（电机与电器专业论文）超级电容能量回收系统在地铁中的应用研究.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ev i g o r o u sd e v e l o p m e n to fc h i n a sm o d e r n i z a t i o n ，m o r ea n dm o r ee n e r g y i sn e e d e d ，b u tt h es h o r t a g eo fe n e r g yh a db e c o m eaw o r l dw i l dp r o b l e m ，a n da m o n g a l lk i n d so fe n e r g y , t h ee l e c t r i c a le n e r g yi st h em o s ti m p o r t a n to n ei no u rd a i l yl i f e s o ， h o wt os a v ep o w e ra n di m p r o v et h ee f f i c i e n c yo fp o w e ru t i l i z a t i o nh a sb e c o m ea c r u c i a lp r o b l e ma l lh u m a nr a c e sf a c e d t h ea p p l i c a t i o no fs u p e r - c a p a c i t o rb a s e d e n e r g ys t o r a g es y s t e mi ns u b w a yw a ss t u d i e di nt h i sp a p e r , a n dt h er e l a t e dc o n t r o l m e t h o dw a sa l s op r o p o s e da n ds i m u l a t e d s u p e r - c a p a c i t o ri sak i n do fn e wp o w e rs t o r a g ee q u i p m e n tw i t ht h ea d v a n t a g e s o fh i g hp o w e rc a p a c i t y , h i g he n e r g yd e n s i t y , r a p i dc h a r g i n ga n dd i s c h a r g i n gp r o c e s s ， a n dv i r t u a l l yu n l i m i t e dc y c l el i f e i nt h i sp a p e r , ab r i e fi n t r o d u c t i o no fd i f f e r e n t e n e r g ys t o r a g es y s t e mw a sg i v e nf i r s t ，a n dt h e ns o m ed e s c r i p t i o no fp o w e rs u p p l yo f s u b w a ys y s t e ma n dm e t r oc a r sw a si n c l u d e d a f t e rt h a t ，t h ec h a r a c t e r i s t i c so f s u p e r - c a p a c i t o ra n di t sa p p l i c a t i o nw e r ea n a l y z e d ，ak i n do fe f f e c t i v ec o n t r o lm e t h o d w a sa l s op r o p o s e da c c o r d i n gt ot h ea c t u a ls i t u a t i o no fs u b w a ys y s t e m f i n a l l y , t h e m o d e lo fs u p e r - c a p a c i t o rb a s e de n e r g ys t o r a g es y s t e mw a se s t a b l i s h e da n ds i m u l a t e d w i t hi nm a t l a b ，a n dt h ec o r r e c t n e s so fo u rm o d e lw a sa p p r o v e db yt h es i m u l a t i o n r e s u l t a tt h el a s tp a r to ft h ep a p e r , s o m ep r o b l e m sm a ye n c o u n t e ri np r a c t i c a l a p p l i c a t i o n sw a sd i s c u s s e db a s e do nt h