城市轨道交通再生制动能量回收系统研究毕业设计

量回收系统研究毕业设计目录第1章绪论 1 11.2再生制动能量回馈的意义 1 2第2章再生制动能量吸收利用技术 32.1城市轨道交通供电系统 32.2城市轨道交通再生制动能量吸收方案 4 42.2.2电阻能耗型 52.2.3电容储能型 62.2.4逆变回馈型 72.2.5三种方案比较 72.3逆变电阻混合型主从配合方案 8 9第3章混合逆变-电阻制动系统设计 3.1逆变-电阻制动系统 3.1.1逆变-电阻型控制策略 3.1.2逆变-电阻型仿真分析 3.2制动工况仿真分析 3.3再生制动的能量计算 3.3.1机车制动特性及计算步骤 3.4基于制动特性曲线的计算实例 第1章绪论现有的交通已经不堪重负，交通不便已成为制约社会经济发展的一大导致交通更加拥堵，同时造成了大气污染和噪声污染。城市轨道交通具有运量大、速度快、空间利用合理、污染少等特点，因此它受到堵问题的重要手段。展城市轨道交通的重要性，各大省会城市均已修建地铁或整改规划地铁线，而特大城市已开始发展轨道交通的网络化建设。北京、上海、1.2再生制动能量回馈的意义城市轨道交通已得到大力发展，地铁作为城市轨道交通的主要运输工具，相对干线电气化铁路而言，地铁具有站间距离短、启动制动频繁、运行速度变化相对较大等特点。一般交流传动的地铁车辆再生制动反馈能量占牵引吸收能量的，此反馈比例与车辆的特性、线征息息相关。地铁机车制动过程中产生的能量会使牵引网电压升高，若不釆取任何吸收或消耗措施，将导致牵引网压超过规定值，造他供电设备的损坏。对地铁再生电能进行回收再利用，有着重要的现实意义：首先，有助于提高电能的利用率，减少电能消耗；其次，稳定牵引网电压，提高供电可靠性；第三，可以降低地铁随道洞体和车站的温升，改善地铁站空气质量；第四，合理配置再生能量回收装置还能减少车载设备，减少车辆自重，从而降低列车能耗并减度看，研究能量的逆变并网十分必要。本文主要研究容如下：（1）分析和总结几种城市轨道交通车辆制动方案的优缺点，重点混合型再生制动能量吸收方案。（2）基于电阻制动原理，结合逆变并网电阻制动方案进行建模、仿真分析，保证列车供电系统的安全可靠经济的运行，并将制动工况的仿真分析与再生制动产生功率及电流进行粗略计算结果相比较。第2章再生制动能量吸收利用技术2.1城市轨道交通供电系统我国城市轨道交通直流牵引供电系统电压主要有DC750V、结构分为架空式和接触轨式，按悬挂方式可分为刚性、柔性接触网。结合牵引网的形式，牵引供电方式主要分为DC750V接触轨系统、DC1500V柔性架空牵引网系统、DC1500V刚性架空牵引网系统和DC1500V接触轨系统等四种基本形式。现我国轨道交通供电系统多采用DC1500V供电。电压等级适用围供电可靠性高、寿命长、维修费用低。供电距离短、牵引变电所数量多、杂散电流大、运营电能损耗大适用于中小运量轨道供电距离长、牵引适用于中大运量、变电所少、牵引网站间距长的轨道电流小、杂散电流交通系统制动能量的吸收一般沿地铁线路靠近车站的位置建设，以便于电缆线路的引入。网络，一般采用电缆线路、环网供电方式。（3）牵引供电系统专为电动车辆服务，包括牵引变电敷设的牵引网。供电，如车站和区间的动力、照明及其他为地铁服务的自动化用电设施，供配电系统包括降压变电所、低压配电系统［2]。主变电所牵引变电所接触轨触网供配电系统供配电系统走行轨动力照明图2-1地铁供电系统构成框图2.2城市轨道交通再生制动能量吸收方案为主和机械制动为辅，基本制动方案见表2-2。机械制动又称空气制动，通过间与车轮的摩擦，使其制动停止。电制动主要指控制牵引电机的转速使其由电动机状态转变为发电机状态，使动能转化为电能，再通过其他方式消耗掉。若通过电阻消耗，则称之为电阻制动。若通过逆变装置，送回牵引网或供配系统，则称之为逆变回馈再生制动。若通过电容，将其储存起来，则称之为电容储能型再生制动。引网电压抬高，若不采取电能吸收或消耗措施，会使得网压水平超出电上限值，电压过高给设备造成损害，可能引起故障从而造成系统瘫痪。制动方式制动原理常用制动电制动为主，机械制动为辅紧急制动快速制动电制动为主，机械制动为辅停放制动弹簧施加，压缩空气缓解2.2.2电阻能耗型电阻耗能是利用大功率电阻将列车再生制动产生的能量消耗并采用多相斩波器和吸收电阻配合的恒压吸收方式，根据再生制动时直流母线电压的变化状态调节斩波器的占空比，达到改变电阻消耗功率的目的，使直流电压稳定在某一设定值的围。