城市轨道交通应急牵引电源系统研究

作     者：张淑昊 

作者单位：北京交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：邱瑞昌

授予年度：2024年

学科分类：08[工学] 0814[工学-土木工程] 082301[工学-道路与铁道工程] 0823[工学-交通运输工程] 

主      题：城市轨道交通 应急牵引 交错并联Boost 前馈控制 均流控制 

摘      要：随着城市轨道交通的快速发展以及人们生活水平的日益提高,对于地铁列车的安全性也提出了更高的要求。地铁列车大多运行于地下,当列车供电系统瘫痪时,只能停在原地等待救援车辆救援,乘客的安全将受到严重威胁。由于地铁列车的数量快速增加,库内调车的需求也日益增加。因此研究一套地铁列车的应急牵引电源系统具有重要意义。传统的动力电池牵引系统或者由于动力电池电压低难以完成牵引功能,或者因为动力电池容量小实现不了运行至下一站台的目标。鉴于此,本文基于地铁列车应急牵引的实际需求,设计一套应急牵引电源系统,该系统可实现列车应急牵引至站台的目标,也可用于列车的库内调车,具有广阔的应用前景。 首先,根据地铁列车应急牵引的设计需求,对地铁列车应急牵引的运动阶段进行建模计算,得出应急牵引阶段的能耗以及功率,并据此完成动力电池的配置。根据牵引计算的结果以及电源系统对纹波的需求,结合交错并联电路的纹波分析进行主电路拓扑设计,选用九路交错并联拓扑,可极大减小输入电流以及输出电压的纹波,适用于高功率场景,方便器件选型。完成主电路功率器件的选型设计,并以额定功率的工作占空比区间为例分析交错并联变换器的工作原理以及工作模态。 其次,对交错并联系统的综合控制策略进行研究,重点研究了并联均流策略以及动态响应能力提升策略。使用状态空间法对交错并联Boost变换器进行小信号建模,推导占空比对电感电流、输出电压的传递函数。对交错并联变换器并联支路之间的均流问题进行分析,推导其不均流原因,并在常见的均流策略的基础上,提出基于独立电流内环的均流策略。设计电压电流双闭环控制器,对电源系统负载突变时以及工作在断续电流模式下的动态响应进行分析并采用前馈控制器提高系统的动态响应能力。利用MATLAB软件进行仿真分析,验证本文所提的基于并联均流与动态响应能力提升的交错并联系统综合控制策略。 最后,搭建电源样机,完成应急牵引电源系统的硬件设计与软件设计,搭建实验平台,分别在实验室环境以及北京地铁13号线测试环境下进行实验,验证应急牵引电源系统的功能。通过仿真、实验和装车测试结果,本文所研究的基于交错并联Boost变换器的应急牵引电源系统具有良好的稳态性能与动态响应能力,能适应地铁列车的不同运行工况,实现列车在无电情况下应急牵引的目标。 图81幅,表14个,参考文献57篇。