es u r v e yd a t a a l o n g w i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n to fs u p e r - c a p a c i t o r , t h e r e s e a r c ho f s u p e r - c a p a c i t o rb a s e de n e r g ys t o r a g et e c h n o l o g yw o u l db eap r o m i s i n gd i r e c t i o ni n t h ef u t u r e k e yw o r d s ：s u p e r - c a p a c i t o r ，e n e r g ys t o r a g e ，c o n t r o lm e t h o d ，m a t l a b 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规 定，同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和 电子版本；学校有权保存学位论文的e r ij 吊l j 本和电子版，并采用影 印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目 录检索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权 按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子 版；在不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分 或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：王列曼一 砷年，月d 日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名： 互计k 粥年月i 口日 第1 章绪论 1 1 研究的意义与必要i 生 第1 章绪论 能源危机及环境污染迫使人们的节能意识提高到了前所未有的高度，各种 节能手段和产品如雨后春笋般涌现出来。节约能源已成为全人类共同努力的目 标。电机系统节能已经成为国家发改委启动的十人蕈点节能工程之一。 在目前城市规模急剧扩大的情况下，交通状况恶化也达到了前所未有程度， 加上这几年石油危机爆发，私家车流行趋势即将过去，利用轨道交通出行已成 为人们首选。地铁作为轨道交通主流之一，客运负担也变得越来越重。所以， 许多城市在使用各种手段加大现有地铁系统客运能力的同时，也在不断建造新 的地铁线路。建造完善的地下轨道交通网络，是城市解决交通问题必然选择。 地铁系统优势显而易见，但它也带来了新的能耗问题。一般地铁线路，其 能耗都是几十甚至上百兆瓦级的，如果大量建设地铁线路，又给城市供电系统 带来了沉重的负担，因此，出行方便和节约能耗之间矛盾愈演愈烈。但地铁系 统有它自身独特之处，其运行工况足频繁启动与制动，启动消耗大量电能，而 反生制动时却会产生人量电能，国外统计数据表明地铁车辆反生制动产生的能 量可达地铁牵引消耗能量百分之四十六【1 1 。回收这百分之四十六的能量将具有十 分重大节能意义。 超级电容器具有效率高，寿命长，充放电流大等特点，其在地铁能量同收 系统中的应用具有非常广阔的前景。目前为止，西门子已成功地将这种系统投 入了实际应用，达到了节能百分之三十的效果，显著降低了地铁系统的电能消 耗，也减轻了城市电网的负担。但国外产：品毕竟价格昂贵，普及使用会带米沉 重经济负担，因此，有必要在借鉴国外基础上，大力开发自主产权的超级电容 能量回收系统。在上述背景和条件下，本课题研究将变得十分具有现实意义和 经济价值。 本课题丰要研究的是超级电容能量同收系统控制策略，通过仿真等手段研 究该能量回收系统对地铁电网可能产生的影响，以及能量回收系统接入与切除 的可靠性问题，使我们的能量同收系统的使用不会给现有地铁运行系统带来负 面影响。 第1 章绪论 地铁的工况为频繁启动和反生制动。每次启动时会吸收大量能量，从而造 成地铁电网电压降低，而在制动时，又会产生巨大能量，将电网电压抬升，但 地铁网压波动是有限制的，它应该在l o o o v n l 8 0 0 v 之间，超过这个范围就要引 起电网保护动作。针对制动产生的能量，传统的方法是将其消耗在电阻上，造 成了极大的浪费，而超级电容能量回收系统却可以将这部分能量回收起来，之 后在网压下降时将该能量释放出去，达到了节能与稳定网压的双重功效。 研究本课题具有比较重大的实际价值，通过对该能量回收系统的模拟仿真， 可预估能量回收系统对地铁电网产生的影响，且可仿真能量回收系统控制策略， 对实际系统开发与使用提供理论指导，同时也可对不同控制策略进行理论上的 验证。如超级电容能量回收系统能够投入到地铁实际运行，将会是地铁节能方 面的重大突破，无疑是一件利国利民的好事情。 1 2 能量回收系统国内外研究现状 根据储能方式车辆制动能量再生方法可以分为：空气储能、液压储能、飞 轮储能与电化学储能。 