中最绿色环保的，但其能耗和碳排放总量仍十分巨大，如何利用低碳技术降低能耗，减少碳排放是城市轨道交通行业的重要课题。城市轨道交通系统目前正采用或研究的低碳技术包括车辆轻型化技术、提升车载系统部件的效率、提升再生制动能力、空调通风系统智能化控制技术、节能型LED光源技术等等，其中供电系统回馈能量的再利用技术也是重要节能减排技术之一。

常规的地铁与城轨多数车辆采用直流电源供电，但是车辆运行在制动工况时在直流母线上产生了大量能量。传统牵引供电系统使用的方法是当母线电压超过某个设计限定值时，采用接入电阻将直流母线上的能量以热量的形式进行消耗，这就造成了大量的能源浪费。目前常见的解决方案有两种：超级电容储能型系统和能量回馈型系统。

超级电容储能型系统使用超级电容将制动能量进行储存给车站内其他设备使用，但由于超级电容的技术仍不够成熟，使用此方案的案例较少。能量回馈型系统将直流母线的电能使用逆变器进行逆变，转化为电网同步的电能，并回馈至交流电网。电力系统对能量回馈系统的运行提出了苛刻的要求，即能量回馈系统回馈的电能质量必须良好，而回馈系统中逆变器输出电压和电流中谐波的含量是电能质量的重要指标。

1 典型能量回馈系统的组成

能量回馈到电力系统中，必然要求将直流电逆变为交流电，按照逆变器的交流侧电压大小，将城市轨道交通能量回馈装置分为三种类型；低压回馈（400V）；中压回馈（1180V）；高压回馈（10KV，35KV）。其中高压回馈型城市轨道交通车辆供电系统方案图如图1所示：

上图中牵引供电系统将交流电网的高压电整流为直流电，给城市轨道交通车辆供电。高压回馈系统将城市轨道车辆制动时产生的能量逆变为交流电，回馈到交流电网。由于高压回馈型能量回馈系统具有对电网冲击较小、制动电能重新分配再利用的特点，本文中选取该高压回馈型能量回馈系统作为典型城市轨道交通能量回馈系统的研究模型。

典型城市轨道交通能量回馈系统选取高压回馈方案，其总体框图如图2所示，首先控制器通过各类传感器采集能量回馈系统模型的交流电压、交流电流、直流电流、直流电压信号，经控制器中调制算法精确计算后输出控制脉冲，控制能量回馈系统模型中的变流器输出预期的电流波形。

2 典型能量回馈系统建模

城市轨道交通能馈系统的主电路框图如图3所示。系统主电路分为交流电网子模型、变压器子模型、能馈变流器子模型、能馈中间回路子模型、直流电网子模型五大子模型。其中交流电网模型向变压器子模型输出交流牵引网电压信号，变压器子模型输出交流电流信号给能馈变流器模型，能馈变流器模型返回交流电压信号给变压器子模型，变压器子模型返回交流电流给交流电网模型；直流电网模型向能馈变流器模型输出直流牵引网电压信号，能馈变流器模型返回直流电流信号给直流电网模型。这些主电路模型输出电压、电流信号给控制器模型。

由于该仿真系统侧重于能量回馈系统稳定运行模拟和谐波消除，对仿真的实时性要求不高，因此，仿真系统采用纯数字离线仿真模式，可直接采用MATLAB/Simulink的电力系统仿真工具箱SimPowerSystems（ 简称SPS）进行建模，主电路各模块或者由SPS直接提供，或者由SPS中各基本模块搭建组合而成，完成各模块建模后，按照系统拓扑结构连接构成系统仿真模型。

各子模型的具体实现思路：

变压电网子模型：直接采用SPS中的Three-Phase-Soure模块模拟35kv或10kv高压交流供电网。

变压器子模型建模：在本文中不考虑变压器非线性饱和特性，对变压器模型进行简化建模；

能馈变流器模块：为便于单独设置变流器模块中每个开关器件的参数，以模拟环流的产生，采用六个SPS中分立的IGBT（）原件模型构成一个变流器仿真模型；

能馈中间回路子模型： 在本文中不考虑其非线性饱和特性，对能馈中间回路子模型进行简化建模；

直流电网子模型：在每个仿真时刻，读取相应的预期电压值，并按需求叠加相应的谐波信号（谐波信号发生器采用SPS中的正弦波模块“Sine Wave”，可设置其幅值、相位和频率），将叠加后的信号作为受控电压源的输入，再将受控电压源与电感、电阻串接即可构建基于电压源的直流牵引网仿真模型。

3 结论

针对能源紧缺、城市轨道交通节能的迫切需求，本文研究典型城市轨道交通能量回馈系统。由于高压回馈型能量回馈系统具有对电网冲击较小、制动电能重新分配再利用的特点，本文中选取该高压回馈型能量回馈系统作为研究模型。在Matlab中搭建模型时，将能量回馈系统模型分为交流电网子模型、变压器子模型、能馈变流器子模型、能馈中间回路子模型、直流电网子模型五大子模型，并详细阐述了各子模型的实现思路，为后续典型城市轨道交通能量回馈系统的研究和优化打下了基础。

【参考文献】

[1]周明磊，等.特定次谐波消除调制方式的谐波特性分析[J].电工技术学报，2013，09：11-20.

[2]刘文华，等.NPC逆变器SHE-PWM开关角度的计算方法研究[J].中国电机工程学报，2002，11：31-34.

[3]胡存刚，等.NCP三电平逆变器SHE-PWM开关模式[J].合肥工业大学学报，2008，01：48-51.

[4]刘琨，等.基于特定消谐技术产生任意波形的研究[J].武汉大学学报（理工版），2005，12：50-51+71.

[5]GB/T 14549-1993.电能质量公用电网谐波.

[6]程艳.能量回馈系统PWM整流器低电流谐波控制策略的研究.浙江大学.硕士论.2012.

[7]陈新，等.用开关点预置SHEPWM控制方案实现变换器调压[J].电力电子技术，2000，02：19-22.

[8]张文修，等.SPWM逆变器运行状态与接线方式的探讨[J].西安理工大学学报，1985，03：69-77.

[9]吴忠智，等.变频器高次谐波干扰及其对策[J].交流传动，1994，01：22：27.

[责任编辑：張涛]endprint