量回收系統(tǒng)研究畢業(yè)設(shè)計(jì)目錄第1章緒論 1 11.2再生制動(dòng)能量回饋的意義 1 2第2章再生制動(dòng)能量吸收利用技術(shù) 32.1城市軌道交通供電系統(tǒng) 32.2城市軌道交通再生制動(dòng)能量吸收方案 4 42.2.2電阻能耗型 52.2.3電容儲(chǔ)能型 62.2.4逆變回饋型 72.2.5三種方案比較 72.3逆變電阻混合型主從配合方案 8 9第3章混合逆變-電阻制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì) 3.1逆變-電阻制動(dòng)系統(tǒng) 3.1.1逆變-電阻型控制策略 3.1.2逆變-電阻型仿真分析 3.2制動(dòng)工況仿真分析 3.3再生制動(dòng)的能量計(jì)算 3.3.1機(jī)車制動(dòng)特性及計(jì)算步驟 3.4基于制動(dòng)特性曲線的計(jì)算實(shí)例 第1章緒論現(xiàn)有的交通已經(jīng)不堪重負(fù)，交通不便已成為制約社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的一大導(dǎo)致交通更加擁堵，同時(shí)造成了大氣污染和噪聲污染。城市軌道交通具有運(yùn)量大、速度快、空間利用合理、污染少等特點(diǎn)，因此它受到堵問題的重要手段。展城市軌道交通的重要性，各大省會(huì)城市均已修建地鐵或整改規(guī)劃地鐵線，而特大城市已開始發(fā)展軌道交通的網(wǎng)絡(luò)化建設(shè)。北京、上海、1.2再生制動(dòng)能量回饋的意義城市軌道交通已得到大力發(fā)展，地鐵作為城市軌道交通的主要運(yùn)輸工具，相對(duì)干線電氣化鐵路而言，地鐵具有站間距離短、啟動(dòng)制動(dòng)頻繁、運(yùn)行速度變化相對(duì)較大等特點(diǎn)。一般交流傳動(dòng)的地鐵車輛再生制動(dòng)反饋能量占牽引吸收能量的，此反饋比例與車輛的特性、線征息息相關(guān)。地鐵機(jī)車制動(dòng)過程中產(chǎn)生的能量會(huì)使?fàn)恳W(wǎng)電壓升高，若不釆取任何吸收或消耗措施，將導(dǎo)致牽引網(wǎng)壓超過規(guī)定值，造他供電設(shè)備的損壞。對(duì)地鐵再生電能進(jìn)行回收再利用，有著重要的現(xiàn)實(shí)意義：首先，有助于提高電能的利用率，減少電能消耗；其次，穩(wěn)定牽引網(wǎng)電壓，提高供電可靠性；第三，可以降低地鐵隨道洞體和車站的溫升，改善地鐵站空氣質(zhì)量；第四，合理配置再生能量回收裝置還能減少車載設(shè)備，減少車輛自重，從而降低列車能耗并減度看，研究能量的逆變并網(wǎng)十分必要。本文主要研究容如下：（1）分析和總結(jié)幾種城市軌道交通車輛制動(dòng)方案的優(yōu)缺點(diǎn)，重點(diǎn)混合型再生制動(dòng)能量吸收方案。（2）基于電阻制動(dòng)原理，結(jié)合逆變并網(wǎng)電阻制動(dòng)方案進(jìn)行建模、仿真分析，保證列車供電系統(tǒng)的安全可靠經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行，并將制動(dòng)工況的仿真分析與再生制動(dòng)產(chǎn)生功率及電流進(jìn)行粗略計(jì)算結(jié)果相比較。第2章再生制動(dòng)能量吸收利用技術(shù)2.1城市軌道交通供電系統(tǒng)我國(guó)城市軌道交通直流牽引供電系統(tǒng)電壓主要有DC750V、結(jié)構(gòu)分為架空式和接觸軌式，按懸掛方式可分為剛性、柔性接觸網(wǎng)。結(jié)合牽引網(wǎng)的形式，牽引供電方式主要分為DC750V接觸軌系統(tǒng)、DC1500V柔性架空牽引網(wǎng)系統(tǒng)、DC1500V剛性架空牽引網(wǎng)系統(tǒng)和DC1500V接觸軌系統(tǒng)等四種基本形式?，F(xiàn)我國(guó)軌道交通供電系統(tǒng)多采用DC1500V供電。