列車再生制動(dòng)方法及條件

1、條件再生反饋電壓必須高于直流牽引電網(wǎng)電壓再生制動(dòng)能量可被本列車的輔助設(shè)備吸收利用，也可提供相鄰列車使用再生制動(dòng)能量循環(huán)利用主要有儲(chǔ)能和逆變兩種方式：儲(chǔ)能所采用的技術(shù)主要有蓄電池儲(chǔ)能、電容儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能3種;而能量回饋所采用的技術(shù)主要是逆變至中壓網(wǎng)絡(luò)和低壓網(wǎng)絡(luò)兩類。(1)蓄電池儲(chǔ)能蓄電池儲(chǔ)能系統(tǒng)如圖所示，該裝置是將制動(dòng)能量吸收到電池介質(zhì)中，當(dāng)供電區(qū)間有列車需要取流時(shí)，再將所儲(chǔ)存的能量釋放出去，由于蓄電池本身的特點(diǎn)充放電電流小，瞬間不能大功率充放電，所以該裝置體積較大電池處于頻繁充放電狀態(tài)將影響其使用壽命，儲(chǔ)能容量相對(duì)較少。M停工LiknmvAC100¥DCvI!IIIIi*IIUATl

2、A;電度事匕事;*加0*:-量受(內(nèi)需阻P，叫戚長電藁*七ft*.身史vtX.L(*MjCNttrrm®例RH&CB圖4博電檀諱能我就原理示通用f口第*ki匕4'(2)飛輪儲(chǔ)能型采用飛輪儲(chǔ)能方式的吸收裝置由儲(chǔ)能飛輪電機(jī)、IGBT斬波器、直流快速斷路器、電動(dòng)隔離開關(guān)、傳感器和控制模塊等組成。該裝置直接接在變電所正負(fù)母線間或接觸網(wǎng)和回流軌問，其核心技術(shù)是利用核物理工業(yè)的物質(zhì)分離衍生技術(shù)而制造的飛輪，該裝置設(shè)置在真空殼體內(nèi)，飛輪經(jīng)過特殊材料和加工工藝制成的軸支撐在底部結(jié)構(gòu)上。近幾年，英國UPT電力公司生產(chǎn)的成熟運(yùn)營的飛輪儲(chǔ)能型產(chǎn)品，在香港電力系統(tǒng)、香港巴士公司、英國、紐約部

3、分地鐵均有應(yīng)用。國內(nèi)北京大學(xué)某實(shí)驗(yàn)室有類似的小功率產(chǎn)品研制，但飛輪的機(jī)械參數(shù)難以達(dá)到國外的水平，無法在工程中投入使用。該產(chǎn)品的優(yōu)點(diǎn)：有效利用了再生制動(dòng)能量，節(jié)能效益好；并可取消(或減少)車載制動(dòng)電阻，降低車輛自重，提高列車動(dòng)力性能；直接接在接觸網(wǎng)或變電所正負(fù)直流母線間，再生電能直接在直流系統(tǒng)內(nèi)轉(zhuǎn)換，對(duì)交流供電系統(tǒng)不會(huì)造成影響。該產(chǎn)品的缺點(diǎn)：飛輪是高速轉(zhuǎn)動(dòng)的機(jī)械產(chǎn)品，對(duì)制造工藝要求很高，需采用真空環(huán)境和特殊軸類制造技術(shù)，成本較高。使用壽命是否能滿足要求，維護(hù)維修是否方便，另外國內(nèi)無成熟技術(shù)和產(chǎn)品等都成為制約其推廣的因素。(3)超級(jí)電容儲(chǔ)能以已經(jīng)投入運(yùn)行的北京地鐵5號(hào)線為例簡單說明超級(jí)電容儲(chǔ)能的應(yīng)

4、用。當(dāng)具有再生制動(dòng)能力的車輛在變電站能量存儲(chǔ)系統(tǒng)附近釋放能量時(shí)，牽引網(wǎng)網(wǎng)壓上升，能量存儲(chǔ)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器可探測到這種情況，并將牽引網(wǎng)系統(tǒng)中暫時(shí)多余的能量存儲(chǔ)到電容器中，使?fàn)恳W(wǎng)網(wǎng)壓保持在限定范圍內(nèi)。若車輛在變電站能量存儲(chǔ)系統(tǒng)附近起動(dòng)或加速，牽引網(wǎng)網(wǎng)壓下降，此時(shí)，能量存儲(chǔ)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)器將能量從存儲(chǔ)系統(tǒng)輸送回牽引網(wǎng)系統(tǒng)中，保持牽引網(wǎng)網(wǎng)壓穩(wěn)定。在直流牽引網(wǎng)的空載狀態(tài)下，能量存儲(chǔ)系統(tǒng)從牽引系統(tǒng)吸收一部分能量，通過這種方式可以幫助車輛起動(dòng)。+S1A1-3I*'*b-*裾IFI港引電機(jī)車載儲(chǔ)能系統(tǒng)圖3車載超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖-雙向DC-DC廠變換器超級(jí)電容逆變器波波器電阻牽引單元+SJA2-QQ1/一

