逆变回馈型再生制动能量吸收装置系统的控制

2011-06-22曾之煜敖娜娜

电气化铁道 2011年4期

曾之煜，陈桁，敖娜娜

0 引言

逆变回馈型再生制动能量吸收装置充分利用了列车再生制动能量，提高了再生能量的利用率，节能效果好，并可减少列车制动电阻的容量；其能量直接回馈到电网，既不要配置储能元件，也不要吸收电阻；因此对环境温度影响小，在大功率室内安装的情况下多采用该方案。

现有的逆变回馈型再生制动能量吸收装置采用工控机—单片机为核心结构，工控机成本较高，且控制复杂，既浪费资源，又达不到最佳的控制效果，本文提出了以单片机—单片机为核心的方案，该方案在原有逆变功能上增加了谐波抑制的功能。

1 装置原理

逆变回馈型再生制动能量吸收装置主要采用电力电子器件构成大功率晶闸管三相逆变器，该逆变器的直流侧与牵引变电所中的整流器直流母线相连，其交流进线接到交流电网上；当再生制动使直流电压超过规定值时，逆变器启动并从直流母线吸收电流，将再生直流电能逆变成工频交流电回馈至交流电网。

逆变吸收装置主要包括晶闸管逆变器、逆变变压器、平衡电抗器、交流断路器、直流快速断路器、直流电压变换器和控制等部分，其系统主接线示意图如图1所示。

图1 逆变回馈型再生制动能量吸收装置原理图

另外还有一种产品是利用IGBT技术的双向变流器（同时实现整流和逆变的功能），国内正在开发研制该产品。该技术在起重机、轧钢机、卷扬机设备中已有实际的工业运行实例，目前国内轨道交通尚处于探索起步阶段。

逆变单元的一端通过断路器连接于直流母线上，另一端与整流变压器次边连接。控制系统根据交、直流电压的变化，如直流母线电压高于1 730 V（DC 1 500 V直流母线，动作值可以设定），及直流侧电流的极性进行综合判断，确定在线车辆已处于再生制动状况后，投入逆变回馈装置。根据线网再生反馈电流的大小，自动调节逆变回馈装置通过电流，实现稳定线网电压。再生制动逆变回馈装置将机车再生制动产生的能量通过整流变压器回馈到AC 35 kV电网，当机车再生制动能量吸收完促使电压回到设定的整定电压值（DC 1 730 V，动作值可以设定）以下，或者当车辆由再生电制动转为其他工况运行时，经系统判断，再生制动逆变回馈装置将停止能量回馈。同时，控制系统根据采集到的电流、电压进行谐波分析，并采取相关措施进行谐波抑制。再生制动逆变回馈装置采用模块化结构，以750 kW或1 000 kW为一个单元，根据需要可以并联多个再生制动逆变回馈装置。

2 硬件原理

由于系统实现的功能复杂，传统装置的控制系统为工控机—单片机上下2级控制，为节约成本，本文采用单片机—单片机上下 2级控制结构。其中，上位机选用 Samsung公司基于 ARM 公司ARM920T处理器核的芯片 S3C2410，该 CPU是人机交互的核心，主要功能是接收下位机的采集信息，记录不同工况下电压、电流及吸收电流曲线等；对吸收装置实行监控，通过LCD及键盘，完成参数的设置、运行状态监视、故障判断及处理、数据记忆及外部打印等功能。下位机采用TI 公司的32位DSP芯片TMS320LF2407进行控制，其主要功能是：要完成数据采集、逻辑处理、故障判断、控制输出、PID调节运算、多相PWM输出、系统通信、谐波分析、谐波抑制等工作。系统根据交、直流电压的变化及受流轨电流的极性进行综合判断，确定在线车辆已处于再生制动状况后，开通各晶闸管电路。随后，根据线网再生反馈电流的大小，自动调节晶闸管的导通比，实现恒压吸收，稳定线网电压。当车辆由再生电制动转为其他工况运行时，经系统判断，自动关断晶闸管，使装置处于待命状态。控制系统结构示意图见图2。

32位高性能嵌入式处理器 S3C2410，是高度集成化的嵌入式处理器，集成了 ARM920T CPU核，存储器管理单元（MMU）。16 kB的高速缓冲存储器以及写缓冲器，主频达到了200 MHz，并且具有低功耗等多重优点。CAN总线接口保证上下位机的通讯，JTAG接口的功能是调试和仿真，FLASH和SDRAM作为扩展存储，LCD和键盘通过RS-232和CPU连接。上位机硬件原理图见图3。

图2 控制系统结构图

在下位机中，CPU通过直流电压变换器电压电流采样，判断列车运行的不同工况，通过PWM电路控制晶闸管的开通和关断。同时对整流变压器次边电流电压采样，通过 TMS320LF2407进行谐波分析，再通过PWM电路、IGBT电路进行谐波抑制。下位机硬件系统见图4。

图3 上位机硬件原理图

3 系统软件

该系统采用Linux作为操作系统，需要加载硬件设备的驱动程序，使硬件正常工作。在嵌入式系统中，采用Bootloader来引导程序，在操作系统内核运行之前的一段小程序，通过这段小程序，可以初始化硬件设备、建立内存空间的映射图，从而将系统的软硬件环境带到一个合适的状态，以便为调用操作系统内核准备好正确的环境。设备驱动和操作系统之上是根据基本协议所做的API接口程序。系统操作员根据最上层的应用程序控制整个装置的运行。