能量再生制动

能量再生制动（通用7篇）

能量再生制动 篇1

1 国内目前技术状况

叉车整机在仓库内作业时, 其前进次数与后退次数基本相当, 需频繁的反复进行制动, 以控制前进或后退的距离, 达到合适的位置后进行取放货物的操作。因此, 能量消耗较大, 燃油消耗率较高。制动能量全部转化为热能, 造成能源浪费。

2 问题提出

叉车起步需要利用发动机提供力矩完成, 因此, 所需匹配的发动机功率则必须较大, 以满足起步需要。即便如此, 叉车的起步仍然较为缓慢。另外, 反复制动导致制动蹄片磨损较快, 更换频繁。

如能将叉车制动前期整机所包含的动能全部或部分存储起来, 用于起步或加速动作, 则能节约发动机功率, 降低发动机的怠速扭矩, 减少排放, 降低油品消耗, 减少制动系统的磨损。

因此有必要研究, 如何将叉车的制动能量有效存储并应用于叉车起步或举升货物使用。

3 分析

3.1 叉车分类及制动制动类型划分

(1) 叉车分类:根据其传动方式可分为机械叉车、液力叉车;根据驱动动力源, 可分为燃油叉车、电动叉车、液化气叉车等。 (2) 制动类型划分:当叉车处于满载全速前进货后退状态下, 紧急制动至叉车停止运动, 称为强制动;其他工况的制动, 如车辆利用制动器进行减速;或叉车低速运行时, 利用制动器使其停止, 则称为弱制动。叉车在作业时, 大部分工况的制动均为弱制动。

3.2 叉车传动系统和制动系统的组成及其动力传递路径

3.2.1 燃油叉车或液化气叉车

(1) 传动系统:来自发动机的动力, 经变速箱、主减速器减速增扭后, 通过差速器、经半轴分别传递至两边的轮毂或传递至轮边减速器, 再由轮边减速器驱动轮毂旋转, 从而驱动车轮旋转。 (2) 常规制动系统:制动踏板力经制动杠杆传递至制动总泵的顶杆, 将总泵壳体内的制动液挤出, 并通过管路分别传送到左右制动器的制动分泵, 由制动分泵推动制动蹄片, 使得蹄片压紧于制动毂上, 形成制动力。 (3) 动力制动系统:发动机工作时, 带动制动液压泵旋转, 常态制动液压泵的出口经制动阀直接流回油箱。初次制动踏下制动踏板, 制动阀顶杆在制动杠杆的作用下, 推动阀芯, 将制动液压泵的出口与制动分泵、蓄能器接通, 由分泵推动蹄片, 形成制动力;同时蓄能器内部充入压力油。再次制动时, 蓄能器与制动液压泵同时将压力油传递给制动分泵, 实现紧急制动或熄火制动。 (4) 真空助力行车制动系统:发动机进气口的负压通过管路作用于真空罐并连接至真空助力器, 真空助力器的隔板在负压的作用下产生弹性变形。制动时, 真空助力器内部的真空被破坏, 隔板回弹, 推动制动总泵顶杆;同时制动踏板力经制动杠杆、真空助力器也传递至制动总泵的顶杆上, 将总泵壳体内的制动液挤压至制动分泵, 制动蹄片在制动分泵的作用下, 紧贴于制动毂上, 阻止车轮旋转。

3.2.2 电动叉车

(1) 传动系统:电机的动力经减速箱、主减速器、差速器、半轴、轮毂传递至车轮, 驱动车轮旋转。 (2) 制动系统:与常规行车制动系统相同, 不再赘述。

3.3 制动时各零部件的工作状态

制动前:制动系统不工作, 制动毂、轮毂、轮边减速器、半轴、主减速器、传动轴、变速箱输出轴, 均处于运转状态, 且越靠近发动机飞轮端转速越高、扭矩越小。

制动:踏下离合器踏板, 切断发动机的动力输入, 传动系统在整车动能的作用下, 仍然维持运转;踏下制动踏板, 制动器阻止车轮旋转, 达到减速或停车效果。

3.4 制动能量消耗方式

(1) 制动过程中, 制动器蹄片与制动毂处于压紧的状态下仍产生滑动, 将整车动能转化成热能消耗掉。 (2) 紧急制动时, 轮胎与地面之间产生滑动摩擦, 消耗大量的整车动能, 并转化为热能, 通过轮胎、地面传递至大气中。

上述两种方式为制动能量的主要消耗方式。因此叉车的制动, 仅仅是将整车动能快速地将其转化成热能并消耗, 造成能源浪费, 增加了制动系统的磨损速度。

4 解决方案探讨

若能将制动能量快速吸收、存储与转化, 则可以实现制动能量再生利用。

4.1 制动能量吸收

可以在制动毂到变速箱输出轴之间的合适的环节进行, 加装相应的能量吸收、存储、转化装置, 实现能量的重复利用, 达到节能、降耗、减排, 降低使用成本的效果。

4.2 制动能量的转化利用

对于已吸收存储的能量, 当车辆起步时, 可以通过传动系统的合适的环节进行释放, 从而降低驱动车辆起步或降低车辆起步、加速所需的输入功率。

4.3 制动能量存储的方式

(1) 采用机械方式, 以位能形式存储:利用叉车地平衡重, 当整车制动时, 能量吸收存储系统迅速与传动系统或制动系统的某一旋转部件相结合, 利用制动能量, 提升平衡重, 改变其位能状态, 存储能量。当整车起步或加速时, 重块下降, 位能减少, 能量通过传动系统驱动车轮运转, 减少发动机的阻力。释放完成, 能量吸收存储系统与旋转的传动系统或制动系统部件分离。 (2) 采用机械方式, 以弹性势能形式存储:采用一组弹性元件, 当踏下制动踏板时, 弹性元件在制动能量的作用下被压缩, 制动能量转化为弹性元件的弹性势能。当车辆起步或加速时, 将存储于弹性元件内的弹性势能, 通过转换装置, 释放于传动链的合适环节, 从而驱动整车起步或加速。 (3) 采用机械方式, 以液压能方式存储:选取传动系统功率传递路径的合适部件。通过一台液压泵-马达进行能量吸收与转换。制动时, 泵-马达与传动系统迅速结合, 并随之运转, 从油箱内吸取油液并充入蓄能器, 利用蓄能器存储制动能量。车辆起步时, 蓄能器内存储的液压能通过泵-马达, 转化为机械能, 并通过传动系统驱动整车起步或加速。达到能量再生的目的。制动踏板释放, 能量吸收系统与传动系统迅速分离;反之, 当踏下制动踏板, 则立即与能量吸收系统结合, 进行能量存储, 同时达到缓速或制动的目的。 (4) 采用电磁转换方式, 以电能方式存储:采用一台发电机, 其动力输入部分传动系统的高速旋转部件相结合。当制动踏板踏下时, 制动系统开始工作。发电机的励磁电压取自蓄电池, 且随着踏板行程增加而增加。当且仅当踏板处于踏下状态时, 方接通励磁电压, 发电机处于工作状态, 对外输出电能, 通过逆变回路, 将电能存储于蓄电池中。

