軌道交通能量回饋裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)
孫久軍、曹廣芹、徐春紅
（山東新風(fēng)光電子科技發(fā)展有限公司）
摘要：在簡要介紹軌道交通運(yùn)行環(huán)境的基礎(chǔ)上，本文在硬件電路、性能及特點(diǎn)、運(yùn)行效果等幾個(gè)方面介紹了軌道交通回饋裝置。此設(shè)備可以將有功功率、無功功率回饋電網(wǎng)，具有運(yùn)行靈活、相應(yīng)快、THD小等特點(diǎn)。
關(guān)鍵詞：能量回饋、電流控制、逆變
The Designing of Railway Power Feedback Equipment
Abstract: In the front of this article, the running environment is introduced. The power feedback equipment is introduced in these fields such as hardware circuit, capability, performance, running effect and so on. This equipment can feedback power, reactive power. It runs fast with little THD.
Keywords: Power feedback, Current control, Invert
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(shí)產(chǎn)生的能量向直流母線回饋。此時(shí)，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(shí)，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(gè)問題。
隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，這個(gè)問題已經(jīng)有了現(xiàn)實(shí)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(gè)單元內(nèi)部采用三點(diǎn)平逆變結(jié)構(gòu)。圖紙幅度所限，在此只給出每個(gè)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(jì)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(shí)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(diǎn)
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(diǎn)：（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(gè)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(gè)單元發(fā)生故障時(shí)，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(shí)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(shí)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(shí)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(yàn)時(shí)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(shí)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(diǎn)。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。
參考文獻(xiàn)：
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