城市轨道交通再生制动能量回收系统研究毕业论文

1、华东理工大学 毕业设计（论文）题 a城市轨道交通再生制动能量7收系统研究学专年学姓院 华东理工大学业电气自动化级 2016号26140118名导师定稿日期：2016年11月12日摘要城市轨道交通作为一种运量大、速度快、污染少、舒适性好的交 通工具，很有力的缓解大中型城市乘车难、环境污染及交通拥堵等难 题。近年来我国着力发展城市轻轨和地铁，本文主要以地铁作为研宄 对象。城市轨道交通站间距离短、运行密度高，机车频繁制动吋产生 相当可观的再生能量，将产生的能量得以利用，不仅节约能源、保护 环境同时降低电压利于机车安全运行。再生制动产生的能量得以利用 是本文研究的重点，提出逆变电阻混合型再生制动能量吸

2、收方案。本 课题以建立地铁再生制动及能量吸收仿真平台为目的，利用仿真软件 建立机车运行制动模型及混合型能景吸收模型。首先，分析和总结几 种城市轨道交通车辆制动方案的优缺点，重点研宄馈能型再生制动方 案的基本原理及主要技术问题，提出逆变电阻混合型再生制动能量吸 收方案。然后基于电阻制动原理，结合逆变并网电阻制动方案进行建 模、仿真分析，并对再生制动产生功率及电流进行粗略的计算。关键词：再生制动；逆变并网；电阻制动abstractas a large capacity, fast speed, less pollution and comfortable transportation, urban

3、 rail transit effectively alleviate the transportation pressure of the large and medium-sized city, environmental pollution and traffic congestion . in recent years, china began to develop the light rail transit and subway. the subway stations has shorter distance and locomotive has haig density run

4、ning. during locomotive frequently braking, it produced considerable regeneration energy. reasonable utilization of the regeneration energy not only save energy，protect environment but also reduce the regeneration energy not only save energy， protect environment but also reduce the voltage grade for

5、 the locomotives safety operation. this paper is the focus on utilization of the regeneration energy，and the inverter-resistance hybrid method is propose. this topic is purposed to build metreo regenerative braking and inverter-resistance hybrid energy absorption model by simulationsoftware.firstly,

6、 the urban rail transit power supply system has been introduced. several vehicle braking scheme has been summarized and analyzed for their advantages and disadvantages. the inverter-resistance hybrid of regenerative braking energy absorption solution has been purposed.secondly，combined with inver an

7、d resistance braking scheme, the model was built analyze and the power and current ofregenerative braking was computd.key word: regenerative braking; inverter; resistance brakem 1胃¥ i仑51.1城市轨道交通的发展21.2再生制动能量回馈的意义21.3本文的主要内容3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42.2城市轨道交通再生制动能量吸收方案52.2. 1车辆制动方式52.2.2电阻

8、能耗型62.2.3电容储能型72. 2. 4逆变回馈型82.2.5三种方案比较82.3逆变电阻混合型主从配合方案92.4本章小结10第3章混合逆变-电阻制动系统设计103.1逆变-电阻制动系统113.1.1逆变-电阻型控制策略113.1.2逆变-电阻型仿真分析123. 2制动工况仿真分析143. 3再生制动的能量计算173. 3.1机车制动特性及计算步骤173.4基于制动特性曲线的计算实例193.5本章小结22麵2223第1章绪论1.1城市轨道交通的发展随着社会经济的高速发展，城市人口密集度和流动度口益增加， 现有的交通已经不堪重负，交通不便己成为制约社会经济发展的一大 因素，同时造成大中城市

9、居民出行难坐车难的现象。机动车辆的增长, 导致交通更加拥堵，同时造成y大气污染和噪声污染。城市轨道交通 具存运量大、速度快、空间利用合理、污染少等特点，因此它受到 世界各国的青睐。大力发展城市轨道交通己成为各国解决城市交通拥 堵问题的重要手段。我国城市轨道交通发展比较滞后，近年来国家己充分认识到发 展城市轨道交通的重要性，各大省会城市均己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、 广州、等城市己有多条轨道交通线路幵通运行。同时青岛、昆明、兰 州、济南、合肥等城市已经开展城轨交通的建设工作。至2016年， 国内城轨线路将拥有89条，超过2500公里的运营里

10、程1。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.乍辆的特性、线路特 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，造成其 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，右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 站内的温升，

11、改善地铁站内空气质量；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 轻电网负担，提高车辆行驶的安全性和使用的经济性从节约能源的角 度看，研宄能量的逆变并网十分必要。1.3本文的主要内容本文主要研究内容如下：(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 讨论馈能型再生制动方案的基本原理及主要技术问题，提出逆变电阻 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

