地铁列车再生制动对牵引网电压影响的研究

王志伟，尹艳松，周立成，胥如迅，王 花

（1. 兰州市轨道交通有限公司，甘肃兰州 731100；2. 兰州交通大学机电技术研究所，甘肃兰州 730070；3. 甘肃省物流及运输装备信息化工程技术研究中心，甘肃兰州 730070）

0 引言

随着城市人口密度越来越大，城市交通拥堵问题越来越严重，为了缓解交通拥堵，城市轨道交通建设迅猛发展。目前城市轨道交通的主要模式是地铁，地铁运输在缓解交通拥堵的同时也存在一些问题。由于站间距较短，地铁列车启动和制动比较频繁，在采用再生制动时，产生大量的能量并向电网回馈，当这部分能量不能完全被其他车辆或用电设备吸收时，会造成电网电压升高，从而影响电站用电设备和列车的安全运行。因此，需要设置一种装置，将多余能量消耗掉，以维持牵引网电压稳定[1-2]。

目前国内外地铁列车采用的再生制动能量处理方案主要有电阻耗能型、逆变回馈型、电容储能型和飞轮储能型 4 种[3]。电阻耗能装置的结构简单、可靠性高，在车辆和地面上均已经有大量的成熟运用经验，但电阻消耗装置将制动电能转化为热能传导至空气中，这部分电能未能充分利用，造成浪费。逆变回馈型、电容储能型和飞轮储能型这 3 种储能方法目前在国内外地铁列车上已经开始应用，并且也取得了较好的发展。引入逆变回馈装置，来吸收列车再生制动产生的不能被其他列车所利用的能量，可以起到一定的节能效果，且代替了车载制动电阻，使列车轻量化，对环境无污染，并且不需要额外的储能器件，可以将能量直接回馈至电网，供其他设备使用。

1 牵引供电系统

地铁直流牵引变电所的主要作用是把电能通过整流装置整流和降压器变压之后，送入大功率整流器（或者可控整流器）整流为直流电向地铁供电[3]。随着整流装置功率的进一步增大，电网受到的干扰日益严重，24 脉波整流器能够减少供电系统牵引负荷产生的谐波，从而减少对电力系统的谐波污染，使得供电质量得到提高、设备投资降低、效率提高、运营成本降低。目前城市轨道交通牵引供电系统中的整流机组普遍采用 24 脉波整流电路给列车供电（图1）。24 脉波整流机组的构成：设置 1 条母线，将 2 组相同的 12 脉波整流机组并联于同一母线，构成等效的 24 脉波整流机组，并且 2 路电源同时供电。直流牵引变电所交流侧的电压为 35 kV，最终通过 24 脉波整流机组将 35 kV 的交流电整流成 1 500 V 的直流电，使得变电所直流侧的标称电压为 1 500 V（表1）。

表1 24 脉波整流机组基本参数

图1 24 脉波整流器原理图

列车制动时，逆变器输出电压会降低，牵引电机处于发电的工作状态，把列车制动产生的动能转化为电能回馈给牵引网。这样会引起直流母线电压的迅速升高，直流母线需要吸收列车制动时产生的电能。因此，不能被吸收的再生制动产生的能量需要一个吸收装置来抑制直流母线电压升高。当制动的列车处于再生制动状态时，同一区间恰好有其他正在运行的列车，产生的能量可以供同一区段正在运行的其他列车使用，从而使得母线电压趋于稳定，减弱电网的峰值负荷。但这种情况要求同一区段必须要有其他正在启动或加速的列车。当 1 列列车制动时，同一区段内没有其他列车正处于启动或加速的状态，需要有一个吸收装置能够吸收这部分能量。如图2所示，牵引供电系统中引入再生制动能量逆变回馈装置。逆变回馈装置将列车再生制动能量回馈到交流电网，供车站内辅助用电设备使用，抑制了直流母线电压的升高，使能量得到充分利用，并且稳定了网压。再生制动产生的能量流向简单，供车站内辅助用电设备使用，不会向电网倒送电能；结合控制理论，不仅可以回馈再生制动能量，而且可对车站内辅助用电设备起到一定的无功和谐波的补偿作用。

2 再生制动能量逆变回馈装置元器件的选择及控制方法

逆变器是再生制动能量逆变回馈装置的主要模块，可以选择把逆变器并联在牵引网上，将列车制动时反馈的不能被吸收的直流电逆变为交流电供地铁车站内辅助用电设备使用。逆变器一般选用效率高、转化率高、响应快、谐波含量低、性能较高的逆变器。三相桥式电压型逆变器具有这些特点，其控制原理如图3所示。逆变输出电压的相位、幅值以及频率通过逆变器控制开关器件的导通和关断来改变，最终使其与电网一致。

