城市軌道交通車輛再生制動(dòng)能量吸收系統(tǒng)分析

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1、城市軌道交通車輛再生制動(dòng)能 量吸收系統(tǒng)分析 城市軌道交通車輛再生制動(dòng)能量吸收系統(tǒng)分析 趙深，徐卓農(nóng) 中南林業(yè)科技大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院長沙 410004 E-mail: 摘 要：主要探討了超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng) 能量管理系統(tǒng)的控制方法。首先對(duì)超級(jí) 電容儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行分析；然后在根據(jù)超 級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，給出了超 級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電控制方法，提出 了一種超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)能量管理的控 制策略；最后，利用simulink仿真平臺(tái), 模擬了電網(wǎng)網(wǎng)壓變化，對(duì)超級(jí)電容儲(chǔ)能 系統(tǒng)進(jìn)行仿真，驗(yàn)證了能量管理系統(tǒng)功 能的有效性，為實(shí)際工程提供了理論指 導(dǎo)和依據(jù)。 關(guān)鍵詞：超級(jí)電容 再

2、生制動(dòng)能量 能量 管理 Regenerating Energy Storage System for Urban Railway Vehicle Analysis ZhaoShen, Xu Zhuonong School of Information Science & Engineering, Central South University, Changsha 410004, Hunan Province, China Abstract: A control method of ultra-capacitor energy storage system energy

3、 management system is discussed in this paper. First, analysis of ultra-capacitor energy storage system structure; then a mathematical model based on ultra-capacitor energy storage system, given the control method of ultra-capacitor energy storage system charging-discharging. Proposed a control stra

4、tegy for ultra-capacitor energy storage system energy management. Finally, simulating the pressure changes of network on the simulink simulation platform. The super capacitor energy storage system simulation to verify the effectiveness of energy management system functions. This paper provides a th

5、eoretical basis for the practical guidance and engineering. Key Words: Ultra-Capacitor , Regenerating energy, Energy management i.引言 在全球倡導(dǎo)節(jié)約能源、保護(hù)環(huán)境的今天，軌道 交通節(jié)能、環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)越來越受到人們的重視，大 力發(fā)展城市軌道交通已成為世界各國的共識(shí)。城市 軌道交通由于其運(yùn)輸量大，啟、制動(dòng)頻繁，采用再 生制動(dòng)方式的電制動(dòng)，進(jìn)一步降低了列車的運(yùn)行能 耗，使軌道交通在節(jié)能運(yùn)行方面的優(yōu)勢(shì)更加突出。 同時(shí)，使用再生制動(dòng)方式，列車產(chǎn)生的再生能量全 部回

6、饋到直流母線并供給同一供電區(qū)間內(nèi)的其他車 輛使用，節(jié)能的同時(shí)，也進(jìn)一步降低了車輛運(yùn)行的 維護(hù)工作量，提高了車輛的運(yùn)行可靠性⑴。 再生制動(dòng)能量吸收裝置主要由電阻耗能型、電 容儲(chǔ)能型、飛輪儲(chǔ)能型、逆變回饋型等幾種方案⑵。 超級(jí)電容具有充放電速度快、功率密度高、工作溫 度范圍寬、環(huán)保無污染、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，非常 適合應(yīng)用于城市軌道列車再生制動(dòng)能量的吸收裝置 中。 2 .超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng) 本文以城市軌道交通再生制動(dòng)地面式超級(jí)電容儲(chǔ) 能系統(tǒng)(Super Capacitor Energy Storage System) 為研究對(duì)象。其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示⑶。主要由兩部 分組成：一是超級(jí)電

7、容器組，存儲(chǔ)電能；二是能量 變換裝置雙向 奉川交電航 DC-DC變換器。 I | |交流電四 列爾 圖1地面式超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 2.1 超級(jí)電容器組 超級(jí)電容器實(shí)質(zhì)上具有一種復(fù)雜的電阻電容網(wǎng)絡(luò) 結(jié)構(gòu)，是很多單體超級(jí)電容通過串、并聯(lián)組合成的。 在做儲(chǔ)能器件時(shí)，超級(jí)電容器的工作狀態(tài)以比較頻 繁的充放電為主，可以簡化其中的超級(jí)電容為一個(gè) 等效串聯(lián)電阻扁和一個(gè)理想電容Co構(gòu)成。假設(shè)超級(jí) 電容器由n個(gè)特性一致的電容Co串聯(lián)成一條支路， 再由m條相同的支路并聯(lián)組成，則超級(jí)電容組的容 量為 C = (Co X m)/n (1) 等效內(nèi)阻為 r = (Ro X n)/m (2)