4.4 四种方式优缺点分析

(1) 位能方式存储:能量利用率高;但因平衡重质量较大, 制动冲击大, 安全要求较高, 所以机械结构较为复杂。 (2) 弹性势能方式存储:采用此种方式, 结构简单, 能量利用率高;缺点是能量载体选择、设计、加工比较困难。 (3) 液压能方式存储:制动平稳, 冲击小。但所存储的能量如应用于驱动叉车起步、加速, 则不论液压油路及机械结构都相对较为复杂;若直接作用于电动叉车的起升泵吸口, 供叉车起升货物使用则相对较为简单, 也容易实现。 (4) 电能方式存储:结构简单, 容易实现, 可以广泛应用于各种类型的叉车, 这也是油电类混合动力车被广泛使用的原因。缺点是发电机自身的效率、功率, 以及蓄电池能够接收电能的容量、功率等因素的影响, 对于系统能够吸收多少制动能量并加以利用, 以及其变化规律, 难以量化。

5 结论

上述四种制动能量吸收、存储、转化再利用的方式, 均可以实现制动能量再生利用。

6 结束语

文章仅对叉车制动能量如何再利用从原理上进行了初步分析, 至于如何将其转化为具体应用, 仍然需要进行大量的深入研究。

摘要：叉车作业时, 需反复制动控制前进或后退的距离, 达到合适的位置后进行取放货物的操作, 能量消耗较大, 燃油消耗率较高。为提高叉车的节能、减排、降耗的效果, 文章就如何有效利用叉车制动能量进行分析研究。

关键词：制动能量,传动系统,制动系统,能量存储,强制动,弱制动

能量再生制动 篇2

目前,地铁机车再生制动能量回收主要有逆变回馈型、电容储能型、飞轮储能型和电阻消耗型四种方式。国内地铁普遍采用电阻消耗型,使用制动电阻来吸收机车的制动能量,这种方法可靠、简单易行,具有比较成熟的应用技术。但它的最大缺点是不能合理的回收机车制动能量,造成电能浪费。电容储能型和飞轮储能型可以有效的回收机车的制动能量,但国内技术不够成熟且成本较高,不适合普遍推广使用。逆变回馈型不仅可以高效的回收利用机车的制动能量,而且国内对逆变技术的研究技术比较成熟,因此该方法是未来研究应用于吸收机车制动能量的主要方法。

逆变回馈型的核心部件是PWM变流器,变流器可以四象限工作,根据侧重点不同,逆变回馈装置的设置可以采用三种方式:独立新增、部分替代和完全替代。由于能馈式牵引供电装置在城市轨道交通牵引供电系统中应用才刚刚起步,设备容量和过载能力暂时还难以满足列车牵引供电需求,因此主要用于实现列车再生制动能量的回馈再利用,起到节能和减小列车间瓦磨损的作用,所以独立新增方案是性价比最优的一种方案。

逆变回馈装置可以直接将制动电能逆变回馈到交流中压电网,以供其它设备使用,不存在电阻发热问题,也不需要安装大容量的储能设备,国内研究技术成熟,便于检修维护。为了减少逆变时对电网的影响,本文设计一种电压、电流双闭环控制方案。该控制方式不仅可以提高变流器的宽容度,还可以提高其动态响应速度及抗干扰能力,可以有效的降低交流侧电压的谐波含量。

机车制动能量回收方式对比分析

电阻消耗型

电阻型再生制动装置安装于地铁牵引变电所母线上,当地铁列车制动产生的能量不能被同一供电区间同时运行的列车或者本地铁列车车载设备全部吸收时,吸收电阻便接入电路,吸收多余的再生制动能量。其原理示意图如图1所示。该种吸收设备大多用恒压控制策略,通过监测母线网压变化调节斩波器占空比调节制动电阻运行状态,调整能量吸收功率,从而将电压稳定在给定范围内。该装置易于控制,但能量全部以热量消耗,造成浪费。同时造成周围环境温度升高,通风动力装置的二次能源消耗。

电容储能型

如图2所示,地铁牵引供电系统接入超级电容储能设备。该设备通过直流开关设备与牵引变电所牵引正负母线或者牵引网接触轨、走行轨相连。西门子的该项技术较为成熟,超级电容值一般在几千法拉,其能量直接以电势能储存,可快速充放电,且寿命长,维护少,其速度只受限于变换器容量和电容器内阻,由于该装置在牵引网压低于给定值时,能够向其供电,故该装置对于稳定牵引网压有积极的作用。

飞轮储能型

飞轮储能装置的核心是一个高密度合成磁筒,筒内装有永久性磁粉,提供磁介质。将磁内核按两种方式磁化,一端形成半个无源磁轴承,另一部分形成永久磁极的转子,同时与存在的三相定子构成一个完整电机。其原理图如图3所示,储能原理是依靠飞轮的动能对制动能量进行储存当地铁列车制动时,飞轮转速不断加快以吸收制动能量;当列车启动时,飞轮转速逐渐降低,将存储的能量转化为列车动能。飞轮储能装置之间相互独立,可以几套装置同时使用,但该项技术尚处于研究完善之中。

逆变回馈型

逆变回馈型再生制动利用方案其原理是通过传感器实时检测直流牵引网电压,与逆变装置设定的启动工作阈值比较,从而对地铁列车运行状况进行判断。其原理示意图如图4所示,当牵引网压值高于给定值时,逆变器就进入工作状态,将地铁列车制动产生的能量逆变成交流电返回供电网。目前逆变回馈工频交流电网主要有两种方式:其一,逆变回馈于高压交流电网(10kV或35kV);其二,逆变回馈于低压交流电网400V负载侧,供站内照明通风等设备使用。

通过分析可见电阻能耗型虽然控制简单,使用寿命长,且技术较为成熟,但是制动能量全部浪费,不能起到节能效果,必然不能代表再生制动能量利用的发展方向。另外三种技术,国内外都在进行不断研究,理论也在不断完善,而且随着大功率电子器件的快速发展,加速推动了逆变回馈型再生能量吸收技术的发展,国内新建地铁己开始引入相关产品,国内相关机构如株洲时代等公司也在对该技术产品进行研发。业内普遍认为,该地铁再生制动能量利用技术潜力无限,因此研究此项技术有着重要的意义。

逆变装置设置方式

完全替代

完全替代足指两套能馈式牵引供电装置完全替代原有的两套12脉波二极管整流机組。

优点是:无需额外增加设备安装空间,总占地小。可充分利用能馈式牵引供电装置的双向变流能力,列车牵引时提供能量,列车制动时将多余再生制动能量反馈交流电网。此外,由于能馈式牵引供电装置具有输出电压调节能力,因此直流网压可以维持良好的平稳性,容量上也可以较好的满足列车再生制动能量吸收要求。

