地铁牵引系统混合型再生制动能量吸收及利用方案的研究

摘要

当前我国地铁建设已经进入快速发展阶段，由于我国城市人口多，造成交通拥堵问题比较严重，地铁具有速度快运量大的优点，能够有效解决这个问题，特别是在大型城市，地铁的作用更加重要。地铁的车站间距离通常都比较短，因而机车在运行时，起制动的次数十分频繁，当前最新式地铁机车基本都采用交流异步牵引电机提供驱动力，传动控制采用变压变频调速的方法，机车制动以再生能回馈制动为主，因而机车在制动时会产生大量的电能，甚至可以超过牵引总耗能的30％以上。这些制动电能一部分会反送到牵引网导致牵引网电压升高，牵引网电压超过限制值时制动电能会被电阻制动装置消耗掉，并转化成热量散发而没有被有效利用。超级电容作为一种新型储能元件，具有工作寿命长、能够以一千安以上的大电流快速充放电，可以用于地铁牵引系统制动电能的回收。本文针对我国DC1500V地铁系统，设计了基于超级电容和制动电阻的机车再生制动电能回收方案。
　　本文在分析了地铁机车再生制动能量产生机理的基础上，对给机车进行供电的DC1500V牵引变所24脉波整流器机组进行建模；按照目前广泛使用的A型车主要电气参数，利用MATLAB/SIMULINK工具建立了地铁机车动态模型，模拟地铁机车的起动和再生制动过程，并分析了机车在再生制动过程中牵引网电压以及功率的变化。
　　根据制动能量的计算和机车制动时牵引网电压变化的特点，确定了制动电阻-超级电容混合型再生制动能量回收方案和主电路，对电阻制动装置配合电容储能系统回收制动电能的原理作了介绍。计算出电容储能系统的容量和主要元件参数，储能系统采用了牵引网电压作外环、充放电电流作内环的双闭环控制策略，并完成了对电容储能系统的数学建模，分析了电容储能系统充放电控制策略的性能。
　　其次仿真分析了电容储能系统的工作过程，模拟电容储能系统在机车制动时回收电能，在机车起动时释放电能的过程，分析了它对牵引网电压的改善效果。最后进一步分析了供电区段内不同发车密度时的制动电能大小和利用情况，以及在各种情况下制动能量回收装置的工作状态。仿真结果表明设计的制动能量混合吸收系统达到了预期效果。