基于超级电容的轨道交通制动能量回收系统的研究
基于超级电容的轨道交通制动能量回收系统的研究(任务书,开题报告,论文16000字)
摘要
近年来，城市持续扩张引发了一系列交通拥堵问题，城市轨道交通的建设脱颖而出。城市轨道交通具有速度快，运量大，准点守时，污染小等一系列优势，对于改善城市交通起到了巨大的作用。随着可持续发展战略的提出，在保证轨道交通高效运行的情况下，使之更加节能，更加环保已经迫在眉睫，基于超级电容的轨道交通制动能量回收系统则应运而生。
超级电容作为一种新型的电力电子储能元件，超级电容的功率密度比一般蓄电池高10倍不止，而且超级电容的充放电时间非常短暂，而电机在轨道交通的应用中起动制动频繁，超级电容因其可以提供瞬间高功率符合电机要求。因此，超级电容非常适合用于轨道交通领域。
本课题在充分了解研究超级电容以及直流电机的特点的基础上，基于超级电容仿真设计制动能量回收系统。再对轨道交通进行动力学分析，通过Matlab Simulink搭建其动力学仿真模型，确定其可回收利用的能量。与此同时，给出超级电容组的数学模型。经过详细分析制动能量回收系统的工作原理，确定控制策略，通过DC/DC斩波器和励磁电流电流的控制，实现轨道交通正常制动状态下对超级电容充电，如果需要还可以引入PID控制。最后利用Matlab Simulink和SimpowerSystem工具箱搭建制动能量回收系统的仿真模型，设计参数，得到仿真图并进行结果的分析，对基于超级电容的轨道交通制动能量回收系统进行可行性论证，并对该系统做出应用展望。 [资料来源：http://doc163.com]
关键词：轨道交通 超级电容 DC/DC斩波器 励磁电流 PID控制 Matlab仿真
Abstract
Recently, rail transport has taken a great opportunity to develop for the urbanization and the traffic congestion. Rail transport has a great impact on improving urban traffic because of the advantage that the rail transport has like high speed, large capacity, punctual schedule, little pollution and so on. With the appeal of Sustainable Development Strategy, rail transport brake energy recovery system based on super capacitor emerges to help the rail transport use less energy.
As a new type element for energy storage, super capacitor has 10 times higher power density and 100 times higher charge and discharge rate than those of average battery. Considering the super capacitor meets the requirements of DC machine which usually needs running and stopping, the super capacitor will have a promise future in the area of rail transport.
The system simulation design based on super capacitor is the key point of this paper. Through the feature of super capacitor and DC machine, we can construct the dynamic simulation model by analyzing the dynamic details of rail transport. We can determine the control strategy, which will help us charge the super capacitor in a proper time, after knowing the work principle of rail transport brake energy recovery system based on super capacitor. If we need, we can also take PID control into consideration. At last, with the help of Matlab Simulink and SimpowerSystem tool box, the simulation model of brake energy recovery system can be constructed and waveforms can be taken. By analyzing these waveforms, we can know whether we should use this system in real life and the disadvantage of it and make the application prospect of this system.
Key Words: Rail transport; Super capacitor; DC/DC chopper; Excitation current; PID control; Matlab simulation
目录
摘要 I
Abstract II
第一章 绪论 1
1.1 综述 1
1.2 课题背景 1
1.2.1 世界城市轨道交通的发展 1
1.2.2 我国城市轨道交通的发展 2
1.2.3 可持续发展下的城市轨道交通 2
1.2.4 轨道交通目前的缺陷 4
1.2.5 超级电容的出现 5
1.3 课题意义 6
1.3.1 超级电容在能量回收系统中的新应用 6 [版权所有：http://DOC163.com]
1.3.2 超级电容在能量回收系统的意义 6
1.4 国内外研究现状 6
1.5 论文主要内容 8
第二章 超级电容的研究 10
2.1 超级电容原理 10
2.2 超级电容分类 11
2.3 超级电容特性 12
2.4 超级电容主要参数 12
2.5 本课题所用的超级电容 13
第三章 直流电机的研究 14
3.1 简介 14
3.2 直流电机励磁方式 14
3.3 直流电机的工作原理 15
第四章 制动能量回收系统数学模型建立 16
4.1 地铁动力学分析 16
4.1.1 地铁运行阻力分析 16
4.1.2 地铁可回收利用的能量确定 17
4.2 超级电容基准容量的确定 20
4.3 超级电容的串并联 20
4.4 超级电容时间常数的确定 21
第五章 制动能量回收系统控制策略 23
[资料来源：http://Doc163.com]
5.1 DC/DC斩波器 23
5.1.1 Boost升压斩波器 23
5.1.2 Buck降压斩波器 24
5.1.3 DC/DC斩波器的控制方式 25
5.2 制动能量回收系统分析 27
5.3 制动能量回收系统中的PID控制 29
5.3.1 励磁电流的PID控制 29
5.3.2 电枢电流的PID控制 30
5.4 采用降压斩波器的制动能量回收系统 30
5.4.1 斩波器控制规律 30
5.4.2 励磁电流控制规律 31
第六章 制动能量回收系统仿真模型建立 32
6.1 地铁运行的仿真参数 32
6.2 直流电机模型的参数选择 32
6.3 超级电容组的确定 33
6.4 DC/DC斩波器的参数选择 35
6.5 地铁制动能量回收系统的仿真模型 36
第七章 制动能量回收系统仿真结果分析 39
7.1制动能量回收系统仿真结果 39 [来源：http://Doc163.com]
7.2 制动能量回收系统仿真结果分析 42
7.2.1 能量回收率 42
7.2.2 能量损耗分析 42
7.2.3 PID控制效果分析 44
第八章 结论 45
8.1 论文结论 45
8.2 前景展望 46
致谢 47
参考文献 48