5、i+51Al-FLX_r>.+S3-UI+SJ-FI454-JJ+S5-F氣小。1II*53-Fi趨口+S1AHKL*S.-RlU*ss一叫圖1能量存儲(chǔ)系統(tǒng)圖儲(chǔ)能系統(tǒng)的基本工作原理如下：+S1A1Sl為隔離開關(guān)，維護(hù)設(shè)備時(shí)，可將系統(tǒng)從干線牽引網(wǎng)隔離開來。并可使用+S1A2-Q0斷路器隔離系統(tǒng)。+S1A2-QO斷路器發(fā)生故障導(dǎo)致短路時(shí)，熔斷器+S1F1將熔斷。充電時(shí)，與+S1A2-QO斷路器并聯(lián)的預(yù)充電路(+S1A1-F1>+S1A1-K1和+S1A1-R1和)將對(duì)間接電容器(Czk)進(jìn)行“軟”預(yù)充，避免充電沖擊電流太大損壞設(shè)備。間接電容器為一組直流濾波電容器。牽引網(wǎng)產(chǎn)生瞬變電壓時(shí)，

6、+S3-L1濾波電抗器將保護(hù)能量存儲(chǔ)系統(tǒng)。此外，該電抗器將牽引網(wǎng)和變流單元的諧波電流有效地分隔開來。+S3-G1、+S3一G2是變流單元的2個(gè)變流器模塊(圖2),每個(gè)變流器模塊分別包括2條變流器分路，共4條變流器分路對(duì)能量的總量及流向進(jìn)行調(diào)節(jié)控制。+S3-Fk+S3-F2、+S3-F3,+S3-F4為帶熔斷器的手動(dòng)隔離開關(guān)，+S4-L1、+S4-L2、+S4-L3、+S，L4為平波電抗器。進(jìn)行設(shè)備維修時(shí)將系統(tǒng)從牽引網(wǎng)隔離出來以后，使用由+S3-V1和S9-R1組成的放電支路對(duì)能量存儲(chǔ)系統(tǒng)進(jìn)行放電。+S5-E1,+S8一E8為儲(chǔ)能雙層電容器。雙層電容器特點(diǎn)：高動(dòng)態(tài)充電容量，具有頻繁充放電能力，免

7、維護(hù)，高效率，可分級(jí)控制儲(chǔ)能容量。該系統(tǒng)的應(yīng)用具有明顯優(yōu)勢：能量存儲(chǔ)系統(tǒng)先進(jìn)、高性能的控制回路，在實(shí)時(shí)檢測到牽引網(wǎng)的網(wǎng)壓波動(dòng)達(dá)到設(shè)定的條件后，能夠快速地啟動(dòng)充放電裝置，對(duì)牽引網(wǎng)進(jìn)行充、放電；而同時(shí)由于采用了能夠快速進(jìn)行充放電的雙層電容器，整套裝置能夠?qū)恳W(wǎng)的電能變化做出及時(shí)反應(yīng)，從而改善牽引網(wǎng)供電質(zhì)量，滿足車輛起動(dòng)和制動(dòng)需要。北京地鐵5號(hào)線的14座牽引變電所均預(yù)留安裝再生電能吸收裝置，從目前4套再生電能吸收裝置的運(yùn)行情況來看，在改善牽引網(wǎng)供電質(zhì)量、提高車輛舒適性方面，效果良好，達(dá)到了設(shè)計(jì)目的。北京地鐵5號(hào)線變電所的一套再生電能吸收裝置設(shè)備采購費(fèi)用為51O余萬元人民幣，造價(jià)昂貴。因此，在計(jì)劃采

