摘 要 动车组是单相交流27.5kv供电系统，由于电压较高，适应于动车组的制动能量地面吸收装置目前还属国内空白。本装置实现了交流动车组制动能量的地面吸收回馈，利用逆变模块和精密调功模块的紧密配合使高压交流母线维持在一定范围内，防止再生失效、保护沿线电气设备。本文详细介绍了动车组制动能量回馈吸收装置的设计与实现，给出了参数计算、系统仿真、硬件配置、应用案例。应用结果表明该装置动作可靠、反应迅速、符合高压动车组供电系统规范要求。
　　【关键词】交流动车组 预投负载 精密调功 逆变回馈
　　本文采用调功电阻模块和逆变并网模块相结合的方式设计了适用于单相交流25kv系统的再生能量回馈利用系统，应用结果表明该系统具有很高的精度和灵敏度，完全能够适用于动车组的再生能量吸收和回馈。
　　1 系统组成原理及参数计算
　　1.1 系统组成原理
　　动车组是单相交流27.5kv供电，鉴于目前成熟电力电子器件最高耐压等级为6500v，因此首先要对27.5kv进行降压处理，为了使装置具有通用性，采用单相非标变压器变比为27.5kv/1200v，对于单相1200v可直接采用双向可控硅进行电阻调功吸收，而且1200v进行可控整流很容易实现直流1500v等级，而1500v逆变回馈在国内外有不少成功案例，只是逆变回馈方式不同而已。分散供电系统不适用于高压侧回馈，因此本系统采用400v低压网络逆变回馈方式。
　　综上所述，本系统由降压变压器、高低压侧开关、预投电阻、调功电阻、整流模块、并网逆变模块、输入输出滤波、隔离变压器等元器件组成。
　　1.2 系统参数计算
　　以emu200动车组为例，根据“再生制动性能曲线”和三菱公司提供的数据，6m的动车组在时速40km/h时最大电制动功率为：
　　p=6×fv/3.6 （1）
　　=6×44.3×40/3.6
　　=2953kw
　　由此可确定本系统最大吸收功率为3mw。
　　考虑逆变并网部分故障未投入时电阻卸载部应能吸收全部再生功率，并为使吸收电阻灵活投切及方便维护，降低装置投资，将吸收电阻分为三个单元实现调功卸载（r1～r3），每单元功率为950kw，共计2850kw。
　　吸收装置最为关键的是系统检测速度和吸收功率调整方式，动车组制动时30～50ms内使线网电压由27.5kv抬高到31.5kv（bsp提供参数），因此为了减小冲击电流产生的磁滞现象发生而影响检测速度，设置一组固定的预投负载，使降压变压器一直有负荷电流经过，考虑对牵引站容量的占用比率和降压变压器迟滞特性，选取预投电阻负载为150kw。
　　电阻卸载部调功元件采用双向晶闸管，双向晶闸管较其它半导体器件更加可靠，远没有igbt那么娇贵，故选用它为功率元件，选取3300v/1500a反并联可控硅（bcr）。
　　对于逆变并网部分，逆变功率与400v网侧负载容量相关，当负载容量小，400v网侧电压升高到最大允许值时需要限制逆变功率，为了便于控制和安全，逆变并网模块采用多模块并联的方式，每个模块逆变输出峰值电流600a～700a设计，每个模块逆变峰值功率可确定为500kw。
　　pn = ui （2）
　　整流输出电压纹波按额定值15%计算，得滤波电容最小值cz：
　　（3）
　　式（3）中，p为整流输出功率；u为整流输出额定电压；δu为浮动电压；u2为整流输入电压有效值。为了抑制电流冲击，整流输出侧串入适当的滤波电感。
　　对于典型并网逆变器，需要通过滤波电感衰减输出电流中的开关频率谐波分量，开关频率的谐波电流：
　　（4）
　　式（4）中，fout为pwm信号的开关频率； fs为输出电流基波频率；il为输出电流中开关频率的谐波电流；l为滤波电感。
　　逆变输出的滤波电容要对开关频率谐波电流有很好的分流效果，也要使系统具有一定的工作频带。滤波电容选取参考式：
　　（5）
　　式（5）中，p为谐波电流相对于额定输出电流的衰减系数；s为2π（fs±2fout）。
　　上述公式为系统设计参数的基本原则，在实际应用时需要结合控制方法和仿真实验来修正最终参数。
　　2 系统控制策略
　　本系统为电阻吸收和逆变回馈双系统结合方式，相互独立且为互补关系，动车组再生制动时首先由逆变并网部吸收再生能量，当逆变满负荷或负载侧电压达到最高值时电阻调功部作为后备投入。
　　2.1 系统整体控制策略
　　鉴于本系统是多模块结构，因此采用集散控制方式，以

上位机为中心，下位单片机总成为核心，形成分布式计算机控制系统。
　　2.2 并网逆变器控制策略
　　根据并网逆变器工作原理可知，并网逆变器与其它准同期并网设备不同，与电网连接后连接点电压不受控，电能质量由逆变输出电流决定，而输出电流由逆变器桥臂的输出电压决定，因此并网逆变器的控制策略为控制桥臂输出电压的同时保证输出电流满足并网质量要求。
　　3 仿真实验
　　利用matlab软件进行系统仿真实验，目的在于验证控制策略的正确性和系统主要参数的确定。仿真模型分为系统供电模型、车辆模型、电阻卸载模型、逆变并网模型。
　　4 系统应用
　　根据上述分析和仿真实验，设计了适应于单相交流25kv系统的再生能量回馈利用系统。
　　本装置应用于emu200动车组的再生制动吸收试验，对10列进口电动车组和国产化动车组进行了试验。
　　5 结果分析
　　在试验的十列车中，当网络空载电压为29kv时，制动时网压超过30.5kv（即超出5%）时，吸收装置开始吸收制动功率，此时列车电压保持在29.8～30kv之间。随着列车制动，网压不再升高，即达到了稳定电网电压的功能。
　　作者简介
　　武华军（1961-），男，高级工程师，主要研究方向为电力电子及变流技术。
　　蓝信章（1961-），男，高级工程师，主要研究方向为电子信息及嵌入式系统。
　　安刚虎（1979-），男，硕士研究生，主要研究方向为电力系统及其自动化技术。
　　作者单位
　　青岛海能阿尔派轨道电力设备工程科技有限公司 山东省青岛市 266100