列车再生制动方法及条件

1、精品文档8欢迎下载条件再生反馈电压必须高于直流牵引电网电压再生制动能量可被本列车的辅助设备吸收利用，也可提供相邻列车使用再生制动能量循环利用主要有储能和逆变两种方式：储能所采用的技术主要有 蓄电池储能、电容储能、飞轮储能 3种；而能量回馈所采用的技术主要是逆变至 中压网络和低压网络两类。(1)蓄电池储能蓄电池储能系统如图所示，该装置是将制动能量吸收到电池介质中， 当供电 区间有列车需要取流时，再将所储存的能量释放出去，由于蓄电池本身的特点充 放电电流小，瞬间不能大功率充放电，所以该装置体积较大电池处于频繁充放电 状态将影响其使用寿命，储能容量相对较少。m 停工l ik nm vac 100dc

2、 vi !i i iii* iiuatla;电度事匕事;* 加 0*:-量受(内需阻p，叫戚长电藁* 七ft*.身史vtx.l(*mjcnttr rm例r h&cb图4博电檀讳能我就原理示通用f口第*ki匕4(2)飞轮储能型采用飞轮储能方式的吸收装置由储能飞轮电机、igbt斩波器、直流快速断 路器、电动隔离开关、传感器和控制模块等组成。该装置直接接在变电所正负母 线间或接触网和回流轨间，其核心技术是利用核物理工业的物质分离衍生技术而 制造的飞轮，该装置设置在真空壳体内，飞轮经过特殊材料和加工工艺制成的轴 支撑在底部结构上。近几年，英国upt电力公司生产的成熟运营的飞轮储能型产品， 在香港电力

3、系统、香港巴士公司、英国、纽约部分地铁均有应用。国内北京大学某实验室有 类似的小功率产品研制，但飞轮的机械参数难以达到国外的水平， 无法在工程中 投入使用。该产品的优点：有效利用了再生制动能量，节能效益好；并可取消(或 减少)车载制动电阻，降低车辆自重，提高列车动力性能；直接接在接触网或变 电所正负直流母线间，再生电能直接在直流系统内转换， 对交流供电系统不会造 成影响。该产品的缺点：飞轮是高速转动的机械产品，对制造工艺要求很高，需 采用真空环境和特殊轴类制造技术， 成本较高。使用寿命是否能满足要求，维护 维修是否方便，另外国内无成熟技术和产品等都成为制约其推广的因素。(3)超级电容储能以已经

4、投入运行的北京地铁5号线为例简单说明超级电容储能的应用。当具有再生制动能力的车辆在变电站能量存储系统附近释放能量时，牵引网网压上升，能量存储系统的调节器可探测到这种情况， 并将牵引网系统中暂时多 余的能量存储到电容器中，使牵引网网压保持在限定范围内。若车辆在变电站能 量存储系统附近起动或加速，牵引网网压下降，此时，能量存储系统的调节器将 能量从存储系统输送回牵引网系统中， 保持牵引网网压稳定。在直流牵引网的空 载状态下，能量存储系统从牵引系统吸收一部分能量， 通过这种方式可以帮助车 辆起动。+s1a1-3i*b-*裾ifi港引电机车载储能系统图3车载超级电容储能系统结构图- 双向dc-dc 厂

5、变换器超级 电容逆变器波波器电阻牵引单元+sja2-qq1 /一 i+51al-f lx_r.+s1ahkl *s.-rlu+s3-ui+sj-fi454-j j1i i*53-fi 趋口+s5-f气小。*ss一叫图1能量存储系统图储能系统的基本工作原理如下：+s1a1-s1为隔离开关，维护设备时，可将 系统从干线牵引网隔离开来。并可使用 +s1a2q0断路器隔离系统。+s1a2qo 断路器发生故障导致短路时，熔断器 +s1f1将熔断。充电时，与+s1a2qcw路 器并联的预充电路（+s 1 a 1 f l、+s1a1-k1和+s1a1-rl和）将对间接电容器 （czk）进行“软”预充，避免充

