地铁再生制动能量回馈变流器的仿真分析开题报告

 2020-02-10 11:02

1. 研究目的与意义(文献综述)

1目的及意义(含国内外的研究现状分析)

到目前为止,二十一世纪已经过去二十个年头了。回想起二十世纪九十年代,你会感觉到在这二三十年里,我国发展之快,从一个贫穷落后的国家发展成为一个世界前三的世界级大国经济体。随着我国经济如同火箭般的高速发展,国民的追求由温饱方面向精神方面前进。人民饭饱茶足之下,更多的关注生活环境问题。然而,经济的发展往往伴随着各种各样的问题,尤其是大气污染和交通堵塞问题。北京的雾霾以及百度地图上的那一条深红的线,往往令人感到无奈。城市居民的生活质量都因为严重的环境污染及交通堵塞问题而大大下降,所以,城市轨道交通这种既方便快捷又环保绿色的交通工具是时候建立起来了。城市轨道交通,也就是俗称的地铁,其具有低噪音、快捷舒适、载客量大、节省陆地空间、一天内运行时间长、次数多等优点,是大城市缓解城市交通堵塞问题的最佳选择,也是大城市发展公共交通的根本方针。在我国政策的引导及各城市的努力下,我国地铁得到了高速稳定的发展,无论是建设规模还是发展速度都是世界城市轨道交通发展史上不曾有过的。

从1863年伦敦建成世界上第一条地铁开始,到现在已经有150多年的历史了,世界上超过了50个国家的300多个城市建设了地铁,其长度达数万公里。随着地铁的发展,有关于地铁的技术得到了极大的进步与创新。现在地铁的发展已经基本上集中在速度、舒适程度、安全可靠以及节能环保上,其他的就不讨论了,本文主要讨论如何节能。因地铁具有低噪音、快捷舒适、载客量大、节省陆地空间、一天内运行时间长、次数多等优点,符合我国可持续发展要求,对于大城市这种人多地少经济又好的地方来说非常合适建立轨道交通网络。但随着地铁的飞速发展,地铁的耗电量也有很大幅度的提高。截至2017年底,我国运营轨道交通总里程约4000公里,有2700多座车站。据规划,全国地铁总历程未来将达到1.4万公里,涉及80个城市。未来预计年耗电将达400亿度, 约占未来全国总电耗的5‰以上,如何降低地铁车站电耗已成当务之急。所以,现在当务之急是如何建设一个节能环保的城市轨道交通体系。而对于地铁交通体系,列车制动能量是巨大的,因此,研究如何把制动能量回收利用可以高效的达到节能这个目的。

到目前,国内外地铁制动能量回收方案主要分为四种类型:电阻消耗型、电容储能型、飞轮储能型以及逆变回馈型。

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2. 研究的基本内容与方案

2研究(设计)的基本内容、目标、拟采用的技术方案及措施

2.1设计的基本内容及目标

城市轨道交通工程中,普遍采用直-交变压变频的传动方式,车辆的制动方式为电制动(再生制动) 机械制动,运行中以电制动为主,机械制动为辅。列车在运行过程中,由于站间距较短,列车启动、制动频繁,制动能量相当可观。目前国内的城市轨道交通主要是采用电阻能耗吸收装置处理列车运行过程中的再生能量,不仅浪费能量,也增加了站内空调通风装置的负担。此外制动电阻如装在车上,也会增加车身重量,使得城轨建设费用和运行费用增加。逆变型能量回馈型吸收装置的优点是单机容量大,占地面积少,可完全利用富裕的列车再生制动能量,节能效果较好,并可减少车载制动电阻容量,其能量直接回馈交流电网供其他设备使用,不需要配置储能元件,也不存在电阻发热问题,对环境影响小,易于维护。通过阅读文献,了解应用于地铁再生制的动能量回馈变流器工作原理及其组成结构,构建其DC_AC仿真模型。该装置的额定功率为500kW,要求直流母线电压等于1500Vdc,输出三相三线制,线电压800Vac,输出电压波动性:≤5%,同时输出电流波动性:≤10%,并网电压为10kV(需要逆变器输出端接三相升压变压器)。本毕设需要建立完整拓扑,对关键性器件进行选型与计算,要分别对开环模型与闭环模型进行仿真分析。