電壓等級(jí)適用圍供電可靠性高、壽命長(zhǎng)、維修費(fèi)用低。供電距離短、牽引變電所數(shù)量多、雜散電流大、運(yùn)營(yíng)電能損耗大適用于中小運(yùn)量軌道供電距離長(zhǎng)、牽引適用于中大運(yùn)量、變電所少、牽引網(wǎng)站間距長(zhǎng)的軌道電流小、雜散電流交通系統(tǒng)制動(dòng)能量的吸收一般沿地鐵線路靠近車站的位置建設(shè)，以便于電纜線路的引入。網(wǎng)絡(luò)，一般采用電纜線路、環(huán)網(wǎng)供電方式。（3）牽引供電系統(tǒng)專為電動(dòng)車輛服務(wù)，包括牽引變電敷設(shè)的牽引網(wǎng)。供電，如車站和區(qū)間的動(dòng)力、照明及其他為地鐵服務(wù)的自動(dòng)化用電設(shè)施，供配電系統(tǒng)包括降壓變電所、低壓配電系統(tǒng)［2]。主變電所牽引變電所接觸軌觸網(wǎng)供配電系統(tǒng)供配電系統(tǒng)走行軌動(dòng)力照明圖2-1地鐵供電系統(tǒng)構(gòu)成框圖2.2城市軌道交通再生制動(dòng)能量吸收方案為主和機(jī)械制動(dòng)為輔，基本制動(dòng)方案見表2-2。機(jī)械制動(dòng)又稱空氣制動(dòng)，通過間與車輪的摩擦，使其制動(dòng)停止。電制動(dòng)主要指控制牽引電機(jī)的轉(zhuǎn)速使其由電動(dòng)機(jī)狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榘l(fā)電機(jī)狀態(tài)，使動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能，再通過其他方式消耗掉。若通過電阻消耗，則稱之為電阻制動(dòng)。若通過逆變裝置，送回牽引網(wǎng)或供配系統(tǒng)，則稱之為逆變回饋再生制動(dòng)。若通過電容，將其儲(chǔ)存起來，則稱之為電容儲(chǔ)能型再生制動(dòng)。引網(wǎng)電壓抬高，若不采取電能吸收或消耗措施，會(huì)使得網(wǎng)壓水平超出電上限值，電壓過高給設(shè)備造成損害，可能引起故障從而造成系統(tǒng)癱瘓。制動(dòng)方式制動(dòng)原理常用制動(dòng)電制動(dòng)為主，機(jī)械制動(dòng)為輔緊急制動(dòng)快速制動(dòng)電制動(dòng)為主，機(jī)械制動(dòng)為輔停放制動(dòng)彈簧施加，壓縮空氣緩解2.2.2電阻能耗型電阻耗能是利用大功率電阻將列車再生制動(dòng)產(chǎn)生的能量消耗并采用多相斬波器和吸收電阻配合的恒壓吸收方式，根據(jù)再生制動(dòng)時(shí)直流母線電壓的變化狀態(tài)調(diào)節(jié)斬波器的占空比，達(dá)到改變電阻消耗功率的目的，使直流電壓穩(wěn)定在某一設(shè)定值的圍。該吸收裝置的電氣系統(tǒng)主要由三部分組成：隔離控制部分、濾波和斬波器部分、吸收電阻部分。電阻制動(dòng)系統(tǒng)按安裝地點(diǎn)不同可分為車載式和地面式。不論是車置國(guó)已有成熟產(chǎn)品，且已經(jīng)在開通運(yùn)營(yíng)的上海地鐵8號(hào)線、地鐵5號(hào)線、北京機(jī)場(chǎng)線應(yīng)用。2.2.3電容儲(chǔ)能型常見的儲(chǔ)能型再生制動(dòng)系統(tǒng)有三種：飛輪儲(chǔ)能、電池儲(chǔ)能及超級(jí)電容儲(chǔ)能。變發(fā)電機(jī)狀態(tài)釋放能量。飛輪儲(chǔ)能其儲(chǔ)能密度較高、易于安裝，但長(zhǎng)期高速旋轉(zhuǎn)使機(jī)械摩損嚴(yán)重、壽命縮短。電池儲(chǔ)能是將再生制動(dòng)的電能存儲(chǔ)在電池中，但其使用材料為化學(xué)原料，其使用壽命有限、價(jià)格較高、儲(chǔ)能能力染等。具備儲(chǔ)能密度高、充放電速度快，但重量較大、成本較高等特點(diǎn)。超多個(gè)電容器單體通過串并聯(lián)方式組成［3]。