CRH2型动车组再生制动过程仿真研究
|
摘要
动车组是由带动力的动车和不带动力的拖车构成的固定编组列车,按照其动力来源又可以分为内燃动车组(Diesel Multiple-Unit)与电力动车组(Electric Multiple-Unit)两大类。从最早的法国内燃动车组(DMU)投入实际使用算起,其已经诞生接近50年了。在这50年中,动车组以其安全、舒适、便利等特点在世界上许多国家和地区得到了广泛的运用。
在目前动车组所采用的制动方式中,再生制动是唯一的一种向电网回馈能量的制动方式。相对于传统空气制动来说,其相关部件的磨耗程度较小,回馈的能量能够得到重新利用,对于资源与能源的节约都有很大好处,所以已经日渐成为了交-直-交传动电动车组的主要制动形式。
本论文以南车集团青岛四方机车车辆股份有限公司生产的CRH2型高速动车组再生制动过程为研究对象,在CRH2型动车组复合制动中,所采用的电制动方式即为再生制动。在其再生制动过程中,由处于再生制动工况的牵引电机发出的三相交流电经过三相三电平逆变器时被整流成为直流电进入中间直流环节,经过直流环节后再由单相三电平脉冲整流器将其逆变为单相交流电通过牵引变压器原边绕组送入列车电网供给正处于牵引或者加速工况的其它机车使用。牵引电机在发电的同时产生制动转矩,对列车施加制动作用。论文对该过程中,列车主要器件的工作模式和控制原理进行了比较深入的研究,其中包括该型动车组所用单相三电平整流器瞬态直接电流控制、三相三电平逆变器SVPWM调制以及牵引电机矢量控制策略。
本文首先介绍了国内外动车组的运行现状与它们所使用的制动方式的发展过程,分析了几种常见制动方式的制动原理以及它们各自的优缺点；在此之上对CRH2型动车组所采用的制动方式进行了详细的分析,对其在不同载荷、不同运行速度及不同制动级别下,制动时所需制动力进行了计算；在对CRH2型动车组再生制动控制系统进行了较深入的研究之后,利用计算机仿真技术在Matlab/Simulink软件平台上,按照CRH2型动车组实际参数搭建了该型动车组再生制动系统主要元器件的仿真模型,通过运行该模型对CRH2型动车组再生制动过程中,所能产生的电制动力大小进行了模拟计算,最终得出了该型动车组再生制动过程中电-空制动力分配曲线,明确了列车空气制动介入的时间与大小。
EMUs are constructed by motor cars and trailer cars,and generally not disintegrated until overhaul. Dated from the earliest French DMUs into actual use, EMU has been born for nearly50years. Because of its safety, comfortable, convenience and other features,EMUs have been widely used in the world in the past50years. After the16th National Congress of Communist Party of China, Our country's high-speed railway has won a golden developing opportunity to achieve leapfrog development.
This paper researchs on the regenerative braking of CRH2typed EMU,which ordered by the Ministry of Railway in China from the Kawasaki Heavy Industries in Japan and re-designed by our own railway engineers during the sixth national railway speed-up.
This paper introduces the general structure of the EMUs and describes the brake operation status-quo of the EMUs both in and abroad. Analyzes of several common methods of braking principles and introduces their advantages and disadvantages also.On top of that,this paper aims to the regenerative braking system of the CRH2typed EMUs,makes a deep study of the three-level rectifier's transient direct current control principle and the three-level inverter's space vector pulse width modulation principle and also the traction motor's vectos control principle.
The CRH2typed EMUs adopt regenerative braking as their electric braking method.Durning the braking, the three-phase alternating current which comes from the traction motor is turned into direct current when it goes through the three-level inverter,then the direct current goes through the DC link,and turned into single-phase alternating current by the three-level rectifier at last,single-phase alternating current is sended to the train power grid. Regenerative braking is the only kind of braking which sends energy back to the power grid,compared to the tradition air brake methods,the regenerative braking doesn't have the wear of the components,the energy which is senged back can be re-used by other trains,so it becomes to the major method of braking for the AC-DC-AC transmission EMUs.
