兆瓦级中压电网的地铁再生制动能量回馈装置优化

仇志凌 胡磊磊 李 锦 刘定坤 陈 蕾 张 明

(南京亚派科技股份有限公司， 210032， 南京∥第一作者，高级工程师)

城市轨道交通总用电量约有一半消耗在车辆的牵引供电及制动系统上。而地铁制动时产生的再生制动电能可占牵引电能的35%～55%[1]。再生制动电能除了被相邻加速车辆吸收一部分外，其余能量现在主要采用制动电阻进行吸收[2]，以维持直流母线电压的安全稳定。电阻制动不仅浪费能量，而且其产生的热量又增加了环控设备压力[3]。再生制动能量回馈装置因其较好的能量吸收效果而受到关注。

根据回馈电压等级，再生制动能量回馈分为低压回馈和中压回馈。低压回馈的能量吸收功率受到低压动力变容量限制,普遍不超过兆瓦级，否则会影响低压配电网的稳定运行[4-5]，降低能量吸收率。中压回馈的中压电网容量大，故电能吸收功率高、对电网影响小。根据文献[2]，列车再生制动瞬时功率较大，达兆瓦级以上。因此，本文针对中压回馈方案展开研究。

1 能量回馈装置工作原理及方案优化

1.1 工作原理

再生制动能量回馈装置(如图1所示)由回馈逆变器、回馈变压器和开关柜组成，与现有整流牵引装置并联。回馈变压器负责将回馈逆变器输出的1 kV交流电(直流电压1 500 V，现有逆变拓扑的输出都在1 kV左右)升压到35 kV，进行电压匹配。在列车制动过程中，装置监测直流触网电压，一旦超过直流电压门槛值，立刻启动逆变回馈过程，把列车制动时产生的能量回馈到中压电网，供其他负荷使用。

图1 再生制动能量回馈系统图

地铁列车制动功率达数兆瓦，对装置容量提出了很高要求。为满足1 500 V直流触网电压要求,能馈装置采用了3 300 V的IGBT(绝缘栅双极型晶体管)开关。该IGBT开关速度慢、损耗大，故开关频率低，不易滤波。由于装置容量大、开关频率低，故装置的体积及重量难以控制。

1.2 优化方案的技术特点

1.2.1 基于升压变相间隔离的三相H桥拓扑

为提高等效开关频率，现并联或者串联了2个三相桥逆变器进行载波移相(如图2所示)，并利用升压变压器低压侧的2组三相绕组来隔离2个三相逆变器的交流侧。这样，在并联方案中，可抑制并联载波移相导致的高频环流，在串联方案中可进行电位隔离。但倍频效果只能在高压侧体现，滤波电感仍需按实际开关频率设计，无法享受到倍频的好处。

a) 并联方案

b) 串联方案

为此，优化方案提出了基于升压变压器相间隔离的三相H桥电路(如图3所示)。三相H桥电路采用单极倍频调制，其逆变输出频率是实际开关频率的2倍，所以输出滤波器电感量及电容量可减小50%。滤波器这样设计不仅可真正得到倍频的收益，还可保持较低的实际开关频率，使整机损耗较小。

图3 三相H桥变流器拓扑结构

三相H桥电路的实际应用必须解决相间隔离问题。本方案利用能量回馈装置已有的升压变压器，将通常的低压侧星接改为低压侧三相绕组之间不做任何连接。这样在不增加任何成本的前提下解决了相间隔离问题，保证了装置较小的体积和质量。

1.2.2 低压侧实现的LCL三阶滤波器

目前，并网逆变器网侧滤波器有单电感滤波器和LCL(电感-电容-电感)滤波器两种(如图4所示)。单电感滤波器的高次谐波滤除衰减率仅为-20 dB/10倍频程，需较大电感量才能满足开关纹波滤除要求，其相应的装置体积及质量较大。三阶LCL滤波器通过增加电容低阻通路和高阻网侧电感，使得绝大部分开关纹波电流流入电容，对高次谐波的滤除衰减率达60 dB/10倍频程。能显著减少电感量，以及其装置的体积及重量。

a) 单电感滤波器滤波电路

b) LCL滤波器滤波电路

在现有的三相桥逆变器联接方案中，倍频效果仅在变压器高压侧体现，故LCL滤波器的滤波电容和网侧滤波电感需安装在高压侧，而无法集成在能馈装置柜内。此外，考虑到安全性，地铁业主并不愿意在35 kV侧安装滤波电容，因此，LCL滤波器方案不易实现。

