軌道交通能量回饋裝置的設計實現

　　在簡要介紹軌道交通運行環境的基礎上，本文在硬件電路、性能及特點、運行效果等幾個方面介紹了軌道交通回饋裝置。此設備可以將有功功率、無功功率回饋電網，具有運行靈活、相應快、THD小等特點。

　　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。

　　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?？刂茊卧淖饔脼楦鶕鞲衅鬏斎氲男盘柡屯獠枯斎氲男盘栕龀雠袛啵敵鯬WM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。

　　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。

　　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。