城市轨道交通再生制动能量回收系统【附Simulink仿真】

城市轨道交通再生制动能量回收系统【附Simulink仿真】

引用

CSDN

1.

https://blog.csdn.net/checkpaper/article/details/142284753

城市轨道交通系统中的制动方案直接影响到系统的能效和运营成本。常见的制动方案主要包括电阻制动、再生制动和混合制动。以下是对这些方案的优缺点分析：

电阻制动

• 优点：系统简单，技术成熟，能量消耗和转化稳定。电阻制动的优点在于其结构和控制较为简单，维护要求低。
• 缺点：能量无法回收，电阻元件的耗损较大，导致能效利用率低。制动过程中，产生的热量需要通过散热装置排出，增加了系统的能耗和维护成本。

再生制动

• 优点：能够将制动过程中产生的能量回收到电网中，提高了能效，减少了能源浪费。适用于电力驱动的轨道交通系统，能够降低运营成本。
• 缺点：系统设计和控制较为复杂，对电网的要求较高。需要解决能量回馈的电压匹配问题和稳定性问题，且对变频器和逆变器的要求较高。

混合制动

• 优点：结合了电阻制动和再生制动的优点。既能在能量回收时提高系统效率，又能在需要时使用电阻制动以保证系统的稳定性。
• 缺点：系统设计复杂度增加，成本较高。需要处理两种制动方式的协调和转换，增加了控制和维护的难度。

在城市轨道交通系统中，馈能型再生制动方案因其高效能量回收的特点，逐渐成为主流选择。其基本原理是在制动过程中将电动机的机械能转换为电能，通过逆变器将电能回馈至电网或用于其他系统。

馈能型再生制动方案的基本原理及技术问题

馈能型再生制动方案的核心在于如何高效地回收并利用制动过程中产生的电能。该方案的主要技术问题包括：

逆变器设计

• 原理：逆变器将直流电能转换为交流电能，回馈至电网。需要保证逆变器在高负载和变化的工作条件下稳定工作。
• 问题：逆变器的效率和稳定性，特别是在高功率和高频率下的表现。需要考虑逆变器的冷却系统和保护机制，以防止过热和故障。

电网匹配

• 原理：回馈至电网的电能需要与电网电压和频率相匹配，以确保电网的稳定性。
• 问题：电压和频率的匹配，尤其是在系统负载变化较大的情况下。需要使用控制算法和调节机制来稳定电网。

能量存储与释放

• 原理：将回收的电能存储在电池或超级电容器中，以便在需要时释放使用。
• 问题：能量存储设备的选择和管理，以及存储设备的充放电效率。需要合理设计存储系统，以确保能量的高效存储和释放。

逆变-电阻混合型再生制动能量吸收方案

为了克服馈能型再生制动方案中的技术问题，提出了逆变-电阻混合型再生制动能量吸收方案。该方案结合了逆变器和电阻制动的优点，能够在不同工况下灵活应对。

逆变器设计

• 设计要求：逆变器需要具备高效率、高可靠性和良好的热管理能力。设计时考虑到功率密度、转换效率以及电磁兼容性。
• 设计方案：采用PWM型逆变器，搭配LCL有源阻尼滤波器，以提高系统的稳定性和效率。控制系统使用双环PI控制策略，内环控制电流，外环控制电压，确保系统在各种工况下都能稳定运行。

电阻制动设计

• 设计要求：电阻制动系统需要能够有效地吸收制动过程中产生的电能，并将其转化为热能安全释放。
• 设计方案：配置电阻元件以适应不同的制动工况，设计合理的散热系统以保证电阻元件在高温环境下正常工作。电阻制动的功率和能量需要根据实际情况进行设计，以确保系统的安全性和可靠性。

系统集成与控制

• 控制策略：采用SVPWM（空间矢量脉宽调制）矢量控制策略来控制牵引电机，确保其在不同工况下的性能稳定。
• 仿真与优化：利用MATLAB/Simulink进行主电路和控制回路的仿真分析。通过仿真验证设计方案的效果，并对系统进行优化，以提高整体性能。

