统 仿 真 学 报 V ol. 21 No. 15
2009年8月 Journal of System Simulation Aug., 2009
第21卷第15期 系
城市轻轨再生制动能量吸收的仿真研究
李 政，潘孟春，胡 楷
（国防科技大学机电工程与自动化学院，长沙 410073）
摘 要：轨道车辆再生制动能量的吸收是城市轨道交通系统的重要组成部分。分析了轻轨车辆在制动过程中再生制动能量的产生和吸收过程，并建立了车辆启动及制动的仿真模型。着重分析了列车制动时，再生制动能量对轨道电压的影响和能量吸收装置的工作状态。以此为基础，设计了轨道车辆再生制动能量吸收仿真系统，实验结果表明，该系统可以准确地预测能量吸收设备参数调节的趋势，从而解决实际工程问题。
关键词：再生制动；能量吸收；建模；仿真
中图分类号：U260.359 文献标识码：A 文章编号：1004-731X (2009) 15-4916-04
Research of Simulation of Energy Absorption in City Light Railway Regenerative Braking
LI Zheng, PAN Meng-chun, HU Kai
(Mechatronics and Automation School of National University of Defense Technology, Changsha 410073, China)
Abstract: The absorption of rail vehicle regenerative braking energy is an important ingredient of city rail-traffic system. The generation and absorption of regenerative braking energy were analyzed. The start-up and brake simulation model of vehicle was established. The influence of rail voltage and the working state of energy absorption during the braking were emphasized. Based on them, a simulation system of rail vehicle regenerative braking energy absorption was designed, and experiments demonstrate the system could forecast the trend of parameters’ adjustment of energy absorption instruments exactly, therefore settled the practical engineering problems.
Key words: regenerative brake; energy absorption; model; simulation
引 言
在城市轨道车辆运行过程中，列车频繁制动产生的再生制动能量由于整流电路的不可逆性，将聚集在直流母线上，持续对大容量电容充电，过高的母线电压使列车电路中的功率器件造成损坏。目前采用最多的方法是在电路中接入大功率吸收电阻，把过高的能量消耗掉，重庆轻轨一号线则是采用了在车站边上安装能量吸收站的方法来消耗再生制动能量。
当再生能量吸收站安装完毕后，需要对其进行相应的调试。然而，由于整个城轨系统和能量吸收站是一体的，每次的调试都需要在夜间动用轨道车辆参与实际运行，所消耗的
人力物力及财力也十分巨大，如果在投入使用前出现问题，频繁的进行现场调试从经济上来说是很难承受的，因此考虑先从对系统的仿真中获得相关有效的参数，以达到对实际工程的指导作用。文中利用Matlab GUI 及Simulink 设计了城市轨道车辆系统的仿真系统，并将整个系统分成三个部分分别建模，着重分析了列车制动时，再生制动能量对轨道电压的影响和能量吸收装置的工作状态，在此基础上，系统可以准确地预测能量吸收设备参数调节的趋势，从而解决实际工程问题。
1 轻轨再生制动系统的构成
高压线路上电压经过降压变压器后送入整流器，再经逆变提供车辆电机所用的电能。当车辆制动时，再生电能将导致直流母线的电压泵升，电压的升高如得不到有效的抑制，将对直流电网和车辆产生不利影响。本系统设计了一个吸收模块来解决这个问题，它将在电压的变化超过一定数值时发挥作用，通过接入的吸收电阻消耗掉这部分能量，从而将电压稳定在一个相对合适的数值。
由上分析，城市轻轨再生制动系统框图如图1所示。
图1 再生制动系统的系统框图