12、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、 dc1500v两种电压等级，牵引供电制式比较分析见表2-1。接触网按 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。表2-1牵引供电制式比较电压等级特点适用范围允许电压波动范 围dc750v供电可靠性高、寿命 氏、维修费用低。供 电距离短、牵引变电 所数量多、杂散

13、电流 大、运营电能损耗大适用于屮小运:w:轨道 交通系统500v-900vdc1500v供电距离长、牵引 变电所少、牵引网 电流小、杂散电流 小、利于车辆再-生 制动能量的吸收适用于中大运量、站间距长的轨道 交通系统1000v-1800v城市轨道交通供电系统，地铁供电系统构成框图如图2-1所示,主要由以下几部分构成：(1)主变电所为地铁建设的专用变电所，只有采用集中式供电 方式吋才设置，专为地铁牵引供电系统和供配电系统供电。主变电所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。(2)中压网络联系主变电所、牵引变电所、降压变电所的供电网络，一般采用电缆线路、环网供电方式。(3) 牵引供

14、电系统专为电动车辆服务，包括牵引变电所、沿线 敷设的牵引网。(4) 供配电系统专为地铁除电动车辆以外的所有动力照明负荷 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。1牵引供电糸统1供配电系统地铁电_供 源电系统主变电所牵引变电所1牵引网 -降压变电所1动力照明接触轨架空接 触网走行轨图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2.2.1车辆制动方式随着地铁列车交流传动技术的推进，车辆制动模式主要以电制动 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

15、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。当机车制动时，牵引电机由电动机状态变为发电机状态，引起牵 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。表2-2车辆的基本制动方案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机械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，压缩空气缓解机械

16、制动控制计算机数字指令，模拟气控制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 以热量的形式消散于空气中。电阻耗能型再生制动能量吸收装置主要 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lii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范围内。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 载式还是地面式，再生制动产生的能量都要以热量的形式散耗。该装 置国内己有成熟产品，且己经在开通运营的上海地铁8号

17、线、广州地 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。飞轮储能是将能量存储在电动机转子中，当需要能量时，电动机 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熏、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、储能能力有限及对环境造成污 染等。随着电力电子技术的发展，超级电容技术日益成熟，超级电容器 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 级电容组通过双向变换器与牵引供电立流电网相连，超级电容组是由多个电容器单

18、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 功率晶闹管三相逆变器，该逆变器的直流侧与牵引变电所中的直流母 线相联，将再生制动能量通过逆变装置逆变为与系统等电压、同相位 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内有研究机构正在进行研宄，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，在国外己经有在线 运营的工程实例。h前比较成熟的产品供货商主要右西门子、abb、 曰立等。2.2.5三种方案比较电阻耗能装置，

19、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、国内技术不够成熟、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、口本均有成功的应用，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

20、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，国内比较有实力的公司和研宄机构，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 生能量负荷特性 节能效果 对系统影响差无s联 量并好 能套较无需要多能量吸收方向 国产化工程应用经验无能量冋馈可以比较多使用寿命 环境影响 成本年高 20大较直流电网 需要进门 国内比较罕见10年小高能够较好逆变至35kv侧会 产生一定谐波影 响交流电网 能够国产0. 4kv逆变装置在 天津地铁试运行 10年以上 小高2.3逆变电阻混合型主

21、从配合方案基于电阻制动和逆变回馈制动的优缺点，本文采用逆变-电阻混合 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。当地铁处于再生制动运行状态时，牵引网电压升高，混合型能量吸收装置设置两个启动值，当电压升高到1650v时，启动逆变回馈装 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 统供电，牵引网电压降低维持在电压允许的范围内。当地铁行车密度 较小时，同一时间段内制动产生的能量较多，超过了逆变回馈装置或 逆变能景消耗端可以消化的能量，虽然启动y逆变回

22、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 装置饱和后多余的能量，从而保证了，牵引网的安全运行。当电压小 于1750v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。2.4本章小结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

23、图5-1为逆变-电阻混合型制动系统控制策略，本文第2. 3节己提 到逆变电阻制动系统的主从配合方案。车辆制动丄能量吸收结束，牵引网压监测图3-1为逆变-电阻混合型制动系统控制策略当车辆制动时，电压监测设备检测牵引网电压高于1650v时，启动逆变装置，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 检测逆变装置设备发生故障时，电阻制

24、动作为后备吸收装置启动，吸 收再生制动产生的电能，以保证牵引网电压水平的稳定。3.1.2逆变-电阻型仿真分析多辆机车同时制动时，产生较多的电能，仅使用逆变装置吸收能景其吸收容量有限，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-3. 5s为制动阶段。3-3启动逆变-电阻混合型制动牵引网电流波形0.51.54 2 0-2(mn)d<ss

25、:l£i«-时间t（s）2.53时间t(s)354图（1）牵引、惰行、制动时功率变换1 o.1-2-3-4-5图（2）混合型制动方案的功率波形图 图（1）、图（2）为混合型制动牵引网功率变化波形图，从图中分析可知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制动工况仿真分析实际中机车启动、惰行、制动过程需经历十几分钟，由于仿真软 件计算容量及速度存限，在关注本文研究的秉点前提下，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.

