城市軌道車輛電阻制動能量回收試驗系統(tǒng)研究*

方 宇,陳曉麗,宋瑞剛,堯輝明,楊 儉

(上海工程技術(shù)大學(xué) 城市軌道交通學(xué)院,上海201620)

本文在城市軌道車輛模擬牽引系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,對城市軌道車輛電阻制動能量回收試驗系統(tǒng)進(jìn)行了研究,擬通過此試驗系統(tǒng)對城市軌道車輛模擬牽引單元電阻制動能量進(jìn)行回收,并加以合理利用。

1 城市軌道車輛模擬牽引系統(tǒng)基本原理

30 kW城市軌道車輛模擬牽引系統(tǒng)基本原理如圖1所示,包括牽引整流逆變單元、牽引電機(jī)等。該試驗系統(tǒng)可以模擬車輛實際運(yùn)行工況中的牽引電機(jī)運(yùn)行狀態(tài),對所測得數(shù)據(jù)的分析可用于指導(dǎo)實際牽引、制動工況中的控制研究。

模擬TCU的主要作用是控制牽引電機(jī)和負(fù)載電機(jī)按照現(xiàn)有車輛ATO模式運(yùn)行,3級飛輪模擬車輛運(yùn)行在AW0(空載)、AW1(滿載)、AW2(超載)3種工況下的機(jī)車轉(zhuǎn)動慣量。

該系統(tǒng)的基本工作原理如下:

(1)當(dāng)牽引時,將交流電整流逆變后,變壓變頻驅(qū)動控制牽引電機(jī);當(dāng)制動時,牽引電機(jī)變?yōu)榘l(fā)電機(jī),通過整流將交流電轉(zhuǎn)換成直流電,同樣運(yùn)行阻力加載過程也是將交流電整流逆變后,由模擬TCU單元變壓變頻驅(qū)動控制負(fù)載電機(jī),該電機(jī)用于模擬車輛實際運(yùn)行時的阻力加載。

(2)通過機(jī)械控制方式來改變3級飛輪的檔次以模擬實現(xiàn)車輛慣量加載3種工況。利用模擬TCU單元對車輛牽引和制動的各種參數(shù)進(jìn)行設(shè)定和測量,并通過實施相應(yīng)的控制策略,使該系統(tǒng)模擬城市軌道車輛現(xiàn)有ATO或手動運(yùn)行模式的要求。

圖1 城市軌道車輛模擬牽引系統(tǒng)原理圖

2 城市軌道車輛電阻制動能量回收試驗系統(tǒng)設(shè)計

在城市軌道車輛模擬牽引系統(tǒng)研制的基礎(chǔ)上,對城市軌道車輛電阻制動能量回收試驗系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計,該系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)如圖2所示,主要包括儲能單元、控制單元、用電器及其輔助電源等。

2.1 試驗系統(tǒng)儲能單元

試驗系統(tǒng)儲能單元主要包括電雙層電容器組及其接口電路、監(jiān)測系統(tǒng)等。電雙層電容器組在試驗系統(tǒng)中的主要作用是對城市軌道車輛模擬牽引系統(tǒng)實施電阻制動時,將過去由發(fā)電機(jī)產(chǎn)生并消耗在制動電阻上的能量進(jìn)行存儲,并利用放電回路對其加以合理利用。

電雙層電容器組由若干單體容量為2 400 F的電雙層電容器(EOLC:Electric Double Layer Capacitor)采用串并聯(lián)的形式所組成,在儲能組件中的每組電雙層電容器上均裝有旁路電流達(dá)100 A的平衡電路板,以均衡在串聯(lián)工作狀態(tài)下每支電雙層電容器上的工作電壓,保證電雙層電容器的工作安全。