从图1中可以看出，该系统分为三个部分，分别是整流模块，对应于轻轨再生制动系统中的整流站，将变电站送来的交流电压转变为直流电压，供给轻轨车辆使用；车辆模块，对应于轻轨再生制动系统中的轻轨机车，为轻轨的运行部分，核心电机部分可视为转速、磁链闭环矢量控制系统；吸收模块，对应于轻轨再生制动系统中的吸收站，获取母线电
收稿日期：2007-12-07 修回日期：2008-04-14 作者简介：李政(1981-), 男, 安徽, 博士, 研究方向为电力电子及无损检测；潘孟春(1963-), 男, 湖南, 教授, 研究方向为电力电子技术等；胡楷(1974-)，男，山东，博士，讲师，研究方向为电力电子技术等。
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压变化，控制IGBT 部分的工作，对制动过程中产生的能量进行有效吸收，从而克服这些能量对母线电压的不利影响。
响相当于一种扰动作用，转矩内环可以抑制这个扰动，从而改造了转速子系统，使它少受磁链变化的影响。图中，主电路选择了电流滞环跟踪控制的CHBPWM 变频器，也可以用带电流内环的电压源型变频器。系统中还画出了转速正、反向和弱磁升速环节，磁链给定信号有函数发生程序获得。转速调节器ASR 的输出作为转矩给定信号，弱磁时它也受到磁链给定信号的控制。
2 整流器、轻轨车辆模型的建立
2.1 整流模块的建立
重庆轻轨一号线牵引降压混合变电所提供的电源额定交流电压为1.20 kV，车辆模块要求1500V 额定直流电压。故必须要有一个整流模块来实现该转化。本系统采用24脉波整流电路，其原理如下：
三相电源星形连接时，线电压超前相应的相电压30°，利用一个三相三绕组，其一次侧接成三角形或星形，二次侧每相有两个绕组，三个星形三个三角形。另二次侧三角形绕
倍。则二次侧两组绕组线电压数值相等，末向相差60°。
轻轨整流模块中，单台整流器由二个三相6脉波整流桥组成，其中一个整流桥接至整流变压器二次侧Y 型绕组，另一个整流桥接至整段母线上两流变压器二次侧△型绕组。两个整流桥并联连接构成12脉波整流器，如图2所示，即为12脉波整流电路原理图。
电流滞环形PWM 变频器
微型计算机
图3 异步电机双闭环系统原理框图
利用Simulink 为车辆模块所建立的模型如图4所示，直流母线经IGBT Inventer逆变为电机所用交流电。电机转速
ω和磁链可以测得与给定参考值输出两相电流信号，经过帕
克坐标变换实现参考相电流的DQ-ABC 变换，即DQ 旋转坐标系下两相参考电流向ABC 静止坐标系下三相参考相电流的转换，该三相电流送入电流滞环控制模块。
图2 整流模块的仿真模型（12脉波）
在每座牵引变电所内两台整流器并联，并且通过整流变压器外延±7.5°也即相差15°，从而构成二十四脉波整流电路。事实上，只要一台整流器相对另一台相差满足15°即可构成24脉波整流电路。
图4 车辆模块的仿真模型
2.2 轻轨机车模型的建立
重庆单轨牵引机车额定电压为直流1500V ，制动时额定电压为直流1650V ，列车编组方式为近期4 辆编组，（3动1拖）M C +T+M+MC ，远期6 辆编组M C +T+M+T1+T2+MC 。其中M C 为带司机室的动车，M 为不带司机室的动车，T 、T 1、T 2为不带司机室的拖车。
下面对单独一辆动车进行模型的建立：
如图3所示，可以将车辆模型建立简化为对电机模型的建立。在转速环内增设转矩控制内环，磁链对控制对象的影
逆变器控制信号由电流滞环控制模块输出提供，该模块的作用是实现电流滞环控制，当实际电流低于参考电流且偏差大于滞环比较器的环宽时，对应相正向导通，负相关断；当实际电流超过参考电流且偏差大于滞环比较器的环宽时，应相正向关断，负相导通；选择适当的滞环环宽，既可使实际电流不断跟踪参考电流的波形，实现电流闭环控制。逆变后电流供给电机驱动，电机转矩为775Nm ，额定转速1294r/min，额定输出功率105Kw 。电机三相电流反馈回来与磁链经过坐标变换ABC-DQ ，得到反馈磁链和转速，从而
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控制IGBT Inventer并进而控制电机乃至整个车辆模块的工作。
模型的双闭环控制系统工作方式为：给定转速和电机输出转速比较后，计算可得到旋转坐标系DQ 下的Iq*，通过对给定磁通的计算可以得到旋转坐标系DQ 下的Id*，DQ 坐标系和静止坐标系ABC 的夹角为Theta ，经过2-3变换可以得到给定的电流控制信号Iabc*，同电机的输出电流信号Iabc 做滞环比较，得到逆变器的驱动信号，对电机进行控制。
模型中的双闭环指转速控制环和磁通控制环，从图4可以看到：转速环的控制在给定转速和输出转速的比较计算中实现；而输出电流Iabc 经过3-2变换后，得到旋转坐标系DQ 下的Id ，计算得到电机的磁通，在2-3变换中实现磁通环的控制。