2.2.4逆變回饋型逆變回饋型再生制動(dòng)能量吸收裝置主要采用電力電子器件構(gòu)成大的交流電源，供地鐵中的其他系統(tǒng)負(fù)荷使用。目前，逆變回饋型分為回饋至中壓環(huán)網(wǎng)35kV側(cè)和回饋至負(fù)載0.4kV側(cè)。逆變回饋至0.4kV的技術(shù)和產(chǎn)品目前國(guó)有研究機(jī)構(gòu)正在進(jìn)行研究，且有試驗(yàn)裝置正在進(jìn)行掛網(wǎng)試驗(yàn)。逆變回饋裝置的技術(shù)和產(chǎn)品成熟，在國(guó)外已經(jīng)有在線運(yùn)立等。電阻耗能裝置，優(yōu)點(diǎn)是控制方法簡(jiǎn)單、使用壽命長(zhǎng)、價(jià)格相對(duì)較低、穩(wěn)定可靠、技術(shù)經(jīng)驗(yàn)成熟等。其缺點(diǎn)是浪費(fèi)能源、熱污染、能量綜合使用率低、增加通風(fēng)設(shè)備供電負(fù)擔(dān)。超級(jí)電容儲(chǔ)能裝置，優(yōu)點(diǎn)是充放電速度快、容量大、環(huán)保性強(qiáng)、起到節(jié)約能量的效果。缺點(diǎn)是控制方法復(fù)雜、價(jià)格較貴、重量大、體積大、不利于在車輛上或變電所上安裝、國(guó)技術(shù)不夠成熟、產(chǎn)品的可靠性和可維護(hù)性不夠。逆變回饋裝置，優(yōu)點(diǎn)是節(jié)能效果好、環(huán)保性強(qiáng)、減少制動(dòng)電阻容量、不需要額外的儲(chǔ)能器件直接回饋至電網(wǎng)。缺點(diǎn)是價(jià)格較貴、控制較復(fù)雜。在歐洲、日本均有成功的應(yīng)用，但造價(jià)相對(duì)較高，對(duì)系統(tǒng)有一定的諧波影響，但可通過選擇合適的濾波器，可以合理抑制諧波水平。目前，業(yè)界普遍認(rèn)為逆變回饋型再生制動(dòng)能量吸收裝置是該類技術(shù)的發(fā)展方向，國(guó)比較有實(shí)力的公司和研究機(jī)構(gòu)，如株洲時(shí)代、許繼電氣等都在進(jìn)行產(chǎn)品研發(fā)。三種再生制動(dòng)方式的簡(jiǎn)單綜合指標(biāo)比較見表2-3。表2-3再生制動(dòng)技術(shù)比較電阻耗能型電容儲(chǔ)能型逆變回饋型能否滿足地鐵再對(duì)系統(tǒng)影響能量吸收方向國(guó)產(chǎn)化使用壽命可以大能量有限，需要多無國(guó)比較罕見小高能夠適應(yīng)逆變至35KV側(cè)會(huì)產(chǎn)生一定諧波影響能夠國(guó)產(chǎn)0.4KV逆變裝置在小高2.3逆變電阻混合型主從配合方案型再生制動(dòng)方案。采用此方案的優(yōu)勢(shì)：第一、對(duì)比純逆變裝置，減小了裝置容量，從而提高了經(jīng)濟(jì)性。第二、加入電阻制動(dòng)作為后備吸收裝置，提高了系統(tǒng)可靠性。第三、發(fā)揮節(jié)約能源的作用。置，將吸收的電能轉(zhuǎn)換成380V三相交流給地鐵站用電的動(dòng)力照明系時(shí)，同一時(shí)間段制動(dòng)產(chǎn)生的能量較多，超過了逆變回饋裝置或逆變能量消耗端可以消化的能量，雖然啟動(dòng)了逆變回饋裝置，但電壓依舊在升高，如果網(wǎng)升高至1750V時(shí)，啟動(dòng)制動(dòng)電阻，吸收逆變回饋裝置飽時(shí)，先退出電阻制動(dòng)裝置，若電壓又繼續(xù)降低至1650V時(shí)，逆變回饋裝置退出。電阻制動(dòng)不僅起到二次吸收能量的作用，同時(shí)為保證牽引網(wǎng)的可靠運(yùn)行，若逆變回饋裝置故障，電阻制動(dòng)作為后備吸收裝置將啟動(dòng)，以穩(wěn)定網(wǎng)壓。本章首先簡(jiǎn)介紹城市軌道交通的交通制式及地鐵供電系統(tǒng)。針對(duì)再生制動(dòng)能量利用吸收的方案的優(yōu)劣性進(jìn)行比較分析，提出逆變電阻混合型制動(dòng)方案。第3章混合逆變-電阻制動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)3.1逆變-電阻制動(dòng)系統(tǒng)3.1.1逆變-電阻型控制策略到逆變電阻制動(dòng)系統(tǒng)的主從配合方案。