圖2 城市軌道車輛電阻制動能量回收試驗系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

儲能單元提供有與牽引單元的接口電路,同時分別提供兩路DOWN和UP的干接點信號以供進(jìn)一步控制開發(fā)使用,其中DOWN干接點信號對應(yīng)電雙層電容器組工作起始狀態(tài),UP干接點信號對應(yīng)電雙層電容器組工作截止?fàn)顟B(tài),其中DOWN干接點信號對應(yīng)電壓可在一定范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)。

2.2 試驗系統(tǒng)控制單元

試驗系統(tǒng)控制單元主要以AT89S51單片機(jī)系統(tǒng)為核心構(gòu)建,其外圍電路又包括光耦隔離、大功率高速開關(guān)及其驅(qū)動模塊等。

單片機(jī)系統(tǒng)的前向通道與后向通道均采用光耦隔離芯片將其與輸入、輸出部分隔開,以保證其數(shù)據(jù)采集、控制的精確性。在牽引整流逆變單元與電雙層電容器組、制動電阻之間的切換采用大功率的集成IGBT模塊,該模塊可以采用5 V的單片機(jī)系統(tǒng)直接驅(qū)動,電雙層電容器組、輔助電源與用電器之間的切換根據(jù)用電器的形式(交、直流)差異,采用大功率的MOSFET芯片或固態(tài)繼電器。

2.3 城市軌道車輛電阻制動能量回收試驗系統(tǒng)基本工作原理

(1)系統(tǒng)初始狀態(tài)

系統(tǒng)初始狀態(tài)時,在控制單元的作用下,關(guān)斷開關(guān)模塊1,導(dǎo)通開關(guān)模塊2,牽引單元與制動電阻連通,如牽引單元制動產(chǎn)生電能則首先通過制動電阻釋放,以保證系統(tǒng)工作安全。開關(guān)模塊3關(guān)斷,開關(guān)模塊4導(dǎo)通,同樣首先采用輔助電源向相關(guān)用電器供電。

(2)系統(tǒng)工作狀態(tài)

系統(tǒng)控制單元循環(huán)檢測電雙層電容器組電壓:當(dāng)采集到電雙層電容器組有DOWN干接點信號輸出時,導(dǎo)通開關(guān)模塊1,關(guān)斷開關(guān)模塊2,牽引單元制動時通過DC/DC充電電路向電雙層電容器組充電,控制單元接著繼續(xù)判斷電雙層電容器組系統(tǒng)是否輸出UP干接點信號:

(a)如沒有,執(zhí)行以下操作:保持“導(dǎo)通開關(guān)模塊1,關(guān)斷開關(guān)模塊2”的狀態(tài)不變,然后,同時開關(guān)模塊3導(dǎo)通,開關(guān)模塊4關(guān)斷,電雙層電容器組開始向用電器供電;

(b)當(dāng)檢測有UP干接點信號輸出時,執(zhí)行以下操作:關(guān)斷開關(guān)模塊1,導(dǎo)通開關(guān)模塊2,牽引單元與制動電阻連通,其制動產(chǎn)生的電能通過制動電阻得以釋放。保持放電電路狀態(tài),處理完畢后返回主循環(huán)繼續(xù)檢測并執(zhí)行相應(yīng)動作。

3 城市軌道車輛電阻制動能量回收試驗

試驗研究是基于城市軌道交通車輛模擬牽引系統(tǒng)和電阻制動能量回收試驗系統(tǒng)進(jìn)行的。主要研究車輛牽引速度、轉(zhuǎn)矩、制動電流等參數(shù)的變化規(guī)律,通過測試的數(shù)據(jù),進(jìn)而計算出制動及回收的能量。試驗之前要進(jìn)行如下幾個方面的設(shè)置:

(1)牽引曲線設(shè)置

通過模擬TCU單元控制前面板中的曲線設(shè)置窗口,輸入牽引運(yùn)行曲線控制函數(shù),模擬車輛ATO運(yùn)行工況。因試驗重點是考察牽引與電阻制動過程,故對運(yùn)行曲線進(jìn)行簡化設(shè)置,其運(yùn)行曲線如圖3所示,最高轉(zhuǎn)速可達(dá)1 500 r/min。