缺点:为了满足Ⅵ级负荷要求,设备的峰值容量大,要求过载能力强,在大功率TGBT半导体器件没有规模化量产前,设备价格会比较昂贵。

部分替代

部分替代是指用一套能馈式牵引供电装置代替一套12脉波二极管整流机组,保留一套原有的12脉波二极管整流机组。

优点:无需额外增加设备安装空间,总占地面积小。兼具二极管整流机组结构简单、可靠性高、价格低廉和能馈式牵引供电装置能量双向流动,输出特性可控的优点,在实现列车再生制动能量回馈利用的同时,系统总体投资增加不多。

缺点是:采用12脉波整流后交流电流的谐波含量相对于原有的24脉波整流会有所增加。此外,一台能馈式牵引供电装置容量上也难以完全满足列车特殊情况下再生制动能量吸收需求。

独立新增

独立新增是在完全保留传统的24脉波整流机组的基础上,额外新增一套独立的能馈式牵引供电装置。

优点是:在不改变既有供电机组的情况下,独立新增了第三台机组,增加了变电所牵引供电容量,实现了列车再生制动能量的有效回馈,同时不会对原有供电方式造成不利影响,系统可靠性高,推广难度小。

缺点:需额外增加设备安装空间,增加设备投资。

通过对这三种方式的分析比较,从牵引供电能力、经济成本、回馈能力等方面考虑,可以得出独立新增是一种性价比最优的设置方案。

逆变装置的控制方法设计

为了提高独立新增逆变回馈装置的工作效果,本文采用基于SVPWM的双闭环PI控制方式。比例环节(P)能够增大系统开环增益,提高系统响应速度和控制精度;积分环节(I)能够减小系统稳态误差,增强系统稳态性能。

能量回馈系统控制原理框图如图5所示,系统控制主要包括脉冲产生模块和电流调节模块两部分。脉冲产生模块产生SVPWM触发脉冲控制逆变器中IGBT导通和关断,实时调整逆变器输出的电流;电流调节模块采用PI双闭环控制策略,电压控制环是外环,电流控制环是内环。

具体的实现过程是将牵引网侧实测直流电压与牵引网给定电压参考值进行比较,将比较送入积分PI调节器计算出参考电流值id,该电流与三相电流iabc经dq解耦后得到的d轴有功电流分量比较后,将其差值经PI调节器调整后与ed分量比较,最后经过Park变换后驱动SVPWM模块产生脉冲信号,控制逆变器IGBT导通和关断,从而控制逆变器电流的输出。当检测到牵引网电压大于电压阈值时,逆变回馈装置便从待机状态进入工作状态。牵引网压低于该电压阈值时逆变器再由工作状态转为待机状态。

结束语

能量再生制动 篇3

近年来,随着我国经济水平的迅猛发展,各主要城市地铁事业也得到迅速发展,在未来几年我国将会有更多地铁线路和更多地铁列车投入运营。城市轨道车辆有频繁启停的特点,在能量回馈制动时,在附近没有其他车辆吸收电能的情况下,直流母线电压将被迅速抬高,只能通过制动电阻消耗将母线电压维持在安全范围。这样既浪费电力资源又使工作环境温度升高,随着地铁运营车辆的增加,电力资源的浪费也越来越突出。

目前,吸收装置所采用的吸收方案主要有电阻耗能型、电容储能型、飞轮储能型和逆变回馈型等4种。其中电阻耗能型是将制动能量消耗在吸收电阻上,这是目前国内外应用比较普遍的方案,该方案控制简单、工作可靠、应用成熟,其主要缺点是该方案只能将电能转换为热能排掉,造成能源浪费,而且电阻散热会导致环境温度升高,因此需要相应的通风装置,增加了相应的电能消耗;电容储能型是将制动能量吸收到大容量电容器组中,当供电区间有列车需要取流时将所储存的电能释放出去,其主要缺点是要设置体积庞大的电容器组,且电容因频繁处于充放电状态而导致使用寿命短;飞轮储能型的基本原理与电容储能型一样,只是储能元件为飞轮电机,但由于飞轮长时间处于高速旋转状态,且飞轮质量也很大,故摩擦耗能问题严重,飞轮工作寿命短;逆变回馈型是将车辆制动时的直流电逆变成工频交流电与车站内380 V电网并网,将电能消耗在站内电梯、照明、通风等用电设施上,该吸收方案有利于能源的综合利用,实现了节能,但是技术复杂,设备投资很大。综上所述,除电阻耗能型外其余3种方案都充分利用了再生能量,但也均有各自的缺陷,因此目前国内尚无相应的成熟产品。但从能源的角度看,这是个必然的发展趋势,因此有必要对其进行深入研究。

本文提出采用容量较小的制动电阻加四象限能量回馈装置来实现有效的能量回馈,在一般制动工况下,当母线电压高于预设值时通过四象限变流装置将能量回馈到电网;在特殊工况下(四象限变流器故障或多台机车同时制动使直流母线电压高于警戒值时),通过制动电阻消耗能量使母线电压维持在安全范围内。

1装置的基本工作原理

该装置的直流侧与牵引变电所中的整流器直流母线相联,其交流进线接到交流电网上,当再生制动使直流电压超过规定值时,逆变器启动并从直流母线吸收电流,将再生直流电能逆变成工频交流电回馈至交流电网。

一旦逆变吸收消耗不了该能量,将引起电网电压进一步上升,当电网电压升到第二级判断电压时,电阻斩波器立即投入工作,电阻吸收装置将再生制动能量消耗,稳定电网不再上升,确保列车充分有效利用电制动。装置的基本工作原理如图1所示。

2主要技术参数

直流输入

最大输入功率1 200 k W

输入电压DC1 500 V~1 860 V

允许电压波动范围DC1 500 V~1 900 V

直流侧电流680 A

峰值电流750 A

短时电流750 A 20 s

交流输出

额定输出功率1 000 k W

输出电压:AC380 V三相四线制

输出电流AC1520 A

额定电网频率范围50 Hz±5%

总电流谐波畸变率≤5%(额定功率)

功率因数>98%(额定功率)

系统

转换效率>90%

防护等级IP23

冷却方式强迫风冷

工作温度-25℃~+55℃

相对湿度0%~95%,无冷凝

控制方式SVPWM

工作制间歇工作制

3装置的组成

逆变装置主要由直流进线柜、交流出线柜和逆变控制柜构成,根据检测到电网电压和制动功率的大小,调节IGBT的导通角,以控制回馈电流,实现制动功率平滑回馈。

1)直流进线柜主要由直流快速断路器、直流隔离开关、平衡电抗器和进线熔断器等组成,实现直流进线滤波、故障隔离和过电流保护等功能。

2)逆变控制柜主要由IGBT模块、风扇散热装置、电压电流传感器、逆变控制板、PLC、状态显示面板和半导体保护快速熔断器等组成,实现电网电压检测、回馈装置自动转换以及各种参数显示等功能。

3)交流出线柜主要由自耦变压器、交流断路器、过电压吸收设备等构成,实现交流电流输出、过电压吸收和滤波等功能。

4装置的控制策略

装置的主要功能是维持网压恒定,该装置针对供电电压为DC 1 500 V的地铁线路,将网压波动范围取为900~1 900 V,根据以往经验设置逆变器吸收的控制电压为1 680 V,电阻吸收的控制电压为1 640 V~1 800 V(可调),设计时可根据地铁线路的实际情况进行调整。