8、 這種RC等效模型簡單,且能夠較準(zhǔn)確地反應(yīng)出超級(jí) 電容器在充放電過程中的外在電氣特性，便于解析 分析和數(shù)值計(jì)算。 如果放電過程中，超級(jí)電容器組的電壓從Ui變換 至4,可得超級(jí)電容器組釋放能量為 E= 久+ U分 (3) 在已知列車牽引、制動(dòng)能量，直流電網(wǎng)電壓和超 級(jí)電容單體參數(shù)，然后由式(1)⑵⑶確定超級(jí)電容器 組中串并聯(lián)電容個(gè)數(shù)，并聯(lián)支路數(shù)，以及額定電壓、 電流等詳細(xì)參數(shù)。 2.2 雙向DCDC變換器 雙向DC DC變換器實(shí)現(xiàn)的功能相當(dāng)于boost-buck 變換器，變換器兩端電壓不變，但電流方向改變, 實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換。雙向DC-DC變換器分為隔離式和非 隔離式，非隔離式器件少、

9、控制簡單，廣泛用于飛 輪儲(chǔ)能、風(fēng)力發(fā)電等直流母線電壓變化范圍大，需 要進(jìn)行直流轉(zhuǎn)換處理的中小功率應(yīng)用場合o 在超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)中，通常選擇非隔離式，見 圖2。主要工作在3個(gè)工作狀態(tài)：列車制動(dòng)時(shí)，網(wǎng)壓 上升，變換器等效為降壓斬波器，把電網(wǎng)多余能量 傳遞給超級(jí)電容器組；列車惰性時(shí)，變換器不工作, 處于備用狀態(tài)；列車牽引時(shí)，網(wǎng)壓下降，變換器等 效為升壓斬波器，超級(jí)電容器將存儲(chǔ)的能量反饋給 列車，輔助列車啟動(dòng)。通過以上三個(gè)狀態(tài)的輪替, 即實(shí)現(xiàn)了能量的循環(huán)利用，同時(shí)，是直流電網(wǎng)電壓 避免了大范圍波動(dòng)，改善用電質(zhì)量。 L。= 4mH Ci = 0.01F 加=2.5mH R = 0.013511

10、 Csc = 44.444F U。= 1600V Re = 0.0511 = 0；%=usc Tl=l 時(shí) "~dt = — i°Re — T2時(shí) di0 LO = Uq — i（）Re - % 久任=1° diL ^ ^1777 - TlR - usc at 「 d猶sc ^ Csc~dT = lL 3 .儲(chǔ)能系統(tǒng)控制策略 直流電網(wǎng)電壓隨列車運(yùn)行狀態(tài)的改變而變化，若 列車運(yùn)行模式為牽引?惰行.制動(dòng)，則直流電網(wǎng)電壓降 低恒定上升，為了維持其恒定，選取為為控制變量, 圖3為雙向DC-DC變換器的控制框圖⑷。雙向 DC-DC變換器

11、是二階電路，有兩個(gè)狀態(tài)變量…■電 容電壓和電感電流。根據(jù)最優(yōu)控制理論，實(shí)現(xiàn)全狀態(tài) 反饋的系統(tǒng)是最優(yōu)控制系統(tǒng)。因此，兩種反饋信號(hào) 的雙閉環(huán)控制是符合最優(yōu)控制規(guī)律的?？刂葡到y(tǒng)采 用電壓、電流雙閉環(huán)串級(jí)控制結(jié)構(gòu)，外環(huán)是電壓環(huán), 內(nèi)環(huán)是電流環(huán)。對(duì)于電壓環(huán)，當(dāng)系統(tǒng)受到某種擾動(dòng), 無論是電壓變化還是其他擾動(dòng)，都必須反映到輸出 端，使輸出電壓變化后，電壓環(huán)才起作用，調(diào)節(jié)滯 后，但卻保證了電網(wǎng)電壓在規(guī)定范圍內(nèi)波動(dòng)。電流 環(huán)動(dòng)態(tài)特性好，響應(yīng)速度快，可有效地消除由電容, 電感等元件引起的擾動(dòng)。 圖3雙向DC-DC變換器控制框圖 列車的運(yùn)行狀態(tài)由牽引、制動(dòng)特性曲線唯一決定, 列車的運(yùn)行速度與電機(jī)電流

