地铁列车模块化再生制动能量回馈变流器的研制

牛化鹏 张海龙 桑福环 周姝昱

(1.西安许继电力电子技术有限公司，710075，西安;2.许继集团有限公司，461000，许昌∥第一作者，工程师)

地铁再生制动能量的吸收方式主要有电阻消耗、电容储能、逆变回馈、飞轮储能等4 种。其中，基于逆变方式的能量回馈变流器的节能效果好，且系统简单、投资小，得到越来越多的关注和应用。文献［1］介绍了一种基于SVPWM(空间矢量脉宽调制)控制的制动能量回馈装置，但是仅仅进行了模拟试验，其直流电压只有23 V，不足以用来验证;文献［2］设计了一个2 000 kW 的逆变回馈的仿真模型，对主回路的参数和控制方案进行了研究，但未进行实验验证;文献［3］设计了一个1 000 kW 的PWM(脉宽调制)变流器以实现制动能量回馈，采用2 组逆变单元并联实现，但交流侧需接入双分裂变压器而非直接并联，其系统成本高且冗余度低、扩展困难。针对地铁制动瞬时的功率大、对回馈设备可靠性要求高的情况，西安许继电力电子技术有限公司设计了1 台额定容量1.2 MW，具备短时1.25 倍过载能力，6 个子模块交直流侧直接并联的再生制动能量回馈变流器。该装置可实现各模块的智能投入/切除，其冗余度高、扩展性好。

1 再生制动能量回馈系统工作原理

回馈系统包括回馈变流器、隔离变压器、开关柜等，其接入方案见图1:直流侧通过馈线柜与直流接触网相接，交流侧经隔离变压器和开关柜与35 kV环网相接，制动能量直接回馈到35 kV 电网。

图1 再生制动能量回馈系统接入方案示意图

再生制动能量回馈系统的运行状态分为待机和回馈运行两种。该系统能实时检测接触网电压来判断机车运行状态:当接触网电压升高至超过阀值时可判断机车处于制动状态;当接触网电压降低时可判断机车处于牵引或惰行状态。

1)待机状态:当装置检测到回馈变流器直流电流的方向发生改变时，回馈装置即刻退出运行，进入待机状态。此时IGBT(绝缘栅双极型晶体管)驱动脉冲封锁，牵引所需能量完全由牵引整流器提供。

2)回馈运行状态:进入待机状态后，回馈装置实时检测直流母线电压。当检测到母线电压高于设定值后，会即刻开启PWM 使IGBT 工作;通过快速调节电流，使直流母线侧由地铁刹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，确保地铁直流供电系统的稳定。

2 回馈变流器主回路参数设计

回馈变流器主电路图见图2所示。

图2 回馈变流器主电路图

2.1 主回路参数设置

系统参数设置如下:额定功率为1.2 MW (过载为1.5 MW)，交流电压为1 000 V，额定交流电流为693 A，直流电压为1 600～1 800 V，最大直流电压为2 000 V。

子模块参数设置如下:额定功率为200 kW (过载为250 kW)，交流电压为1 000 V，额定交流电流为116 A，直流电压为1 600～1 800 V。

2.2 开关器件的选择

1)变流器工作最高直流电压设定为2 000 V，IGBT 可选择 3 300 V 等级。

2)在额定交流电压输入下，变流器单个模块的额定功率为200 kW。在最大过载要求下，IGBT 输出电流为1.25 倍额定电流，考虑10%纹波电流，则流过管子的最大峰值电流为226 A。

根据上述工作电压和电流，开关器件可选用Infineon 公司的 3 300 V、400 A 半桥模块，型号为FF400R33KF2C。

2.3 滤波器参数计算

为了实现对并网电流开关谐波的更好滤波效果，这里采用LCL(电感-电容-电感)型滤波器。

1)变流器侧滤波电感设计:变流器侧滤波电感的设计上限应满足变流器输出最大有功功率时的电压约束;滤波电感的设计下限为考虑最大允许纹波电流。由主回路参数值，可得滤波电感L1范围为347 μH ＜L1＜1 025 μH。考虑裕量，选定变流器侧 L1=400 μH，则变流器侧单模块电抗器为2 400 μH。

2)电网侧滤波电感设计:应综合考虑效率和并网电流谐波，现选取电网侧滤波电感L2=150 μH。

3)滤波电容计算:由于滤波器电容的使用，会引起无功功率的增加，从而会降低功率因数。为了保证系统的高功率因数，一般限制为电容吸收的无功功率应低于额定功率的10%。现选取滤波电容C=360 μF。

3 控制策略

针对交直流直接并联的多模块地铁回馈变流器设计，其控制策略难点在于均流控制和环流抑制控制。

3.1 均流控制

对于多模块并联回馈变流器，均流控制不好时将会出现回馈功率受限、局部温度过高、使用寿命下降等不良结果。为此，采用如图3所示控制框图，回馈变流器采用电压、电流环的双环控制模式。电压环用来稳定列车制动时接触网电压，电压环的输出作为电流环给定，以实时调节并网电流大小。本文采用主从均流控制技术，以确保各模块电流给定值相同，从而有效地保证了各并联模块的均流精度。

3.2 环流抑制控制

多模块回馈变流器在交直流侧直接并联时，通过对每个模块的开关状态分析可知，载波移相会导致模块之间形成环流。如果在控制上不做特别的环流抑制处理，则会出现效率降低、发热严重等问题。针对这些问题，采用了同步控制策略，使得各模块载波实现同相位，进而保证各并联模块开关动作时序一致，从而有效抑制模块间环流。图4 为多模块回馈变流器在载波相移为0°及180°时的环流仿真波形。由图4 可见，模块同步控制可有效抑制高频环流。

4 试验

在完成1.2 MW 多模块并联地铁再生制动能量回馈变流器样机研制后，进行了再生制动能量回馈系统的功能测试。图5 为模拟列车制动时回馈变流器投入及退出过程。由图5 可见，该变流器能够满足地铁列车再生制动能量的吸收利用及稳定牵引网电压的实际要求。

图6 为回馈变流器满功率回馈时其中3 个功率模块的并网电流波形。由图6 可见，各模块均流精度高，动作时序一致，环流抑制效果好。

图3 回馈变流器多模块并联控制框图

图4 载波不同相移下各模块间的环流仿真

5 结语

逆变回馈型再生制动能量吸收装置将会在城市轨道交通的节能领域中发挥重要作用。它能节约能耗，降低地铁运营成本，提高经济效益，同时能保证地铁车辆及变电所设备的安全运行，因此对其进行相关研究具有重要的现实意义。仿真及试验结果表明，文中所设计的基于多模块并联的地铁列车再生制动能量回馈变流器可以实现交直流侧直接并联，且均流精度高、高频环流小、冗余度高，因而更为可靠，能够满足地铁列车再生制动能量的吸收利用及稳定牵引网电压的要求，并能降低回馈系统的造价，提高回馈系统的可靠性。

图5 回馈变流器回馈及退出试验波形实景图

图6 回馈变流器满功率试验波形实景图

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

［2］曾之煜.地铁逆变回馈型再生制动能量吸收装置仿真研究［D］.成都:西南交通大学，2012.

［3］苏劼.城市轨道交通能馈式牵引供电系统的研究应用［D］.北京:北京交通大学，2009.

［4］何治新.城市轨道交通车辆再生制动能量的回收利用［J］.城市轨道交通研究，2013(8):49.