After have make a deeply research on the CRH2typed EMU's break control system,a regenerative braking system simulation model has been build by myself on the software environment of Matlab. The model has been run and obtained the Current waveform voltage waveform during the breaking.
在目前动车组所采用的制动方式中,再生制动是唯一的一种向电网回馈能量的制动方式。相对于传统空气制动来说,其相关部件的磨耗程度较小,回馈的能量能够得到重新利用,对于资源与能源的节约都有很大好处,所以已经日渐成为了交-直-交传动电动车组的主要制动形式。
本论文以南车集团青岛四方机车车辆股份有限公司生产的CRH2型高速动车组再生制动过程为研究对象,在CRH2型动车组复合制动中,所采用的电制动方式即为再生制动。在其再生制动过程中,由处于再生制动工况的牵引电机发出的三相交流电经过三相三电平逆变器时被整流成为直流电进入中间直流环节,经过直流环节后再由单相三电平脉冲整流器将其逆变为单相交流电通过牵引变压器原边绕组送入列车电网供给正处于牵引或者加速工况的其它机车使用。牵引电机在发电的同时产生制动转矩,对列车施加制动作用。论文对该过程中,列车主要器件的工作模式和控制原理进行了比较深入的研究,其中包括该型动车组所用单相三电平整流器瞬态直接电流控制、三相三电平逆变器SVPWM调制以及牵引电机矢量控制策略。
本文首先介绍了国内外动车组的运行现状与它们所使用的制动方式的发展过程,分析了几种常见制动方式的制动原理以及它们各自的优缺点；在此之上对CRH2型动车组所采用的制动方式进行了详细的分析,对其在不同载荷、不同运行速度及不同制动级别下,制动时所需制动力进行了计算；在对CRH2型动车组再生制动控制系统进行了较深入的研究之后,利用计算机仿真技术在Matlab/Simulink软件平台上,按照CRH2型动车组实际参数搭建了该型动车组再生制动系统主要元器件的仿真模型,通过运行该模型对CRH2型动车组再生制动过程中,所能产生的电制动力大小进行了模拟计算,最终得出了该型动车组再生制动过程中电-空制动力分配曲线,明确了列车空气制动介入的时间与大小。
EMUs are constructed by motor cars and trailer cars,and generally not disintegrated until overhaul. Dated from the earliest French DMUs into actual use, EMU has been born for nearly50years. Because of its safety, comfortable, convenience and other features,EMUs have been widely used in the world in the past50years. After the16th National Congress of Communist Party of China, Our country's high-speed railway has won a golden developing opportunity to achieve leapfrog development.
This paper researchs on the regenerative braking of CRH2typed EMU,which ordered by the Ministry of Railway in China from the Kawasaki Heavy Industries in Japan and re-designed by our own railway engineers during the sixth national railway speed-up.
This paper introduces the general structure of the EMUs and describes the brake operation status-quo of the EMUs both in and abroad. Analyzes of several common methods of braking principles and introduces their advantages and disadvantages also.On top of that,this paper aims to the regenerative braking system of the CRH2typed EMUs,makes a deep study of the three-level rectifier's transient direct current control principle and the three-level inverter's space vector pulse width modulation principle and also the traction motor's vectos control principle.
The CRH2typed EMUs adopt regenerative braking as their electric braking method.Durning the braking, the three-phase alternating current which comes from the traction motor is turned into direct current when it goes through the three-level inverter,then the direct current goes through the DC link,and turned into single-phase alternating current by the three-level rectifier at last,single-phase alternating current is sended to the train power grid. Regenerative braking is the only kind of braking which sends energy back to the power grid,compared to the tradition air brake methods,the regenerative braking doesn't have the wear of the components,the energy which is senged back can be re-used by other trains,so it becomes to the major method of braking for the AC-DC-AC transmission EMUs.
After have make a deeply research on the CRH2typed EMU's break control system,a regenerative braking system simulation model has been build by myself on the software environment of Matlab. The model has been run and obtained the Current waveform voltage waveform during the breaking.
