浅谈轨道交通能量回馈装置的设计与实现

中心议题：
    *  设备硬件电路
    *  主要性能及技术特点
    *  整机运行效果
解决方案：
    *  采用单元级联结构

1.引言

地铁、城铁等多数有轨车辆所需电源为直流电源。在车辆刹车、制动时产生的能量向直流母线回馈。此时，将抬高直流母线的电压。如果直流电压超过限制值，用以引起与直流母线相连接的设备损坏，甚至是产生严重的安全事故。传统上，当电压超过安全范围时，采用电阻丝将其能量以热量的形式消耗掉。这就造成了能源浪费和环境污染两个问题。随着电力电子技术的发展，这个问题已经有了现实的解决方法。


2.设备硬件电路

此种类型的设备功率达到1.5MVA，采用单元级联结构。系统机构如图1 所示。系统包括主电路、检测部分、控制部分。主电路的关键是开关元件IGBT，本部分的作用为完成电力的转换，将直流电网富余的电能转换为交流电并网。检测部分主要由传感器组成，其主要作用为检测交流电网的电压、电流、相位，检测直流侧的电压、电流，并将检测到的物理信号转换为弱电信号，将其送入控制单元。控制单元的作用为根据传感器输入的信号和外部输入的信号做出判断，输出PWM信号控制IGBT动作，使其完成电能的转换；控制单元还具有输入输出的接口，接受外部指令信号，并将本系统的状态传给相关的系统。元件每个单元内部采用三点平逆变结构。图纸幅度所限，在此只给出每个单元的主电路拓扑如图2所示。采用电解电容作为逆变前的储能元件，降低直流母线的电压波动。主开关器件选用IGBT，输出侧使用电抗器滤波。核心控制芯片采用TI公司的TMS320LF2000系列的芯片，此系列的芯片是专门为电力电子转换而设计的芯片，有丰富的片内外设功能。包含有如下外设：事件管理器：定时器和用于数字电机控制的PWM发生器；CAN接口 ；具有16通道10位A/D；SPI串行外设接口；SCI串行通信接口。


3.主要性能及技术特点

在多年研制大功率变频器及能量并网回馈装置的技术基础上，成功研制出轨道交通能量回馈装置。经过一年的成功运行证明，该产品有如下技术特点：（1）控制上采用电压电流双闭环矢量控制，呈现电流源特性，电流环是本装置的控制核心。（2）采用多单元并联，理论上功率可以无限扩展，各个单元之间采用多重化载波移相技术，极大的减小了网侧电流总谐波。在某个单元发生故障时，不影响其他单元的运行，整机可以将额使用。（3）网侧逆变器采用三电平电路拓扑，适应网侧电压范围广，同时也有益于减小网侧电流总谐波。（4）并网变流器采用先进的PWM控制技术，不但可以向交流电网回馈有功功率，而且可以回馈无功功率，超前和滞后的无功功率均能灵活调节。（5）具有动态响应快，根据直流母线电压及上级控制信号，可以瞬时满足大范围功率变化要求，适应性强。（6）具有温度，过流，短路，旁路，网侧电压异常等各种保护功能。（7）具有多种模拟量和数字量接口，具有CAN总线或RS485串行总线等接口，与网络中的其他设备连接方便，控制灵活。（8）此种设备在短时工作制条件下工作，采用自然冷却的方式。由于不使用冷却风机，从而提高了整机效率及可靠性。

4.整机运行效果

在做试验时发现随着整机电流的增加，整机效率成增加之势，整机谐波电流成减小之势。图3 为整机回馈电网电流2000A时的三相电流波形图。通过检测设备得知馈网电流完全满足国家标准。

正是由于此类设备采取了本文所述的措施，具有本文所述的特点。此类设备自投入运行以来运行良好，为用户节约了能源，减少了用户对环境的污染，并且给用户带来了可观的经济效益。