1 2 1 飞轮储能 飞轮储能是利用高速旋转的飞轮来存储和释放能量，其基本工作原理是： 当车辆制动或减速时，先将车辆在制动或减速过程中的动能转换为飞轮高速旋 转的动能；当车辆再次起动或加速时，高速旋转的飞轮又将存储的动能通过传 动装置转化为车辆行驶的驱动力【2 1 。其能量转换过程如图1 1 所示。 驱动轮( 轴) 菰杀竺竺竺，输入机械能 i 一一一 图1 1 飞轮式储能制动能量再生系统原理图 飞轮 图1 2 为一。种飞轮储能式制动能晕再生系统示意图。飞轮储能式制动能量再 生系统主要由发动机、高速储能飞轮、增速齿轮、离合器和驱动轮组成。发动 机用柬提供驱动车辆的丰要动力，高速储能飞轮用来同收制动能量以及作为负 第1 章绪论 荷半衡装置，为发动机提供辅助的功率以满足峰值功率要求。由于车辆具有很 大的惯性，在正常行驶时义具有很高的可逆能量动能，可用高速储能飞轮 将其回收。在起步或加速过程中释放出去，既减少了能源的浪费，又提高了车 辆的性能。 1 2 2 液压储能 图1 2 飞轮储能式制动能最再生系统示意图 液压式储能的工作原理是：先将车辆在制动或减速过程中的动能转换成液 压能，并将液压能储藏在液压蓄能器中：当车辆再次起动或加速时，储能系统 又将蓄能器中的液压能以机械能的形式反作用于车辆，以增加车辆的驱动力。 工作过程如图1 3 所示。 图1 3 液压储能式制动能量再生系统原理图 图l - 4 是利用液压储能原理设计的一种制动能量再生系统。系统由发动机、 液压泵马达、液压蓄能器、变速箱、驱动桥、离合器和液压控制系统组成。起 动、加速或爬坡时，液控离合器接合，液压蓄能器与连动变速箱连接，液压蓄 能器中的液压能通过泵马达转化为驱动车辆的动能，用来辅助发动机满足驱动 车辆所需要的峰值功率。减速时，电控元件发出信号，使系统处于蓄能状态， 将动能转换为压力能储存在液压蓄能器内，这时车辆行驶阻力增大，车速降低 直至停车。 第l 章绪论 1 2 3 电化学储能 图1 4 液压储能式制动能量再牛系统示意图 电储能的工作原理是：首先将车辆在制动或减速过程中的动能，通过发电 机转化为电能并以化学能的形式存储在储能器中；当车辆需要起动或加速时， 再将存储器中的化学能通过电动机转化为车辆行驶的动能。储能器可采用蓄电 池或超级电容，由发电机电动机实现机械能和电能之间的转化。系统还包括一 个控制单元( e c u ) ，用来控制蓄电池或超级电容的充放电状态，并保证蓄电池的 剩余电量在规定的范围内。其工作原理如图1 5 所示。 驱动轮( 轴) 电动机 发电机 图1 5 电化学式制动能量再生系统原理图 储能器 图1 6 为一种电储能式制动能量再生系统。系统工作过程为：当车辆以恒定 速度或加速度行驶时，电磁离合器脱开。当车辆制动时，行车制动系统开始工 作，车辆减速制动，电磁离合器接合，从而接通驱动轴和变速器的输出轴。这 样，车辆的动能由输出轴、离合器、驱动轴、驱动轮和被驱动轮传到发电机和 飞轮上。制动时的机械能由电机转换为电能，存入蓄电池。当离合器再分离时， 传到飞轮上的制动能，驱动发电机产牛电能存入蓄电池。在发电机和飞轮同收 能晕的i 司时产生负载作用，作为驱动轮的阻力。 4 第l 章绪论 图1 6 电化学储能式制动能量再生系统示意图 1 3 国内外研究现状 从目前发展情况看来，地铁车辆再生产生的能量主要有三种处理方法，一 种是电阻吸收的方式，例如上海地铁一号线，这种技术将地铁制动产生的能量 通过电阻转化为热能，保持了地铁网压的正常，但巨大的制动能量却被白白浪 费掉。另外一种是能量回馈方式，主要被欧洲许多国家采用，它利用逆变器回 路将列车再生制动电能由直流电转换为与系统等电压、同频率、同相位的交流 电供给变电站其它负荷。还有一种方式是能量存储的方式，它在直流母线上接 一个能量存储电源，存储列车再生制动时产生能量，这是目前国际上的研究热 点，也正是本课题的研究方向。 车辆能量存储主要是通过超级电容( s u p e r c a p a c i t o r s ) 技术和飞轮技术 ( f l y w h e e l ) 来实现，已有的能量同收系统包括s i t r a ss e s 、m i t r a ce n s a v e r 、 u 盯k e s s2 5 0 等。 超级电容凭借它自身优势，逐渐成为能量存储系统研究主流。举例来说， 西门子主推的s i t r a ss e s 超级电容能量回收系统，凭借其稳定电压和存储能量 两大工作模式，最高节约能量达白分之三十的优异性能，正在获得大量的市场 份额，目前已经成功地应用于国外1 3 条地铁线路。 在国内，地铁发展速度有目共睹，仅从上海这座城市来说，地铁线路数 第1 章绪论 量在短短几年之内就翻了倍，与此同时，地铁发展带来的能耗问题也越来越突 出。西门子等国外厂商虽已开发出能量回收系统，且获得了市场认可，但这些 系统价格昂贵，如大量采用必然给我国轨道交通发展带来沉重负担。而反观国 内，目前没有成熟的能量回收系统可供轨道交通使用，所以有必要在对国外先 进技术了解和借鉴的基础上，开发出属于自己的超级电容能量回收系统。 