矿用超级电容电机车驱动与充电系统一体化拓扑优化控制的研究

There are many problems in present mine battery electric locomotive and its charging system, such as large energy consumption, small capacity of journey, short service life of battery, and battery electric locomotive motor drive system and the storage battery charging device for separating. This project proposes a new research of "Mine electric locomotive driving system and hybrid topology of integrated super capacitors charging equipment ". It is using the hardware structure of driving system of mine battery electric locomotive traction newly makes the charging device, which completed motor driven, high power factor charging, harmonic suppression, and other functions, This research propose a new hybrid topology structure of motor drive and batteries charging, aiming at the mine super capacitors electric locomotive with permanent magnet synchronous motor drive system. The project plans to design efficient charging device with single-stage high power isolated PFC and ripple suppression, to establish the dynamic mathematical model of integrated hybrid topology, to reveal the multi-objective interaction control mechanism of the mine electric locomotive driver, high power factor charging of super capacitors and ripple governance, to design multi-objective interaction control strategy. On the basis of constructing experimental system of motor drive and batteries charging mixing topology structure, use the method of theory analysis and simulation, and carry out exploratory and innovation research, in order to make the systematic research results to provide new theory and new technology for the development of mine super capacitors electric locomotive.

针对目前矿用蓄电池电机车及充电系统存在能耗/体积大、续航能力小、蓄电池使用寿命短等问题，以及电机车电机驱动系统和蓄电池充电装置分离的应用现状，提出研究“矿用超级电容电机车驱动系统与充放电一体化混合拓扑”，即利用矿用电机车牵引驱动系统的硬件结构重新构成充电装置，分别完成电机驱动、高功率因数充电、纹波抑制等功能。本项目将以具有永磁同步电机驱动系统的矿用超级电容电机车为研究对象，提出驱动与充电一体化混合拓扑结构；研究设计具有单级大功率隔离PFC及纹波抑制的高效充电装置；建立一体化混合拓扑的动态数学模型，揭示矿用超级电容电机车驱动、高功率因数充电与纹波治理的多目标控制交互作用机理，设计多目标协调控制策略。在构建实验系统的基础上，结合理论分析和仿真方法，开展探索性和创新研究，形成矿用超级电容电机车驱动系统与高效充电一体化混合拓扑的系统性研究成果，为发展矿用超级电容电机车提供新理论与新技术。

该项目研究计划为以超级电容器为储能装置、以永磁同步电机驱动的矿用电机车为研究对象，对电机车一体化车载充电拓扑结构进行了研究。首先通过构建矿用电机车永磁同步电机一体化车载充电拓扑结构，在不额外增加充电硬件设备的情况下，将驱动电机的三相绕组和逆变器的电路进行重构，变换成混合储能车载整流、逆变、电机驱动的一体化拓扑结构，获得了高功率因数的快速充放电、输入电流纹波小等功能，解决矿用蓄电池电机车充电设备庞大、充电质量效率低、能效转换比低、续航能力差等问题。. 进而研究了矿用电机车超级电容器和铅酸蓄电池的混合储能方案。提出以蓄电池组输出静态功率、超级电容器组输出动态功率的互补式输出功率分配方案。采用了一种双向三电平DC/DC变换器，来实现超级电容器组的电流和功率控制。研究结果显示这种混合储能系统能很好地实现电机车不同工况条件下的功率需求，满足了电机车的瞬态功率需求；由于超级电容器能及时回收制动和减速时的电能，使电机车的续驶里程比传统蓄电池电机车增加了20%。. 综合上述研究结果，本课题为矿用蓄电池电机车提出了一种新型的混合储能方案、以及车载充电与驱动高效一体化拓扑结构，为矿用蓄电池电机车的技术升级提供了新的技术方法，为矿用超级电容电机车的实际应用奠定了坚实的工作基础。项目研究进展顺利，完成了预期研究目标；项目资助发表核心以上论文10篇（EI检索2篇），申请发明专利4项，已授权2项，培养硕士研究生10名。

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