2.2四种地铁再生制动能量吸收方案的研究

2.2.1电阻消耗型

电阻耗能型再生制动能量吸收装置可以检测到牵引网电压超过设定值时启动,将过量电能消耗在制动电阻上。该装置采用斩波器和吸收电阻配合,有效消耗该部分的能量,根据吸收功率的大小及牵引网电压的变化状况自动调节斩波器的导通比,从而改变吸收功率,维持牵引网电压恒定,以免牵引网电压过高而损坏。但是只是对再生能量进行消耗,并没有真正做到节能或能量再利用的效果。电阻消耗型再生制动能量吸收装置如图1所示。

图1电阻消耗型再生制动能量吸收原理图

图中,由中压电网经牵引变电所整流得到750V或1500V的直流电,直流电经牵引网为列车的运行提供动力。列车制动时,制动能量会回馈牵引网,使牵引网电压升高,直到牵引网最高电压。这时需要把多余的能量释放出去,不然会烧坏牵引网。电阻消耗型制动能量吸收装置就是要把这多余的能量吸收掉。多余的能量流经LC组成的直流滤波电抗器及IGBT斩波器到达电阻箱,在电阻箱内消耗变成热能。虽然这种方式可以有效的防止牵引网电压过高,但是列车的制动能量等于全部浪费掉了,不符合节约的基本国情。

2.2.2电容储能型

电容储能型再生制动能量吸收装置具有储存能量和稳定网压双重功能。这两种技术在城市轨道交通领域都有应用,其能量流动只发生在直流牵引供电系统中,不会涉及中压网络,所以集中式供电和分散式供电方式都可适用。当列车进行再生制动并且牵引网上有过多的制动能量时,将过多的制动能量储存到电容中;当列车牵引或直流牵引网压较低时,将电容中存储的能量释放回直流牵引电网。这种制动能量吸收方式与供电模式无关,适用于所有地铁交通线路。然而,该制动能量吸收方案存在许多问题,例如,国内无合适电容可用,国外同类产品的价格较高;电容容量小,不足以吸收线路长的地铁制动能量;电容器积庞大,数量多,导致占地面积太大;电容器频繁处于充放电状态,使得电容寿命较短等。电容储能型再生制动能量吸收装置如图2所示。

图2 电容储能型再生制动能量吸收原理图

在列车制动产生多余能量时,多余的能量会通过IGBT到超级电容组里面去储存起来;列车在牵引或牵引网电压过低时,超级电容组的能量可以回馈到牵引网中,保证牵引网电压不至于过低。这种制动能量吸收方式可以非常有效的吸收多余的能量并且在需要时回馈电网,可以最大程度的减少能量浪费,确保资源的合理利用。但是目前国内这方面的技术还不成熟,只能依赖国外进口。还有就是无论国内国外,超级电容的容量都不是很大,对于那些制动能量较长的线路,超级电容都不能完全吸收多余的能量,所以如果要采用这种方案,最好在中短线路上采用,以免能源浪费。

2.2.3飞轮储能型

飞轮储能型再生制动能量吸收装置是通过电路来改变飞轮动能从而实现再生制动能量的吸收和释放。当列车进行再生制动并且牵引网上有过多的制动能量时,控制变流器就会导通,让直流牵引网多余的制动能量转换成飞轮电机的动能;当列车牵引或直流牵引网压较低时,控制变流器控制降低飞轮电机的转速,从而将飞轮的动能转变成电能通过变流器回馈给直流母线,以稳定牵引网电压。飞轮储能型再生制动能量吸收装置如图3所示。

图3 飞轮储能型再生制动能量吸收原理图

飞轮储能型与电容储能型相类似,,都是可以吸收制动时多余的能量并在牵引网需要时把能量回馈给电网。最新的飞轮储能装置是将飞轮储能装置置于真空中,并且采用磁轴承,减少摩擦,提高能量转化效率。飞轮储能装置具有功率密度和能量密度高、放电次数多、高效率、功率大、储能大、无噪声、维护简单、可连续工作等优点,但由于飞轮机处于长时间高速运转状态,容易造成磨损而寿命减短,而且飞轮机的造价很高。在国外这种储能装置已经有实际应用了,但国内技术有限,生产的飞轮机难以达到国际标准,无法在实际线路上使用。

