軌道交通能量回饋裝置設(shè)計與實現(xiàn)

　　1.引言

　　地鐵、城鐵等多數(shù)有軌車輛所需電源為直流電源。在車輛剎車、制動時產(chǎn)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(shè)備損壞，甚至是產(chǎn)生嚴(yán)重的安全事故。傳統(tǒng)上，當(dāng)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(fèi)和環(huán)境污染兩個問題。

　　隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，這個問題已經(jīng)有了現(xiàn)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(wǎng)同步的電能，并回饋至交流電網(wǎng)。單機(jī)功率達(dá)到1.5MW，填補(bǔ)了國內(nèi)技術(shù)空白。

　　2.設(shè)備硬件電路

　　此種類型的設(shè)備功率達(dá)到1.5MVA，采用單元級聯(lián)結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)機(jī)構(gòu)如圖1 所示。系統(tǒng)包括主電路、檢測部分、控制部分。主電路的關(guān)鍵是開關(guān)元件 IGBT，本部分的作用為完成電力的轉(zhuǎn)換，將直流電網(wǎng)富余的電能轉(zhuǎn)換為交流電并網(wǎng)。檢測部分主要由傳感器組成，其主要作用為檢測交流電網(wǎng)的電壓、電流、相位，檢測直流側(cè)的電壓、電流，并將檢測到的物理信號轉(zhuǎn)換為弱電信號，將其送入控制單元。控制單元的作用為根據(jù)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(zhuǎn)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(tǒng)的狀態(tài)傳給相關(guān)的系統(tǒng)。元件每個單元內(nèi)部采用三點平逆變結(jié)構(gòu)。圖紙幅度所限，在此只給出每個單元的主電路拓?fù)淙鐖D2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(guān)器件選用IGBT，輸出側(cè)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(zhuǎn)換而設(shè)計的芯片，有豐富的片內(nèi)外設(shè)功能。包含有如下外設(shè)：事件管理器：定時器和用于數(shù)字電機(jī)控制的PWM發(fā)生器;CAN接口 ;具有16通道10位A/D;SPI串行外設(shè)接口;SCI串行通信接口。

　　3.主要性能及技術(shù)特點

　　在多年研制大功率變頻器及能量并網(wǎng)回饋裝置的技術(shù)基礎(chǔ)上，成功研制出軌道交通能量回饋裝置。經(jīng)過一年的成功運(yùn)行證明，該產(chǎn)品有如下技術(shù)特點：(1)控制上采用電壓電流雙閉環(huán)矢量控制，呈現(xiàn)電流源特性，電流環(huán)是本裝置的控制核心。(2)采用多單元并聯(lián)，理論上功率可以無限擴(kuò)展，各個單元之間采用多重化載波移相技術(shù)，極大的減小了網(wǎng)側(cè)電流總諧波。在某個單元發(fā)生故障時，不影響其他單元的運(yùn)行，整機(jī)可以將額使用。(3)網(wǎng)側(cè)逆變器采用三電平電路拓?fù)洌m應(yīng)網(wǎng)側(cè)電壓范圍廣，同時也有益于減小網(wǎng)側(cè)電流總諧波。(4)并網(wǎng)變流器采用先進(jìn)的PWM控制技術(shù)，不但可以向交流電網(wǎng)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(diào)節(jié)。(5)具有動態(tài)響應(yīng)快，根據(jù)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(yīng)性強(qiáng)。(6)具有溫度，過流，短路，旁路，網(wǎng)側(cè)電壓異常等各種保護(hù)功能。(7)具有多種模擬量和數(shù)字量接口，具有CAN總線或RS485串行總線等接口，與網(wǎng)絡(luò)中的其他設(shè)備連接方便，控制靈活。(8)此種設(shè)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(fēng)機(jī)，從而提高了整機(jī)效率及可靠性。

　　4.整機(jī)運(yùn)行效果

　　在做試驗時發(fā)現(xiàn)隨著整機(jī)電流的增加，整機(jī)效率成增加之勢，整機(jī)諧波電流成減小之勢。圖3 為整機(jī)回饋電網(wǎng)電流2000A時的三相電流波形圖。通過檢測設(shè)備得知饋網(wǎng)電流完全滿足國家標(biāo)準(zhǔn)。

　　正是由于此類設(shè)備采取了本文所述的措施，具有本文所述的特點。此類設(shè)備自投入運(yùn)行以來運(yùn)行良好，為用戶節(jié)約了能源，減少了用戶對環(huán)境的污染，并且給用戶帶來了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。