1)列车运行状态的判断。列车的运行状态可以通过比较线网电压U网和空载电压U空来判断。

判断U网≥U空有3种情况,即停站、故障、再生制动,为躲开前2种情况,设置判断基准电压为UP=U空+ΔU,但由于网压存在波动,实际取UP=U空+ΔU+UδV,这里波动电压UδV可由现场试验获取一个经验值。

2)逆变吸收控制。当电网电压升到第一级判断电压(1 680 V)时,逆变器开始工作,采用SVPWM控制方法将直流电逆变转换成AC380 V电压,自动跟踪市电AC380 V并网向用电负载供电,将再生能量消耗在用电设备上。

3)电阻吸收控制。一旦逆变吸收消耗不了该能量,将引起电网电压进一步上升,当直流侧电压检测值高于1 700 V时,开通斩波器,然后系统再根据网压大小进行PID实时运算,自动调节输出PWM的占空比,即调节斩波器的导通角,改变各相电阻等效阻值,直至网压低于设定的吸收电压值后,关闭斩波器,使吸收装置处于待命状态,等待下次车辆的再生吸收;当直流侧电压检测值低于1 620 V时,封锁PWM输出,关闭斩波器。

5系统仿真及结果分析

再生制动仿真系统由3个部分组成,分别是整流模块,车辆模块和逆变回馈模块,通过含有电阻和电感的导线来模拟轨道。

整流模块功能是对交流电机进行24脉波整流,输出直流1 500 V,车辆模块模拟制动列车运行,额定电压交流1 100 V,额定电流75 A,额定功率105 k W,交流电机定子电阻0.087Ω,定子电感0.8 mH;转子电阻0.228Ω;转子电感0.8 mH;磁感0.226 mH。

逆变回馈吸收模块在母线电压超过1 620 V时开始工作,工作频率为8 000 Hz。

轨道电阻0.038 65Ω/km,电感1.481 5 mH/km。

将上述参数输入到如图2所示的Matlab/Simulink模型之中,经过计算可得如图3所示的仿真结果图。

由图3可以看出,该系统模型较好地仿真了制动列车再生制动过程及吸收过程,其中第一条曲线是定子电流变化曲线,第二条是转速变化曲线,第三条负载力矩曲线,第四条直流母线电压的仿真波形,第五条是吸收功率变化情况。

制动列车在t=1.2 s时开始刹车,此时电机的转速减少,负载力矩减小,此时开始再生制动过程,直流母线明显升高,超过了阀值电压,控制IGBT吸收电路开始工作,在1.56 s~1.68 s这段时间内,从图中可以看出直流母线电压稳定在1 620 V,在制动结束后,电压恢复到正常范围之内。可吸收的最大功率大约为32 k W。

6结语

本文提出的电阻-逆变混合吸收装置,控制简单,安全可靠;系统首先满足逆变吸收,一旦逆变吸收不能完全吸收车辆再生能量时,电阻吸收投入,保证了车辆可靠电制动;一旦逆变吸收单元发生故障,系统自动将其切除,由电阻吸收单元承担,保证了车辆再生制动和系统的安全可靠。仿真实验表明该系统方案的可行性。

参考文献

[1]王彦峥,苏鹏程.城市轨道交通再生能量回收技术方案的研究[J].电气化铁道,2004(2).

[2]孙延焕.再生制动吸收设备的应用介绍[J].电气化铁道,2005(3).

[3]叶芹禄,周伟志.浅析城市轨道交通列车再生制动能源的转化和利用方案[J].铁道勘测与设计,2009(3):60-63.

能量再生制动 篇4

汽车制动能量再生系统就是在制动过程中,把车辆的一部分动能回收并利用的装置,它大大提高了汽车综合能量利用率,降低了汽车废气排放[1]。但再生制动系统参与制动后改变了车辆原有的制动特性,为了达到良好制动效果,再生制动需要与常规制动系统协调兼容。

目前主要有两种再生制动系统(regenerative braking system,RBS)与常规制动协调方式,一种是驾驶员手动启用或停止滑行能量回馈充电,再生制动力矩大小由车速、蓄电池充电状态(state of charge,SOC)等决定,操作繁锁,回馈能量少,切换过渡不柔和;另一种是根据车速、制动踏板行程、制动液压传感器判断制动力总需求,通过对再生制动力矩与机械制动力矩的合理分配,来实现两者兼容,这种方法控制复杂,且不能实现与ABS系统的兼容[2,3]。本文提出一种基于ABS的RBS集成控制方式,把电机制动融合到ABS制动系统中,实现RBS与液压ABS制动系统的协调兼容。

1 系统结构

基于ABS的RBS系统结构如图1所示,常规制动为双管路四通道四传感器液压ABS制动系统。再生制动力矩由电机产生并由机械变速机构传递动力,在制动过程中,集成控制器获取储能器状态信号,对轮速、车速、制动踏板信号、管路压力信号等进行综合处理,进而确定制动模式,按照制动控制策略对电机及常规制动系统进行控制,实现常规制动与RBS的协调运行。

2 系统模型

为方便建模,对车辆制动作如下假设:①道路路面坡度为零,无坑洼不平;②转向角输入为零;③忽略轮胎变形影响。

本文采用如图2所示的车辆单轮制动模型[4],图中,Tb为制动总力矩,M为轴荷,v为车速,ω为轮速,Fz为地面支承力,rw为轮胎有效滚动半径。

在制动过程中,制动力矩Tb在纯电机制动时为电机制动力矩,此时有Tb=δi0igTbe,其中,δ为传动效率,i0为主减速比,ig为变速机构变速比,Tbe为电机制动力矩。常规制动力矩Tbn为零,即Tbn=0。当常规制动与电机制动复合时,有Tbi=δi0igTbe+Tbn。

忽略车辆空气阻力和车轮滚动阻力,车辆运动方程为

$m\dot{v}=-F{}_{x\text{s}\text{u}\text{m}}(1)$

式中,m为车辆质量;Fxsum为车轮水平方向受力。

根据牛顿运动定律,制动时,车轮运动状态的动力学方程为

$J{}_i\dot{\omega }{}_i=-{\rm T}{}_{\text{b}i}+F{}_{\text{t}i}r{}_{\text{w}}(2)$

Fti=Fziμi(λi) (3)

Fxsum=∑μi(λi)Fzi (4)

式中,J为当量车轮转动惯量;Ft为地面制动力;μ为附着系数;λ为滑移率;μi(λi)为第i个车轮附着系数随滑移率变化的函数;i为第i个车轮。

3 滑模控制器设计

由式(1)～式(4)可得

$\dot{v}=-\frac{1}{m}{\displaystyle \sum \mu }{}_i(\lambda {}_i)F{}_{\text{z}i}(5)$

$\dot{\omega }{}_i=\frac{1}{J{}_i}[-{\rm T}{}_{\text{b}i}+\mu {}_i(\lambda {}_i)F{}_{\text{z}i}r{}_{\text{w}}](6)$