2.2.4 逆变回馈型

逆变回馈型再生制动能量吸收装置的直流侧通过接触器连接于直流母线上,交流侧与整流变压器副边连接。回馈装置根据直流电压的变化及直流侧电流的极性进行综合判断,确定在地铁已处于再生制动并且牵引网上有过多的制动能量的情况下,投入逆变回馈装置。根据线网再生反馈电流的大小,自动调节逆变回馈装置通过电流,实现稳定线网电压。再生制动回馈装置将地铁再生制动产生的能量通过整流变压器回馈到10kV中压电网。当地铁再生制动能量吸收完成促使电压回到设定的整定电压值以下,或者当地铁由再生电制动转为牵引等其它工况运行时,逆变回馈再生制动能量装置将停止能量回馈。逆变回馈型再生制动能量吸收装置如图4所示。

图4 逆变回馈型再生制动能量吸收原理图

逆变回馈型再生制动能量吸收装置采用高频开关器件IGBT实现的变流器具有谐波含量小、控制方法灵活并且动态性能好等优点,成为人们研究和应用的热点。基于PWM并网逆变器的再生制动能量吸收方案除了可以在列车再生制动时稳定直流侧电压,还有如下优点:
(1)交流电网侧采用电感滤波,不存在换向电压畸变,并且交流电流谐波含量小,对电网污染轻。
(2)入网功率因数高,并且不因回馈功率变化而变化,可减少无功补偿设备的投资。
(3)由于功率管的开关频率比较高,滤波器体积容量可以设计得比较小,滤波器损耗小,并且动态响应快。
(4)充分利用了地铁列车再生制动能量,提高了再生制动能量的利用效率,节能效果好,还可减小列车制动电阻的容量。
(5)其能量直接回馈到电网,既不要配置储能元件,也不要吸收电阻,因此对环境温度影响小。

2.3方案选择

表1 地铁再生制动能量吸收方案对比

类别

电阻消耗型

电容储能型

飞轮储能型

逆变回馈型

单位容量成本

较高

节能效果

对直流电网的影响

单向稳定

双向稳定

双向稳定

单向或双向稳定

对交流电网的影响

产生较少谐波

对环境影响

给环境升温

有一些噪声

国产化

成熟

较少

竞争激烈

由表1的方案对比可以看出,电阻消耗型最为简单,在国内技术早已成熟,成本又低,但没有丝毫节能作用,而且会增加隧道里面的温度,影响地铁站里的列车和乘客。电容储能型充放电速度快,节能效果好,但成本太高,控制复杂,国内在这方面的技术还不成熟,依赖进口,而且国内外都无法把超级电容做的很大。飞轮储能型与电容储能型相类似,飞轮需要在真空环境中运行,不然摩擦太大,故而制造工艺要求非常高,国内还没有相对成熟的技术。

逆变回馈型可以有效的保护环境,节省能源,制动能量再利用等。但目前国内外都没有广泛采用这种方案,其主要原因是逆变器的容量大小与控制技术复杂,回馈电网的能量含有大量的谐波,这会对电网产生很大影响,电网电能输出的波动性也会影响逆变器装置的输出性能,所以逆变回馈装置所回馈的交流电能必须符合国家并网电能质量要求。随着电力电子器件的高速发展,国内外对逆变回馈型再生制动能量吸收装置的研究和成果也在飞速进步,相关技术问题正在逐步解决。

基于以上种种,选择逆变回馈型无疑是很好的选择,所以,本文将对地铁再生制动能量回馈变流器进行进一步的仿真分析,争取这方面的研究再进一大步。


3. 研究计划与安排

3.进度安排

第1周 撰写并完成开题报告,无错字、别字,格式规范;

第2周 修改、完善开题报告,进行开题答辩,主要对研究意义、目标、内容、技术路线,重点就技术路线中主电路框图、控制电路框图进行讲解;

第3周 撰写毕业设计论文目录,需要获得指导老师认可;

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4. 参考文献(12篇以上)

4.参考文献

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