圖3 試驗臺模擬輸入的城市軌道車輛AT O運(yùn)行曲線

(2)慣量設(shè)置

通過牙嵌式離合器機(jī)械換擋的方式來改變3級飛輪的加載檔次,牙嵌式離合器同時設(shè)有機(jī)械鎖死機(jī)構(gòu),防止飛輪轉(zhuǎn)動過程中發(fā)生橫向移動和碰撞。

(3)控制方式設(shè)置

牽引電機(jī)由變頻調(diào)速系統(tǒng)按矢量控制方式,做轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制;負(fù)載電機(jī)(測功機(jī))變頻調(diào)速系統(tǒng)按DTC(直接轉(zhuǎn)矩控制)方式,做轉(zhuǎn)矩閉環(huán)控制,共同模擬牽引負(fù)載的互動變化。

牽引控制單元在電機(jī)制動時同樣有兩種電能處理方法,即回饋電網(wǎng)的再生制動和由制動電阻消耗的電阻制動,為方便試驗研究將牽引控制單元的制動方式直接設(shè)定為電阻制動。

圖4為在AW3工況下,利用回收試驗系統(tǒng)測量的車輛牽引模擬轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩曲線,可以看出該曲線與設(shè)置的運(yùn)行曲線(圖3)基本一致,圖中轉(zhuǎn)矩為負(fù)的區(qū)段:AB、CD、EF段代表制動區(qū)域。

圖4 AW3工況牽引轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩測試曲線

圖5為AW3工況下電阻制動能量回收測試曲線,對應(yīng)圖4中的制動區(qū)域,在圖5中均產(chǎn)生制動電流,相對應(yīng)制動能量明顯增加的區(qū)域分別為A1B1、C1D1段,最后一階段的制動區(qū)域由于速度較低,產(chǎn)生制動電流很小,故在圖中未加以標(biāo)注。

圖5 AW3工況電阻制動能量回收測試曲線

圖6 AW3工況電雙層電容器組充放電特性測試曲線

圖6為AW3工況下電雙層電容器組充放電特性測試曲線。在本試驗系統(tǒng)中的用電器為DC110 V(或AC110 V),考慮電雙層電容器組和用電負(fù)載的匹配關(guān)系,以及電雙層電容器組的深度壓降問題,將電雙層電容器組DOWN干接點信號輸出對應(yīng)電壓調(diào)整至130 V。可以看出,當(dāng)產(chǎn)生充電電流時,電雙層電容器組電壓有一段迅速升高過程,分別為A2B2、C2D2區(qū)域,最后一階段同樣由于制動電流太小,因此對應(yīng)在圖6中該階段的電雙層電容器組充電特性表現(xiàn)的也不明顯。從圖6還可以看出,當(dāng)電雙層電容器組儲能電壓高于130 V時,在控制單元的作用下開始對用電器供電,隨著供電時間的延長其電壓呈下降狀態(tài),當(dāng)儲能電壓降至130 V以下時,又在控制單元的作用下切換至輔助電源供電,而電雙層電容器組停止放電,得以保持電雙層電容器組的電壓。

4 結(jié)束語

在城市軌道車輛模擬牽引系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,對城市軌道車輛電阻制動能量回收試驗系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計。試驗結(jié)果表明利用該系統(tǒng)可以對城市軌道車輛模擬牽引系統(tǒng)電阻制動能量進(jìn)行有效回收,并提供給車輛用電器使用。該試驗系統(tǒng)的開發(fā)對城市軌道交通車輛電阻制動能量回收控制方法的研究具有一定的理論價值和現(xiàn)實意義。

[1] 殳企平.城市軌道交通車輛制動技術(shù)[M].上海:上海工程技術(shù)大學(xué)城市軌道交通學(xué)院,2005.

[2] 劉寶林.地鐵列車能耗分析[J].電力機(jī)車與城軌車輛,2007,30(4):65-68.