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本文亮點：（1）就既有線路和新建線路，考慮牽引所空間限制、儲能裝置平均功率峰值、節(jié)能效果等因素，說明了飛輪儲能裝置的容量配置方法并針對實際案例進行容量配置說明。（2）為使飛輪儲能裝置的控制策略靈活應對地鐵線路的復雜工況，設置節(jié)能、穩(wěn)壓、網(wǎng)壓支撐、鋼軌電位治理、應急電源五種工作模式。
摘 要 城市軌道交通中列車頻繁啟動制動，制動能量大，網(wǎng)壓波動大，有些線路存在鋼軌電位嚴重的問題。飛輪儲能裝置具有功率大、響應速度快、壽命長等特點，可以對再生制動能量在直流側(cè)進行即收即用，節(jié)能效果好，能穩(wěn)定網(wǎng)壓波動。由于飛輪儲能裝置的接入可以實現(xiàn)多點回流、縮短電流回流路徑，故對鋼軌電位也有改善效果。文章分別就既有線路和新建線路，考慮牽引所空間限制、儲能裝置平均功率峰值、節(jié)能效果等因素，說明了飛輪儲能裝置的容量配置方法并針對實際案例進行容量配置說明。為使飛輪儲能裝置的控制策略靈活應對地鐵線路的復雜工況，設置節(jié)能、穩(wěn)壓、網(wǎng)壓支撐、鋼軌電位治理、應急電源五種工作模式。通過飛輪儲能裝置在實際工程的應用案例驗證了飛輪儲能裝置具有良好的穩(wěn)壓效果，平均節(jié)能率為11.36%~17.28%，全功率響應頻次為31次/h，且經(jīng)試驗驗證飛輪儲能裝置具有應急電源功能。
關鍵詞 城市軌道交通；飛輪儲能裝置；容量配置；控制策略
城市軌道交通列車運行密度大、列車功率大、站間距短、頻繁地啟動制動，如果車間配合不合適，列車制動時產(chǎn)生的大量再生制動能量無法被鄰車吸收，返至牽引網(wǎng)造成牽引網(wǎng)壓抬升，這一部分能量一般通過再生制動裝置進行吸收。電阻型再生制動能量吸收裝置將列車制動產(chǎn)生的電能以熱能的形式白白消耗掉了，無節(jié)能作用，且發(fā)熱量大，噪聲大，發(fā)熱嚴重的話容易發(fā)生火災；低壓逆變型再生電能利用裝置是將列車制動產(chǎn)生的再生制動能量優(yōu)先反饋至400 V系統(tǒng)，由動力照明負荷進行吸收消納，但由于400 V系統(tǒng)的吸收消納能力有限，不能完全吸收制動能量，多余的再生制動能量還得通過電阻進行消耗；中壓逆變型再生電能利用裝置連接在直流牽引系統(tǒng)和交流系統(tǒng)之間，繼電保護整定難度加大，運行方式復雜，并對交流系統(tǒng)造成諧波污染，且無電壓支撐作用。
在近幾年城市軌道交通節(jié)能技術發(fā)展中，飛輪儲能裝置實現(xiàn)了完全自主知識產(chǎn)權以及國產(chǎn)化。飛輪儲能裝置具備毫秒級響應、大功率充放電、超長壽命的特性，可頻繁動作，與城市軌道交通完美契合，可以作為再生制動能量利用裝置。