论文题目：混合储能在城市轨道交通中的应用研究
摘要：城市轨道交通作为一种运行速度快、安全平稳、载客量大、基本不受天气变化的舒适型交通工具正在迅猛快速的发展着,成为衡量城市化进程的重要因素之一。但是城轨列车频繁的制动或减速会产生大量的再生制动能量,如果能够将这部分能量有效回收利用起来,城市轨道交通行业将进入一个新的发展阶段。针对城轨列车运行过程中产生的再生制动能量,现阶段有依靠电阻发热消耗、利用逆变器回馈到交流电网、增加储能元件回收利用三种方式,通过对这三种能量利用方式的系统结构、工作原理以及优缺点进行对比分析,最后确定选择储能方式回收再生制动能量。采用这种方式,既能够保证列车的平稳运行,又能够提高能量的利用率,并且不会对交流电网产生谐波污染。基于此,本文首先分析了牵引变电站24脉波不控整流机组等效电路模型、直流牵引网等效电路模型、城轨列车模型,并搭建仿真模型进行验证,结果显示:24脉波不控整流电路基本能够满足城市轨道交通供电系统的要求。其次,通过对几种储能元件的性能分析,选择使用以超级电容器和铅酸蓄电池的组合作为供电系统的储能装置,并利用两个双向DC/DC变换器将储能元件以并联方式连接到直流牵引网上。通过分析变换器的工作原理,对储能装置在不同模式下的等效电路进行小信号建模,为后续控制策略做准备。通过电压外环控制策略稳定直流牵引网电压,并输出储能装置的参考功率;在一阶低通滤波法的基础上,利用超级电容器的荷电状态分区管理完成参考功率的优化分配,并对超级电容器的荷电状态进行保护,利用传统限值管理对铅酸蓄电池进行荷电状态管理,该模块输出各个储能元件的参考电流;电流内环控制策略通过比较参考电流与实际电流的大小输出驱动脉冲,确定系统的工作模式。最后在Matlab/Simulink平台搭建一阶低通滤波器分配功率的仿真模型和基于超级电容器荷电状态分区域管理的改进型分配功率的仿真模型,对所提出的控制策略进行验证。结果显示:该策略能够减弱直流牵引网母线电压的波动,使之维持在正常的范围内;另外,与一阶低通滤波器分配功率法相比,基于超级电容器荷电状态分区管理的改进型功率分配法能够对超级电容器的荷电状态进行保护,使其在高荷电状态下能够多放电少充电,低荷电状态下能够多充电少放电。
关键词：城市轨道交通;再生制动;储能元件;双向DC/DC变换器;荷电状态
学科专业：电力电子与电力传动
摘要
Abstract
1 绪论
1.1 研究背景与意义
1.2 国内外研究现状
1.2.1 电阻消耗型
1.2.2 逆变回馈型
1.2.3 储能回收型
1.2.4 三种能量回收方式的比较
1.3 论文的主要研究内容
2 城市轨道交通供电系统及其特性
2.1 牵引变电所
2.1.1 牵引变电所24 脉波不控整流机组输出特性
2.1.2 牵引变电站24 脉波不控整流机组等效电路模型
2.2 直流牵引网
2.3 城轨列车
2.3.1 列车运动特性分析
2.3.2 列车运行能耗计算
2.4 本章小结
3 混合储能系统
3.1 储能元件
3.1.1 超级电容特性及等效电路模型
3.1.2 蓄电池特性及等效电路模型
3.2 混合储能系统拓扑结构选择
3.2.1 无源式混合储能系统
3.2.2 有源式混合储能系统
3.3 本章小结
4 基于混合储能的城市轨道交通系统研究
4.1 含混合储能的城市轨道交通系统的结构模型
4.2 双向DC/DC变换器的工作原理及数学模型
4.2.1 双向DC/DC变换器的工作原理
4.2.2 双向DC/DC变换器的数学模型
4.3 混合储能系统的控制策略
4.3.1 电压外环控制策略
4.3.2 基于低通滤波法的传统功率分配策略
4.3.3 基于超级电容器荷电状态的改进功率分配策略
4.3.4 电流内环控制策略
4.4 仿真验证
4.5 本章小结
结论
致谢
参考文献