1 4 论文主要工作 通过了解地铁系统运行状况，研究了双向d c d c 变换器控制方法及超级电 容能量回收系统投切策略，利用m a t l a b s i m u i i n k 建模与仿真，验证控制策略 合理性与可行性，并评估该系统性能与它对地铁现有系统影响。全文内容安排 如下： 第一章主要介绍了本课题研究背景，意义以及必要性，简述了现存的几种 能量回收系统工作原理。 第二章主要介绍了地铁具体情况，包括地铁电网与地铁车辆相关情况。 第三章主要对超级电容特性和工作状况进行了讨论。 第四章主要介绍了d c d c 斩波器特性，提出了超级电容能量回收系统控制 策略。 第五章主要介绍了对地铁电网以及地铁车辆外特性的建模，还包括了对控 制接口的建模及仿真。 第六章对系统实际使用可能碰到的问题进行了讨论。 第七章总结全文，并提出今后改进的方向。 6 第2 章地铁直流牵引供电系统与卞辆研究 第2 章地铁直流牵引供电系统与车辆研究 2 1 地铁直流牵引供电系统研究 2 1 1 地铁直流牵引供电系统简介 地铁牵引供电系统主要由直流牵引变电站、馈电线、接触网( 或地面供电线) 、 走行轨及回流线等部分组成。直流牵引变电站将三相高压交流电变换成适合地 铁车辆取用的低压直流电；馈电线是将牵引变电站的直流电送到接触网上；接 触网是沿车辆走行轨架设的特殊供电线路，地铁车辆通过其受电弓与接触网直 流接触而获得电能。走行轨道构成牵引供电回路的一部分，它将轨道回流引回 牵引变电站。图2 1 说明了地铁电力牵引供电系统的各组成部分关裂3 0 1 。 、 、义义 一 l i l y 1升压变压器1 一_ 电力网 一一 升压变压器2 发电厂2 一- i9 i 一2 直流裂变电囤-固直畿裂变 回流线，人回流线一人 l 馈电缝，馈电线n 茜 直流+ 1 5 0 0 x 接触网 走行轨 图2 1 地铁电力牵引供电系统 从图2 1 中看出：牵引电流从牵引变电站流出，经由馈电线、接触网，由受 电弓供给电力机午= ，然后牵引电流沿轨道和p l 流线流网牵引变电砧，这就构成 第2 章地铁直流牵引供电系统与车辆研究 了一个闭合回路。通常将馈电线、接触网、轨道和回流线统称为牵引网。 出于课题实际需要，本文建立的牵引供电模型主要参照了上海地铁一号线 一期工程供电系统。 上海地铁一号线主要是由主变电站、牵引变电站、降压变电站、 3 3 k v 1 0 k v 3 8 0 v 电缆线路、1 5 0 0 v 直流牵引接触网和电力豁控设备组成，该系统 受电力监控设备( s c a d a ) 实时监视和控制。本章对地铁一号线牵引供电和车辆 牵引系统进行了建模和仿真，主要包括牵引变电站( 牵引变压器，整流器) 、接触 网( 包括馈电线，架空接触网和轨道回流) 、地铁车辆牵引模型。 2 1 2 地铁直流牵引供电系统供电方式 目前，国际上城市轨道交通的直流牵引供电等级繁多，主要有 i e c ( i n t e m a t i o n a le l e c t r o t e c h n i c a lc o m m i s s i o n 国际电工技术委员会) 标准巾的6 0 0 、 7 5 0 和1 5 0 0 伏；而我国最新国家标准城市轨道交通直流牵引供电系统( g b t 1 0 4 1 1 - 2 0 0 5 代替g b t1 0 4 1 l - 1 9 8 9 ) 规定为7 5 0 矛n 1 5 0 0 v 两种，其接触网电压允许 波动范围为5 0 0 v - - - 9 0 0 v 和1 0 0 0 v - - - - 1 8 0 0 v 。上海地铁工程中一律采用1 5 0 0 v 牵引 供电电压制式。 地铁外部电源供电方式有集中式、分散式和混合式三种。上海地铁一号线 采用集中供电方式，一期工程变配电系统由2 座主变电站、7 座牵引变电站、1 4 座降压变电站和相应的高、中压输电线路( 交流1 1 0 k v 、3 3 k v 、1 0 k v 和直流1 5 0 0 v ) 构成。2 座主变电站均建在地下，一座设在上海体育馆2 号门西侧，另一座设在 地铁人民广场车站西侧。2 座主变电站分别从城市电网的2 2 0 k v 长春变电站和 2 2 0 k v 人民广场地下变电站引入l1 0 k v 两路独立进线电源。主变电站采用两级降 压方式，即将1 1 0 k v 降至l j 3 3 k v 供给牵引变电站用电，并在主变电站内3 3 k v 降低 到1 0 k v 供降压变电站用电，再通过3 3 k v 和1 0 k v 电缆线路分别向各牵引变电站和 降压变电站送电。 主变电站每路进线容量为3 1 5 m v a ，采用内桥结线方式，运行灵活，确保了 地铁不i 日j 断供电。为提高供电可靠性，主电站3 3 k v 配电装置为单母线分段加母 联。每座牵引变电站设2 路3 3 k v 高压进线，一路常用，一路备用。牵引变电站3 3 k v 交流配电装置和1 5 0 0 v 直流配电装置均为单母线。每座牵引变电站设2 套整流机 组。每组容量1 5 0 0 v 、4 0 0 0 k w ，过载能力符合i e c l 4 6 v 级。根据配电设备应接 第2 章地铁直流牵引供电系统与车辆研究 近负荷中心原则，车站两端分别设降压变电站，其中l 座为受电变电站，2 路l o k v 电源取自主变电站或相邻车站的降压所，并将2 路l o k v 电源送到邻站，形成环网 供电形式。 