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城轨交通再生制动用飞轮储能电机控制研究
| 论文题名： | 城轨交通再生制动用飞轮储能电机控制研究 |
| 关键词： | 地铁车辆;再生制动;飞轮储能电机;控制策略 |
| 摘要： | 随着城轨交通的大规模普及和高速发展，其行车过程中庞大的能耗逐渐成为不可忽视的问题。而地铁车辆区间运行时间短，启停频繁，能产生大量可回收的制动能量，因此提高再生制动能量的利用率、减少电能的消耗是现代地铁运营系统亟待解决的问题。飞轮储能系统(Flywheel Energy Storage System,FESS)作为一种无污染、高功率密度的储能方式，在提升城轨再生制动能量利用率，抑制牵引网压波动等方面具有广阔的应用前景。 本文所述的飞轮储能电机(Flywheel Energy Storage Motor,FESM)采用高速永磁同步电机(Permanent Magnet Synchronous Motor,PMSM)，并以其为控制研究对象。在分析FESM的工作机理，推导其充、放电数学模型的基础上，针对FESM中存在的非线性、强耦合等问题，在国家自然科学基金项目(51707082，51877071)的资助下，开展相关研究。主要工作及研究成果如下： 首先，介绍了车载FESS的基本结构与工作原理，给出了FESM的数学模型，分析了影响FESM容量和功率的主要指标，为其充、放电控制系统的设计奠定了基础。 其次，以南京地铁1号线的法国产阿尔斯通A型车为工程应用背景，建立了机车动力学模型，分析了机车所受阻力和输出牵引/制动力之间的关系，定量计算了单车单次启停过程中的能量和功率的大小，并结合牵引供电系统的仿真结果，说明了设置能量回收系统对实现抑制牵引网压波动的必要性，最终确定了用于回收城轨交通再生制动能量的FESS设置方案和相应的匹配容量等基本性能参数。 再次，介绍了牵引电机在FESM中表现出的负载特性，并将其简化为等效直流模型，得出了FESM的变流器的功率平衡模型，据此直观地分析了充、放电工况下的FESM的电流、转矩特征。根据FESM充电工况下的性能要求，确定了以转速为首要控制指标的电机控制策略，概述了传统转速控制方法中的局限性，针对城轨运行工况特定背景下的转速要求，提出了基于超螺旋算法的二阶滑模转速控制，并详细阐述了其构建原理与稳定性。 最后，根据FESM放电工况下的性能要求，介绍了以母线电容电压为首要控制指标的电机控制原理，通过对传统PI控制下的电压闭环函数的缺陷分析，说明了提出改进双闭环滑模电压控制的必要性，通过仿真软件验证了所提方法的优越性。将牵引电机与FESM协同运行分析，通过网压波动的改善了最终验证了设置FESS对再生制动能量的有效性。 |
| 作者： | 崔强 |
| 专业： | 电气工程 |
| 导师： | 孙玉坤 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 江苏大学 |
| 学位年度： | 2020 |
| 正文语种： | 中文 |
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