26、5s开始加速进入牵引阶段，1.5s加至最 大行车速度80km/h电机角速度为150rad/s，之后进入惰性阶段，2. 5s 后开始减速进入制动阶段，3. 5s车辆停止，图3-4为电机转速波形。 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， 故电流波形是非正弦的；0.5s-2.5s为机车的牵引阶段，0.5s机车幵 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

27、速，所以电流波形的周期会发生变化。1601401201008060402000.511.522.533.54t(s)(s/p2) 3赵街狂+恕图3-4电机转速波形2 2 11 1-1iiiiiiiiii|1111iii00.511.522533.54时间t (s>图3-5定子电机三相电流波形图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，说明电机运行状态己发生改变。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 为机车牵引阶段向牵引网取流；1.5s-2.5s为惰行阶段，依靠惯性行 驶从牵引网中取流为0; 2.5s-3s阶段为电

28、机产生电能向牵引网输送 电能。00.511.522533.54时间t图3-8牵引网电压波形(voplthtllr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处于未运转阶段，此时整流变电站空载运行，据分析可知整流变压器 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，与理论分析基木对应；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；1. 5s-2. 5s为惰行阶段，电压升高恢复至1620v;在2. 5s_3. 5s的制动阶段，此时电机要开始向牵引网输送电能，右时会超过电压规

29、定范 围乃至达到1800v,此时需要电能吸收装置的加入，以稳定电压吸收 电能。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 阻力与很多方面相关，这里只考虑基本阻力的情况，即平直道上运行 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 力、振动助力及空气助力等+5，简化基本阻力的计算方法，机车的 基本阻力可以拟合为：尸=(a+bv+cv2) g(a)(3-1)式中a、b、c是与车辆类型有关的经验常数 m一机7t的乍辆总重(t)v 机车运行速度(km/h

30、)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。（2）根据制动力曲线中的自然特性区段、恒转矩区段得出各区段 制动吋间，以计算机车轮缘边的总机械能和制动时间内总输入机械功 率。（3）根据得到的机械功率和提供的齿轮转化率，可得到车辆电机 输出有功功率值，进而求出逆变器功率，最后可求出送入牵引网的电 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：1）构造速度：90km/h2）最大运行速度：80 km/h3）列车在aw2 （定员）载荷，车轮半磨耗，标称电压水平直线上的 牵引性能入下：0 36

31、km/h的平均启动加速度彡1.0m/s20 -> 80km/h的平均加速度彡0. 6m/s24）列车在空载（aw0）、有座（aw1）、定员（aw2）、极限载重载荷 （aw3）,水平直线上的制动性能如下：常用制动列车巾80km/h->0的平均减速度彡1.0m/s2 紧急制动列车由80km/h->0的平均减速度彡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nl:0.93 电机功率因数cos：0.856）逆变器效率r（2：0.98齿轮传动效率r|3:0.9757）列车基本阻力：2. 736+0. 000438v2 （n/kn）8) 列车定员总重

32、m: 326. 6t9) 供电电压：dc150010) 列车辅助用电功率s: 450kva/train3.4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15%o第一步：计算制动性能特性曲线，最大电制动力fi时的速度为 vi则：匕=剛二0. 15x326. 6二48. 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. 58 kn，则最大速度的 制动力为：f2=2 x 7. 58=15. 16 (kn)自然特性区段满足：fi vi2= f2 v2

33、2vi=am v2=j- x80=44. 5 (km/h)vf1 v 48.99为完成制动力特性曲线的绘制，在自然特性区段vf44. 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：f3 v32= f2 v22f3二 f2 ( ) 2二22. 96 (kn)v3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=-lm/s2。速度vi=12. 36 m/s (44. 5km/h ) ,

34、 v2=22. 22m/s ( 80km/h ) , v4=l. 39m/s(5km/h)可求自然特性区域和恒转矩区域制动时问t，、t2。6= l= 222 -1236 =9.86a1t2: xu 12.36-139 二 10.97a1机车总制动时间为：t= ti+tz二 20. 83自然特性区段中(12. 36m/s至22. 22m/s)产生的机械能和功率:c】二 f2v22二 15. 16 x 22. 22z二7484. 92 (knw)civ?2 ln翌=4390.11(m a v3-122.22pf-7484,92 =605.58 (kw)12.36恒转矩区段中(1.39m/s至15.88m/s)产生机械能和功率：c2= fi=48. 99(kn)w2= (v?- vi2) =22. (1.392- 12. 362) =5154. 18(7)2a- 2p2= c2 vi=48. 99x12. 36=605. 52