基于超级电容的再生制动能量吸收利用技术研究

摘要

随着世界城市化发展,城市轨道交通作为大运量、高密度的公共交通工具受到了广泛的关注。列车在频繁的启动、制动过程中产生了可观的制动能量,对其进行合理利用可以节约能源。根据能量处理方式的不同,再生制动能量吸收可分为耗能型、馈能型和储能型三种方案。本文研究基于超级电容储能方式的城市轨道交通再生制动能量吸收利用技术。
　　 首先对超级电容储能阵列进行了设计。介绍了超级电容的工作原理和等效电路,分析了超级电容的优点和缺点；针对单体电容额定电压低的缺点通过串并联方式组成了高压大容量的储能阵列,并从能量和功率两个角度对储能阵列的规模进行了设计。
　　 超级电容端电压波动范围较大,而轨道交通直流供电电网电压须保持稳定,因此需通过双向DC/DC变换器连接超级电容储能阵列和直流供电电网。由于采用单个变换器连接存在高压超级电容组较难选择和高耐压IGBT构成的直流变换器电磁干扰大等缺点,本文采用了4个模块高压侧串联超级电容侧独立组合的模块化储能结构来分担电压和功率。
　　 针对标准化模块中的双向DC/DC变换器,本文采用基于高压侧稳压超级电容侧限压稳流控制的多通道并联Buck/Boost拓扑,通过对控制策略的设计,实现了能量的双向自由切换、接触器闭合时序控制、开机软启动和关机软关断、CAN通信传输数据等功能。通过仿真和实验验证了变换器设计和控制策略的可行性和正确性。
　　 由标准化模块组成整体再生制动能量吸收利用系统的关键问题是串联模块的均压控制。本文通过对系统稳定性分析强调了均压控制的必要性,研究了一种基于最大电压跟踪的均压控制方案,并结合单模块的控制策略形成了系统的整体控制策略。仿真分析和实验结果证明了该均压控制可以实现高压侧电压均分,确保整体系统的稳定工作。

目录

文摘

英文文摘

图、表清单

注释表

第一章 绪论

1.1 城市轨道交通的发展

1.1.1 引言

1.1.2 国外发展情况

1.1.3 国内发展情况

1.1.4 发展前景

1.2 再生制动能量吸收利用技术

1.2.1 城市轨道交通车辆制动方式

1.2.2 耗能型

1.2.3 馈能型

1.2.4 储能型

1.3 基于超级电容的再生制动能量吸收利用的主要技术问题

1.4 本文的主要内容

第二章 超级电容储能系统

2.1 超级电窍原理简介

2.1.1 超级电容工作原理

2.1.2 超级电容等效电路

2.2 超级电容特点

2.2.1 超级电容优点

2.2.2 超级电窍储能主要存在的问题

2.3 超级电容储能系统的容量设计

2.3.1 再生制动能量计算

2.3.2 能量约束法

2.3.3 功率约束法

2.4 超级电容组连接方式选择

2.5 本章小结

第三章 基于超级电容的再生制动能暈吸收利用系统方案设计

3.1 模块化储能系统

3.1.1 储能系统应用场合分析

3.1.2 模块化储能系统方案

3.2 单模块储能系统

3.2.1 单模块系统主要电气参数

3.2.2 单模块储能系统的结构

3.2.3 双向DC/DC变换器拓扑选择

3.3 系统的控制方案

3.3.1 单模块控制方案

3.3.2 模块化储能系统整体控制策略

3.4 本章小结

第四章 单组超级电容的能量管理单元--双向直直变换器

4.1 双向直直变换器的功率电路设计

4.1.1 功率管选取

4.1.2 “LCL”型滤波器设计

4.1.3 “π”型滤波器设计

4.2 变换器的控制策略

4.2.1 双向切换控制

4.2.2 接触器闭合时序控制

4.2.3 软启动控制

4.2.3 CAN通信控制

4.3 仿真分析

4.3.1 高压侧稳压工作模式

4.3.2 低压侧稳流工作模式

4.3.3 低压侧限压工作模式

4.3.4 双向切换波形

4.3.5 软启动波形

4.4 本章小结

第五章 基于超级电容的再生制动能量吸收利用系统的电压均衡方案

5.1 均乐控制的必要性

5.2 均压控制策略

5.3 仿真分析

5.4 实验验证

5.5 本章小结

第六章 全文工作总结与展望

6.1 研究工作总结

6.2 后续工作展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表学术论文

附录