引文
1]罗晓峥,沈祥林,漳舟云.交流传动车辆电气制动综述[J].城市轨道交通研究,2004(1)：73-75
2]邹仁.四象限变流器瞬态电流控制的仿真研究[J].机车电传动,2003(6)：17-20
3]孙睿,王月明.动车组制动技术的研究[J].机电产品开发与创新,2008(2)：17-19
4]李培曙,刘转华.高速动车组引进制动系统技术控讨[J].铁道车辆,2004(5)：29-33
5]冯晓云,王利军,葛兴来,李官军.高速动车组牵引传动控制系统的研究与仿真[J].电气传动,2008(11)25-28
6]韩钊,沈志军.浅谈高速动车组的制动方式及特点[J].铁道标准设计研究,2004(3)：69-71
7]李春阳.高速电动车组的发展及其在我国的应用探讨[J].机车电传动,2003.9(5)：14-17
8]许均武,邓小军,鄢桂珍,邓学寿.CRH2型200km/h动车组[J].机车电传动,2007.5(3)：39-45
9]邓小军.国产化CRH2型200km/h动车组及设计创新[J].机车电传动,2008(1)：1-7
10]王俊勇,张昕.动车组制动系统技术分析探讨[J].铁道车辆,2004(5)：29-33
11]战成一.CRH2型200km/h动车组制动系统[J].机车电传动,2009(1)：4-9
12]谢贤良.AGV法国新一代高速动车组[J].铁道知识,2008(5)：38-39
13]孙睿,王月明.动车组制动技术的研究[J].机电产品开发与创新,2008(3)：17-19
14]宋文胜,冯晓云,王立军,葛兴来.基于SPWM调制的三电平四象限变流器研究与仿真[J].机车电传动,2007(4)：22-25
15] B R Lin, Hsin-Hung Lu. A Novel PWM Scheme for Single-Phase Three-Level 5ower-Factor Correction Circuit[J]. IEEE Trans.Ind.Electron,2000,47(2):245-252
16]李芾,安琪.国内外高速动车组的发展[J].电力机车与城轨车辆,2007-30(5)：1-5
17] Lin B R, Yang T Y. Single-Phase switching mode multilevel rectifier with a high power factor[J]. IEEE Proc-Electr.Power Appl, 2005(152):447-454
[18]冯江华,陈高华.大功率交流传动系统[J].机车电传动,2003(5)：46-50
[19]刘子健,桂武明.电压型四象限变流器的计算机仿真[J].电力机车与城市轨道车辆,2003(1)：25-26
[20]李永东,肖曦,高跃.大容量多电平变换器原理、控制和应用[M].北京：科学出版社,2005.10
[21]宋文祥,陈国呈,陈陈.基于矢量合成的三电平空间矢量调制方法[M].电工技术学报,2007(10)：91-96
[22]吴学智,刘亚东,黄立培.三电平电压型逆变器空间矢量调制算法的研究[M].北京：机械工业出版社,2003.10
[23]陈亚爱,李政学,李正熙,周京华.三电平逆变器空间矢量控制算法的仿真研究[J].北方工业大学学报,2002(4)：16-19
[24]林磊,邹云屏,钟和清,邹旭东,丁凯.二极管箝位型三电平逆变器控制系统研究[J].中国电机工程学报,2005.25(15)：33-39
[25]Akira Nabac, Isao Takahashi, Hirofumi Akagi. A New neutral-point clamped PWM Inventer[J]. IEEE Trans.on Industry Applications,1981.17(5):518-523
[26]Nikola Celanvic, Dushan Boroyevich. A Fast Space-Vector Modu;ation Algorithm for Multilevel Three-Phase Converters[J]. IEEE Trans.on Industry Applications, VOL.37, NO.2, March.2001:637-641
[27]F Wang. Sine-Triangle vs.Space Vector Modulation for Three-Level PWM Voltage Source Inverters[J]. IEEE Trans.on Industry Applications, IEEE,2000:2482-2488
[28]李官军,冯晓云,王利军,陈世浩.高速动车组恒速控制策略的研究与仿真[J].机车电传动,2007(5).12-15
[29]周志刚,路国锋,何荣泰.异步电机磁场定向前解耦控制系统的研究[J].电机与控制学报,2002.6(3)：204-207
