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本文目录如下：

目录

1 概述

1.1 电气系统动态分析

1.2 城市轨道交通供电系统

1.3 运行结果分析

2 运行结果

2.1 测试1

2.2 测试2

2.3 测试3

3 参考文献

4 Matlab代码、数据、文档讲解

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1 概述

1.1 电气系统动态分析

这个任务主要是深入学习课堂上所学的概念，并凸显嵌入式系统最显著的一个方面：大规模使用功率电子变换器。

应用将基于非常简单的示例进行，因此可以将时间仿真结果与课堂上学到的解析计算进行比较。仿真软件可能会使用PSIM，因为它易于使用并且性能非常优秀。

这个动态研究将涉及课程中讨论的带输入滤波器的串联斩波器的案例，其结构如下所示。同时也会提供这个斩波器的参数。

斩波器特性

E = 350 V 直流 功率 = 5 kW Vc = 28 V 直流

Lh = 290 H Ch = 400 F fh = 5 kHz

滤波器

Rf = 250 m Lf = 200 H Cf = 100 F RCf = 0

准备：

-考虑只有输出电压Vc通过调节斩波器的触发角α而得到调节，确定系统开环和闭环状态空间模型。

-根据系统参数确定平均模型的有效领域的最大频率。

-定义系统的两个动态性能要求书（响应时间，超调量，稳定裕度等）：

                         可以是调节

                         也可以是跟踪

(1) 分析研究：稳定性的模态方法

根据开环状态空间模型，计算参与因子和灵敏度，并对系统进行完整的稳定性分析。

特别需要注意系统中最关键的参数，并分析系统极点在这些参数相对于其名义值的100%变化后的移动。

(2) 系统控制

利用Matlab的Sisotool工具，设计两个控制器：

ü 要么具有良好的性能（响应时间，阻尼）；

ü 要么具有良好的鲁棒性（增益和相位裕度）。

分析使用这两个控制器的灵敏度函数S的频率响应。

(3) 仿真：验证

使用“validation_BF.sch”文件（PSIM仿真）对系统进行闭环仿真。

评估在负载扰动为5%或50%时，控制器的性能。分析在参数显著变化时（尤其是第2部分的关键参数）控制器的鲁棒性。

(4) 对系统的设计进行总结

1.2 城市轨道交通供电系统

考虑在长达1.5公里的试验线上移动CITADIS型有轨电车。车辆在接触网线上的电力功率（Pelec）如图1所示。

采样周期为1秒的采样剖面在文件donnees.mat中描述。计算可以在Matlab环境中进行。

1）特征化负载剖面

根据要提供的功率剖面，确定功率混合潜力（PHP）和能量混合潜力（PHE）。就混合动力传动系统与辅助源（储能）的选择以及技术的选择进行结论。

然后我们选择以下符号约定：

- 在牵引模式下Pelec为正（对应于储能的放电阶段）；

- 在制动模式下Pelec为负（对应于储能的充电阶段）。

2) 储能技术选择

使用spectre.m函数，确定负载剖面的频谱。就选择的储能技术进行结论。

接下来，我们假设剖面的平均功率将由连接到研究的有轨电车系统的EDF网络提供。剩下所需的功率将由考虑的储能提供。

选择处理以下3）或4）问题。最后还有一个共同的5）问题。

3) 超级电容储能

3.a) 计算：

- 在能量连接节点处计算的储能功率；

- 实际转换为储能的功率，假设超级电容的总体转换效率（转换器和储能介质的损耗）为95%；

- 在超级电容中实际储存的能量。

3.b) 推导出（不考虑电容组合的损耗）：

- 为执行任务所需的储存能量；

- 电容组合的总容量（平均放电深度为75%）；

- 在超级电容组合中充电或放电的最大功率；

- 根据表1中给出的技术要素，对超级电容组合进行尺寸设计（元件数量、建议的电压和电流、体积和总体积）。

3.c) 在这部分，我们选择对电容组合的损耗进行补偿。比较预期的在电容组合中实际储存的能量。重新进行3.b)点的计算，并研究对尺寸设计的影响。

元件容量 元件电压 串联电阻（ESR）

5000 F 2.5 V 350 μΩ

表1：EPCOS（B49410B2506Q000）元件的特征数据

4) 高功率密度电池的情况

4.a) 计算：

- 在能量连接节点处计算的储能功率；

- 实际转换为储能的功率，假设电池的总体转换效率（转换器和储能介质的损耗）为81%；

- 在电池中实际储存的能量；

- 考虑到充电状态饱和，电池组中的储能。为此，我们将任务开始时的能量设为零。可以比较实际储存的能量和通过饱和积分计算的能量之间的差距。

4.b) 推导出：

- 为执行任务所需的储存能量；

- 电池组的总容量（平均放电深度为50%）；

- 在电池组中充电和放电的最大功率；

- 根据表2中给出的技术要素，对电池组进行尺寸设计（元件数量、建议的电压和电流、体积和总体积）。可以在容量/放电功率平面上标出观察到的特征。我们不会试图优化所选择的电池的尺寸设计。

