基于超级电容的现代有轨电车充电装置的设计

发布时间：2017-09-22 00:32

  本文关键词：基于超级电容的现代有轨电车充电装置的设计

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【摘要】：超级电容器作为新兴的储能元件,由于其电容量极大,功率密度高,能够实现快速大电流充电,以及充电无记忆效应,越来越受到市场的青睐,此外,超级电容器还具有容量配置灵活、易于实现模块化设计、循环使用寿命长、工作温度范围宽、环境友好、免维护的优点,这些优点特性使其能够跟适于苛刻的工作环境。近几年来,随着碳纳米技术的不断发展更新,超级电容器的制造成本大幅的降低,而其功率密度和能量密度却得到大幅的提升,这些都将进一步拓展并加快超级电容器在新型电力储能方面的应用,其应用的场景也越来越广阔。将超级电容器应用于城市轨道交通系统中,在国外早有先例,但在国内,才刚刚起步,超级电容器应用于城市轨道交通中有两种工作方式,一种是将超级电容器储能模块串联在城市轨道交通系统的接触网中,吸收列车制动时的能量,避免浪费,在接触网电压有跌落时,释放出能量,保证接触网电压的稳定,起到“削峰填谷”的作用,这种工作模式称为地面式,另一种是将超级电容储能模块直接放在列车上,利用超级电容充电快速的特点,在列车进站停靠,乘客上下车的短时间内为超级电容器模块充满电,这种工作模式没有接触网,只在每一站建有充电装置,这种工作模式又被称为车载式。本文将针对武汉T1线车载超级电容有轨电车,设计一套为车载超级电容储能模块充电的装置,并仿真验证其可行性。本文首先构建了超级电容器单体模型,并仿真验证了其性能,无论是哪一种工作方式,超级电容单体由于其最大电压以及能量密度都比较小,都不足以满足工作需求,因此需要将超级电容器单体串并联以达到能量和电压等级要求,本文给出了计算超级电容阵列的功率约束法和能量约束法,并根据计算两种方法,求得了超级电容单体的数量和串并联方式。此外对超级电容储能装置充电,需要相应的DC/DC变流装置以根据相应的超级电容储能装置环境和工况灵活地选择恒流充电模式,恒压充电模式以及恒功率充电模式,本文比较和分析了地面式和车载式两种工作方式下的DC/DC变流装置的拓扑结构以及工作原理,对现代有轨电车的单级DC/DC充电电路的储能电感和滤波电容进行计算选型,并仿真验证,此外,为了满足充电装置在工作中能根据不同工况选择不同的充电模式,笔者建立了Buck充电电路的数学模型,并求得了充电过程中的状态方程,得到了传递函数,并给出了电流内环,电压外环的控制策略。最后,介绍了成套有轨电车充电装置的构成,工作原理以及操作逻辑,并搭建了成套充电装置的模型,并仿真计算,得到了充电过程中超级电容器储能模块两端电压和充电电流的波形图,通过与样机的实际波形对比分析,达到了预期的设计要求,另外本文也给出了交流侧和直流侧相应故障的保护措施。
【关键词】：超级电容器 有轨电车 DC/DC变流器 充电装置 恒流充电 恒压充电
【学位授予单位】：中国舰船研究院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U482.1;TM53
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-11
• 第一章 绪论11-14
• 1.1 课题研究背景及意义11
• 1.2 国内外研究现状11-12
• 1.3 本文主要工作12-14
• 第二章 有轨电车供电模式介绍14-18
• 2.1 有轨电车供电系统概述14-15
• 2.2 有轨电车整流机组结构15-17
• 2.2.1 十二脉整流和二十四脉整流分析15-16
• 2.2.2 储能式有轨电车整流机组的几种结构16-17
• 2.3 本章小结17-18
• 第三章 超级电容及充电装置分析18-30
• 3.1 超级电容器概述18-24
• 3.1.1 超级电容的性能分析19-21
• 3.1.2 超级电容的模型21-24
• 3.2 DC/DC变流器介绍24-28
• 3.2.1 有轨电车充电站概述及模型26-27
• 3.2.2 超级电容充电模式浅述27-28
• 3.3 本章小结28-30
• 第四章 有轨电车充电方案设计30-48
• 4.1 系统主回路30-31
• 4.2 24脉整流机组建模仿真31-32
• 4.3 Buck充电电路模块的参数设计与仿真32-35
• 4.3.1 储能电感参数的设计32-33
• 4.3.2 滤波电容参数设计33-34
• 4.3.3 Buck充电模块主要参数的仿真验证34-35
• 4.4 超级电容器充电特性分析35-42
• 4.4.1 超级电容模块容量配置35-38
• 4.4.2 超级电容器储能模块充电仿真分析38-42
• 4.5 Buck充电电路控制策略研究42-47
• 4.5.1 Buck充电电路数学模型42-44
• 4.5.2 Buck充电电路控制模型44
• 4.5.3 Buck充电电路控制策略44-47
• 4.6 本章小结47-48
• 第五章 有轨电车充电装置建模仿真与实现48-58
• 5.1 成套充电装置的结构48-50
• 5.2 充电装置充电模型的搭建与仿真50-55
• 5.2.1 成套充电装置构成50-51
• 5.2.2 成套充电装置的建模与仿真计算51-55
• 5.3 充电装置的实现与验证55-57
• 5.4 本章小结57-58
• 第六章 总结与展望58-60
• 6.1 全文工作总结58
• 6.2 展望58-60
• 致谢60-61
• 参考文献61-64
• 攻读硕士学位期间发表的论文64

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本文编号：897784