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基于超级电容的地铁再生制动能量存储利用研究

作　者: 刘伟
导　师: 康积涛
学　校: 西南交通大学
专　业: 电力系统及其自动化
关键词: 超级电容制动能量储能系统控制策略能量利用
分类号: U270.35
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

地铁列车再生制动时产生可观的再生电能,对这部分再生制动能量进行吸收和利用,是在城市轨道交通领域提高能源利用率的举措,节能的同时也起到保护环境的作用,随着地铁建设的加快和储能技术的发展,这方面的研究显得日益重要。作为具有许多优良特性的储能元件,超级电容近年来发展迅速,本文的研究以吸收站形式的超级电容能量存储系统(SCESS)为核心内容,主要包括以下几个方面：结合动力学分析和制动特性曲线方法,定量仿真计算出列车再生制动能量大小,以此为基础,设计储能系统的电容量等参数和储能阵列的串并联方式。对超级电容串并联组成的储能阵列,介绍了电压均衡措施。通过分析系统的功能需求,确定了变换器的结构和工作模式。论文建立超级电容储能系统的数学模型,详细分析其工作原理,为了达到吸收站SCESS存储能量和稳定网压的功能需求,研究设计了电压电流双环控制结构,实现对双向DC.DC变换器的控制。并在此基础上,设计了一种新的带限流限压闭环的三环控制结构,当临近超级电容电压限制值时采取限流限压控制策略,在最大限度利用超级电容容量的同时,有效控制其电压在限制值以内。论文还设计了辅助的逆变电能利用单元,通过分析逆变器的数学模型,得到超级电容电压和逆变输出电压的线性关系,进行了以调制度为控制量的控制器设计最后利用MATLAB/SIMULINK仿真软件建立系统模型,通过仿真,表明本文所设计的控制策略实现了对SCESS储能和释能工作模式有效、快速地控制,系统起到了稳定网压、存储能量的作用,三环控制结构也有效地起到限流限压作用。对辅助的逆变电能利用单元,仿真验证了其功能。仿真结果说明了本文系统设计、数学模型和控制策略的正确性和有效性。结合仿真结果,还对系统的节能效果进行了分析评价,对制动能量回收效率、系统容量利用率的影响因素进行了分析讨论。

全文目录

摘要  6-7
Abstract  7-12
第1章绪论  12-19
  1.1 课题的研究背景和意义  12-13
  1.2 地铁列车制动方式和再生能量吸收的国内外研究现状  13-17
    1.2.1 地铁列车制动方式  13-14
    1.2.2 再生能量吸收的国内外研究现状  14-17
  1.3 论文研究的主要问题和研究目标  17-18
  1.4 论文的主要内容  18-19
第2章超级电容储能系统应用研究  19-31
  2.1 超级电容储能机理和特点  19-25
    2.1.1 超级电容机理与分类  19-21
    2.1.2 超级电容器的特点  21-23
    2.1.3 超级电容器的等效模型分析  23-24
    2.1.4 超级电容的主要性能参数  24-25
  2.2 超级电容储能系统基本结构和典型应用  25-28
    2.2.1 超级电容储能系统的基本结构  25
    2.2.2 SCESS的典型应用  25-28
  2.3 应用于地铁再生能量吸收的超级电容储能系统  28-29
  2.4 本章小结  29-31
第3章列车再生能量计算和储能系统设计  31-51
  3.1 地铁列车制动能量分析  31-39
    3.1.1 地铁列车制动的动力学分析  31-33
    3.1.2 地铁列车制动动力学模型和仿真计算  33-34
    3.1.3 列车再生反馈能量的制动特性曲线分析  34-36
    3.1.4 再生能量的制动特性曲线分析计算实例  36-38
    3.1.5 制动能量计算结果分析  38-39
  3.2 吸收站形式SCESS的储能阵列设计  39-43
    3.2.1 能量约束法和功率约束法  39-41
    3.2.2 SC单体的选取分析  41-42
    3.2.3 SCESS容量确定和储能阵列串并联设计  42-43
  3.3 储能阵列电压均衡分析  43-48
    3.3.1 电压均衡基本措施和原理  44-46
    3.3.2 电压均衡作用仿真说明  46-48
  3.4 双向DC-DC变换器  48-50
    3.4.1 双向DC-DC变换器的结构  48-49
    3.4.2 储能电感和滤波电容设计  49-50
  3.5 本章小结  50-51
第4章超级电容储能系统控制策略分析和仿真  51-70
  4.1 超级电容储能系统控制策略分析  51-61
    4.1.1 储能系统的控制模型  51-55
    4.1.2 控制策略设计  55-59
    4.1.3 工作模式与流程分析  59-61
  4.2 仿真研究  61-66
    4.2.1 仿真模型  61-62
    4.2.2 仿真结果  62-66
      4.2.2.1 储能运行模式仿真  62-63
      4.2.2.2 释能运行模式仿真  63-65
      4.2.2.3 限流限压工作模式切换仿真  65-66
  4.3 仿真结果分析  66-69
    4.3.1 能量回收和系统利用效率分析  66-67
    4.3.2 参考工作电压设置的影响  67-68
    4.3.3 系统容量修正  68-69
    4.3.4 节能效益  69
  4.4 本章小结  69-70
第5章 SCESS存储能量的消耗利用问题研究  70-77
  5.1 存储能量消耗利用的方案和系统结构  70-71
    5.1.1 存储能量消耗和利用的方案  70
    5.1.2 SCESS的逆变能量利用单元基本结构  70-71
  5.2 SCESS逆变系统控制原理和数学模型  71-74
    5.2.1 逆变器和SPWM调制方式  71-72
    5.2.2 SCESS逆变系统数学模型  72-73
    5.2.3 控制器模型  73-74
  5.3 仿真研究与结果分析  74-76
    5.3.1 仿真结果  74-75
    5.3.2 仿真结果分析  75-76
  5.4 本章小结  76-77
总结与展望  77-79
致谢  79-80
参考文献  80-85
攻读硕士学位期间发表的学术论文及科研项目  85

基于超级电容的地铁再生制动能量存储利用研究

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