車輛制動(dòng)安全制動(dòng)牽引網(wǎng)壓監(jiān)測(cè)信號(hào)不啟動(dòng)/退出逆變并網(wǎng)裝置，監(jiān)測(cè)網(wǎng)壓N牽引網(wǎng)壓是否大于電壓設(shè)定一級(jí)值Y逆變裝置并入0.4KV電網(wǎng)監(jiān)測(cè)牽引網(wǎng)壓是否大于電壓設(shè)定二級(jí)值N不啟動(dòng)/退出電測(cè)網(wǎng)壓Y啟用電阻吸收裝置監(jiān)測(cè)網(wǎng)壓圖3-1為逆變-電阻混合型制動(dòng)系統(tǒng)控制策略逆變裝置，并入0.4KV電網(wǎng)系統(tǒng)中，電能得以吸收電壓下降。若制動(dòng)能量較大，超過逆變裝置吸收容量，電壓會(huì)繼續(xù)升高。當(dāng)牽引網(wǎng)電壓升高到1750V時(shí)，啟動(dòng)電阻吸收裝置，吸收多余的能量。當(dāng)多余的能量被吸收后，電壓回落判別是否低于1750V，若低于則退出電阻制動(dòng)裝置。當(dāng)電壓再次降落低至1650V時(shí)，退出逆變并網(wǎng)裝置。同時(shí)，當(dāng)收再生制動(dòng)產(chǎn)生的電能，以保證牽引網(wǎng)電壓水平的穩(wěn)定。量其吸收容量有限，啟動(dòng)逆變-電阻混合型裝置電壓變化圖如圖5-2所示。圖3-2啟動(dòng)逆變-電阻混合型制動(dòng)牽引網(wǎng)壓波形從圖中可看出在2.53s附近電壓超過1650V啟動(dòng)逆變裝置，經(jīng)裝置并入電網(wǎng)中，但逆變裝置容量有限，電壓繼續(xù)升高，2.95s時(shí)升高至1750V，啟動(dòng)電阻裝置，經(jīng)斬波器調(diào)整，電壓開始下降。加入混合型吸收裝置牽引網(wǎng)電流波形圖如圖3-3所示，其中2.5s-階段。圖3-3啟動(dòng)逆變-電阻混合型制動(dòng)牽引網(wǎng)電流波形圖（1）牽引、惰行、制動(dòng)時(shí)功率變換圖（2）混合型制動(dòng)方案的功率波形圖分析可知2.5s時(shí)啟動(dòng)逆變裝置吸收電能，使得牽引網(wǎng)功率減??；3s時(shí)啟動(dòng)制動(dòng)電阻裝置吸收電能，牽引網(wǎng)功率進(jìn)一步減??；3.5s以后機(jī)車停止。3.2制動(dòng)工況仿真分析件計(jì)算容量及速度有限，在關(guān)注本文研究的重點(diǎn)前提下，為方便仿真計(jì)算，不妨假定啟動(dòng)、惰行、制動(dòng)過程時(shí)間為4s設(shè)定轉(zhuǎn)子磁通初始給定值為0.95Wb，機(jī)車從0.5s開始加速進(jìn)入牽引階段，1.5s加至最后開始減速進(jìn)入制動(dòng)階段，3.5s車輛停止，圖3-5為定子電機(jī)三相電流波形，0-0.5s時(shí)電機(jī)處于未運(yùn)行階段，始加速電機(jī)加速旋轉(zhuǎn)經(jīng)過幾個(gè)周期控制調(diào)整，電機(jī)輸出較為穩(wěn)定的電流波形，可看出矢量控制性能較好；2.5s-3.5s為機(jī)車制動(dòng)階段，由于此階段電機(jī)由電動(dòng)機(jī)狀態(tài)變?yōu)榘l(fā)電機(jī)狀態(tài)，電機(jī)在降速的過程中發(fā)生反轉(zhuǎn)，電流相位及幅值都會(huì)改變，由圖中也可觀察到。由于采用的變頻調(diào)速，所以電流波形的周期會(huì)發(fā)生變化。圖3-4電機(jī)轉(zhuǎn)速波形圖3-5定子電機(jī)三相電流波形圖3-6轉(zhuǎn)矩波形圖3-6為轉(zhuǎn)矩波形，可看出當(dāng)機(jī)車處于制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，電磁轉(zhuǎn)矩變?yōu)樨?fù)值，說明電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)已發(fā)生改變。