图5 吸收装置结构图
3 吸收装置模型的建立
城市轻轨车辆在运行过程中，列车制动频繁，制动能量很大。再生制动回馈能量将通过机车变频装置向直流电网充电，使直流电网电压升高。当直流电压大于整流器输出电压时，二极管整流器被反向阻断，随后直流母线电压将一直上升。制动过程中产生的能量对直流母线电压产生了不利影响，需要对该能量进行有效吸收。
在再生能量的吸收过程中，吸收装置主要采用多相IGBT 控制和吸收电阻配合的吸收方式，根据再生制动时直流母线电压的变化状态调节斩波器的导通比，从而改变吸收功率，将直流电压恒定在某一设定值的范围内，并将制动能量消耗在吸收电阻上。该吸收装置的电气系统主要由IGBT 、吸收电阻、电容器、滤波装置（滤波电容和滤波电抗器）等组成。该装置的优点是控制简单，其主要缺点是再生制动能量消耗在吸收电阻上，未加以利用；而且电阻散热也导致环境温度上升，因此当该装置设置在地下变电所内时，电阻柜需单独放置，而且该房间需采取措施保证有足够的通风量，需要相应的通风动力装置，也增加了相应的电能消耗。重庆轻轨一号线是在车站内设置电阻耗能型再生制动装置，它是城市轻轨再生能量吸收的新型方式。
吸收模块是城市轻轨再生制动系统的核心部分，该模块由控制部分和IGBT 吸收部分组成，如图5所示，基本参数的更改可直接在GUI 界面中实现，在该界面中可以直接打开控制部分和IGBT 吸收部分的子界面进行进一步的仿真设置。
对IGBT 吸收部分的控制结构如图6所示。
图6中，输入的直流母线电压和阈值电压作比较，经离散采样后送入PI 调节器，调节器输出值经归一化后作为IGBT 的PWM 控制信号的脉宽，控制吸收电阻的工作。
吸收装置电路按照《广州地铁四号线工程—制动能量消耗装置》设计，IGBT 吸收部分的仿真模型如图7所示。
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图7 IGBT吸收部分仿真模型
图6 控制部分结构图
4 仿真与实验
4.1 仿真的环境参数设置
轻轨再生制动仿真系统由3个部分组成，分别是整流模块，车辆模块和吸收模块，通过含有电阻和电感的导线来模拟轻轨轨道。所有的主要参数均可在GUI 界面中进行设置：
整流模块功能是对交流电进行24脉波整流，输出直流
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1500V ；
车辆模块模拟轻轨机车运行，额定电压交流1100V ，额定电流75A ，额定功率105KW ，转矩775NM ，交流电机定子电阻0.087Ω，定子电感0.8mH ，转子电阻0.228Ω，转子电感0.8mH ；
吸收模块在母线电压过高（超过1620V ）时开始工作，吸收电阻2.5Ω，工作频率150Hz ；
轨道的电阻0.03865Ω/km，电感1.4815mH/km。，
采样所得的实际波形，从图中可以看出，当列车在250ms 左右的时刻开始刹车，母线电压从1500V 升至1620V ，吸收装置启动，1100ms 时刻制动结束，图10中上下波形分别为母线电压及母线电流，轻轨实际再生制动过程中采样的波形图同仿真的结果完全相似。证明本文中设计的吸收模块达到了预期的能量吸收、降低母线电压的效果。
电压/V 电流/A
4.2 仿真结果和实验的对比
仿真的结果如图8、图9所示，图8为电机转速及负载力矩的仿真波形，图9为直流母线电压的仿真波形。
1500
040020000
400 800 1200 1600
时间/ms
图10 吸收站采样的再生制动波形
5 结论
图8 电机转速及负载力矩仿真波形
直流母线电压仿真波形
实验证明，文中所设计的轨道车辆再生制动能量吸收仿真系统可以准确地预测能量吸收设备参数调节的趋势，能够详细地模拟列车制动时，再生制动能量对轨道电压的影响和能量吸收装置的工作状态，并依据仿真系统得到的结果，对轻轨车辆运行及制动过程做出全面的了解，进而解决实际的工程问题。
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图9 直流母线电压仿真波形
[2]
由仿真结果图可以看出，该系统模型较好地仿真了轻轨机车再生制动过程及吸收站工作过程。如图8，图9所示，机车在t=2.3秒时下坡，此时负载力矩减小，随后，司机发现开始下坡，在t=2.4秒时减少电机的转速，即开始刹车。此时开始再生制动过程，直流母线电压在2.4秒时明显升高，迅速跃至1630V 。随即吸收模块检测到直流母线的电压已经超过了阈值电压，控制IGBT 吸收电路开始工作，在2.4秒到3.4秒的这段时间内，在图9中可以看到直流母线电压一直稳定在1620V 左右，在约3.4秒时制动结束，电压恢复正常范围，并迅速下降至工作电压1540V 。图10为吸收装置
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