由滑移率定义有$\lambda {}_i=1-\frac{\omega {}_{i}r{}_{\text{w}}}{v}$,则对滑移率定义式微分可得

$\begin{array}{l}\dot{\lambda }{}_i=(-\frac{r{}_{\text{w}}\dot{\omega }{}_i}{v}+\frac{r{}_{\text{w}}\omega {}_i\dot{v}}{v{}^2})=\\ -\frac{r{}_{\text{w}}}{v}[\mu {}_i(\lambda {}_i)F{}_{\text{z}i}\frac{r{}_{\text{w}}}{J{}_i}-\frac{1}{J{}_i}{\rm T}{}_{\text{b}i}]-\frac{r{}_{\text{w}}}{v{}^2}\frac{1}{m}{\displaystyle \sum \mu }{}_i(\lambda {}_i)F{}_{\text{z}i}(7)\end{array}$

为了简化计算,本文采用双线性模型来简化轮胎模型[4],如图3所示,轮胎模型用两条直线方程来表达,即

$\begin{array}{l}\mu {}_i(\lambda {}_i)=\frac{\mu {}_{\text{h}}}{\lambda {}_{\text{t}\text{h}}}\lambda {}_i\lambda {}_i\le \lambda {}_{\text{t}\text{h}}\\ \mu {}_i(\lambda {}_i)=\frac{\mu {}_{\text{h}}-\mu {}_{\text{g}}\lambda {}_{\text{t}\text{h}}}{1-\lambda {}_{\text{t}\text{h}}}-\frac{\mu {}_{\text{h}}-\mu {}_{\text{g}}}{1-\lambda {}_{\text{t}\text{h}}}\lambda {}_i\lambda {}_i＞\lambda {}_{\text{t}\text{h}}\end{array}\}(8)$

其中,λth为理论理想滑移率,在滑移率达到λth时路面附着系数达到最高,防抱死制动控制就是要实现车轮滑移率在λth值附近。令

$A=\frac{\mu {}_{\text{h}}}{\lambda {}_{\text{t}\text{h}}}B=\frac{\mu {}_{\text{h}}-\mu {}_{\text{g}}\lambda {}_{\text{t}\text{h}}}{1-\lambda {}_{\text{t}\text{h}}}C=\frac{\mu {}_{\text{h}}-\mu {}_{\text{g}}}{1-\lambda {}_{\text{t}\text{h}}}$

则式(8)可简化为

$\begin{array}{l}\mu {}_i(\lambda {}_i)=A\lambda {}_i\lambda {}_i\le \lambda {}_{\text{t}\text{h}}\\ \mu {}_i(\lambda {}_i)=B-C\lambda {}_i\lambda {}_i＞\lambda {}_{\text{t}\text{h}}\end{array}\}(9)$

式(9)代入式(7)得

$\dot{\lambda }{}_i=-\frac{r{}_{\text{w}}}{v}(A\lambda {}_{i}F{}_{\text{z}i}\frac{r{}_{\text{w}}}{J{}_i}-\frac{1}{J{}_i}{\rm T}{}_{\text{b}i})-\frac{r{}_{\text{w}}}{v{}^2}\frac{1}{m}{\displaystyle \sum A}\lambda {}_{i}F{}_{\text{z}i}(10)$

定义滑模面S=λth-λi,则滑模控制律如下[5]:

$\dot{S}=-\eta \text{s}\text{a}\text{t}(\frac{S}{\text{ϕ}})(11)$

式中,η为收敛因数;ϕ边界层厚度。

假设λth为一常数,则有防抱死控制规律:

$\begin{array}{l}{\rm T}{}_{\text{b}i}=r{}_{\text{w}}A\lambda {}_{i}F{}_{\text{z}i}+\frac{J{}_i}{v}\frac{\omega {}_i}{m}{\displaystyle \sum A}\lambda {}_{i}F{}_{\text{z}i}+\\ \eta \frac{J{}_i}{r{}_{\text{w}}}v\text{s}\text{a}\text{t}(\frac{\lambda {}_{\text{t}\text{h}}-\lambda {}_i}{\text{ϕ}})(12)\end{array}$

为了验证滑模防抱死制动控制模型的非线性系统稳定性,本文采用Lyapunov法进行其稳定性分析[6]。设能量函数V=[λth(t)-λi(t)]2,显然V>0,对其求导得

$\dot{V}=-2\eta (\lambda {}_{\text{t}\text{h}}-\lambda {}_i)\text{s}\text{a}\text{t}(\frac{\lambda {}_{\text{t}\text{h}}-\lambda {}_i}{\text{ϕ}})(13)$

当(λth-λi)变号时,饱和函数也变号,从而可得出$\dot{V}$总是为负,即$\dot{V}＜0$。

综上所述,根据Lyapunov渐近稳定性定理,可知式(11)所表述的闭环非线性系统在理想滑移率范围内具有渐近稳定状态,从而表明控制器模型有效。

当前轴所需制动力矩小于电机所能提供制动力矩时,为纯电制动,电机平衡方程为

Tbe=KI (14)

$L{}_{\text{m}}\dot{{\rm I}}=-R{}_{\text{m}}{\rm I}-{\rm K}\omega +U{}_{\text{a}}(15)$

式中,K为电机扭矩常数;I为回馈电流;Lm为电机电感;Rm为电机电阻;Ua为电机制动防抱死控制输入电压。

I由所需的制动力矩(制动强度)、储能器充电状态决定。将式(15)的解代入式(14),再将纯电制动时制动力矩Tbi代入式(12)中可得到Ua的表达式,即电机制动防抱死控制规律:

$\begin{array}{l}U{}_{\text{a}}=\frac{R{}_{\text{m}}}{{\rm K}\delta i{}_{0}i{}_{\text{g}}}[r{}_{\text{w}}A\lambda {}_{i}F{}_{\text{z}i}+\frac{J{}_i}{v}\frac{\omega {}_i}{m}{\displaystyle \sum A}\lambda {}_{i}F{}_{\text{z}i}+\\ \eta \frac{J{}_i}{r{}_{\text{w}}}v\text{s}\text{a}\text{t}(\frac{\lambda {}_{\text{t}\text{h}}-\lambda {}_i}{\text{ϕ}})]+{\rm K}\omega (16)\end{array}$

当前轴所需的制动力矩大于电机所能提供制动力矩时,采用机电复合制动,仍由电机来实现汽车防抱死制动控制,液压系统产生的制动力矩为

Tbn=kpp (17)

式中,kp为制动器制动因数;p为制动液压缸压力。

电机防抱死制动控制为对Ua的控制:

$\begin{array}{l}U{}_{\text{a}}=\frac{R{}_{\text{m}}}{{\rm K}\delta i{}_{0}i{}_{\text{g}}}[r{}_{\text{w}}A\lambda {}_{i}F{}_{\text{z}i}+\frac{J{}_i}{v}\frac{\omega {}_i}{m}{\displaystyle \sum A}\lambda {}_{i}F{}_{\text{z}i}+\\ \eta \frac{J{}_i}{r{}_{\text{w}}}v\text{s}\text{a}\text{t}(\frac{\lambda {}_{\text{t}\text{h}}-\lambda {}_i}{\text{ϕ}})-k{}_{p}p]+{\rm K}\omega (18)\end{array}$