优化后的三相H桥拓扑方案倍频效果在逆变桥输出端即可体现。因此，LCL滤波器可安装在低压侧，便于集成，业主接受度好。此外，网侧滤波电感可由升压变压器漏感实现。这进一步减小了装置体积。

2 仿真与试验结果分析

2.1 仿真模拟

采用Matlab软件模拟优化后的能量回馈装置工作。能量回馈装置容量为2.5 MW，直流电压为1.8 kV，升压变压器高压侧线电压为35 kV，低压侧相电压为1 kV，低压侧额定电流为794 A、开关频率为1 kHz。

图5为三相H桥逆变电路的单极倍频调制逆变输出电压波形图。图5中的逆变电压为包含+1 800 V、0及-1 800 V等3种电平的脉宽调制波，装置开关频率为1 kHz，逆变输出等效开关频率为2 kHz。三相逆变输出之间为120°相位关系。

a) A相逆变电压波形

b) B相逆变电压波形

c) C相逆变电压波形

图6为三相LCL滤波器电流仿真波形图。由图6可见，波形显示逆变器电感电流除了基波成分还包含大量的2 kHz开关纹波，滤波电容为纹波电流提供了低阻旁路通道，保证了升压变压器低压侧电流为纯正的正弦波。

a) 三相逆变器电感电流

b) 升压变压器低压侧电流

c) 滤波电容电流

2.2 运行试验

优化后的35 kV、2.5 MW中压能量回馈装置通过了国家铁路产品质量监督检验中心的第三方检验，其整机效率大于97.8%、电流THD低于3%。

该能量回馈装置在某地铁牵引站进行了挂网运行。图7为在2.5 MW额定功率限容时刻局部放大波形实景图，其中，设备并网电流为788 A，直流电压稳定在1.74 kV，直流输入电流为1 504 A。由图7可见，设备并网电流的波形正弦度较高。

图7 能量回馈装置现场试验波形实景图

表1为某日各时段回馈电量统计表。试验列车为B型车，4节编组。当日回馈电量为4 130 kWh，具有很好的节能效果。统计结果还显示：回馈电能较多时段分布基本与早晚高峰一致(7:00—9:00、18：00—21：00)，回馈的谷值出现在10：00—11：00、16：00—17：00及22：00—23：00。这说明回馈电能大小与车次间隔及载客量关系密切。

表1 某日各时段的回馈电量统计

3 结语

兆瓦级中压逆变回馈装置容量大、开关频率低。现采用基于升压变压器相间隔离的三相H桥电路及低压侧LCL滤波器进行优化。优化后的能量回馈装置通过了铁道部产品质量监督检验中心的第三方检测，并在某地铁牵引站成功挂网运行。仿真和试验结果表明：优化后的能量回馈装置具有单机容量大、效率高及体积小的优点，其节能效果显著。

[1] 刘炜.城市轨道交通牵引供电系统节能技术[C]∥中国轨道交通网. 2015年第三届中国城市轨道交通系统性节能研讨会.南京：中国轨道交通网, 2015.

[2] 陈勇, 罗锐鑫. 城市轨道交通再生制动能量吸收方式的研究[J]. 城市轨道交通研究，2012(8)：157.

[3] 张钢. 城市轨道交通能馈式牵引供电变流系统关键技术研究[D]. 北京：北京交通大学，2010.

[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(6)：42.

[5] 陶章荣, 潘爱强. 城市轨道交通能馈式再生制动技术及其对电网的影响[J]. 华东电力，2009(12)：2035.