【摘 要】
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随着我国城镇人口比重的快速上升,为缓解市民通勤压力,运量大、速度快的城市轨道交通正在高速建设中,有轨电车凭借其建造成本低、周期短的优势,成为当前主要在建制式之一。近年来为实现现代有轨电车的去接触网化,无线电能传输技术(Wireless Power Transfer,WPT)和混合储能系统(Hybrid Energy Storage System,HESS)两种新型供电技术被广泛关注,且已有研究期望
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随着我国城镇人口比重的快速上升,为缓解市民通勤压力,运量大、速度快的城市轨道交通正在高速建设中,有轨电车凭借其建造成本低、周期短的优势,成为当前主要在建制式之一。近年来为实现现代有轨电车的去接触网化,无线电能传输技术(Wireless Power Transfer,WPT)和混合储能系统(Hybrid Energy Storage System,HESS)两种新型供电技术被广泛关注,且已有研究期望通过结合两种技术以充分发挥二者的优势。目前针对动态无线供电(Dynamic Wireless Power Transfer,DWPT)系统的能效优化控制策略大多较为复杂,且很少考虑动态环境下HESS对有轨电车负载特性的影响。本文围绕混合储能式有轨电车动态无线供电系统展开研究,设计了一种并网式的DWPT系统电路拓扑,并基于该拓扑提出一种简单易行的系统供电功率控制方法,此外还对系统中的DC/DC环节进行了效率优化。首先,依据有源阻抗匹配原理,重点对比分析了基于SS、LCC-S、LCC-LCC拓扑的DWPT系统能效特性。接着对有轨电车运行时列车能量网络的电能流动进行分析,总结了HESS和牵引系统共同作用下的负载特性。最后基于LCC-LCC拓扑,通过在整流桥及车载直流母线间级联DC/DC环节,设计了一种并网式的DWPT系统拓扑,该拓扑下系统的供电功率易于控制且传输效率受功率变化影响小,并提出通过调节超级电容组电压控制DWPT系统供电功率的控制策略。其次,先是基于互补PWM策略控制副边Buck/Boost双向变换器处于临界模式,以降低级联DC/DC环节的传输损耗。后详细分析了临界模式下该变换器占空比及传输功率的极限范围,提出基于电阻参数的Buck/Boost双向变换器传输功率控制策略,该策略无需设计电流内环,相比直接调节占空比对变换器传输功率的控制更精确且呈线性,并基于该策略完成了超级电容组电压模糊控制器设计。进一步地,基于前述研究内容,通过Maxwell设计了一个原边为DD型线圈、副边为U型铁芯的导轨式耦合结构,并完成了以DSP28335芯片为核心的控制板,以及全桥逆变器、不控整流桥和Buck/Boost双向变换器功率板的硬件电路设计。最后,通过MATLAB/Simulink仿真验证了DWPT系统供电功率控制策略的可行性,测试了模糊控制器对超级电容组电压的控制效果,并搭建了小功率实验平台对仿真结论进行验证。实验结果表明:超容组电压在该模糊控制器的控制下动态及稳态性能均较好,且在超容组电压功率变化59%时,DWPT系统供电功率变化幅值达到50%,调控效果明显,同时DC/DC环节的传输效率在98%以上。
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