当紧急制动时,为了制动可靠和提供较大的制动力矩,由机械制动单独完成制动,将式(17)代入式(11)可得其控制规律为

$\begin{array}{l}p=\frac{r{}_{\text{w}}A\lambda {}_{i}F{}_{\text{z}i}}{k{}_p}+\frac{1}{k{}_p}\frac{J{}_i}{v}\frac{\omega {}_i}{m}{\displaystyle \sum A}\lambda {}_{i}F{}_{\text{z}i}+\\ \eta \frac{J{}_i}{k{}_{p}r{}_{\text{w}}}v\text{s}\text{a}\text{t}(\frac{\lambda {}_{\text{t}\text{h}}-\lambda {}_i}{\text{ϕ}})(19)\end{array}$

4 仿真与试验

基于上述控制方法,进行了仿真计算,表1所示为仿真中的主要参数。

图4为低路面附着系数(0.3)下,电机制动防抱死控制电压Ua随时间变化规律曲线。图5为电机参与防抱死控制和不参与防抱死控制时车轮轮速变化规律,电机参与防抱死控制制动时防抱死制动效果与单纯液压ABS制动基本一样,且电机参与防抱死控制后,相同条件下车速波动较小,说明采用电机防抱死制动响应速度较快。

为了进行集成控制器调试与性能比较,在本课题组建立的汽车能量再生制动试验台上进行了在环仿真试验。试验中用负载电机模拟路面工况,惯性飞轮模拟汽车惯性,开关磁阻电机为辅助制动电机,采用超级电容与蓄电池并联的复合储能器回收制动能量,试验系统平台,如图6所示。

在一个制动循环中,分别对集成的控制和不集成控制方式(即RBS不能进行防抱死控制)进行比较试验。因为一个制动循环中制动能量不多,试验系统由超级电容单独完成储能功能,这样便于测试比较。试验结果用超级电容能量状态值(state of energy,SOE)表示,制动初速度为100km/h,制动强度分别取0.1g、0.3g、0.5g、0.8g(g为重力加速度),路面附着系数取0.7,初始能量状态均为0,充电环境温度、湿度保持不变,测试结果如表2所示。

参考文献

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能量再生制动 篇5

1 能量回馈装置的分类和应用

由于轨道交通站距短,车辆频繁起停,车辆制动时有大量的动能以再生制动方式转换为电能返送到直流接触网上,为了充分利用这部分制动能量,国内外提出了许多再生制动能量利用方案,大致分为三类:

1.1 能耗型

能耗型再生制动能量利用装置采用DC/DC斩波器和能耗电阻,将不能被相邻车辆吸收利用的多余制动能量消耗到电阻上,从而维持直流电压的稳定。

1.2 逆变回馈型

逆变回馈型采用DC/AC逆变器和隔离变压器将车辆制动产生的直流电能转换为交流电能,馈入交流电网达到再次利用的目的。逆变回馈型再生制动能量利用装置能够最大程度实现车辆制动能量的再利用,可作为无功补偿设备和牵引整流器来使用,提高设备的利用效率。

1.3 储能型

储能型再生制动能量利用装置采用双向DC/DC变流器和超级电容(或者飞轮)将车辆制动时的能量存储起来,待车辆牵引时释放出来。根据储能介质不同可分为超级电容储能型和飞轮储能型,飞轮储能型技术难度大、功率小、成本高。超级电容储能型再生制动能量利用装置仅与直流系统相连,不存在电能倒送问题,得到了国内外广泛研究和应用。

2 并网方式对能量回馈的影响和分析

目前,国内外对于DC1500/DC750V制式地铁供电系统,根据逆变回馈系统并网电压等级不同,可分为中压并网(35k V/10 k V)和低压并网(400V)两种方案。

2.1 独立回路中压并网(35k V/10 k V)

独立回路中压并网整套系统包括回馈变流器、隔离变压器和开关柜。地铁制动时供电系统直流母线上的制动能量经过回馈变压器、隔离变压器转换为交流电馈入AC35 k V/10 k V电网,达到节能目的。这种方式适用于中压采用集中供电方式的地铁线路,由于集中供电方式中压网络的容量大,有能力消耗掉回馈产生的瞬时功率,容易解决电能倒送的问题。回馈能量的冲击不会对中压电网造成重大影响,还可以使这部分能量在自己的中压网络中重新优化分布使用,这种并网方式可以最大程度的回馈机车制动能量。

2.2 共用整流变压器并网(1180V/590V)

共用整流变压器并网方案采用地铁制动能量经回馈变流器、隔离变压器转换为AC1.18 k V/0.59 k V,再通过整流变压器将制动能量回馈至中压网络。该方案将制动能量直接回馈至整流变压器1180V侧,间接回馈至35k V电网。这种方式也适用于中压采用集中供电方式的地铁线路。该方式中回馈系统与牵引系统共用整流变压器,由于整流变压器支持一侧低压绕组和高压绕组单独运行,且过载能力达300%/1min,因此这种方案也可以较大程度的回馈制动能量,并且无需采用昂贵的中压变压器及中压开关柜,投资成本低。

2.3 低压并网(400V)

低压并网方案通过回馈变流器和变压器的转换,将制动能量回馈至400V低压配电系统,供车站动力与照明系统使用,剩余能量通过400V配电变压器回馈至中压电网。该方案可在一定范围内利用制动回馈能量,且回馈电压等级低,变压器和开关柜实现相对简单,成本低。但400V低压配电网容量远小于回馈能量的尖峰潮流,这将抬高低压系统电压至非正常值,甚至使得低压系统停止工作。因此在低压系统电压被抬高到一定程度后,就必须启动地面电阻消耗多余能量。

3 再生制动能量回馈装置在地铁中的应用

3.1 工作原理及工作过程

为了尽量减少再生能馈装置对既有线路运行的影响,将车辆再生制动电能的回馈通路与既有牵引变电所整流通路分离,再生能馈装置交流侧通过中压开关柜接入轨道交通供电系统的中压交流供电网络,直流侧通过直流开关柜连接直流牵引网正极、通过能馈直流柜连接直流牵引网负极。

在列车正常发车起动及运行时,再生能馈装置不工作,二极管整流机组工作,向直流牵引电网馈能,给车辆提供牵引电能,此时电能转化为车辆的动能。当车辆采用电制动时,列车的动能转化为电能,回馈到直流牵引电网,这些能量将引起直流电网电压升高。再生制动电能利用系统检测到直流网压升高到设定值,确定列车处于制动状态时,回馈功能开始启动,将这部分制动能量回馈到中压交流电网中,此过程中二极管整流机组反向截止,停止工作。当制动能量回馈完毕,直流网压降到设定值时,再生制动电能利用系统停止回馈功能转入待机态,等待执行下一次回馈任务。

