【摘要】：隨著社會經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,城軌交通在城市中的普及率大幅提高,城軌系統(tǒng)的耗電量也在不斷增加,其節(jié)能問題已受到社會各界的廣泛關(guān)注。應(yīng)用超級電容儲能系統(tǒng)回收列車的再生制動能量,可有效的降低列車運(yùn)行能耗,提高節(jié)能率。本文圍繞城軌交通超級電容儲能系統(tǒng)的應(yīng)用,針對儲能變流器控制技術(shù)、儲能系統(tǒng)能量管理技術(shù)和容量配置三方面開展理論研究,并通過仿真和實驗對提出的研究點進(jìn)行驗證。列車的再生制動隨機(jī)性和沖擊性較強(qiáng),儲能裝置在回收制動能量過程中,存在較大的間歇性;超級電容在充電和放電過程中,端電壓與荷電狀態(tài)耦合。這都能造成系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)工作點的大范圍變化,從而影響了系統(tǒng)的動態(tài)性能。本文首先建立了包括超級電容、儲能變流器和列車在內(nèi)的儲能裝置小信號模型,描述了列車電流和變流器占空比對系統(tǒng)動態(tài)性能的影響�；陔妷�、電流雙環(huán)控制策略,本文提出了 一種電壓外環(huán)PI參數(shù)優(yōu)化方法,以系統(tǒng)跟隨性能和抗擾性能作為目標(biāo)函數(shù),優(yōu)化得到每個穩(wěn)態(tài)工作點所對應(yīng)的最優(yōu)控制參數(shù),優(yōu)化結(jié)果利用最小二乘法進(jìn)行多項式函數(shù)擬合。所提出方法的有效性通過了理論和仿真的驗證。儲能裝置運(yùn)行時,能量的回收和釋放受到列車和整流機(jī)組的影響。采用恒定電壓閾值法控制儲能裝置時,控制指令無法根據(jù)牽引供電系統(tǒng)的工況自適應(yīng)的調(diào)整,系統(tǒng)的能量回收能力下降。本文在分析了列車制動特性的基礎(chǔ)上,分別基于單列車制動和雙車牽引制動工況,建立了包括儲能裝置、列車和整流機(jī)組的牽引供電系統(tǒng)模型,分析了儲能裝置能量回收影響因素。提出了儲能裝置制動電壓跟隨充電控制策略,實現(xiàn)再生制動能量回收的最大化。其次,分析了整流機(jī)組輸出特性變化對儲能裝置放電能力的影響,并在綜合考慮牽引網(wǎng)和超級電容能量管理的基礎(chǔ)上,提出了儲能裝置能量管理狀態(tài)機(jī),實現(xiàn)了邏輯清晰、工作可靠的能量管理策略。城軌儲能系統(tǒng)中超級電容的容量配置影響了儲能裝置的成本、壽命和再生制動能量回收率。本文基于超級電容熱-電等效模型和三變量壽命模型,研究了超級電容在恒功率和恒電流這兩種典型工況下,配置容量、SOC(State of Charge)范圍和電流限幅對超級電容效率、溫升和壽命的影響。為了模擬儲能裝置在城軌系統(tǒng)中的運(yùn)行特性,本文搭建了城軌牽引供電仿真平臺。在考慮超級電容壽命和儲能裝置成本等條件下,提出了儲能裝置全壽命周期經(jīng)濟(jì)效益優(yōu)化模型,并給出了容量配置優(yōu)化算法流程。最后結(jié)合實例對優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行了分析。為了驗證本文的研究點,本文先后搭建了 200kW和MW級超級電容儲能裝置,用于實驗室和實際地鐵線路實驗。其中,在200kW和MW級裝置上完成了儲能變流器控制策略優(yōu)化驗證和能量管理策略驗證;此外,還對MW級儲能裝置的實際線路運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行了再生制動能量回收率分析。實驗結(jié)果證明了本文所提出的方法的可行性和有效性。
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【學(xué)位授予單位】：北京交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：U270.381

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本文編號：2390552