逆变器输出的三相相电压可以用傅里叶级数表示。

式（1）中：u0为逆变回馈装置的启动电压；n为电机转速；ω为电机的角速度；t为周期。

图2 再生制动能量低压逆变回馈系统

图3 三相桥式电压型逆变电路

三相线电压：

输出线电压的傅里叶级数表示为：

输出线电压的有效值为：

3 能量回馈系统控制策略

采用双闭环 PI 控制能量回馈系统，能量回馈系统控制原理框图如图4所示。在电压比较器中输入牵引网侧实际的直流电压u1和牵引网设定参考电压u2，通过比较其差值判断逆变器是否触发，逆变器触发后送入积分 PI调节器计算出参考电流值I1，与此同时，锁相环 PLL 模块取得整流变压器 35 kV 侧同步电压信号v1。逆变器输出电流采样信号I2经过坐标变换得到，同时得到 3 个电流直流分量：三相基波有功电流Id，三相基波无功电流Iq，I0在正常情况下为零。直流分量Id与参考电流I1进行比较后得到的偏差送入 PI 调节器进行调节，得到电压信号Ud，将Iq与零参考电流I0进行比较后得到的偏差送入 PI 调节器进行调节，得到电压信号Uq及U0为零的电压。最后，将 PI 调节器输出的 3 个电压信号Ud、Uq、U0进行坐标变换，得到正弦波调制信号Ua、Ub、Uc，将这 3 个调制信号输入 PWM 脉冲发生器，PWM 模块产生脉冲信号经过 park 变换后驱动，控制逆变器 IGBT 开关的导通和关断，最终控制逆变器电流的输出。

图4 能量回馈系统控制原理

4 系统仿真与结果分析

在 MATLAB/SIMULINK 仿真软件中建立再生制动能量逆变回馈电装置仿真主电路图。牵引电机的正常运转是地铁列车运行的关键。地铁列车的交流传动系统要求较高的速度精度、较宽的调整范围，地铁列车在各级速度稳定运行时电气制动较好，地铁列车能可靠制动、准确停车，同时可向电网回馈电能。一般控制系统采用的是磁场定向的矢量控制法。磁场定向的矢量控制提供给牵引电机最佳启动转矩，使牵引电机能快速和平稳启动。控制牵引传动系统逆变器采用两点式电压型三相桥式逆变器供电的矢量控制策略，地铁列车运行工况通过控制牵引电机转速来模拟。在仿真模块中，采用滞环控制原理来实现电流调节。仿真参数：①模拟牵引供电系统三相交流电源电压幅值 35 kV，频率 50 Hz 整流机组额定容量 4 500 kVA；②逆变器的电阻值为 0.213 mH，电容值为 119.4 uF；③电机额定功率190 kW，定子电阻 0.144 Ω，转子电阻 0.146 Ω，定子电感 1.294 mH，电机互感 0.328 mH。

再生制动能量利用系统通过控制直流牵引网电压的变化进行仿真验证。图5 为模拟地铁启动—加速—惰行—制动过程中对应的牵引电机电流、转速、转矩的变化图。牵引电机在 0～1.5 s 时启动，此时转矩为正，牵引电机工作在电动机状态，在 1.5～2.5 s 时匀速运行，2.5 s 时列车进入再生制动状态，列车减速，牵引电机的转速迅速降低，电机转矩变为负值，牵引电机处于发电状态，将能量回馈到直流牵引网，经过 1 s 减速到零。

图6 为加入逆变回馈装置后的直流牵引网电压变化。由图6 可知，当地铁列车保持匀速运行时，直流牵引网的电压稳定；当列车开始再生制动时，直流牵引网电压会迅速升高；当超过网压安全值时逆变回馈装置开始工作，再生制动能量通过并网的逆变器回馈给交流电网，从而避免了电能的浪费，抑制了牵引网电压的升高，防止了再生失效发生。

从图7 牵引网功率可以看出，列车制动时，功率为负值，且与电压是同频变化的。

图8 为地铁列车牵引电机矢量控制磁链变化，可证明当引入逆变回馈装置采用矢量控制电机时电机运行是否稳定。当磁链基本为圆形，证明矢量控制电机是可行的，仿真模型的搭建是合理的。

5 结论

再生制动是目前地铁列车普遍采用的制动方式，将逆变回馈系统引入再生制动能量吸收系统中，可以在保证牵引供电系统以及列车运行安全的前提下，有效利用再生制动时产生的能量。当列车保持匀速运行时，直流牵引网的电压是保持不变的。当列车开始进入再生制动时，直流牵引网电压会迅速升高，当超过牵引网所允许的电压时，逆变回馈装置进入工作状态，再生制动产生的能量通过并网逆变器回馈给交流电网，供车站内的其他辅助用电设备使用，达到了节能的目的，并且能有效控制牵引网电压，使得其不会迅速上升，防止再生失效发生。而且逆变器投入使用时牵引电机运行基本稳定，列车运行安全。

图5 模拟列车基本工况

图6 加入逆变回馈装置牵引网电压变化

图7 加入逆变回馈装置牵引网功率变化

图8 地铁牵引电机矢量控制磁链轨迹（单位：Wb）