3.2 能量回馈系统不影响继电保护装置的实施方案

装置设置单独的回馈通路,与既有牵引变电所内的整流通路分离,回馈通路的继电保护基本独立于其他供电系统,设备正常运行时,依靠封锁脉冲、自身内部断路器、能量回馈支路上中压开关柜及直流开关柜实现能量回馈支路的保护,不影响其他继保装置的工作;当再生能馈装置故障时,通过装置自身输出分闸信号,依据故障级别分断中压能馈支路或直流开关柜,从而切除能量回馈支路,在此过程中不联跳其他中压开关和直流开关、也不影响其他继保工作;当再生能馈装置对应开关柜分断或母线失压时,装置采用同步信号检测、判断母线侧频率、幅值变化,能够在200ms内响应故障,并封锁脉冲,退出运行,不影响母联备自投(国标在2s内)及其他继保装置的正常工作。装置在投入时间的涌流变化率因直流侧限流电抗器及控制器中的di/dt控制,不大于正常机车启动时的电流变化率。

3.3 能量回馈系统不影响供电系统电压升高的实施方

针对直流母线系统,再生能馈装置在正常运营时,采用电压外环控制,可在装置功率范围内稳定直流母线电压,不会引起直流母线电压升高。电压外环作为控制外环,通过测量逆变器实际输出的直流电压,与设定的稳定电压值比较,进行闭环控制,并给出电流内环的有功电流给定值,使得整套装置能够按照设定的稳压值进行输出,在额定功率范围内,达到稳定直流母线电压的目的。装置在直流侧设置较大的支撑电容,能够稳定直流输出电压,并设置有直流侧过压保护的硬件电路及软件保护,在自身产生过压时,能快速断开直流侧的快速断路器,不会引起供电系统电压升高,不会影响车辆正常运行及系统正常工作。

4 结语

目前国内外均已开展了地铁再生制动能量回馈吸收装置的研究,并且已经将该技术和产品应用到了实际工况。随着国内对地铁节能、环保要求,以及回馈装置产品的逐步应用,地铁能量回馈技术以及其带来的经济效益和作用效果必将逐步得到验证和显现。

参考文献

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能量再生制动 篇6

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0引言

目前在我国城市轨道交通总运营费用的13%~17%用于电力消耗[1], 城市轨道交通中的用电可分为牵引用电与辅助设备用电。据上海地铁运营线路的数据统计, 机车运行时的牵引用电占到了总用电量的50%~60%, 是主要的用电部分, 而空调、通风、照明等辅助设备约占总用电量的40%~50%[2]。地铁车辆在运行过程中, 由于站间距离较短, 列车的起制动频繁, 因此制动能量相当可观。

目前, 地铁再生制动能量回馈吸收的代表技术主要分为逆变至城市中压网和低压负荷两类。本文将逆变得到的三相交流电并入地铁动力照明系统中去 (低压负荷类) , 逆变器的控制回路采用基于SVPWM的双环PI控制策略, 具有响应速度快、波形畸变率低、调制深度较高、开关损耗低等优点。

1逆变回馈系统的构成及其工作原理

当地铁车辆再生制动时, 直流牵引网电压会升高, 这时通过并联在直流侧的三相电压型逆变器, 将地铁再生制动产生的能量逆变回馈到交流电网中去, 能够实现制动能量的吸收利用。为减少整流装置产生的高次谐波对电网及其设备的不利影响, 目前城市轨道交通牵引供电系统中广泛采用24脉波整流机组为机车供电。

逆变回馈型再生制动是将逆变装置与牵引网直流母线相连接, 直流电通过三相电压型逆变器后将变换成三相交流电。由于逆变器由多个开关器件构成, 因此在逆变过程中会产生谐波电流, 这里采用无阻尼LCL型滤波器对其滤波。然后将滤波后的三相交流电并入地铁动力照明系统, 其间需加设一台变压器, 该变压器主要是将得到的电压降至所需的380V, 其次将两侧进行电气隔离, 起隔离变压器的作用。图1为逆变回馈型再生制动能量吸收系统的主电路原理图。

逆变回馈型再生制动能量吸收系统的工作原理为:当地铁机车再生制动时, 再生制动能量会使直流牵引网电压升高, 当电压超过某一设定值时并网逆变器工作并从直流牵引网吸收电流, 这样地铁再生制动产生的能量最终回馈到380V交流电网;同时直流牵引网的电压会下降并稳定在设定值, 这将确保机车直流牵引供电系统的安全与稳定, 防止机车再生制动失效。

2并网逆变器控制原理分析

2.1基于SVPWM的双环控制结构

在三相对称静止坐标系的数学模型中, 由于并网逆变器交流侧的物理量均随时间的变化而变化, 因此控制系统的设计比较复杂。为了简化控制系统的设计, 我们可以通过坐标变换将其转换到与电网基波频率同步的旋转d, q坐标系中, 即通过坐标变化将三相静止坐标系中的交流变量转化为同步旋转坐标系中的直流变量。在与电网电压矢量同步的旋转d, q坐标系中, 对逆变器的输出电流利用同步矢量电流PI控制器调节后再施行闭环控制, 以实现有功与无功的解耦, 使并网逆变器的输出功率因数为1。

图2为逆变并网控制系统的回路图。控制回路采用采用基于SVPWM控制的双环结构, 外环控制直流牵引网的电压, 而内环控制逆变器的输出电流。这里把参考电压值Vdef设为1620V, 实时采集牵引网电压udc信号, 然后将参考电压Vd与牵引网电压udc送入比较器, 实时比较牵引网电压幅值是否超过设定值, 用来判断逆变器是否触发启动, 比较得到的误差通过PI调节器调解得到电流参考值iref。电压外环有两个作用:一是为电流内环提供一个参考电流值, 二是稳定直流牵引网的电压。三相交流电的实际电流值iabc经dq解耦后得到电流有功分量id, 与iref比较后通过PI调节再经过电网电压前馈补偿得到Vd。而在并网过程中希望尽可能多的产生有功, 因此将电流的无功分量iq与0比较后通过PI调节再经过电网电压前馈补偿得到Vq、Vd、Vq通过Park逆变换得到Vα、Vβ, 然后将Vα、Vβ信号送入SVPWM调制, 得到6路脉冲信号用来触发逆变器的开关元件。

2.2SVPWM原理

三相全桥电压型逆变器 (其拓扑结构如图3所示) 由6个功率开关管构成, 同一桥臂的上、下两个开关管 (如S1、S2) 互锁, 而且任意时刻只有3个开关器件导通, 因此逆变器只有8种开关状态。假如每相上桥臂的开关器件用“0”表示关断状态, 用“1”表示导通状态, 那么这8种开关状态可用100、110、010、011、001、101以及000和111来表示。每种开关状态对应一个电压空间矢量, 对应的这8个电压空间矢量如图4所示。

图4中的电压空间矢量由两个位于复平面中心且幅值为零的零矢量U0、U7以及6个相位互差60°、幅值相等的基本矢量U0~U6构成, 它们把复平面化分为6个扇区I~VI, 形成一个正六边形。