6、电冲击电流太大损坏设备。间接电容器为一组直 流滤波电容器。牵引网产生瞬变电压时，+s3-l 1滤波电抗器将保护能量存储系统。止匕外，该电抗器将牵引网和变流单元的谐波电流有效地分隔开来。+s3-g1、+s3- g2是变流单元的2个变流器模块（图2）,每个变流器模块分别包括2 条变流器分路，共4条变流器分路对能量的总量及流向进行调节控制。+s 3-f1、 +s3- f2、+s3- f3, +s3- f4为带熔断器的手动隔离开关，+s 4l1、+s4- l2、+s-l3、+s-l4为平波电抗器。进行设备维修时将系统从牵引网隔离出来以 后，使用由+s3-v1和sar1组成的放电支路对能量存储系统进行放

7、电。+s5-e1+s8- e8为储能双层电容器。双层电容器特点：高动态充电容量，具有频 繁充放电能力，免维护，高效率，可分级控制储能容量。该系统的应用具有明显优势：能量存储系统先进、高性能的控制回路，在实 时检测到牵引网的网压波动达到设定的条件后，能够快速地启动充放电装置，对牵引网进行充、放电；而同时由于采用了能够快速进行充放电的双层电容器，整套装置能够对牵引网的电能变化做出及时反应， 从而改善牵引网供电质量，满足 车辆起动和制动需要。北京地铁 5号线的14座牵引变电所均预留安装再生电能 吸收装置，从目前4套再生电能吸收装置的运行情况来看， 在改善牵引网供电质 量、提高车辆舒适性方面，效果良好

8、，达到了设计目的。北京地铁5号线变电所的一套再生电能吸收装置设备采购费用为 51o余万元人民币，造价昂贵。因此， 在计划采用这种设备时需要考虑经济效益，对近期和长期经济效益、社会效益要 综合比较，最终确定是否可行。随着产品的大规模化生产以及电子产品的飞速发 展，类似产品的价格必将大幅下降，相信不久的将来再生电能吸收技术能在地铁 领域得到大面积应用，成为轨道交通牵引供电技术发展的方向。其次是逆变装置以及相关技术(1)逆变至中压网络的应用本方案采用如图1所示原理图。虚线框中的部分即所提出的再生制动能量 回馈系统，从主接线上看，该系统与牵引供电支路并列布置在交流中压电网和直 流牵引母线之间。系统包含

9、1台多重化变压器以及多个四象限 pwme流器模块， 整套装置与传统的二极管整流机组并列布置。系统的多重化变压器一次侧通过高 压开关柜qfac与交流中压电网相连，其低压侧每套绕组都与一个四象限变流器 模块交流侧相连，四象限变流直流侧则并联在一起后通过直流开关柜qfdc和负极柜qcdc与直流牵引母线相连。交沆中年电网qffli i岛压开关申1gbt交流器 横块口igb1 变流器/块1宜流母爱牵引变压器vd r -一太一极管| t整流器：招71c 二板管1/ 整流器图1 城轨供也系统再生制动能量回馈系统fig. 1 regenerative energy feedback system formrt

10、 power system系统检测直流母线电压，当确定有车辆制动且直流母线电压超过设置的门槛 值时，进入回馈模式。此时装置将多余的再生制动能量通过各重igbt变流器以及多重化变压器回馈到交流中压电网，此时装置内能量的流动方向是从牵引直流 母线流向交流中压电网，且交流中压电网侧的功率因数接近-1。针对目前城轨供电系统再生制动能量回馈的几个问题，该方案提出了基于多重化四象限变流器的制动能量回馈系统。仿真和样机试制表明，该系统可以在满 足电网兼容性要求的前提下实现制动能量回馈至中压电网的功能，加之所述系统与现有牵引供电系统并列连接，并与中压交流电网和直流牵引网之间相互间兼容 性好，有着较大实际意义和

