電氣化鐵路飛輪儲能技術研究

摘 要 電氣化鐵路是一種負荷波動劇烈的大型工業電氣設備。按照牽引載荷的峰谷出現的特點，對飛輪儲能裝置變流器的控制的方法和能量管理的方法進行了一定的分析，按照歷史的運行的數據，以每天為固定時段，更進一步的提出通過牽引負荷來對充放電控制的閾值進行選擇控制，并對閾值進行仿真模擬分析。

關鍵詞 電氣化;鐵路;飛輪儲能

引言

電氣化鐵路牽引峰值負荷限幅優勢特點非常的突出，并且優勢也非常的明顯。在技術水平上，消除負載峰值能夠使得負序電流對鐵路的影響降到最低。與此同時，飛輪儲能系統還對機車制動產生的制動能量的吸收和再利用進行了充分的考慮，能夠在一定程度上使得電能成本得到有效降低。

1 牽引負荷的峰與谷

電氣化鐵路的日常運行圖具有固定且準確的周期性，過去在正常工作條件下的牽引負荷統計值具有良好的穩定性和準確性。 因此，記錄并分析了過去在正常工作條件下的牽引載荷。功率曲線對峰值負載削峰的重要性不言而喻。正的功率表示牽引（電氣）的狀態，而負的功率代表發電的功率狀態。記錄正常工作條件下的牽引負載功率曲線[1]。如圖1所示：

2 飛輪裝置用于削峰填谷的控制策略

飛輪的儲能裝置主要通過變頻器，飛輪體，真空泵和冷卻柜共同組成。飛輪的主體主要包含飛輪的轉子，磁懸浮設備，機械軸承和高速的電動機。高速的電動機能夠在電動機或發電機狀態下工作; 冷卻柜用于飛輪體的物理冷卻。 真空泵用于減小飛輪轉動時的摩擦阻力[2]。

2.1 飛輪裝置變流器控制策略

因此，飛輪變流器由電網側變流器和電動機側變流器組成。變頻器兩部分的控制電路可以獨立設計，以確保飛輪裝置的穩定運行。

（1） 網側變流器控制策略。電網側變流器的控制目標有兩個：一是確保完整的的并網（并網或牽引）電能質量;其二是控制電網。另一種方法是控制電動機側和電網側轉換器之間的能量傳遞平衡，也就是保證直流側的母線電壓保持恒定

（2） 電機側變流器控制策略。電動機側逆變器的控制目標是對系統的反應的速度進行有效的提高并防止電動機的繞組電流出現過大的情況。第二個是能夠按照上位控制器的命令對控制電機的能量傳輸進行有效控制。同時，電流控制用作內環，以確保電機側的電能質量并減少轉矩波動。為確保磁通量恒定，請將其設置為恒定值。

2.2 能量環節控制方式

之前的能源部分由直流側網絡電壓控制。原理是按照電網電壓的指令與實際電網壓力之間的偏差對儲能裝置的充放電進行直接的控制。總體來說控制比較的簡單。這種控制的方法利用了直流側總線電壓在供電期間會波動的特性，但這與電網側轉換器控制直流側總線電壓穩定性的初衷相反。也就是說，當直流側的電壓不再波動時，能量控制的環節將會失去穩定性。所以，這篇文章提出一種能量管理的方法，通過牽引負載功率來對飛輪的充放電進行有效的控制。

3 實驗驗證

3.1 仿真實驗驗證

牽引變壓器將其簡單地想為理想電壓源，牽引負載等于電阻負載。負載的波動是通過改變負載電阻來實現的。仿真模型能夠在一定程度上對飛輪裝置的功率補償的效果進行有效的驗證。

負載電阻在3s處減小，負載開始增加，電源側的有功功率輸出增加到110kW。當負載電阻在6s時減小時，功率側的有功功率輸出將減小至10kW。電源側的功率嚴重波動。飛輪在進行工作的時候需要功率來對自身的運行的速度進行有效的維持，因此該功率將略高于之前的60kW（約61kW）功率。在6s內，負載電阻減小，負載增加，但電源側的有功功率輸出沒有更改為61kW。飛輪單元提供增加的負載功率，這個時候，飛輪速度從36000r/min降至24000r/min，放電時間為1.3s。在放電期間，交流側的功率并不會因為負荷的變化而進行有效的變化。在6s內，負載的電阻將會在增加，負載將會在一定程度減小。這個時候，電源側的有功功率輸出將會穩定在一定的狀態下。降低的負載功率將會由飛輪進行有效的吸收。此時，飛輪速度從24000r/min增加到36000r/min，分析過程類似于放電過程，沒有重復[3]。

4 結束語

從減少鐵路運營的成本方面進行充分的考慮，本文提出了通過降低峰值的負荷并在吸收和利用制動能量的同時填充鐵路牽引供電系統中的飛輪儲能系統來對電力成本的方法進行有效的降低。這將為今后的電氣化鐵路飛輪儲能技術的發展起到一個推動作用，也將帶動全國鐵路的運行發展朝著一個更快的方向發展。

參考文獻

[1] 黃小紅，趙藝，李群湛，等.電氣化鐵路同相儲能供電技術[ED/OL]. http：//kns.cnki.net/kcms/detail/51.1277.U.20191211.1800.006.html，2020-02-04.

[2] 李群湛，王喜軍，黃小紅，等.電氣化鐵路飛輪儲能技術研究[J].中國電機工程學報，2019，39（7）：2025-2033.

[3] 王大杰，趙思鋒，黃小紅，等.飛輪儲能用于鐵路牽引負荷削峰填谷的實驗驗證[J].電氣化鐵道，2018，29（S1）：93-97，101.

作者簡介

魏民（1985-），男，北京;學歷：碩士，現就職單位：沈陽遠大電力電子科技有限公司，研究方向：參與多項國家重點研發專項、多次獲得省級科技進步獎項。

*[基金項目] 本文系國家重點研發計劃項目資助，項目編號：2018YFB0905500。