该吸收装置的电气系统主要由三部分组成：隔离控制部分、滤波和斩波器部分、吸收电阻部分。电阻制动系统按安装地点不同可分为车载式和地面式。不论是车置国已有成熟产品，且已经在开通运营的上海地铁8号线、地铁5号线、北京机场线应用。2.2.3电容储能型常见的储能型再生制动系统有三种：飞轮储能、电池储能及超级电容储能。变发电机状态释放能量。飞轮储能其储能密度较高、易于安装，但长期高速旋转使机械摩损严重、寿命缩短。电池储能是将再生制动的电能存储在电池中，但其使用材料为化学原料，其使用寿命有限、价格较高、储能能力染等。具备储能密度高、充放电速度快，但重量较大、成本较高等特点。超多个电容器单体通过串并联方式组成［3]。2.2.4逆变回馈型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的交流电源，供地铁中的其他系统负荷使用。目前，逆变回馈型分为回馈至中压环网35kV侧和回馈至负载0.4kV侧。逆变回馈至0.4kV的技术和产品目前国有研究机构正在进行研究，且有试验装置正在进行挂网试验。逆变回馈装置的技术和产品成熟，在国外已经有在线运立等。电阻耗能装置，优点是控制方法简单、使用寿命长、价格相对较低、稳定可靠、技术经验成熟等。其缺点是浪费能源、热污染、能量综合使用率低、增加通风设备供电负担。超级电容储能装置，优点是充放电速度快、容量大、环保性强、起到节约能量的效果。缺点是控制方法复杂、价格较贵、重量大、体积大、不利于在车辆上或变电所上安装、国技术不够成熟、产品的可靠性和可维护性不够。逆变回馈装置，优点是节能效果好、环保性强、减少制动电阻容量、不需要额外的储能器件直接回馈至电网。缺点是价格较贵、控制较复杂。在欧洲、日本均有成功的应用，但造价相对较高，对系统有一定的谐波影响，但可通过选择合适的滤波器，可以合理抑制谐波水平。目前，业界普遍认为逆变回馈型再生制动能量吸收装置是该类技术的发展方向，国比较有实力的公司和研究机构，如株洲时代、许继电气等都在进行产品研发。三种再生制动方式的简单综合指标比较见表2-3。表2-3再生制动技术比较电阻耗能型电容储能型逆变回馈型能否满足地铁再对系统影响能量吸收方向国产化使用寿命可以大能量有限，需要多无国比较罕见小高能够适应逆变至35KV侧会产生一定谐波影响能够国产0.4KV逆变装置在小高2.3逆变电阻混合型主从配合方案型再生制动方案。采用此方案的优势：第一、对比纯逆变装置，减小了装置容量，从而提高了经济性。第二、加入电阻制动作为后备吸收装置，提高了系统可靠性。第三、发挥节约能源的作用。置，将吸收的电能转换成380V三相交流给地铁站用电的动力照明系时，同一时间段制动产生的能量较多，超过了逆变回馈装置或逆变能量消耗端可以消化的能量，虽然启动了逆变回馈装置，但电压依旧在升高，如果网升高至1750V时，启动制动电阻，吸收逆变回馈装置饱时，先退出电阻制动装置，若电压又继续降低至1650V时，逆变回馈装置退出。电阻制动不仅起到二次吸收能量的作用，同时为保证牵引网的可靠运行，若逆变回馈装置故障，电阻制动作为后备吸收装置将启动，以稳定网压。本章首先简介绍城市轨道交通的交通制式及地铁供电系统。针对再生制动能量利用吸收的方案的优劣性进行比较分析，提出逆变电阻混合型制动方案。第3章混合逆变-电阻制动系统设计3.1逆变-电阻制动系统3.1.1逆变-电阻型控制策略到逆变电阻制动系统的主从配合方案。车辆制动安全制动牵引网压监测信号不启动/退出逆变并网装置，监测网压N牵引网压是否大于电压设定一级值Y逆变装置并入0.4KV电网监测牵引网压是否大于电压设定二级值N不启动/退出电测网压Y启用电阻吸收装置监测网压图3-1为逆变-电阻混合型制动系统控制策略逆变装置，并入0.4KV电网系统中，电能得以吸收电压下降。若制动能量较大，超过逆变装置吸收容量，电压会继续升高。当牵引网电压升高到1750V时，启动电阻吸收装置，吸收多余的能量。当多余的能量被吸收后，电压回落判别是否低于1750V，若低于则退出电阻制动装置。当电压再次降落低至1650V时，退出逆变并网装置。同时，当收再生制动产生的电能，以保证牵引网电压水平的稳定。量其吸收容量有限，启动逆变-电阻混合型装置电压变化图如图5-2所示。