基于飞轮储能的地铁再生制动能量利用研究

摘要

近年来，我国城市轨道交通发展迅速。研究地铁再生制动能量回收利用技术，加入储能装置以提升再生制动能量利用率，符合城市轨道交通发展的方向，对节约能源和可持续发展具有重要的意义和价值。飞轮储能技术凭借其快速响应能力、高功率密度以及环保无污染等特点，在提升地铁再生制动能量利用率、平抑牵引网电压波动等方面具有独特的优势和发展前景。
　　本文首先分析了飞轮储能装置的工作原理，确定影响飞轮储能系统容量的性能参数，进而研究飞轮储能系统充放电过程中能量转换关系。
　　其次，建立机车动力学模型，计算地铁机车制动产生能量，并结合机车制动特性曲线，研究地铁再生制动功率特性，为设计飞轮储能系统容量奠定基础。同时，利用仿真软件MATLAB/SIMULINK搭建北京地铁13号线牵引供电动态仿真平台，为研究机车车辆在各工况下的能量关系提供分析工具。
　　再次，优化飞轮储能电机控制策略。当储能系统工作于储能模式时，飞轮电机采用基于前馈解耦的控制策略。同时，为了提升释能模式下的控制性能，在设计控制算法时，使用了逆系统方法，应用滑模变结构理论对飞轮电机进行控制。
　　最后，为了满足地铁再生制动能量吸收要求，提升飞轮系统的储能量，提出了飞轮阵列解决方案。飞轮单元以直流母线并联的形式并联于直流电网中，并以功率匹配为原则，设计二级控制器控制储能阵列内各飞轮单元。同时，搭建SIMULINK仿真模型，验证不同条件下的飞轮储能阵列系统工作情况。仿真结果表明本文所设计的飞轮储能阵列系统能够有效回收利用地铁再生制动能量，实现稳定牵引网电压的功能。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景

1．2 再生制动能量回收意义

1．3 国内外研究现状分析

1．3．1 电阻能耗方案

1．3．2 逆变回馈方案

1．3．3 超级电容储能方案

1．3．4 飞轮储能方案

1．4 本论文的主要研究内容

第2章 飞轮储能系统概述

2．1 飞轮储能系统工作原理

2．2 飞轮储能系统基本结构

2．3 飞轮电机数学模型

2．3．1 三相坐标系下永磁同步电机数学模型

2．3．2 两相坐标系下永磁同步电机数学模型

2．4 本章小结

第3章 地铁再生制动过程分析

3．1 机车制动能量分析

3．1．1 动力学建模分析与仿真计算

3．1．2 机车制动特性曲线分析

3．2 地铁牵引传动系统模型

3．2．1 牵引变电所

3．2．2 地铁机车系统建模

3．3 仿真分析

3．4 本章小结

第4章 储能系统充放电控制策略

4．1 永磁同步电机控制策略

4．2 飞轮储能系统充电模型

4．2．1 飞轮电机充电控制策略

4．2．2 地铁飞轮储能系统充电仿真模型建立

4．2．3 仿真结果及分析

4．3 飞轮储能系统放电模型

4．3．1 逆系统线性化解耦

4．3．2 PMSM可逆性分析

4．3．3 滑模变结构控制模型

4．3．4 仿真分析

4．4 本章小结

第5章 飞轮储能阵列能量吸收方案

5．1 飞轮储能阵列系统

5．1．1 模块化阵列单元

5．1．2 飞轮阵列工作模式与流程分析

5．1．3 仿真分析

5．2 辅助能量吸收装置

5．2．1 制动电阻技术参数

5．2．2 控制流程分析

5．3．3 仿真分析

5．4 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文