圖3-7牽引網(wǎng)功率波形圖3-7為直流牽引網(wǎng)功率波形圖，從圖中可明顯看出0.5s-1.5s駛從牽引網(wǎng)中取流為0；2.5s-3s階段為電機(jī)產(chǎn)生電能向牽引網(wǎng)輸送電能。圖3-8牽引網(wǎng)電壓波形圖3-9牽引網(wǎng)電流波形圖3-8和3-9分別為牽引網(wǎng)電壓、電流波形，由于機(jī)車0-0.5s空載電壓為1663V，由于線路上有其他電阻的消耗，從圖中可看出牽引網(wǎng)電壓為接近1600V，與理論分析基本對(duì)應(yīng)；在0.5s-1.5s階段，機(jī)車處于牽引狀態(tài)，牽引電機(jī)從電網(wǎng)中汲取電能，電壓降低；能。3.3再生制動(dòng)的能量計(jì)算機(jī)車在運(yùn)行中受到較多的阻力，其中包括機(jī)械摩擦、空氣摩擦以及附加阻力等，其中附加阻力的產(chǎn)生與坡道、曲線和隧道有關(guān)。由于時(shí)受到的阻力。機(jī)車的基本阻力主要由滑動(dòng)助力、軸承助力、滾動(dòng)助基本阻力可以擬合為：式中a、b、c是與車輛類型有關(guān)的經(jīng)驗(yàn)常數(shù)：計(jì)箅再生制動(dòng)功率及電流方法如下：（1）根據(jù)廠家提供的車輛數(shù)據(jù)，求得制動(dòng)力曲線。制動(dòng)吋間，以計(jì)算機(jī)車輪緣邊的總機(jī)械能和制動(dòng)時(shí)間總輸入機(jī)械功率。功率和制動(dòng)電流。以上海地鐵某線為例，列車采用A型車，初期、近期、遠(yuǎn)期均采用6輛編組，采用4動(dòng)2拖編組。其主要技術(shù)參數(shù)如下：0→36km/h的平均啟動(dòng)加速度≥1.0m/s20→80km/h的平均加速度≥0.6m/s2水平直線上的制動(dòng)性能如下：常用制動(dòng)列車由80km/h→0的平均減速度≥1.0m/s2緊急制動(dòng)列車由80km/h→0的平均減速度≥1.3m/s2停放制動(dòng)能使AW2載荷的列車在線路的最大坡道上制動(dòng)停車5)電機(jī)效率η1:0.93電機(jī)功率因數(shù)cosΦ：0.857)列車基本阻力：2.736+0.000438V2（N/KN）9)供電電壓：DC15003.4基于制動(dòng)特性曲線的計(jì)算實(shí)例根據(jù)以上計(jì)算再生制動(dòng)功率和電流的方法，假設(shè)機(jī)車定員情況下，機(jī)車制動(dòng)時(shí)最大電制動(dòng)力下的輪軌粘著系數(shù)取μ≤15%。第一步：計(jì)算制動(dòng)性能特性曲線，最大電制動(dòng)力F時(shí)1的速度為V1則：F1=μM=0.15×326.6=48.99（kN）設(shè)定在機(jī)車運(yùn)行速度最高時(shí)，其電制動(dòng)力為相同速度時(shí)的牽引力的2倍。最大速度V2=80km/h的牽引力為7.58kN，則最大速度的制動(dòng)力為：F2=2×7.58=15.16（kN）自然特性區(qū)段滿足：為完成制動(dòng)力特性曲線的繪制，在自然特性區(qū)段V1=44.5km/h和最大速度V2=80km/h之間任意取一值V3=65km/h,根據(jù)自然區(qū)段滿足：根據(jù)以上求得的制動(dòng)速度和制動(dòng)力，可繪制制動(dòng)力曲線如圖3-10所示。當(dāng)機(jī)車速度減為小于5km/h時(shí)，制動(dòng)力迅速減小，補(bǔ)入空氣制動(dòng)，機(jī)車安全停車。圖3-10第二步：計(jì)算制動(dòng)時(shí)間和制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的機(jī)械能假設(shè)自然特性區(qū)段和恒轉(zhuǎn)矩區(qū)段的減速度為a=-1m/s2。速度V1=12.36m/s（44.5km/hV2=22.22m/s（80km/hV4=1.39m/s（5km/h）可求自然特性區(qū)域和恒轉(zhuǎn)矩區(qū)域制動(dòng)時(shí)間t1、t2。機(jī)車總制動(dòng)時(shí)間為