牵引变电站将电力系统输电线路电压从三相3 3 k v 交流电降为直流1 5 0 0 v ，经 馈电线将电能送至牵引变电站左、右两边的接触网分区；接触网沿铁路上空架 设，地铁车辆升弓后便可从其取得电能，用以牵引车辆。牵引变电站至分区亭 之问的接触网( 含馈电线) 称为供电臂。为提高供电灵活性及运行的可靠性，特装 设分区亭以实现越区供电或上下行并联供电。 地铁车辆牵引供电采用直流1 5 0 0 v 架空接触网。接触网的电分段设在牵引变 电站附近。上、下行电分段设在车辆进站侧，以避免列车起动时通过电分段产 生电弧引起牵引变电站直流馈线开关跳闸。牵引变电站对接触网供电，每一供 电臂采用双边供电方式，以减少线路压降和损耗。当一座牵引变电站因故障退 出运行时，为减少电压降，应采取大双边供电方式。 走行轨是供电接触网络一部分，牵引变电站负回流电缆通过设在轨旁负回 流箱、信号扼流变压器接至走行轨。直流牵引供电系统采用j 下负极不接地“浮 空”制式，即正极用绝缘子绝缘，走行轨( 负极) 与道床绝缘。 3 3 k v 系统的功率分界点设在衡山路牵引变电站，正常运行工况下，衡山路 牵引变电站由一卜体馆主变电站的一路3 3 k v 电源供电，陕西南路牵引变电站由人 民广场主变电站的一路3 3 k v 电源供电，同时人民广场主变电站另有一路3 3 k v 电 缆经衡山路牵引变电站内断路器接入，上体馆主变电站也有一路3 3 k v 电缆经陕 西南路牵引变电站内断路器接入，在正常运行工况下这两个断路器处于断开状 态。 牵引变 电所 馈电线 分【) ( 亭 一一。 _ _ 。- 。_ 。_ _ _ _ _ _ _ _ 。_ 。一一。一j 一 牵引变+ 厂n 电所： - _ ：- - - 叫 流 轨道线 叫 流 线 图2 2 地铁供电系统结构示意图 第2 章地铁商流牵引供电系统与车辆研究 2 1 3 直流牵引变电站 直流牵引变电站的主要功能是将交流进线电压通过变压器降压，然后经过 整流器将交流电变换成直流电供车辆牵引电动机使用。为了提高直流电供电质 量，降低直流电源的脉动量，通常采用多相整流的方法，所以降压变压器不仅 起到降压的作用，还要将三相交流电变成多相交流电供整流器整流，整流变压 器与整流器合称为整流装置。本节将对这两部分分别予以介绍。 由于城市轨道交通负载属于一级负载，所以牵引变电站3 3 k v 交流高压开关 设备丰结线通常采用单母线形式，设两路交流高压进线，引入方式为“桥”接 方式。一路常用，一路备用。站内设两套整流机组，其交流电源取自上述单母 线。直流母线也采用单母线形式。两套整流机组平均并联运行，输出电流几乎 相等。 上海地铁一号线一期7 座牵引变电站主结线基本相同：受电侧电压为交流 3 3 k v ，单母线不分段，两路电源进线，互为备用，两路出线接整流变压器；两 台整流变压器均选用4 线圈变压器，容量4 4 4 0 k v a ，a y - 5 与a o 结线，电压 比为3 3 k v 2 2 5 1 2 2 k v 1 2 2 k v , 阻抗8 ，次级线圈接整流器。两组4 m w ， 额定电流1 8 0 0 a ，三相桥式整流器互联，组成1 2 脉波整流电路；直流侧1 5 0 0 v 单 母线不分段，正线6 座牵引变电站都是4 路馈线，车辆段牵引变电站是5 路馈线【3 0 】。 - 蕾 3 一 图2 3 整流器结线图 针对运行要求，结线方式作了如下设计： 1 两台整流器组的整流容量相等，采用暗备用方式：正常运行时由两台整 l o 第2 章地铁商流牵引供电系统与车辆研究 流器组并联送电，当一台故障时，另一台承担全站负荷；当两台整流器组故障 时导致全站停止供电，区问牵引用电则由该站两侧相邻的牵引变电站各担负一 半负荷。整流器选型采用两组并联的三相桥式整流器组成1 2 脉波整流电路，每 臂2 个支路，共2 4 个支路。每一支路中串联熔断器，以及时隔离故障二极管。额 定电流为1 8 0 0 a 的二极管串接额定电流为8 0 0 a 的熔断器，当一只熔断器熔断时发 报警信号，当2 只熔断器熔断时发跳闸脉冲，使整流器组断路器跳闸。在牵引变 电站整流器直流侧装有压敏电阻的阻容吸收回路，对操作过电压和大气过电压 起抑制作用，保护整流器柜内的硅二极管。 2 直流侧供电臂的方式，可以是单边供电，也可以是双边供电，均属正常 运行方式。该系统直流侧标称电压1 5 0 0 v ，接触网任何一点的短时最低电压不小 于1 0 0 0 v ，为此应对牵引供电系统阻抗和线路压降进行计算和选择；短时最高电 压不人于1 8 0 0 v ，为此应对具备再生制动功能的车辆设放电装置，车辆再生制动 时产生电能反馈给接触网，由运行中的其它车辆使用，如果反馈的电能不能被 其它车辆全部吸收使用，则由放电装置消耗。 2 1 4 直流接触网 接触网是种悬挂在轨道上方沿轨道敷设的同轨道保持一定距离的输电 网。通过地铁车辆受电弓和接触网的滑动接触，牵引电能就山接触网进入车辆 牵引电动机运行。接触网经常处于动态运行状态中，结构复杂、技术要求高， 而且没有备用，故要求接触线和列车受电弓滑板之间接触导电情况良好，并且 保持一定压力。 