[30]王跃,董强,王一波,王汝锡,杨君,王兆安.基于间接磁场定向的电力牵引系统的研究[J].电工电能新技术,2006.25(1)：9-12
[31]陈伯时.电力拖动自动控制系统[M].北京：机械工业出版社,1999.5
[32]沈本荫.现代交流传动及其控制系统[M].北京：中国铁道出版社,1997.10
[33]高景德,王祥贤,李发海.交流电机机器系统的分析[M].北京：清华大学出版社, 1993.8
[34]李永东.交流电机数字控制系统[M].北京：机械工业出版社,2002.4
[35]Venkataraman R, Ranmaswami B, Hotlz J. Electonric Analog Slip Calculator for Induction Motor Drives[J]. IEEE Trans.on Industry Applications,1980, IECI-27(2):110-116
[36]Beck M, Naunin D. A New Method for the Calculation of the Slip Frequence for a Sensories Speed Control of a Squirrel-cage Induction Motor [J]. IEEE Power Electronics Specialists Conference.1985:678-683
[37]Ishida M, Iwatak. A New Slip Frequence Detector of an Induction Motor Utilizing Rotor Slot Harmonics[J]. IEEE Transactions on Industry Applications.1984, IA-20(3):575-581
[38]王利军.高速动车组再生制动工况变流器控制算法研究与实现.西南交通大学硕士论文,2008
[39]李官军.高速动车组牵引工况变流器控制算法研究与实现.西南交通大学硕士论文,2008
[40]曹霞.CRH2-300型动车组的牵引/制动性能研究.西南交通大学硕士论文,2010
[41]黄栋杰.200公里级CRH2型动车组制动控制系统的研究.西南交通大学硕士论文,2010
[42]张川宝.高速动车组牵引传动系统的研究与仿真.北京交通大学硕士论文,2011
[43]谷杨心.高速列车制动力再分配方法的研究.北京交通大学硕士论文,2010
[44]段博.三电平PWM整流器控制策略的研究.西安理工大学硕士论文,2010
[45]江平.动车组三电平牵引变流器的建模仿真与控制.华东交通大学硕士论文,2008
[46]李启明.三电平SVPWM算法研究及仿真.合肥工业大学硕士论文,2007
[47]吴敏.基于空间电压矢量法的三电平逆变器控制策略研究.合肥工业大学硕士论文,2006
[48]王智.二极管箝位式三电平逆变器PWM控制的研究.合肥工业大学硕士论文,2006
[49]宛春明.三电平变换器SVPWM关键技术研究.合肥工业大学硕士论文,2008
[50]陶然.基于DSP的三电平SVPWM逆变器的研究.合肥工业大学硕士论文,2007
[51]孙睿,王月明.动车组制动技术研究.机电产品开发与创新,2008.3(2)：17-19
[52]王孝延,吴萌岭,赵慧祥.2型高速动车组的制动力分配和可靠性建模[J].同济大学学报,2010.9(8)：1360-1362
[53]何国军,王旭峰.CRH2动车组三电平PWM整流器仿真及谐波分析.电力学报,2010.(6)：454-456
[54]杨颖.交流传动与交直传动电力机车的技术经济性对比.电力机车技术,2001.(1)：4-6
[55]潘燕.单相三电平整流器建模及MATLAB仿真实现.变流技术与电力牵引,2007.(2)：11-14
[56]H. P. Zhang, Mitsuru Senoo, Kotaro Kurihara. Development of Model Selection Software of Pneumatic Components. Harbin Institute of Technology.3rd International Symposium of Fluid Power Transmission and Control (ISFP 99),1999:566-571
[57]H.P.Grace and C.E.Lapple. Discharge coefficients for small-diameter orifices and flow nozzles. ASME,73:639~647
[58]Bideaux.W, Scavarda.S. Pneumatic library forAMESim. American Society of M-echanical Engineers. The Fluid Power and Systems Technology Division
[59]缆接制动系统—性能要求.国外铁道车辆.2005