8、用這種設(shè)備時(shí)需要考慮經(jīng)濟(jì)效益，對(duì)近期和長期經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益要綜合比較，最終確定是否可行。隨著產(chǎn)品的大規(guī)?；a(chǎn)以及電子產(chǎn)品的飛速發(fā)展，類似產(chǎn)品的價(jià)格必將大幅下降，相信不久的將來再生電能吸收技術(shù)能在地鐵領(lǐng)域得到大面積應(yīng)用，成為軌道交通牽引供電技術(shù)發(fā)展的方向。其次是逆變裝置以及相關(guān)技術(shù)(1)逆變至中壓網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用本方案采用如圖1所示原理圖。虛線框中的部分即所提出的再生制動(dòng)能量回饋系統(tǒng)，從主接線上看，該系統(tǒng)與牽引供電支路并列布置在交流中壓電網(wǎng)和直流牽引母線之間。系統(tǒng)包含1臺(tái)多重化變壓器以及多個(gè)四象限PWM變流器模塊，整套裝置與傳統(tǒng)的二極管整流機(jī)組并列布置。系統(tǒng)的多重化變壓器一次側(cè)通過高壓開關(guān)柜QFa

9、c與交流中壓電網(wǎng)相連，其低壓側(cè)每套繞組都與一個(gè)四象限變流器模塊交流側(cè)相連，四象限變流直流側(cè)則并聯(lián)在一起后通過直流開關(guān)柜QFdc和負(fù)極柜QCdc與直流牽引母線相連。交沆中年電網(wǎng)QFfliI島壓開關(guān)申1GBT交流器橫塊口IGB1'變流器/塊1宜流母愛牽引變壓器vdr-一太一極管|T整流器：招71c二板管1/整流器圖1城軌供也系統(tǒng)再生制動(dòng)能量回饋系統(tǒng)Fig.1RegenerativeenergyfeedbacksystemforMRTpowersystem系統(tǒng)檢測直流母線電壓，當(dāng)確定有車輛制動(dòng)且直流母線電壓超過設(shè)置的門檻值時(shí)，進(jìn)入回饋模式。此時(shí)裝置將多余的再生制動(dòng)能量通過各重IGBT變流器以

10、及多重化變壓器回饋到交流中壓電網(wǎng)，此時(shí)裝置內(nèi)能量的流動(dòng)方向是從牽引直流母線流向交流中壓電網(wǎng)，且交流中壓電網(wǎng)側(cè)的功率因數(shù)接近-1。針對(duì)目前城軌供電系統(tǒng)再生制動(dòng)能量回饋的幾個(gè)問題，該方案提出了基于多重化四象限變流器的制動(dòng)能量回饋系統(tǒng)。仿真和樣機(jī)試制表明，該系統(tǒng)可以在滿足電網(wǎng)兼容性要求的前提下實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量回饋至中壓電網(wǎng)的功能，加之所述系統(tǒng)與現(xiàn)有牽引供電系統(tǒng)并列連接，并與中壓交流電網(wǎng)和直流牽引網(wǎng)之間相互間兼容性好，有著較大實(shí)際意義和推廣價(jià)值。(2)逆變至低壓壓負(fù)荷網(wǎng)絡(luò)逆變至低壓網(wǎng)絡(luò)利用再生制動(dòng)能量逆變回饋裝置來逆變多余的再生制動(dòng)能量，采用直流牽引網(wǎng)的電壓作為能量控制策略依據(jù)，提出DC/AC變換器電壓外

11、環(huán)、電流內(nèi)環(huán)的SVPWM控制策略;運(yùn)用Matlab/Simlulink搭建了一個(gè)750V直流電氣化鐵路等效模型仿真平臺(tái)，并通過仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該控制策略的可行性和有效性。再生制動(dòng)能量逆變回饋裝置能滿足地鐵列車再生制動(dòng)能量吸收利用及穩(wěn)定直流牽引網(wǎng)電壓要求，實(shí)現(xiàn)車輛再生制動(dòng)能量回饋利用。圖1示出再生制動(dòng)能量逆變回饋裝置主電路。該系統(tǒng)由三相交流電源經(jīng)降壓變壓器降壓后與二極管構(gòu)成不可控整流來模擬變電所直流牽引供電系統(tǒng)，整流器輸出24脈動(dòng)整流電壓到直流牽引供電網(wǎng)，電路后端加入逆變器和電機(jī)，通過控制電機(jī)運(yùn)行的不同狀態(tài)來模擬地鐵運(yùn)行工況，再生制動(dòng)能量逆變回饋裝置并聯(lián)在直流母線電壓端。直交機(jī)生供電逆變器線躋參

