城市轨道交通再生制动能量回收系统研究.docx
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城市轨道交通再生制动能量回收系统研究
华东理工大学
毕业设计（论文）
题目城市轨道交通再生制动能量回收系统研究
学院华东理工大学
专业电气自动化
年级2016
学号26140118
姓名
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究对象。
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量吸收模型。
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，重点研究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
Abstract
Asalargecapacity,fastspeed,lesspollutionandcomfortabletransportation,urbanrailtransiteffectivelyalleviatethetransportationpressureofthelargeandmedium-sizedcity,environmentalpollutionandtrafficcongestion.Inrecentyears,Chinabegantodevelopthelightrailtransitandsubway.Thesubwaystationshasshorterdistanceandlocomotivehashaigdensityrunning.Duringlocomotivefrequentlybraking,itproducedconsiderableregenerationenergy.Reasonableutilizationoftheregenerationenergynotonlysaveenergy,protectenvironmentbutalsoreducetheregenerationenergynotonlysaveenergy,protectenvironmentbutalsoreducethevoltagegradeforthelocomotive’ssafetyoperation.Thispaperisthefocusonutilizationoftheregenerationenergy,andTheinverter-resistancehybridmethodispropose.ThistopicispurposedtobuildMetreoregenerativebrakingandinverter-resistancehybridenergyabsorptionmodelbysimulationsoftware.
Firstly,theurbanrailtransitpowersupplysystemhasbeenintroduced.Severalvehiclebrakingschemehasbeensummarizedandanalyzedfortheiradvantagesanddisadvantages.Theinverter-resistancehybridofregenerativebrakingenergyabsorptionsolutionhasbeenpurposed.
Secondly,combinedwithinverandresistancebrakingscheme,themodelwasbuiltanalyzeandthepowerandcurrentofregenerativebrakingwascomputd.
Keyword:
regenerativebraking;inverter;resistancebrake
目录
第1章绪论1
1.1城市轨道交通的发展1
1.2再生制动能量回馈的意义1
1.3本文的主要内容2
第2章再生制动能量吸收利用技术3
2.1城市轨道交通供电系统3
2.2城市轨道交通再生制动能量吸收方案4
2.2.1车辆制动方式4
2.2.2电阻能耗型5
2.2.3电容储能型6
2.2.4逆变回馈型7
2.2.5三种方案比较7
2.3逆变电阻混合型主从配合方案8
2.4本章小结9
第3章混合逆变-电阻制动系统设计10
3.1逆变-电阻制动系统10
3.1.1逆变-电阻型控制策略10
3.1.2逆变-电阻型仿真分析11
3.2制动工况仿真分析13
3.3再生制动的能量计算16
3.3.1机车制动特性及计算步骤16
3.4基于制动特性曲线的计算实例18
3.5本章小结21
致谢22
参考文献23
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，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、广州、等城市已有多条轨道交通线路开通运行。
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内的温升，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，研究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-900V
DC1500V
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。
（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]。
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。
该装置国内已有成熟产品，且已经在开通运营的上海地铁8号线、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内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、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，国内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
国内比较罕见
0.4KV逆变装置在天津地铁试运行
使用寿命
20年
10年
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为逆变-电阻混合型制动系统控制策略，本文第2.3节已提到逆变电阻制动系统的主从配合方案。
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-3.5s为制动阶段。
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
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机车开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；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，有时会超过电压规定范围乃至达到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［4-5]，简化基本阻力的计算方法，机车的基本阻力可以拟合为：
f=（a+bv+cv2）M·g（N）（3-1）
式中a、b、c是与车辆类型有关的经验常数：
M—机车的车辆总重（t）
V—机车运行速度（km/h）
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/h
2）最大运行速度：
80km/h
3）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→36km/h的平均启动加速度≥1.0m/s2
0→80km/h的平均加速度≥0.6m/s2
4）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：
0.85
6）逆变器效率η2:
0.98齿轮传动效率η3:
0.975
7）列车基本阻力：
2.736+0.000438V2（N/KN）
8）列车定员总重M：
326.6T
9）供电电压：
DC1500
10）列车辅助用电功率S：
450kVA/Train
3.4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F1时的速度为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：
F1V12=F2V22
V1=
V2=
×80=44.5（km/h）
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：
F3V32=F2V22
F3=F2（
）2=22.96（kN）
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
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