軌道交通能量回饋裝置設計與實現

　　1.引言

　　地鐵、城鐵等多數有軌車輛所需電源為直流電源。在車輛剎車、制動時產生的能量向直流母線回饋。此時，將抬高直流母線的電壓。如果直流電壓超過限制值，用以引起與直流母線相連接的設備損壞，甚至是產生嚴重的安全事故。傳統上，當電壓超過安全范圍時，采用電阻絲將其能量以熱量的形式消耗掉。這就造成了能源浪費和環境污染兩個問題。

　　隨著電力電子技術的發展，這個問題已經有了現實的解決方法。我公司研制了軌道交通能量回饋裝置，將車輛剎車流到直流母線的電能逆變位與電網同步的電能，并回饋至交流電網。單機功率達到1.5MW，填補了國內技術空白。

　　2.設備硬件電路

　　此種類型的設備功率達到1.5MVA，采用單元級聯結構。系統機構如圖1 所示。系統包括主電路、檢測部分、控制部分。主電路的關鍵是開關元件 IGBT，本部分的作用為完成電力的轉換，將直流電網富余的電能轉換為交流電并網。檢測部分主要由傳感器組成，其主要作用為檢測交流電網的電壓、電流、相位，檢測直流側的電壓、電流，并將檢測到的物理信號轉換為弱電信號，將其送入控制單元。控制單元的作用為根據傳感器輸入的信號和外部輸入的信號做出判斷，輸出PWM信號控制IGBT動作，使其完成電能的轉換;控制單元還具有輸入輸出的接口，接受外部指令信號，并將本系統的狀態傳給相關的系統。元件每個單元內部采用三點平逆變結構。圖紙幅度所限，在此只給出每個單元的主電路拓撲如圖2所示。采用電解電容作為逆變前的儲能元件，降低直流母線的電壓波動。主開關器件選用IGBT，輸出側使用電抗器濾波。核心控制芯片采用TI公司的TMS320LF2000系列的芯片，此系列的芯片是專門為電力電子轉換而設計的芯片，有豐富的片內外設功能。包含有如下外設：事件管理器：定時器和用于數字電機控制的PWM發生器;CAN接口 ;具有16通道10位A/D;SPI串行外設接口;SCI串行通信接口。

　　3.主要性能及技術特點

　　在多年研制大功率變頻器及能量并網回饋裝置的技術基礎上，成功研制出軌道交通能量回饋裝置。經過一年的成功運行證明，該產品有如下技術特點：(1)控制上采用電壓電流雙閉環矢量控制，呈現電流源特性，電流環是本裝置的控制核心。(2)采用多單元并聯，理論上功率可以無限擴展，各個單元之間采用多重化載波移相技術，極大的減小了網側電流總諧波。在某個單元發生故障時，不影響其他單元的運行，整機可以將額使用。(3)網側逆變器采用三電平電路拓撲，適應網側電壓范圍廣，同時也有益于減小網側電流總諧波。(4)并網變流器采用先進的PWM控制技術，不但可以向交流電網回饋有功功率，而且可以回饋無功功率，超前和滯后的無功功率均能靈活調節。(5)具有動態響應快，根據直流母線電壓及上級控制信號，可以瞬時滿足大范圍功率變化要求，適應性強。(6)具有溫度，過流，短路，旁路，網側電壓異常等各種保護功能。(7)具有多種模擬量和數字量接口，具有CAN總線或RS485串行總線等接口，與網絡中的其他設備連接方便，控制靈活。(8)此種設備在短時工作制條件下工作，采用自然冷卻的方式。由于不使用冷卻風機，從而提高了整機效率及可靠性。

　　4.整機運行效果

　　在做試驗時發現隨著整機電流的增加，整機效率成增加之勢，整機諧波電流成減小之勢。圖3 為整機回饋電網電流2000A時的三相電流波形圖。通過檢測設備得知饋網電流完全滿足國家標準。

　　正是由于此類設備采取了本文所述的措施，具有本文所述的特點。此類設備自投入運行以來運行良好，為用戶節約了能源，減少了用戶對環境的污染，并且給用戶帶來了可觀的經濟效益。