[60]张晓燕.客车制动系统的建模和仿真研究.西南交通大学硕士论文.2011
2]邹仁.四象限变流器瞬态电流控制的仿真研究[J].机车电传动,2003(6)：17-20
3]孙睿,王月明.动车组制动技术的研究[J].机电产品开发与创新,2008(2)：17-19
4]李培曙,刘转华.高速动车组引进制动系统技术控讨[J].铁道车辆,2004(5)：29-33
5]冯晓云,王利军,葛兴来,李官军.高速动车组牵引传动控制系统的研究与仿真[J].电气传动,2008(11)25-28
6]韩钊,沈志军.浅谈高速动车组的制动方式及特点[J].铁道标准设计研究,2004(3)：69-71
7]李春阳.高速电动车组的发展及其在我国的应用探讨[J].机车电传动,2003.9(5)：14-17
8]许均武,邓小军,鄢桂珍,邓学寿.CRH2型200km/h动车组[J].机车电传动,2007.5(3)：39-45
9]邓小军.国产化CRH2型200km/h动车组及设计创新[J].机车电传动,2008(1)：1-7
10]王俊勇,张昕.动车组制动系统技术分析探讨[J].铁道车辆,2004(5)：29-33
11]战成一.CRH2型200km/h动车组制动系统[J].机车电传动,2009(1)：4-9
12]谢贤良.AGV法国新一代高速动车组[J].铁道知识,2008(5)：38-39
13]孙睿,王月明.动车组制动技术的研究[J].机电产品开发与创新,2008(3)：17-19
14]宋文胜,冯晓云,王立军,葛兴来.基于SPWM调制的三电平四象限变流器研究与仿真[J].机车电传动,2007(4)：22-25
15] B R Lin, Hsin-Hung Lu. A Novel PWM Scheme for Single-Phase Three-Level 5ower-Factor Correction Circuit[J]. IEEE Trans.Ind.Electron,2000,47(2):245-252
16]李芾,安琪.国内外高速动车组的发展[J].电力机车与城轨车辆,2007-30(5)：1-5
17] Lin B R, Yang T Y. Single-Phase switching mode multilevel rectifier with a high power factor[J]. IEEE Proc-Electr.Power Appl, 2005(152):447-454
[18]冯江华,陈高华.大功率交流传动系统[J].机车电传动,2003(5)：46-50
[19]刘子健,桂武明.电压型四象限变流器的计算机仿真[J].电力机车与城市轨道车辆,2003(1)：25-26
[20]李永东,肖曦,高跃.大容量多电平变换器原理、控制和应用[M].北京：科学出版社,2005.10
[21]宋文祥,陈国呈,陈陈.基于矢量合成的三电平空间矢量调制方法[M].电工技术学报,2007(10)：91-96
[22]吴学智,刘亚东,黄立培.三电平电压型逆变器空间矢量调制算法的研究[M].北京：机械工业出版社,2003.10
[23]陈亚爱,李政学,李正熙,周京华.三电平逆变器空间矢量控制算法的仿真研究[J].北方工业大学学报,2002(4)：16-19
[24]林磊,邹云屏,钟和清,邹旭东,丁凯.二极管箝位型三电平逆变器控制系统研究[J].中国电机工程学报,2005.25(15)：33-39
[25]Akira Nabac, Isao Takahashi, Hirofumi Akagi. A New neutral-point clamped PWM Inventer[J]. IEEE Trans.on Industry Applications,1981.17(5):518-523
[26]Nikola Celanvic, Dushan Boroyevich. A Fast Space-Vector Modu;ation Algorithm for Multilevel Three-Phase Converters[J]. IEEE Trans.on Industry Applications, VOL.37, NO.2, March.2001:637-641
[27]F Wang. Sine-Triangle vs.Space Vector Modulation for Three-Level PWM Voltage Source Inverters[J]. IEEE Trans.on Industry Applications, IEEE,2000:2482-2488
[28]李官军,冯晓云,王利军,陈世浩.高速动车组恒速控制策略的研究与仿真[J].机车电传动,2007(5).12-15
[29]周志刚,路国锋,何荣泰.异步电机磁场定向前解耦控制系统的研究[J].电机与控制学报,2002.6(3)：204-207
[30]王跃,董强,王一波,王汝锡,杨君,王兆安.基于间接磁场定向的电力牵引系统的研究[J].电工电能新技术,2006.25(1)：9-12