12、、電壓一一對(duì)應(yīng)，通過 列車速度即可確定直流電網(wǎng)電壓參考值小。控制原 理是電壓給定埸與電壓反饋3進(jìn)行比較，得到的電 壓誤差A(yù)U。經(jīng)電壓調(diào)節(jié)器輸出作為電流給定空，II 與電流反饋〃進(jìn)行比較，得到的電流誤差A(yù)/l經(jīng)電 流調(diào)節(jié)器，通過PWM控制得到驅(qū)動(dòng)雙向DCDC變 換器IGBT的占空比。 4 .仿真結(jié)果分析 本文將以廣州地鐵4號(hào)線參數(shù)為例，探討如何利用 吸收站式超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)合理利用再生制動(dòng)能 量，改善直流電網(wǎng)電壓。廣州4號(hào)線參數(shù)⑸：列車編 組為4M( A?B?B?A),載荷條件為AW2載荷：170?34 t;回轉(zhuǎn)質(zhì)量系數(shù)為35%；輔助設(shè)備消耗為44?55kW； 列車基本阻力為20.286+

13、0.3822V + 0. 002058v2( N/ t)；坡道附加阻力為mxg x i (i為坡度)；列車運(yùn) 行模式為牽引惰行制動(dòng)；線路阻抗為0.0288/km；【 流阻抗為0.01678/kmo 假定列車從變電所駛出，超級(jí)電容的初始電壓為 600 V,當(dāng)線網(wǎng)電壓低于1450V時(shí)，儲(chǔ)能裝置釋放能 量；在惰行期間，停止工作，處于備用保持狀態(tài)； 列車制動(dòng),線網(wǎng)電壓高于1640 V,超級(jí)電容儲(chǔ)存能量, 但由于容量有限;若電網(wǎng)電壓繼續(xù)上升,高于1650 V, 地面制動(dòng)電阻則投入使用。首先，對(duì)4號(hào)線的實(shí)際情 況仿真，即無超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)。圖4為電網(wǎng)電壓(未 加入超級(jí)電容)。牽引時(shí)，電壓降低，最低

14、電壓為1160 V；制動(dòng)時(shí)，再生能量由地面電阻將再生能量轉(zhuǎn)化為 熱能消耗掉，電網(wǎng)電壓被穩(wěn)定在1650 V。 1KIXI — IMM) — 16(X1 — 160(1一 511400 — 1200 — IO 2n 30 7> SO t/s |11 2(1 30 40 $<1 6» t/s 圖4電網(wǎng)電壓變化（未加入超級(jí)電容飾能系統(tǒng)） 圖5電網(wǎng)電壓變化（加入超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)） 在現(xiàn)有裝置基礎(chǔ)上，加入超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置后的 電網(wǎng)電壓的波形如圖5所示，最低電壓為1300V,制 動(dòng)時(shí)，再生能量首先由超級(jí)電容吸收，當(dāng)達(dá)到額定 值時(shí)，則由地面電阻消耗，受電弓電

15、壓同樣被穩(wěn)定 在1650 V上下，但相當(dāng)一部分能量已轉(zhuǎn)化為磁場能量 存儲(chǔ)在超級(jí)電容中。 對(duì)有、無超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置的直流電網(wǎng)最低電壓 進(jìn)行對(duì)比，可以看出，電壓上升了 140 V,這將很大 程度改善電機(jī)的啟動(dòng)性能。另外，在加入超級(jí)電容儲(chǔ) 能裝置后，變電所提供的能量是實(shí)際系統(tǒng)的87%,這 不僅實(shí)現(xiàn)了能量的循環(huán)利用，同時(shí)可以降低地面制 動(dòng)電阻的額定功率及通風(fēng)，散熱額定容量。 5 .結(jié)語 本文對(duì)城市軌道交通中再生制動(dòng)能量吸收系統(tǒng)進(jìn) 行了研究。分析并設(shè)計(jì)了地面式超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置, 最后針對(duì)儲(chǔ)能模式進(jìn)行了建模與仿真，定性分析仿 真結(jié)果，驗(yàn)證了系統(tǒng)功能的有效性，對(duì)實(shí)際中的問 題有一定的指導(dǎo)和借鑒意義。

16、 參考文獻(xiàn) [1]張文麗，李群湛，等.地鐵列車再生制動(dòng)節(jié)能仿真 研究[J].變流技術(shù)與電力牽引,2008(3)41.44. [2] SoneS , Ashiya M. An Innovative Traction System from the View point of Braking[C] Mlnternational Conference on Development of Mass Transit Systems, IEE 1998, 453: 36 ?4L [3]劉偉.基于超級(jí)電容的地鐵再生制動(dòng)能量存儲(chǔ) 利用研究[D] .西南交通大學(xué)碩士學(xué)位論文,2011. [4] Nomura M, Tadano Y, Yamada T?etal. Performance of Inverter with Electrical Double Layer Capacitor for Vector Controlled Induction Motor Drives [C] M Industry Applications Conf-erence, 2005, 2: 1073-1080. [5]單雷，楊中平,鄭瓊林.直線電機(jī)軌道交通系統(tǒng)的 地面電阻制動(dòng)仿真[J] .都市快軌交通,2006, 19(4):40- 43.