基于超级电容的地面式地铁再生制动能量回收技术研究

摘要

随着世界范围内城市人口集中化，城市轨道交通(Urban Rail Transit，URT)迅速发展。作为URT的重要组成部分，地铁因具有运载量大、效率高、旅行速度快、安全可靠且专线运行等优点而受到世界各国的青睐。由于直流牵引变电所多采用二极管不控整流方式供电，地铁制动时剩余制动能量只能通过制动电阻消耗。虽然该制动方式控制简单、技术成熟、成本低、应用广泛，但不能有效利用剩余制动能量，而且造成环境温度上升。基于EDLCs的储能装置(Energy Stroage Systems，ESSs)通过检测直流牵引网电压等参数，在地铁制动时吸收剩余制动能量，在地铁启动时释放能量，实现对再生制动能量的循环利用，并且将直流母线电压控剃在允许波动范围。与传统的电阻耗散型相比，该技术能有效利用制动能量，降低牵引变电所设备功率等级。因此，本文研究了基于超级电容(Electrochemical Double Layer Capacitors,EDLCs)的地面式地铁再生制动能量回收技术。
　　首先研究了电阻耗散型、逆变回馈型、蓄电池储能型、飞轮储能型和超级电容储能型等多种再生制动能量回收技术，在对其工作原理、技术优势研究的基础上，从生产成本、使用寿命、节能效果等方面进行了对比。本文研究的基于超级电容的地面式再生制动能量回收技术具有维护成本低、使用寿命长，效率高、节能效果好、且能稳定直流牵引网压等优势。
　　推导并确定了地铁列车负载转矩表达式，根据转子磁链定向矢量控制方式搭建了牵引电机控制模型。以深圳地铁5号线为背景，搭建了基于MATLAB/Simulink的地铁列车仿真模型，并对仿真界面进行优化设计。根据运营时刻表和线路参数，对列车在典型供电区间的运行状态进行了仿真，给出了储能装置所需功率和容量的选取依据。
　　对超级电容储能装置进行了容量配置。根据功率守恒，详细阐述了间接电压控制策略并优化了控制方式。通过仿真研究，验证了超级电容储能装置及其控制策略的正确性。从成本与收益关系论证了储能装置的的可行性。为了简化用户操作，基于MATLAB中的GUI模块，设计了人机交互界面。仿真结果表明:储能装置的投入可以有效利用剩余再生制动能量，并且稳定直流牵引网压，降低变电所设备功率等级。
　　设计了双向DC/DC变换器(Bi-drectional DC/DC Converter, BDC)实验电路，搭建了小功率实验样机，完成了BDC工作于Buck模式和Boost模式下超级电容充放电的实验测试，实验结果验证了储能装置和控制策略的正确性。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 地铁的发展

1．1．1 引言

1．1．2 国外发展情况

1．1．3 国内发展情况

1．2 地铁牵引供电系统

1．3 再生制动能量回收的意义

1．4 再生制动能量回收技术的国内外研究现状

1．5 论文的主要工作

第2章 再生制动能量回收技术

2．1 电阻耗散型再生制动能量回收技术

2．2 逆变回馈型再生制动能量回收技术

2．2．1 晶闸管有源逆变型

2．2．2 PWM逆变型

2．2．3 PWM整流型

2．3 储能型再生制动能量回收技术

2．3．1 电池储能型

2．3．2 飞轮储能型

2．3．3 超级电容储能型

2．4 再生制动能量回收技术比较

2．5 本章小结

第3章 地铁列车制动能量仿真

3．1 牵引变电所仿真模型

3．2 牵引电机负载转矩

3．2．1 基本阻力

3．2．2 附加阻力

3．2．3 负载转矩的确定

3．2．4 负载转矩仿真模型

3．3 牵引电机控制策略

3．3．1 牵引电机矢量控制的基本思想

3．3．2 坐标变换数学模型

3．3．3 三相异步电机模型

3．3．4 转子磁链定向矢量控制系统的电流滞环控制方式

3．3．5 牵引电机控制策略仿真模型

3．4 地铁列车建模与仿真

3．5 地铁列车运行工况分析

3．5．1 单列车运行工况仿真

3．5．2 多列车运行工况仿真

3．5．3 储能装置容量配置

3．6 本章小结

第4章 地面式超级电容储能装置的设计

4．1 超级电容储能装置设计

4．1．1 基于半桥型双向变换器的超级电容储能系统

4．1．2 多相交错双向变换器

4．1．3 双向变换器控制策略

4．1．4 超级电容组设计

4．1．5 储能装置容量优化配置

4．2 地面式超级电容储能系统建模与仿真

4．3 储能装置经济性分析

4．4 地面式超级电容储能系统GUI界面设计

4．5 本章小结

第5章 超级电容储能系统实验设计

5．1 实验电路设计

5．1．1 双向变换器功率电路

5．1．2 双向变换器控制方式

5．1．3 电流采样电路

5．1．4 电压采样电路

5．1．5 驱动电路

5．2 实验结果

5．3 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读学位期间发表的论文

附录