仿真模型与设计

仿真模型建立

• 变压器参数设计：基于24脉波整流器的理论，设计合理的变压器参数。变压器的选择需要考虑到系统的功率需求、电压等级和负载特性。
• 数学模型建立：建立旋转坐标变换、异步电机的数学模型和转子磁链方程，以模拟实际运行中的电机行为。数学模型的准确性直接影响到仿真结果的可靠性。

控制策略设计

• SVPWM控制：采用SVPWM控制策略对牵引电机进行控制，确保电机在不同工况下的运行稳定性。
• PI控制器设计：设计PI控制器的参数，以实现内电流和外电压的双环控制。PI控制器需要根据实际系统的动态特性进行调节，以优化系统性能。

仿真分析

• 牵引工况仿真：对机车牵引工况进行仿真分析，验证设计方案的有效性。分析包括电机的启动、加速、运行和制动过程。
• 制动工况仿真：对制动工况进行仿真，评估能量回收的效果。分析制动过程中的能量回收效率、电阻制动的热量释放等因素。

逆变并网系统设计

• 主电路设计：设计逆变并网系统的主电路，使其能够将回收的能量有效回馈至地铁站用电系统（380V动照系统）。
• 滤波器设计：逆变并网主电路采用PWM型逆变器，输出侧接LCL有源阻尼滤波器，以提高系统的稳定性和电能质量。
• 控制回路设计：控制系统回路采用经典的双环PI控制策略，设计PI参数及LCL滤波器参数，确保系统在并网过程中的稳定性。

再生制动功率及电流计算

结合电阻制动原理，进行逆变并网-电阻制动方案的建模和仿真分析。粗略计算再生制动产生的功率及电流，以评估系统的实际效果。

功率计算

• 再生功率：计算制动过程中回收的电能，评估再生制动的功率输出。考虑电动机的效率、制动强度和制动时间等因素。
• 电阻功率：计算电阻制动过程中产生的功率，并与再生功率进行比较，以优化电阻制动系统的设计。

电流计算

• 再生电流：计算逆变器回馈至电网的电流，评估系统的电流负载能力。考虑电流的波动和峰值，以确保系统的安全运行。
• 电阻电流：计算电阻制动中的电流，以评估电阻元件的负载能力和散热需求。

电机模型仿真

以下是电机模型的Python代码实现：

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
from scipy.integrate import odeint

# 电机模型参数
L = 0.1  # 电感 (H)
R = 0.01  # 电阻 (Ω)
K = 0.1  # 电动势常数 (V·s/rad)
J = 0.01  # 转动惯量 (kg·m^2)
b = 0.001  # 摩擦系数 (N·m·s)

# 电机状态方程
def motor_model(x, t, V):
    theta, omega, i = x
    dtheta_dt = omega
    domega_dt = (K * i - b * omega) / J
    di_dt = (V - R * i - K * omega) / L
    return [dtheta_dt, domega_dt, di_dt]

# 仿真参数
t = np.linspace(0, 10, 1000)
V = 1.0  # 输入电压 (V)
x0 = [0, 0, 0]  # 初始状态 [角度, 角速度, 电流]

# 解算ODE
x = odeint(motor_model, x0, t, args=(V,))

# 绘制结果
plt.figure(figsize=(12, 6))
plt.subplot(3, 1, 1)
plt.plot(t, x[:, 0])
plt.title('Motor Angle (theta)')
plt.xlabel('Time (s)')
plt.ylabel('Angle (rad)')
plt.subplot(3, 1, 2)
plt.plot(t, x[:, 1])
plt.title('Motor Angular Velocity (omega)')
plt.xlabel('Time (s)')
plt.ylabel('Angular Velocity (rad/s)')
plt.subplot(3, 1, 3)
plt.plot(t, x[:, 2])
plt.title('Motor Current (i)')
plt.xlabel('Time (s)')
plt.ylabel('Current (A)')
plt.tight_layout()
plt.show()

该代码通过数值积分求解电机的状态方程，模拟了电机在不同工况下的运行情况，包括角度、角速度和电流的变化。通过仿真分析，可以进一步优化系统设计，提高整体性能。