12、數(shù)奉明變電所A結(jié)構(gòu)并罔逆變得流波器圖1主電路結(jié)構(gòu)圖Fig. 1 Maincircuilstructure在三相靜止對(duì)稱坐標(biāo)系數(shù)學(xué)模型中，因?yàn)椴⒕W(wǎng)逆變器的交流側(cè)均為時(shí)變交流量，所以對(duì)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)比較復(fù)雜。為使控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)變簡單，可通過坐標(biāo)變換轉(zhuǎn)換到與電網(wǎng)基波頻率同步旋轉(zhuǎn)的d,q坐標(biāo)系下。這樣，經(jīng)過坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)變換后，三相對(duì)稱靜止坐標(biāo)系中的基波正弦量將轉(zhuǎn)化為同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系中的直流變量。這里對(duì)電壓源型逆變器采用輸出電流控制，在與電網(wǎng)電壓矢量同步旋轉(zhuǎn)的d,q坐標(biāo)系下，應(yīng)用同步矢量電流PI控制器對(duì)逆變器輸出電流實(shí)施閉環(huán)控制，實(shí)現(xiàn)有功和無功的解禍控制，達(dá)到逆變器輸出單位功率因數(shù)并網(wǎng)的目的。圖2示出DC/A

13、C控制的流程圖，采用基于SVPWM的雙環(huán)控制結(jié)構(gòu)，直流牽引網(wǎng)的電壓采用外環(huán)控制，而內(nèi)環(huán)控制逆變器輸出電流。圖2DC/AC控制框圖Fig. 2 DC/ACcontrolblockdiagram外環(huán)控制直流牽引網(wǎng)電壓，實(shí)際直流牽引網(wǎng)電壓嘰與給定電壓嘰的差值作為直流電壓PI調(diào)節(jié)器的輸入，其輸出作為對(duì)應(yīng)有功功率的d軸電流參考值ia*,通過調(diào)節(jié)逆變器傳送到電網(wǎng)的有功功率，使直流牽引網(wǎng)電壓工作在給定參考電壓。內(nèi)環(huán)為電流控制環(huán)，在與電網(wǎng)電壓矢量同步旋轉(zhuǎn)的d,q坐標(biāo)系統(tǒng)下，利用兩個(gè)PI調(diào)節(jié)器對(duì)逆變器輸出電流的d,q軸分量進(jìn)行解禍控制，PI調(diào)節(jié)器的輸出分別為Ud*和Uq*0根據(jù)Ud*和Uq*及電網(wǎng)電壓矢量旋轉(zhuǎn)角

14、度的值，利用7段式SVPWM算法即可得三相參考電壓Ua,Ub,Uc的調(diào)制波形。設(shè)置iq*=0使逆變器輸出功率因數(shù)為1。該裝置的驅(qū)動(dòng)電路將無橋Boost的PFCffi半橋諧振LLC電路有機(jī)結(jié)合，具有器件少，成本低，無電解電容，控制簡單，輸入功率因數(shù)高等優(yōu)點(diǎn)。由上述分析可知：電容儲(chǔ)能型或飛輪儲(chǔ)能型再生制動(dòng)能量吸收裝置主要采用IGBT逆變器將列車的再生制動(dòng)能量吸收到大容量電容器組或飛輪電機(jī)中，當(dāng)供電區(qū)間內(nèi)有列車起動(dòng)或加速需要取流時(shí)，該裝置將所儲(chǔ)存的電能釋放出去并進(jìn)行再利用。該類吸收裝置的電氣系統(tǒng)主要包括儲(chǔ)能電容器組或飛輪電機(jī)、IGBT斬波器、直流快速斷路器、電動(dòng)隔離開關(guān)、傳感器和微機(jī)控制單元等。該裝置充分利用了列車再生制動(dòng)能量，節(jié)能效果好，并可減少列車制動(dòng)電阻的容量。其主要缺點(diǎn)是要設(shè)置體積龐大的電容器組和轉(zhuǎn)動(dòng)機(jī)械飛輪裝置作為儲(chǔ)能部件，因此應(yīng)用實(shí)例較少。逆變回饋型再生制動(dòng)能量吸收裝置主要采用電力電子器件構(gòu)成大功率晶閘管三相逆變器，該逆變器的直流側(cè)與牽引變電所中的整流器直流母線相聯(lián)，其交流進(jìn)線接到交流電網(wǎng)上。當(dāng)再生制動(dòng)使