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軌道交通能量回饋裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

發(fā)布時(shí)間:2020-04-14 作者:新風(fēng)光

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(dòng)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。
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(jí)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(hào)轉(zhuǎn)換為弱電信號(hào),將其送入控制單元??刂茊卧淖饔脼楦鶕?jù)傳感器輸入的信號(hào)和外部輸入的信號(hào)做出判斷,輸出PWM信號(hào)控制IGBT動(dòng)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(hào),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(chǔ)能元件,降低直流母線的電壓波動(dòng)。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)?,適應(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(dòng)態(tài)響應(yīng)快,根據(jù)直流母線電壓及上級(jí)控制信號(hào),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(duì)環(huán)境的污染,并且給用戶帶來了可觀的經(jīng)濟(jì)效益。