飛輪儲能系統在高鐵電力系統中的應用研究

劉思松 李兵

摘要：目前， 隨著環境保護意識的提高以及全球能源的供需矛盾， 飛輪儲能研發人員的目光也必將其轉向更多的應用領域。飛輪儲能系統的充電速度快， 放電完全， 損耗小， 也決定它廣闊的應用前景。飛輪儲能系統是一種高度機電一體化產品，它在國防工業、汽車工業、電力工業、電信業等領域具有廣闊的應用前景。此外，飛輪儲能在太空、潮汐、地熱以及在港口特殊場合等也大有用途和良好的應用前景，并有更多的應用領域加入飛輪儲能的使用范圍中來。本文建立高鐵電力系統仿真模型和飛輪儲能系統仿真模型，并進行了故障和穩定運行情況下的仿真分析。

關鍵詞：高鐵電力系統;PSCAD;飛輪儲能系統

引言

在高鐵列車的啟動和制動過程中，由于高鐵列車的加速和減速過程會造成網壓的不穩定，因此每節車廂需要安裝一個制動電阻箱來穩定電網的網壓。但是由于在制動過程中制動電阻產生的熱量會白白的浪費掉，降低了能量的利用率。如果想提高列車的能量的利用率，我們需要一個有效的儲能裝置來儲存這些可能被浪費掉的能量，同時再利用這些儲存的能量為高鐵列車在加速的狀態下提供動力，來提高能源的利用率，減少能源的消耗。

本文主要使用PSCAD軟件對飛輪儲能系統進行建模和仿真。在建模之后，根據對飛輪儲能系統參數的調節，使飛輪儲能系統中飛輪的轉速在整流器和逆變器的情況下達到一個相對合理的轉速，從而達到飛輪儲能的仿真要求

再通過建模好的飛輪儲能系統加載到高鐵電力系統，對比有無飛輪儲能系統下的高鐵電力系統的變化，來衡量飛輪儲能系統是否做到了改善能量轉化的作用。

1、飛輪儲能系統

儲能技術作為一個新的研究領域在最近一段時間內受到了全世界各國的高度關注。儲能的思想在于把電能轉化為自然界其他形式的能量存儲起來，由于其儲存能量的方式不同主要可以劃分為物理儲能、磁儲能、化學儲能和相變儲能等方式。在傳統的電力系統中增加儲能系統后，可以有效的提高原有電力系統的工作效率。調節飛輪儲能裝置的各種參數，來提升系統的穩定性。

1.1 飛輪儲能系統的原理與應用

飛輪儲能裝置按照結構可以分為具有大轉動慣量和高轉速的飛輪、支持轉子的高強度軸承、實現能量轉換的發電—電動一體機、功率變換器和控制系統。在儲能狀態下運行時，飛輪電機作為電動機運行，能量從電力系統流向飛輪電機，飛輪在一定的控制方法控制下轉速上升，此時電能將轉化為機械能存儲在飛輪中;在釋能狀態下運行時，飛輪電機作為發電機運行，能量從飛輪電機流向電力系統，飛輪的轉速隨著能量的降低將逐漸下降，此時飛輪中存儲的機械能轉化為電能流出。

飛輪儲能系統的保護措施簡單，效率高并且非常的耐用，非常的環保。飛輪儲能技術當今運用于風力發電系統，小型太陽能光伏發電系統，不間斷電源UPS中的應用，以及在航天飛行器和汽車工業中的應用。在不同的能源系統中，可以作為發電裝著的飛輪儲能系統，能夠使系統工作平穩，效率高;而作為其他設備中，例如不間斷供電備用電源和傳統的化學蓄電池相比也有很到的發展前景。飛輪儲能系統已經在電力系統的穩定性方面有了很大的進步，例如：在風力發電裝置中，利用飛輪儲能裝置的電機作為發電機和電動機，在該方面已經證實了有很大的研究成果;在不間斷的UPS 電源中，與傳統的化學電池相比，飛輪儲能電池環保，價格低廉，無污染。采用飛輪儲能系統的電機調節分布式發電系統的輸出特性，可以減少用其他方式的系統的很多缺點，可以提高波動和承受能力;飛輪儲能裝置被應用于電力系統的配電網中，可以高效率的提高電力系統的穩定性。

1.2 飛輪儲能的電機模型

建立飛輪儲能系統的理論基礎是運用慣性原理。物體的旋轉起來的慣性用轉動慣量（J）來決定，物體的水平的運動慣性用物體自身的質量（m）來決定的。我們可以由物體的質量分布來計算出物體的轉動慣量的大小，其公式可表示為：

飛輪可以儲存的能量E可以表示為：

由飛輪儲能公式我們能夠看出，飛輪儲存能量與自身的轉動慣量和旋轉的角速度兩個量有關。由此我們可以找到兩種方法提升飛輪儲能系統的儲能的大小：第一種是增加飛輪本身的轉動慣量的大小，這種系統轉速較低，可以用于固定應用的情形;第二種是提高飛輪的轉速，這種系統重量較小，可以應用在有特殊要求的場合。

根據電機的運行特性，我們可以知道，當電機的轉矩與飛輪的方向相同的時候，可以使飛輪受到正向的力矩，起到推進作用使飛輪加速;當電機的轉矩與飛輪的方向相反的時候，使飛輪受到反向的力矩，起到阻礙作用使飛輪減速，這兩個過程分別成為充電過程和放電過程。我們把飛輪的最高轉速記作，最低轉速記作，在最高速與最低速之間，重復循環的做著充放電動作。