5) 研究尺寸设计对EDF网络提供的功率敏感度。可以通过每次修改±50%的设定值来进行研究。

1.3 运行结果分析

这部分是测试结果详细分析，见第4部分。

2 运行结果

2.1 测试1

2.2 测试2

2.3 测试3

部分代码：

close all
clc
clear
load Tram.mat
Pelec2=zeros(size(T,2),1);
for i=1:size(T,2)
    Pelec2(i,1)=T(1,i).pelec;
end
% Calculating the mean of the energ demand
Pmoy=mean(Pelec2)
figure

subplot(2,1,1) 
plot (Pelec2-Pmoy)
legend('Power provided by the storage device');
title('Power provided by the storage device');

ActualPelec2=zeros(size(Pelec2,1),1);
for i=1:size(Pelec2,1)
    if(Pelec2-Pmoy)>0
        ActualPelec2(i,1)=(Pelec2(i,1)-Pmoy)/0.95;
    else
        ActualPelec2(i,1)=(Pelec2(i,1)-Pmoy)*0.95;
    end
end

subplot(2,1,2) 
plot(ActualPelec2)
legend('Actual power provided by the storage device');
title('Actual power provided by the storage device');

energyStoredInWh=zeros(size(ActualPelec2,1),1);
energyStoredInWh(1,1)=1000;
for i=2:size(ActualPelec2,1)
    energyStoredInWh(i,1)=energyStoredInWh(i-1,1)-(ActualPelec2(i-1,1)/(60*60));
end
figure;
plot(energyStoredInWh)
legend(strcat('Useful energy (in Wh): ',num2str(max(energyStoredInWh)-min(energyStoredInWh))));
title('Energy stored in storage device');
disp(strcat('Useful energy: ',num2str(max(energyStoredInWh)-min(energyStoredInWh))));
%Assuming 75 percent DoD, the capactiy energy capacity can be calculated
capEnergyCapacityInWh=(max(energyStoredInWh)-min(energyStoredInWh))*4/3
%The maximum power imposed upon the capacitor can aslo be calculated
maxPowerImposedInW=max(ActualPelec2)

voltageInV=2.5;
capacitorInF=5000;
esrInuOhms=350;
%The total capacitance of the package can be calculated using the capactir
%energy capacity
totalCapacityInF=2*capEnergyCapacityInWh*60*60/((voltageInV)^2);
disp(strcat('Total capacity required in farads assuming voltage of one capacitor: ', num2str(totalCapacityInF)));

% voltageInV=2.5;
% capacitorInF=5000;
% esrInuOhms=350;
%the energy capacity of one pack
energyInOnePackInWh=capacitorInF*(voltageInV^2)/(2*60*60)
maximalPowerInOneElementInW=0.12*(voltageInV^2)/(esrInuOhms/1000000)

%Number of capacitors reuiqred according to energy capacity and power
%capacity
NumOfCapEnergy=capEnergyCapacityInWh/energyInOnePackInWh
NumOfCapPower=maxPowerImposedInW/maximalPowerInOneElementInW
disp(strcat('Number of capacitors required: ', num2str(ceil(max(NumOfCapEnergy,NumOfCapPower)))))

3 参考文献

文章中一些内容引自网络，会注明出处或引用为参考文献，难免有未尽之处，如有不妥，请随时联系删除。

[1]李建民,孙建设.城市轨道交通供电系统谐波分布研究[J].电测与仪表, 2008, 45(2):6.DOI:10.3969/j.issn.1001-1390.2008.02.001.

[2]陈润芝.城市轨道交通供电系统的设计研究[J].百科论坛电子杂志, 2019, 000(004):471.

[3]王国亮.某城市轨道交通供电系统研究[D].华北电力大学[2023-12-31].DOI:CNKI:CDMD:2.1016.276128.

4 Matlab代码、数据、文档讲解