上海地铁一号线在地面部分采取了“全补偿简单链形接触悬挂”。架空接触 网采用耐温、抗拉强度大的双沟式银铜合金接触线，地面为简单链形悬挂，隧 道内为弹性接触悬挂。 上海地铁一号线采用简单链形悬挂，正线地面段和车辆段试车线的接触网 均采用链形悬挂，两者的区别在于试车线一i 设馈电线，仅由2 根承力索承担供电。 接触网电压变化范围为3 3 至+ 2 0 ，t i | 】d c l 0 0 0 - - 1 8 0 0 v 的变化范围。接触网系 统能承受最人不退火短路电流为4 0 0 0 0 a ，2 0 m s ；末端4 i 退火短路电流为1 5 0 0 0 a ， 6 0 m s ；最大列车起动电流为4 0 0 0 a 。其采用的材料为双沟式银铜接触线，型号为 r i s 的银铜接触线，电阻率为0 0 4 0 0 7 5q k m 。 第2 章地铁直流牵引供电系统与车辆研究 2 1 5 轨道回流 多数电力牵引轨道交通线路是以走行轨道作为回流线路的，但是轨道与大 地之间不是绝缘的，所以由钢轨回流牵引变电站的电流必有一部分经大地回流 到牵引变电站。这部分电流冈地下导电性质、地下金属管线位置不同而分布特 殊，称为地下迷流或杂散电流。车辆在走行轨上行驶时产生的电压降是杂散电 流的根源，对杂散电流防护主要采取以下措施：直流牵引供电系统采用正负极 不接地的“浮窄”制式，即正极用绝缘子绝缘，走行轨( 负极) 与道床绝缘、设纵 向杂散电流收集网、降低走行轨道电阻、缩短变电站之间距离、远离金属管道 和增设专门电保护等措施。 一号线采用走行轨回流的直流牵引供电方式，免不了会产生杂散电流( 即 迷流) 。除轨道采用绝缘扣件和垫层外，并在道床内增设迷流收集网，将迷流经 二极管引至牵引变电站负母排。所以，正线6 座牵引变电站均设置由二极管和调 节电阻器组成的排流柜，该柜属辅助设备，它在各站的安放位置不尽相同。 上海地铁一号线轨道设计准则和主要参数为：两根钢轨不接地，用作牵引 电流同路，最大同流为每根钢轨3 1 0 0 a 。最低道床电阻率为2q k m ，正线为1 q k m ，车辆段为0 9 3q k m ，钢轨阻抗为0 6 5q k m ( 5 0 h z ) ，分路灵敏度为 0 1 5q l ( m 【3 0 1 。 2 1 6 牵引供电保护装置 为可靠性计，地铁线路有着众多的保护，包括进线保护，整流器组保护， 温度保护，过压过流保护等等，由于在线路正常工作中这些保护装置都是不起 作用的，在研究初期就不作重点考虑，只要保证能量回收系统正常工作的过程 中1 i 触发这些保护即可。 2 2 地铁车辆研究 2 2 1 地铁车辆简介 牵引制式是指供电系统向电动车辆或电力机车所采用的电流和电压制式， 第2 章地铁直流牵引供电系统与乍辆研究 如直流制和交流制，即直流牵引供电和交流牵引供电。直流牵引一般采用直流 串励电动机或以串励为主、并励为辅的复励电动机作为牵引动力：交流牵引一 般采用交流三相异步电动机作为牵引动力。 对于直流传动，它的致命弱点是电动机“整流换向”，特别是在高电压大电 流时，电位条件恶化，换向变得困难，使电机工作可靠性降低；由于换向器的 存在，使电机结构复杂、维护及制造成本昂贵。而三相异步传动技术采用v v v f 控制，通过改变三相交流电压和频率值来控制异步电动机，获得最佳的调速性 能，并实现再生制动。交流异步传动最大的好处是异步电动机结构简单，极少 维护，投资少，变频系统的控制采用欠量控制，在一定条件下，矢量控制系统 相当于把非线性，强耦合的异步电动机调速系统解耦成两个独立的线性系统， 即转速控制系统和磁链控制系统。线性系统的调节器相对比较容易设计，因此 矢量控制交流调速系统的静、动态性能可和直流调速系统相媲美。 早期地铁系统中主要采用的是直流车辆，但是随着电力电子技术的发展， 国外城市轨道交通中车辆传动方式发展趋势是交流传动系统逐渐替代了直流传 动系统。国内的广州地铁已引进德国s i e m e m s 公司的交流牵引地铁车辆；上海地 铁二号、三号线也都已采用了交流牵引车辆。目前，上海地铁一号线主要采用 的电力机车大多数为i 相交流异步传动、变压变频技术、空间矢量控制交流车 辆。其结构简单、牵引性能好、运行可靠、维修方便，使得早期一直采用的直 流车辆逐步被取代。需要指出的是：由于城市轨道交通车辆功率并不是很大， 近期轨道交通虽采用交流异步牵引电动车辆，但其供电电压还是直流的( 如上海 地铁一、二号线和明珠线等) 。 由于地铁一号线上运行的车辆种类较多，既有直流车辆，也有交流车辆， 且车辆也是由多家j 家生产，故本文的地铁车辆牵引模型主要是根据地铁车辆 外特性进行的建模。这使得所建模型具有最大限度的普适性。 2 2 2 地铁车辆牵引模型 为更好地对其外特性进行建模，这里以一辆交流牵引车辆为例，对其工作 原理进行分析。电力机车上作时，受电弓从d c1 5 0 0 v 接触例获得高压直流电能， 经过卡逆变器，把高压直流电变成电压、频率可调的( v v v f ) 三相交流电，向4 台并联的交流异步牵引电动机供电。