图3-2启动逆变-电阻混合型制动牵引网压波形从图中可看出在2.53s附近电压超过1650V启动逆变装置，经装置并入电网中，但逆变装置容量有限，电压继续升高，2.95s时升高至1750V，启动电阻装置，经斩波器调整，电压开始下降。加入混合型吸收装置牵引网电流波形图如图3-3所示，其中2.5s-阶段。图3-3启动逆变-电阻混合型制动牵引网电流波形图（1）牵引、惰行、制动时功率变换图（2）混合型制动方案的功率波形图分析可知2.5s时启动逆变装置吸收电能，使得牵引网功率减小；3s时启动制动电阻装置吸收电能，牵引网功率进一步减小；3.5s以后机车停止。3.2制动工况仿真分析件计算容量及速度有限，在关注本文研究的重点前提下，为方便仿真计算，不妨假定启动、惰行、制动过程时间为4s设定转子磁通初始给定值为0.95Wb，机车从0.5s开始加速进入牵引阶段，1.5s加至最后开始减速进入制动阶段，3.5s车辆停止，图3-5为定子电机三相电流波形，0-0.5s时电机处于未运行阶段，始加速电机加速旋转经过几个周期控制调整，电机输出较为稳定的电流波形，可看出矢量控制性能较好；2.5s-3.5s为机车制动阶段，由于此阶段电机由电动机状态变为发电机状态，电机在降速的过程中发生反转，电流相位及幅值都会改变，由图中也可观察到。由于采用的变频调速，所以电流波形的周期会发生变化。图3-4电机转速波形图3-5定子电机三相电流波形图3-6转矩波形图3-6为转矩波形，可看出当机车处于制动状态时，电磁转矩变为负值，说明电机运行状态已发生改变。图3-7牵引网功率波形图3-7为直流牵引网功率波形图，从图中可明显看出0.5s-1.5s驶从牵引网中取流为0；2.5s-3s阶段为电机产生电能向牵引网输送电能。图3-8牵引网电压波形图3-9牵引网电流波形图3-8和3-9分别为牵引网电压、电流波形，由于机车0-0.5s空载电压为1663V，由于线路上有其他电阻的消耗，从图中可看出牵引网电压为接近1600V，与理论分析基本对应；在0.5s-1.5s阶段，机车处于牵引状态，牵引电机从电网中汲取电能，电压降低；能。3.3再生制动的能量计算机车在运行中受到较多的阻力，其中包括机械摩擦、空气摩擦以及附加阻力等，其中附加阻力的产生与坡道、曲线和隧道有关。由于时受到的阻力。机车的基本阻力主要由滑动助力、轴承助力、滚动助基本阻力可以拟合为：式中a、b、c是与车辆类型有关的经验常数：计箅再生制动功率及电流方法如下：（1）根据厂家提供的车辆数据，求得制动力曲线。制动吋间，以计算机车轮缘边的总机械能和制动时间总输入机械功率。功率和制动电流。以上海地铁某线为例，列车采用A型车，初期、近期、远期均采用6辆编组，采用4动2拖编组。其主要技术参数如下：0→36km/h的平均启动加速度≥1.0m/s20→80km/h的平均加速度≥0.6m/s2水平直线上的制动性能如下：常用制动列车由80km/h→0的平均减速度≥1.0m/s2紧急制动列车由80km/h→0的平均减速度≥1.3m/s2停放制动能使AW2载荷的列车在线路的最大坡道上制动停车5)电机效率η1:0.93电机功率因数cosΦ：0.857)列车基本阻力：2.736+0.000438V2（N/KN）9)供电电压：DC15003.4基于制动特性曲线的计算实例根据以上计算再生制动功率和电流的方法，假设机车定员情况下，机车制动时最大电制动力下的轮轨粘着系数取µ≤15%。第一步：计算制动性能特性曲线，最大电制动力F时1的速度为V1则：F1=µM=0.15×326.6=48.99（kN）设定在机车运行速度最高时，其电制动力为相同速度时的牵引力的2倍。最大速度V2=80km/h的牵引力为7.58kN，则最大速度的制动力为：F2=2×7.58=15.16（kN）自然特性区段满足：为完成制动力特性曲线的绘制，在自然特性区段V1=44.5km/h和最大速度V2=80km/h之间任意取一值V3=65km/h,根据自然区段满足：根据以上求得的制动速度和制动力，可绘制制动力曲线如图3-10所示。当机车速度减为小于5km/h时，制动力迅速减小，补入空气制动，机车安全停车。图3-10第二步：计算制动时间和制动时产生的机械能假设自然特性区段和恒转矩区段的减速度为a=-1m/s2。速度V1=12.36m/s（44.5km/hV2=22.22m/s（80km/hV4=1.39m/s（5km/h）可求自然特性区域和恒转矩区域制动时间t1、t2。机车总制动时间为