[31]陈伯时.电力拖动自动控制系统[M].北京：机械工业出版社,1999.5
[32]沈本荫.现代交流传动及其控制系统[M].北京：中国铁道出版社,1997.10
[33]高景德,王祥贤,李发海.交流电机机器系统的分析[M].北京：清华大学出版社, 1993.8
[34]李永东.交流电机数字控制系统[M].北京：机械工业出版社,2002.4
[35]Venkataraman R, Ranmaswami B, Hotlz J. Electonric Analog Slip Calculator for Induction Motor Drives[J]. IEEE Trans.on Industry Applications,1980, IECI-27(2):110-116
[36]Beck M, Naunin D. A New Method for the Calculation of the Slip Frequence for a Sensories Speed Control of a Squirrel-cage Induction Motor [J]. IEEE Power Electronics Specialists Conference.1985:678-683
[37]Ishida M, Iwatak. A New Slip Frequence Detector of an Induction Motor Utilizing Rotor Slot Harmonics[J]. IEEE Transactions on Industry Applications.1984, IA-20(3):575-581
[38]王利军.高速动车组再生制动工况变流器控制算法研究与实现.西南交通大学硕士论文,2008
[39]李官军.高速动车组牵引工况变流器控制算法研究与实现.西南交通大学硕士论文,2008
[40]曹霞.CRH2-300型动车组的牵引/制动性能研究.西南交通大学硕士论文,2010
[41]黄栋杰.200公里级CRH2型动车组制动控制系统的研究.西南交通大学硕士论文,2010
[42]张川宝.高速动车组牵引传动系统的研究与仿真.北京交通大学硕士论文,2011
[43]谷杨心.高速列车制动力再分配方法的研究.北京交通大学硕士论文,2010
[44]段博.三电平PWM整流器控制策略的研究.西安理工大学硕士论文,2010
[45]江平.动车组三电平牵引变流器的建模仿真与控制.华东交通大学硕士论文,2008
[46]李启明.三电平SVPWM算法研究及仿真.合肥工业大学硕士论文,2007
[47]吴敏.基于空间电压矢量法的三电平逆变器控制策略研究.合肥工业大学硕士论文,2006
[48]王智.二极管箝位式三电平逆变器PWM控制的研究.合肥工业大学硕士论文,2006
[49]宛春明.三电平变换器SVPWM关键技术研究.合肥工业大学硕士论文,2008
[50]陶然.基于DSP的三电平SVPWM逆变器的研究.合肥工业大学硕士论文,2007
[51]孙睿,王月明.动车组制动技术研究.机电产品开发与创新,2008.3(2)：17-19
[52]王孝延,吴萌岭,赵慧祥.2型高速动车组的制动力分配和可靠性建模[J].同济大学学报,2010.9(8)：1360-1362
[53]何国军,王旭峰.CRH2动车组三电平PWM整流器仿真及谐波分析.电力学报,2010.(6)：454-456
[54]杨颖.交流传动与交直传动电力机车的技术经济性对比.电力机车技术,2001.(1)：4-6
[55]潘燕.单相三电平整流器建模及MATLAB仿真实现.变流技术与电力牵引,2007.(2)：11-14
[56]H. P. Zhang, Mitsuru Senoo, Kotaro Kurihara. Development of Model Selection Software of Pneumatic Components. Harbin Institute of Technology.3rd International Symposium of Fluid Power Transmission and Control (ISFP 99),1999:566-571
[57]H.P.Grace and C.E.Lapple. Discharge coefficients for small-diameter orifices and flow nozzles. ASME,73:639~647
[58]Bideaux.W, Scavarda.S. Pneumatic library forAMESim. American Society of M-echanical Engineers. The Fluid Power and Systems Technology Division
[59]缆接制动系统—性能要求.国外铁道车辆.2005
[60]张晓燕.客车制动系统的建模和仿真研究.西南交通大学硕士论文.2011