城市轨道交通再生制动能量回馈系统仿真研究

摘要

城市轨道交通低污染、低能耗、高效率的特点在缓解城市交通的紧张状况和拓展城市空间等方面发挥着重要作用，但是由于城市轨道交通中列车运行站间距离相对较短，列车启动、制动频繁，在列车制动时会产生制动能量。由于一般直流牵引系统中多采用的是单向的二极管整流，再生制动产生的电能无法流回到交流网侧，并且过多的再生制动能量还会引起直流牵引网压的升高，影响列车安全稳定运行。因此亟需解决再生能量的处理问题，本文提出利用大功率能量回馈装置并联在直流牵引网将再生能量回馈到中压交流网侧，从而稳定直流网压来保证列车安全稳定运行和节省电能。论文从以下几个方面展开：
　　首先，分析当前城市轨道交通供电系统的整体构成，主要从交流外部电源构成、直流牵引网系统构成及城市轨道交通供电系统中其他的组成部分。从这些供电系统构成中可以清晰的了解列车运行所需要的一切外部条件进而引出列车在制动时的供电系统运行状况，为解决再生制动能量的问题提供了方向和条件。
　　其次，分析列车的制动方式，主要以电制动为主进行分析。从列车再生制动原理来进行阐述，主要以列车在直流牵引电机和交流牵引电机两种典型的制动系统下的再生制动原理分析为主。以交流电机牵引的列车制动为例进行再生能量的分析，以动力学角度和再生制动特性曲线从理论上分析计算出两站间单列车在不同制动初速度的制动能量大小。根据当前对再生制动能量处理的三种方案耗能型、储能型、能馈型进行对比分析，选择能馈型再生能量方式将能量回馈到交流中压网侧，选择NPC型三电平大功率变流器作为能量回馈系统的核心部分。
　　然后，考虑回馈能量的大小和对交流侧产生谐波的影响，本文选择具有四象限运行功能的二极管钳位式三电平PWM变流器，主要研究回馈系统的构成、控制、回馈能量的效果及对交、直流网侧产生的影响等。对核心部分NPC型三电平主变流器的结构、工作原理及数学模型进行分析和建模。通过建模和分析对主变流器的控制系统进行设计，为了使控制策略简化易行以及综合考虑控制效果，采用传统的电压外环、电流内环的双闭环控制方案，利用 SVPWM进行脉宽调制来输出主变流器的控制信号，为了提高回馈电能质量，设计基于电容电荷平衡控制的SVPWM中点电压平衡控制。
　　最后，通过MATLAB/Simulink软件建立了能量回馈系统的仿真模型和应用仿真模型，从系统的正确性、稳定性和平衡性；系统回馈电能的质量；系统响应速度及稳定直流网侧电压来进行具体分析，充分验证了该回馈系统的功能作用。

目录

封面

声明

致谢

中文摘要

英文摘要

目录

1 绪论

1.1课题的背景与意义（Research Background and Significance of the Subject）

1.2国内外研究现状(Research Status at Home and Abroad)

1.3本文主要研究内容(Main Research Contents)

2 城市轨道交通供电系统

2.1城市轨道交通供电系统构成及功能(Urban Rail Transit Power Supply System Structure and Function)

2.2交流侧高压外部电源 (AC High Voltage Side of the External Power Supply)

2.3直流侧牵引供电系统（DC Traction Power Supply System）

2.4动力照明供电系统（Lighting Power Supply System）

2.5电力监控系统（Power Monitoring System）

2.6 本章小结(Sub-conclusions)

3 城市轨道交通再生制动系统

3.1车辆制动方式介绍（Vehicle Braking Presentation）

3.2再生制动产生原理（Regenerative Braking Generation Principle）

3.3再生制动能量分析（Regenerative Braking Energy Analysis）

3.4再生制动能量处理（Regenerative Braking Energy Treatment）

3.5 本章小结(Sub-conclusions)

4 能馈式再生制动能量回馈系统总体设计

4.1 引言（Introduction）

4.2回馈系统的主电路设计（The Design of Feedback System Main Circuit）

4.3 回馈系统主变流器的拓扑结构及数学模型分析（ Topology and Mathematical Model of Feedback System Main Converter）

4.4回馈系统的控制系统设计（The Control System Design of Feedback System）

4.5 本章小结(Sub-conclusions)

5 能馈式再生制动能量回馈系统仿真与应用

5.1回馈系统主电路及控制电路仿真模型（The Simulation Model of Feedback System Main Circuit and Control Circuit）

5.2 能量回馈系统应用在直流牵引系统中的仿真分析（Application of Simulation Analysis of Energy Feedback System in DC Traction Systems）

5.3 本章小结(Sub-conclusions)

6 总结与展望

6.1 研究结论(Conclusions）

6.2研究展望(Future Work）

参考文献

作者简历

学位论文数据集