主逆变器是i 相电压型脉宽调制式逆变器， 第2 章地铁直流牵引供电系统与车辆研究 用旋转矢量原理进行控制，在结构上采用模块化集成，功率元件采用4 5 0 0 v ， 3 0 0 0 a 的g t o 元件，控制系统采用西门子公司成熟的s i b a s 3 2 微机控制系统。主 要技术参数如下。 本文以上海地铁一号线为例，它采用德国s i e m e n s 直流传动电动车组，每列 车由两组构成，每组a 、b 、c 种车辆组成。牵引电机为直流串激电动机，在牵 引工况下，额定功率为2 0 7 k w ，额定电流为3 0 2 a ，额定电压为7 5 0 v ，额定转速 为1 4 7 0 r p m ，在电阻制动工况下最大制动电流为3 6 0 a 。 车辆按其设备配置的不同分为a 车、b 车、c 车三种车型，动拖比为2 ：1 i 3 0 1 。 车辆自重：拖车3 4 t 、动车3 8 t i 额定负载3l o 人，最大负载4 1 0 人。车辆最高速度 为8 0 k m h ，起动平均加速度为0 9 m s 2 ( 六车辆编组) ，常用制动平均减速度为1 o m s 2 ，紧急制动平均减速度为1 3 m s 2 。车辆牵引电动机额定持续功率为19 0 k w ( 异 步电动机) ，辅助系统电源为三相a c3 8 0 v 及d c1 1 0 v ，传动比为6 3 8 5 。列车牵 引时速度在0 - - - 3 6 k m h 范围内为恒力矩特性，在3 6 - - 一6 0 k m h 范围内为恒功率特 性，6 0 - - - , 8 0 k m h 范围为自然特性。在电制动时，牵引电机工作在发电机状态下， 在0 8 0 k m h 范围内，均可实现恒力矩制动特性。 2 2 3 地铁车辆制动系统 制动系统采用电制动与摩擦制动协调配合的方式。在再生制动不能满足制 动要求时，由电阻制动来替代。摩擦制动采用模拟式制动机，由微处理机控制， 因此可以获得连续平滑控制，控制精度也高。 2 2 4 地铁车辆负载与谐波 地铁系统牵引负荷是移动的、大功率间歇性负荷，且其大小也随时在变化。 其某一固定电流值持续时间短，且具有负荷越人，持续时间越短的特点。变化 情况与众多因素有关，如：供电臂分区列车数量、运行工况、列车类型、重量， 此外还与运行时刻表，线路分布参数等杂散因素有关。在运输繁忙的区段，当 一个供电臂有数组列车运行时，其馈线电流在零到数千安培极宽范围内变化。 目前，地铁一号线牵引列车起动时负荷电流高达2 0 0 0 - - 一3 0 0 0 a 。当多辆列车一起 起动或采取更多列车编组时，其馈线电流可达到更高的数值。 地铁车辆经常运行在起动、调速、再生制动等不吲工况下，造成接触网电 1 4 第2 章地铁商流牵引供电系统与车辆研究 压及负荷电流变化很大，电压电流突变率和冲击特征增大，谐波含量相应增加。 另外，高速移动的电力机车通过滑动的受电弓从接触网取流，由于接触网的弹 性和线路弯度等问题，会导致受电弓频繁离线产生电弧，这也为系统输送丰富 的谐波。这就给后面的控制检测带来了较大的困难。 第3 章超级电容器组研究 3 1 超级电容简介 第3 章超级电容器组研究 超级电容器( s u p e r - c a p a c i t o r , u l t r a c a p a c i t o r ) ，又称为双电层电容器( e l e c t r i c a l d o u b l e l a y e rc a p a c i t o o 、黄金电容、法拉电容，它主要通过极化电解质来存储 能量。超级电容是一种电化学元件，但在其储能的过程并不发生化学反应。超 级电容是一种先进的高能量存储元件，目前己经在世界各国取得了广泛应用。 其基本原理为：当向电极充电时，处于理想极化电极状态的电极表面电荷将吸引 周围电解质溶液中的异性离子，使这些离子附于电极表面上形成双电荷层，构 成双电层电容。由于两电荷层的距离非常小( 一般在0 5 r a m 以下) ，再加之采用特 殊电极结构，使电极表面积成万倍的增加，从而产生极大的电容量。超级电容 器的问世实现了电容量由微法级向法拉级的飞跃，彻底改变了人们对电容器的 传统印剩引i 。 3 1 1 超级电容特点 相比蓄电池来说，超级电容器主要有以下几点优势： ( 1 ) 电容量大，超级电容器采用活性炭粉与活性炭纤维作为可极化电极， 与电解液接触的面积大大增加，根据电容量的计算公式，两极板的表面积越大， 则电容量越大。因此，一般双电层电容器容量很容易超过l f ，它的出现使普通 电容器的容量范围骤然跃升了3 至- i j 4 个数量级，目前单体超级电容器的最人电容 量可达几十万法拉。 ( 2 ) 充放电寿命很长，可达5 0 0 0 0 0 次，或9 0 0 0 0 d x 时，而蓄电池的充放电 寿命很难超过1 0 0 0 次；可提供很高放电电流，如2 7 0 0 f 的超级电容器额定放电电 流不低于9 5 0 a ，放电峰值电流可达1 6 8 0 a ，一般蓄电池通常不能有如此高的放电 电流，一些高放电电流的蓄电池在如此高的放电电流下的使用寿命将大大缩短。 ( 3 ) 充电迅速，使用便捷，超级电容可以数。l 秒到数分钟内快速充电，而 蓄电池在如此短的时间内允满电将是极危险的或是几乎不可能的。 ( 4 ) 可以在很宽的温度范围内正常工作( 4 0 痿+ 7 0 瘢) ，而蓄电池很难在高 1 6 第3 章超级电锌器组研究 温特别是低温环境下工作。 ( 5 ) 无污染，真止免维护，超级电容器用的材料是安全无毒的，而铅酸蓄 电池、镍锡蓄电池均具有毒性：而且超级电容器可以任意并联使用来增加电容 量，如果采取一定的均压措施以后，还可以串联使用。 ( 6 ) 有超强的荷电保持能力，漏电流非常小。 ( 7 ) 脉冲功率比蓄电池高近十倍。 3 1 2 超级电容主要参数 工作电压v w ：电容器能够连续长期保持的最大电压。 电流i l ：对电容器进行充电后，为使电容器在某。电压处于稳定态而从外部 施加的一个电流。 时间常数r c ：如果一个超大容量电容器能够模拟为一个电容和一。个电阻的 简单串联组合，则该电容和电阻的乘积便为时问常数。其单位为秒，相当于将 电容器恒压充电至满充容量的6 3 2 时所需的时间。 等效串联电阻：当一个电容器被模拟为包括电感、电容、电阻的等效模拟 电路时，其中的电阻部分即为等效串联电阻。等效串联电阻可以利用交流阻抗 技术或电流阶跃技术测试得到。 放电容量：电容器在放电过程中可以放出的全部容量，具体计算方法是将 放电过程巾一个瞬间的电压与电流的乘积对放电时间进行积分。 理想存贮能量：电容器存贮能量的理想值。对于一个简单的电化学电容器， 其理想存贮能量值可以通过来计算o 5 c 圪，其巾c 为电容器的容量，圪为电容 器的工作电压。 平均放电功率：平均放电电流和平均放电电压的乘积即为平均放电功率。 最大输出功率：当为电容器外接一个合适的负载时，其可以达到的最大输 出功率，计算公式为v 2 4 r ，此处v 为电容器的初始电压，而r 为电容器的等效 串联电阻。 放电效率：在一个特定的充放电循环中，电容器放出的能量占充入的能量 的百分比1 3 2 】。 第3 章超级电容器组研究 3 1 3 超级电容充放电特性 1 ) 充电特性 超级电容在充电时电压u ( t ) 以及电流i ( t ) 随时间t 的函数： 【，( f ) = 1 - e 叫脚】 i ( 0 = r 幸p 叫懈 式中：u ( f ) 超级电容端电压。 u 。充电电压。 r 充电电阻。 c 超级电容容量。 ，( f ) 流经电容的电流。 2 ) 放电特性 在不考虑超级电容自放电影响情况下，超级电容放电特性可表示成： u ( f ) = 幸p 刮船 式中：u ( f ) 超级电容端电压。 尺负载阻抗。 c 超级电容容量。 3 2 超级电容串并联研究 ( 3 1 ) ( 3 2 ) ( 3 3 ) 超级电容容量的选择并不是越大越好，在实际应用当中，还要考虑电容的 体积、重量以及成本等等因素。同时由于超级电容单体的耐压全部比较低，一 般不超过3 伏，为了满足一定得耐压等级，在实际应用中，常采用同型号的超级 电容串并联来构成超级电容组。假设所使用的超级电容组是由n 个相同的电容串 联成一条支路以后，再与m 条相同的支路并联组成的，那么超级电容组的容量为： c d 肼：竽 ( 3 4 ) 式中：c ，。，超级电容组总容量。 c 。超级电容单体容量。 1 8 第3 章超级电奔器组研究 m 并联支路数量。 单个支路串联电容数量。 等效串联内阻为： = 等 式中：r 删超级电容组的等效串联电阻。 心。单体超级电容的等效串联电阻。 工作电压为： z , o 脚= n 匕 容许电流为： l o 埘f = m 宰i 3 3 超级电容器组均压措施 ( 3 5 ) ( 3 6 ) ( 3 7 ) 超级电容的单体耐压一般都比较低，以上海奥威公司生产的超级电容为例， 这些超级电容的单体工作电压在1 5 v 9 v 之间，但是在实际应用中往往需要更高 的耐压，因此通常把许多超级电容串联在一起，以提高耐压性能。但是，串联 以后必须通过一定的均压措施，来保证每一个超级电容的工作电压不会超过其 自身的额定工作电压。否则超级电容的等效串联内阻就会增大，使用寿命会大 大减少，甚至会损坏超级电容。 在实际应用中，常采用的均压措施分为有无源均压方式和有源均压方式。 所谓无源式均压是指采用相同大小的分压电阻与每一个单体超级电容并联，从 而达到均压的目的，均压电阻的选择很重要。当要求有很小的泄漏电流时，通 常使用4 7 0k 到1 2 m 的高阻值均压电阻，可以产牛2 n s u a 的泄漏电流。当采用连 续能源时，常用4 7 n 1 0 k 的低阻值均压电阻，这种方法可以使不匹配的元件快速 达到半衡，泄漏电流一般在0 2 5 n o 5 m a 。使用燃料电池、太阳能作为连续电能 源时可使用低阻值电阻来平衡。而有源平衡方法是通过微处理器来测晕电压的 不同，再经过一定的控制措施来达到快速的平衡。有源平衡措施不会使泄漏电 流明显增加，但会比被动式均压措施成本高。 目d 玎常用的均压电路如卜： 1 9 第3 章超级电容器组研究 1 ) 开关电阻法 s w l r 1 尸扑r t ，。户一v 一，7 f p 气 l 一暑 j l c ；2 l 翻 l 叫 - 一 - 一 图3 1 开关电阻均压法 原理：每一个超级电容与一个由电阻和开关串联组成的支路并联，当电容 器的工作电压达到额定值时，开关闭合，充电电流就会从电阻和开关上旁路， 不再给电容器充电。 优缺点：这种方法较灵活，电压监控精度高，均衡效果好，可靠性高