11、推广价值。(2)逆变至低压压负荷网络逆变至低压网络利用再生制动能量逆变回馈装置来逆变多余的再生制动能 量，采用直流牵引网的电压作为能量控制策略依据，提出dc/ac变换器电压外环、 电流内环的svpw彼制策略；运用matlab/simlulink 搭建了一个750v直流电气 化铁路等效模型仿真平台，并通过仿真和实验验证了该控制策略的可行性和有效 性。再生制动能量逆变回馈装置能满足地铁列车再生制动能量吸收利用及稳定直 流牵引网电压要求，实现车辆再生制动能量回馈利用。图1示出再生制动能量逆变回馈装置主电路。 该系统由三相交流电源经降压 变压器降压后与二极管构成不可控整流来模拟变电所直流牵引供电系统，

12、整流器输出24脉动整流电压到直流牵引供电网，电路后端加入逆变器和电机，通过控制 电机运行的不同状态来模拟地铁运行工况，再生制动能量逆变回馈装置并联在直 流母线电压端。直交机生供电逆变器线跻参数奉明变电所a结构并罔逆变得流波器图1主电路结构图fig. 1 main circuil structure在三相静止对称坐标系数学模型中，因为并网逆变器的交流侧均为时变交 流量,所以对控制系统的设计比较复杂。为使控制系统的设计变简单，可通过坐标 变换转换到与电网基波频率同步旋转的d,q坐标系下。这样，经过坐标旋转变换后,三相对称静止坐标系中的基波正弦量将转化为同步旋转坐标系中的直流变 量。这里对电压源型逆

13、变器采用输出电流控制，在与电网电压矢量同步旋转的d,q坐标系下，应用同步矢量电流pi控制器对逆变器输出电流实施闭环控制，实 现有功和无功的解祸控制，达到逆变器输出单位功率因数并网的目的。图 2示出dc/ac空制的流程图,采用基于svpwm双环控制结构，直流牵引网的电压采用外 环控制，而内环控制逆变器输出电流。图2 dc/ac控制框图fig. 2 dc/ac control block diagram外环控制直流牵引网电压，实际直流牵引网电压叽与给定电压叽的差值作 为直流电压pi调节器的输入，其输出作为对应有功功率的d轴电流参考值ia*, 通过调节逆变器传送到电网的有功功率，使直流牵引网电压工作

14、在给定参考电 压。内环为电流控制环，在与电网电压矢量同步旋转的d,q坐标系统下，利用两个 pi调节器对逆变器输出电流的d,q轴分量进行解祸控制，pi调节器的输出分别为 ud*和uq*。根据ud*和uq*及电网电压矢量旋转角度的值，利用7段式svpwm 法即可得三相参考电压ua, ub, uc的调制波形。设置iq*=0使逆变器输出功率 因数为1。该装置的驱动电路将无桥 boost的pfcffi半桥谐振llc电路有机结合, 具有器件少，成本低，无电解电容，控制简单，输入功率因数高等优点。由上述分析可知：电容储能型或飞轮储能型再生制动能量吸收装置主要采用igbt逆变器将列车的再生制动能量吸收到大容量

15、电容器组或飞轮电机中，当供电区间内有列车起动或加速需要取流时，该装置将所储存的电能释放出去并进行再利用。该类吸收装置的电气系统主要包括储能电容器组或飞轮电机、igbt斩波器、直流快速断路器、电动隔离开关、传感器和微机控制单元等。该装置充分利用了列车再生 制动能量，节能效果好，并可减少列车制动电阻的容量。其主要缺点是要设置 体积庞大的电容器组和转动机械飞轮装置作为储能部件，因此应用实例较少。逆变回馈型再生制动能量吸收装置主要采用电力电子器件构成大功率晶闸管三相逆变器，该逆变器的直流侧与牵引变电所中的整流器直流母线相联，其交流进线接到交流电网上。当再生制动使直流电压超过规定值时， 逆变器启动并 从直流母线吸收电流，将再生直流电能逆变成工频交流电回馈至交流电网。