圖2 三相H橋變流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

2.采用高性能的LCL三階濾波器。

    目前通常的并網(wǎng)逆變器網(wǎng)側(cè)使用單電感濾波或者采用高阻抗變壓器濾波，其濾波器結(jié)構(gòu)簡單，但造成電感或變壓器體積大，且對(duì)于高次諧波的濾除衰減率僅為-20dB/10倍頻程，其濾波效果不好，開關(guān)頻率及其倍數(shù)的高次諧波會(huì)大量流入電網(wǎng)，對(duì)電網(wǎng)造成污染。亞派能饋裝置采用了性能更為優(yōu)越的LCL三階輸出濾波器，其頻率特性如下圖所示，對(duì)于高次諧波的濾除衰減率為-60dB/10倍頻程，濾波效果更好。另外，在設(shè)計(jì)時(shí)網(wǎng)側(cè)濾波電感則借助于回饋?zhàn)儔浩髯陨砺└?，這樣既節(jié)省了后級(jí)的濾波電感，又減小了逆變器側(cè)濾波電感的體積，同時(shí)達(dá)到增強(qiáng)濾波的效果。試驗(yàn)效果表明該濾波器對(duì)高次諧波具有良好的濾除能力。

圖3 LCL三階濾波器的頻率特性

3.基于抑制電網(wǎng)擾動(dòng)的雙閉環(huán)控制策略

   如圖4所示，亞派能饋裝置采用了雙閉環(huán)控制策略。電壓外環(huán)調(diào)節(jié)器采用比例積分調(diào)節(jié)器(PI)，實(shí)現(xiàn)對(duì)直流側(cè)電壓的準(zhǔn)確控制，同時(shí)通過軟件鎖相環(huán)實(shí)時(shí)檢測交流電網(wǎng)電壓的頻率、幅值和相位，通過檢測電網(wǎng)相位來控制輸出參考電流的相位，從而實(shí)現(xiàn)有功無功的獨(dú)立控制。內(nèi)環(huán)電流環(huán)采用比例諧振調(diào)節(jié)器（PR），實(shí)現(xiàn)對(duì)并網(wǎng)輸出電流的無差跟蹤指令和波形優(yōu)化輸出。同時(shí)，交流電網(wǎng)電壓前饋的引入可以加快對(duì)電網(wǎng)電壓擾動(dòng)的響應(yīng)速度，提高系統(tǒng)的抗干擾能力。

    電壓外環(huán)、電流內(nèi)環(huán)控制器均基于準(zhǔn)確的變流器和電網(wǎng)模型進(jìn)行設(shè)計(jì)及驗(yàn)證，因此在系統(tǒng)穩(wěn)定性、快速性以及穩(wěn)態(tài)精度方面實(shí)現(xiàn)了最優(yōu)化控制。

圖4 亞派能饋裝置雙閉環(huán)控制框圖

三 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

   亞派能饋裝置通過了鐵道部產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心的第三方檢驗(yàn)，關(guān)鍵性能指標(biāo)及及波形數(shù)據(jù)如表2和圖5所示。檢驗(yàn)結(jié)果表明：亞派能饋裝置具有整機(jī)功率大，裝置輸出電流電壓的THD低、功率因數(shù)高、響應(yīng)時(shí)間快、整機(jī)效率高、功能強(qiáng)大等優(yōu)點(diǎn)。

表2 主要功能/性能列表

并網(wǎng)電壓電流波形    

額定容量下的并網(wǎng)數(shù)據(jù)    

裝置并網(wǎng)啟動(dòng)時(shí)刻波形   

不同輸出功率下的效率曲線

圖5 亞派能饋裝置試驗(yàn)波形/數(shù)據(jù)圖

四 節(jié)能效益分析

    以某市地鐵線路為例，評(píng)估加裝能量回饋逆變裝置的節(jié)能效果。該線共17個(gè)站點(diǎn)，其中16個(gè)牽引變電站，列車單線發(fā)車間隔時(shí)間為7min，該線配有26輛車，每輛車為4動(dòng)2拖。據(jù)統(tǒng)計(jì)每個(gè)站之間牽引供電耗電平均約30度，其中約60%電能做功消耗掉，其余約40%電能會(huì)再生制動(dòng)回到直流電網(wǎng)。

未加裝能量回饋逆變裝置前，每列動(dòng)車上配有一個(gè)電阻制動(dòng)系統(tǒng)，制動(dòng)電阻重量約500公斤，電阻配備的散熱風(fēng)機(jī)功率為1.4kW。以地鐵每天運(yùn)營16小時(shí)，計(jì)算可得每年該線的牽引制動(dòng)系統(tǒng)消耗的電能如表3所示。

                 表3 未加能量回饋裝置的列車用能分布表

    在該線16個(gè)牽引站都安裝一套2.5MW的亞派再生制動(dòng)能量回饋成套裝置后，帶來的收益分為兩個(gè)部分：一部分是A-RPF吸收回饋80%的再生制動(dòng)電能帶來的直接收益；另一部分是加裝A-RPF后可以減少50%的制動(dòng)電阻系統(tǒng)及其散熱風(fēng)機(jī)，每減少一噸車重一年約可減少牽引耗電1萬度。假設(shè)能量回饋裝置損耗為2.5%，這樣可以得到加裝能量回饋裝置后該線的牽引制動(dòng)耗能情況，如表4所示。

表4 安裝能量回饋裝置的列車用能分布表

     可以看出，在該線路加裝16臺(tái)能量回饋裝置后，牽引制動(dòng)系統(tǒng)的能耗從4891萬度減少到3319萬度，減少了32%左右，一年可節(jié)約電能1500多萬度電。折算到單臺(tái)2.5MW的再生能饋裝置，一年可回收利用的電能約100萬度。

五 總結(jié)

亞派再生能饋裝置該裝置在主電路拓?fù)湓O(shè)計(jì)、控制算法優(yōu)化等多方面進(jìn)行了創(chuàng)新研究，能饋裝置通過了權(quán)威部門的第三方檢測，裝置目前已經(jīng)在南京寧天城際線路成功并網(wǎng)運(yùn)行，結(jié)果表明亞派能饋裝置具有單機(jī)容量大，效率高，THD小，功率因數(shù)高等優(yōu)點(diǎn)。通過節(jié)能效益分析可以看出，裝置節(jié)能效果可觀，可為地鐵運(yùn)營帶來巨大的節(jié)能效益。

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