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1、. . .城市轨道交通再生制动能量回收系统研究毕业设计 目 录第1章 绪 论11.1城市轨道交通的发展11.2再生制动能量回馈的意义11.3本文的主要容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42.2.1车辆制动方式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82.4 本章小结9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103.1.1逆变-电阻型控制策略103.1.2 逆变-电阻型仿真分析113.2制动工况仿真分析133.3再生
2、制动的能量计算163.3.1机车制动特性及计算步骤163.4 基于制动特性曲线的计算实例183.5 本章小结21致谢22参考文献23.参考资料. . .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日益增加，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因素，同时造成大中城市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，因此它受到世界各国的青睐。大力发展城市轨道交通已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，
3、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、等城市已有多条轨道交通线路开通运行。同时、等城市已经开展城轨交通的建设工作。至2016年，国城轨线路将拥有89条，超过2500公里的运营里程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，此反馈比例与车辆的特性、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
4、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，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，研究能量的逆变并网十分必要。1.3本文的主要容 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，重点讨论馈能型再生制动方案的基本原理及主要技术
5、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DC
6、1500V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围允许电压波动围DC750V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时才设置，专为地铁牵引
7、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。主变电所（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。电源地铁供电系统牵引供电系统供配电系统牵引变电所牵引网降压变电所动力照明架空接触网走行轨接触轨 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
8、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
9、。 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
10、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。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
11、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直流电网相连，超级电容组是由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营的工程
12、实例。目前比较成熟的产品供货商主要有西门子、ABB、日立等。2.2.5 三种方案比较 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
13、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再生制动技术比较类型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能够适应能量有限，需要多套并联能够适应节能效果差较好较好对系统影响无无逆变至35KV侧会产生一定谐波影响能量吸收方向无能量回馈直流电网交流电网国产化可以需要进口能够国产工程应用经验比较多国比较罕见0.4KV逆变装置在天津地铁试运行使用寿命20年10年
14、10年以上环境影响大小小成本较高高高2.3逆变电阻混合型主从配合方案 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围。当地铁行车密度较小时，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
15、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-电阻型控制策略图5-1