建立飛輪電機仿真模型的難點在于仿真軟件中沒有一個自帶的的飛輪模型，并且由于飛輪工作時的作用體現在轉動慣量J上，所以在仿真軟件中單獨搭建一個飛輪的仿真模型是非常有難度的，我們需要對飛輪電機的模型進行適當的處理，來得到一個簡化的飛輪電機的仿真模型。考慮到飛輪電機中的飛輪和電機在工作過程中為同軸旋轉，且具有相同的轉速，我們可以把兩者看做一個整體來進行建模，用飛輪電機總的轉動慣量J作為計算飛輪存儲能量中的飛輪轉動慣量，因為飛輪的轉動慣量遠遠大于電機轉子的轉動慣量，所以我們可以用飛輪的轉動慣量來代替整個飛輪儲能系統的轉動慣量。

因此，我們利用PSCAD軟件中的同步電機模型來改造飛輪儲能的電機。改變的方法為增大同步電機的慣性時間常數從而來改變飛輪儲能電機的轉動慣量大小。由于飛輪儲能的轉動慣量越大，儲存的能量就越多，進而達到模擬飛輪儲能電機的模型特點。通常我們把飛輪儲能電機的模型的阻轉矩系數D設置為零來簡化過程。

1.3 飛輪儲能系統的仿真分析

以下仿真只測試對電機轉速參數的變化，當電機達到所給定的轉速的時候，電機的轉速最終會平穩在這個值得附近，這是飛輪儲能系統儲存的最大能量。下圖為充放電仿真波形圖：

從圖中可以看出，設定的轉速為3000轉/分，飛輪儲能系統的電機轉速一直上升吸收能量，最終穩定到設定的值保持不變。

放電過程的簡化仿真圖，直接連接直流側的負載，放電過程飛輪電機從額定的轉速一直下降，釋放能量向直流負載，額定轉速時是飛輪系統儲能最多的時候，通過電力變化器的開關控制，使其釋放能量。

從圖中可知，飛輪系統從額定轉速一直下降，最終降到最低，額定轉速時能量最多，下降到最后，飛輪系統幾乎沒有能量。

2、飛輪儲能系統應用在高鐵電力系統

飛輪儲能系統在電力系統中的應用十分的廣泛，作用十分重要。由于飛輪儲能系統的優點對于電力系統的幫助很明顯，例如：它的高效率、節能、環保、轉速大等特點應用于電力系統，幫助電力系統的穩定性，保障電能的質量。因此，飛輪儲能系統的開發和研究對于電力系統來說十分的重要。以下為飛輪儲能系統應用在高鐵電力系統中的仿真分析。

高鐵電力系統的仿真分析

2.1 加在負載端的高鐵電力系統仿真分析

由于各動車組的型號和配置不同，在此統一為在電力負載側和母線側作為簡化。下圖所示為加在負載端的飛輪儲能系統：

如上圖所示為加在電力負載上的飛輪儲能系統。該部分的作為測試，當電力負載與電機出現問題的時候，飛輪儲能系統作為備用設備為負載提供能量，保持持續供電防止設備損壞。下圖為仿真波形圖：

從波形圖可知，電力負載的電壓仍是很穩定的在一個值，并沒有受電源供不上電而影響了電壓的穩定性。

2.2 加在母線上的高鐵電力系統仿真分析

下圖為加在電力母線上的飛輪儲能系統：

如上圖所示為加在電力母線上的飛輪儲能系統，該部分的作用為，當電力系統的電機出現問題以后，飛輪儲能系統作為備用以后為系統供電，這部分應用了飛輪儲能的大容量特點，可以瞬間輸出大能量來為負載使用。下圖為負載兩端電壓的波形圖：

從上圖可知，加了飛輪儲能系統的電力系統，在電機出現問題以后可以繼續為可以繼續為系統供電，保證了電力系統的穩定性。

3、結語

從以上的分析中可知，飛輪儲能系統應用在高鐵電力系統中可以改善電力系統的能量利用率，并且還可以作為備用電源為高鐵電力系統的照明系統等進行供電。此外若想做到飛輪系統很好的應用在高鐵電力系統中，我們還需考慮很多問題，例如并網時的網壓調整，儲能大小，儲能時間，儲能泄露等問題。在以后的研究與發展中，我們應試著從材料，軟件及系統中來提高飛輪儲能系統應用在高鐵電力系統中。

參考文獻：

[1]楊絳? ? ?飛輪儲能系統研究進展_應用現狀與前景

[2]馬偉明.船舶動力發展的方向—綜合電力系統.上海海事大學學報.

[3]趙云利.船舶綜合全電力推進系統的建模與計算機仿真研究.哈爾濱工程大學工學碩士論文.

[4]王浩亮.船舶電力系統穩定性研究.大連海事大學工學碩士論文.

[5]張狄林.美國綜合電力推進技術發展綜述.船舶技術.

[6]張狄林.美國綜合電力推進技術發展綜述.船舶技術.

[7]肖楊婷，趙躍平，曹爽.國內外綜合電力系統技術研究動態.

[8]任俊杰.船用永磁同步電動機推進系統建模與仿真研究.大連海事大學工學碩士論文.

作者簡介：劉思松，男，漢，籍貫：四川廣元，學歷：大專，就職單位，中車成都機車車輛有限公司，職稱：車輛電工（高級技師）從事工作，動車組電氣調試及動車組售后。