这里采用基于线性组合的SVPWM控制策略, 其原理是在每一个开关周期内, 通过对两个相邻基本电压矢量与零矢量之间的切换进行合理地控制使其逼近旋转参考矢量Uref, 让合成的电压矢量运动轨迹尽量地接近圆形。以扇区I为例, 在一个周期内Uref可由基本电压矢+量U4、U6及零矢量U0、U7合成, 通过控制逆变器输出电压矢量U4、U6及U1、U7的切换时刻, 就可以逼近参考电压Uref。则有:

式中:T0、T4、T6、T7分别为电压矢量U0、U4、U6、U7的作用时间, Ts为采样周期。

3仿真模型的建立及分析

3.1仿真模型的建立

利用MATLAB中的Simulink库和Sim Power Systems库搭建逆变回馈型再生制动能量吸收系统的主电路仿真模型, 如图3所示。主电路主要由三相全桥电压型逆变器、无阻尼LCL型滤波器以及隔离变压器组成。逆变器由6个IGBT器件构成, 能将牵引网中直流电变换成交流;由于逆变器输出的交流电中含有大量的谐波, 所以设置了无阻尼的LCL型滤波电路对其进行滤波, 其后加设一台变压器, 其目的是可将得到的电压降至所需380V, 其次充当隔离变压器的作用。

根据图2逆变并网控制回路原理图, 搭建如图6所示的基于电流内环电压外环的逆变并网的控制模型, 为主电路中三相逆变器提供脉冲触发信号。

控制回路部分参数设置如下:设直流牵引网电压参考值U*dc=1620V;K1取值为LCL无源阻尼的虚拟电阻值10.67, K2=K3=ωL=2πf L=2.04;Ud取直流电压的倍约为1324V;PLL为锁相环模块;SVPWM为空间矢量控制模块, 主要由扇区判断模块, 矢量作用时间计算模块、PWM波产生模块组成。

3.2仿真结果分析

机车制动时反馈的能量会导致直流牵引网中的电压升高, 仿真中做如下假设:

1) 机车以恒定的减速度制动。

2) 只有一辆地铁机车制动时, 按要求仅一套逆变回馈机组工作。

3) 据某客运站单列车以初速度80km/h模拟制动时数据显示, 直流牵引网电压超过1700V, 这里假设为1750V。

逆变器输出的三相电压如图8所示, 图9为无阻尼LCL型滤波器输出侧的三相电压波形, 由于LCL滤波器的加入, 滤除了高次谐波, 可以看出其输出电压波形已接近于正弦波。

降压变压器并网侧的输出电压波形如图10所示, 说明其电压已成功逆变并网至动力照系统380V电网中;图11为列车制动能馈型逆变器工作时牵引网电压变换波形, 当t=0 (s) 时地铁机车制动, 牵引网电压超过1620V达到1750V, 逆变器进入逆变状态, 由图11的仿真波形可以看出牵引网电压稳定较快, 电压值达到1750V后升迅速下降并稳定在目标值1620V左右, 基本达到了预期效果。

4结论

这里针对城市轨道交通地铁机车再生制动的特点, 搭建了基于SVPWM控制的逆变回馈型再生制动能量吸收系统的仿真模型。仿真结果验证了该控制方法的有效性和可行性, 该方案能够有效地抑制直流牵引网电压的波动, 快速稳定直流母线电压, 同时回馈能量给交流电网, 提高了系统的效率。

摘要：本文首先对城市轨道交通地铁再生制动能量逆变回馈吸收系统的构成及工作原理进行了分析, 然后在MATLAB中搭建了基于SVPWM控制的逆变回馈型再生制动能量吸收系统的仿真模型 (包括主电路和控制电路模型) 。仿真结果表明:该模型能满足地铁列车再生制动能量的吸收利用以及达到稳定牵引网电压的要求, 可为实际工程问题提供参考。

关键词：SVPWM,逆变回馈,再生制动能量

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能量再生制动 篇7

1 纯电动汽车电液制动系统分析

纯电动汽车在使用过程中完全依赖电能作为动力。从传统角度看, 机械式摩擦制动系统在很多方面都存在运行隐患, 并会对纯电动汽车本身造成较大的影响。纯电动汽车的电液制动系统更好地弥补了机械制动系统的不足之处, 并适应了车载系统融合的发展趋势, 为纯电动汽车的运行提供了更多的帮助。博世开发的EHB系统是比较常见的电液制动系统。在该系统的运行中, 车轮制动器与制动踏板不属于机械连接, 主要使用制动踏板模拟器感知驾驶员的制动意向, 并将信息传递至电子控制单元, 控制单元可在运行过程中根据内置控制策略发出相应的控制命令, 从而控制相应的制动执行机构, 最终提供所需的制动力。因此, 纯电动汽车的电液制动系统较好地满足了车辆的制动需求。

2 电液制动系统再生制动控制策略

目前, 虽然纯电动汽车将电液制动系统的积极作用发挥了出来, 但并不表示该系统无任何缺陷。长期运行后发现, 电液制动控制系统存在一定的漏洞——无法充分利用制动能量, 在客观上造成了浪费, 这并不是纯电动汽车的最终诉求。因此, 应对纯电动汽车电液制动系统再生制动控制策略进行研究, 实现浪费制动能量的重新应用, 为纯电动汽车的运行提供更多的保障。

2.1 基于机械式摩擦制动系统的控制策略

对于纯电动汽车电液制动系统再生制动控制, 提出了3种制动能量回收控制策略, 即理想制动力分配曲线控制、最大化能量回收和并行分布的控制策略。根据电动汽车的制动ECE法规和限制条件, 提出了并行分布控制策略、再生制动控制策略和电动车最大化能量回收制动力分配策略。以上制动能量回收的控制策略具有的共同特点为:制动能量回收过程受ECE制动法规的限制, 制动能量回收未最大化, 这是因为机械摩擦制动系统与电动液压制动系统相比, 无法独立控制各个车轮的制动转矩、立即掌握车辆的工作状态和缺点, 进而无法确保汽车制动的安全限制制动能量回收。

2.2 电液制动对制动能量回收的影响

对于电液制动对制动能量回收的影响, 应从以下2方面着手改善: (1) 为了能在实际工作中更加充分地回收制动能量, 必须减少施加在驱动轴上的摩擦制动力。摩擦制动力作为传统的制动手段, 应在多方面予以优化, 从而提高回收制动能量的有效性, 保证纯电动汽车在运行过程中实现较高的制动水平。 (2) 电液制动过程是完全可控的, 因此, 应精确控制施加给各个车轮的制动力。同时, 为了在实际工作中更好地处理相关问题, 可在制动前判断地面施加给前、后轴的最大地面制动力, 以保证制动效果不出现波动。

3 结束语

本文对纯电动汽车电液制动系统再生制动控制策略进行了讨论, 从现有的工作看, 再生制动控制正向着非常积极的方向发展, 阶段性的成果也被投入到了纯电动汽车的研究中, 并取得了一定的成果。在未来的工作中, 需将再生制动控制工作与其他的工作相结合, 制订健全的系统和实施方案, 从而保证纯电动汽车具有更好的性能, 实现经济效益和社会效益的双创收。

参考文献

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