文獻[1]根據(jù)變電所輸出功率及變電所直流側(cè)電壓進行分析，提出了超級電容儲能裝置的容量配置；文獻[2]通過構建包含電池/超級電容的全壽命周期成本和變電站耗電費用的容量配置目標函數(shù)進行電池和超級電容混合儲能容量的配置，且基于模糊邏輯進行充放電閾值自動調(diào)整策略來回收制動能量；文獻[3]利用帶精英策略的非支配遺傳算法實現(xiàn)經(jīng)濟效益率和節(jié)能率的多目標多變量優(yōu)化配置車載儲能和地面儲能容量，使用在線控制策略通過統(tǒng)計儲能系統(tǒng)的回收能量值對充放電閾值進行動態(tài)校正；文獻中并未考慮既有線路和新建線路的設計區(qū)別，其控制策略均針對能量回收進行設置，并未考慮線路實際工況是非常復雜多變的，故本文根據(jù)實際工程經(jīng)驗、仿真設計對既有線路和新建線路進行飛輪儲能裝置容量配置方法說明，且針對線路的不同工況靈活設置飛輪儲能裝置的控制策略，使其滿足軌道交通的不同需求。
1 飛輪儲能裝置的原理
飛輪儲能裝置屬于一種物理儲能方式，利用旋轉(zhuǎn)體高速旋轉(zhuǎn)時具備的動能來存儲能量，通過電動/發(fā)電一體化雙向高效電機，實現(xiàn)電能和動能的雙向變換。當外部輸入電能時，定子磁場和轉(zhuǎn)子磁場相互作用，飛輪工作在電動機狀態(tài)，飛輪高速旋轉(zhuǎn)，電能轉(zhuǎn)換為動能儲存；當定子無電能輸入時，切割外轉(zhuǎn)子高速旋轉(zhuǎn)形成的磁場，將飛輪存儲的動能轉(zhuǎn)換為電能輸出。其原理為：
飛輪儲能裝置采用碳纖維復合轉(zhuǎn)子技術，具有高強度、抗拉伸的特性，轉(zhuǎn)動慣量小，響應速度快，本體可達到1 ms快速響應，5 ms全功率響應的速度；采用被動磁懸浮軸承技術，無控制單元，不耗電，無磨損；采用內(nèi)定子高速飛輪電機技術，利用超薄無曲向硅鋼片和利茲線及樹脂灌封，結構緊湊，體積小，效率高。
軌道交通中成熟應用的GTR-333飛輪，額定功率為333 kW，額定電壓為1500 V，最高轉(zhuǎn)速為40000 r/min，可用容量為2.4 kWh，滿功率充放電時間為26 s，雙向充放電效率為90.7%，深度充放電壽命大于1000萬次。
2 飛輪儲能裝置容量配置
2.1 配置飛輪儲能裝置的適用性考慮
（1）由于城軌牽引供電網(wǎng)是個動態(tài)耦合、能量快速交互的網(wǎng)絡，若某站儲能裝置的容量無法完全吸收此時直流供電網(wǎng)的再生能量及功率，多余的再生能量及功率同樣可能被鄰近的儲能裝置及時吸收，所以在對儲能裝置容量進行選取時應該更加靈活。在某些發(fā)車間隔時，一些牽引變電所可能出現(xiàn)峰值再生功率很大，平均再生功率很小的情況，此時這些變電所處儲能裝置的功率等級就沒必要按照峰值再生功率進行配置，否則很可能造成裝置容量的浪費。
（2）由于飛輪儲能裝置響應速度可達毫秒級，可根據(jù)需要靈活設置其充放電閾值。若線路網(wǎng)壓穩(wěn)定、軌電位在國標要求范圍之內(nèi)，則可適當調(diào)寬閾值范圍，當列車產(chǎn)生制動能量時，先使鄰車盡可能地吸收，剩余的能量由飛輪儲能裝置回收再利用；若線路網(wǎng)壓過高或過低、軌電位過高，則應增大飛輪儲能裝置的容量和功率，調(diào)窄充放電閾值，使其可以靈敏動作，這樣一方面可以及時調(diào)整網(wǎng)壓，另一方面可以防止大量制動電流流過長距離流通路徑而造成軌電位嚴重。
2.2 飛輪儲能裝置容量配置方法
首先根據(jù)列車編組信息(包括列車的額定電壓、最大制動電壓、授流方式、輔助功率、結構速度、列車長度、車輛重量、加減速度、牽引制動特性曲線等)、線路縱斷面信息(包括線路坡度、曲線、標記等)進行牽引計算，然后根據(jù)整流機組參數(shù)(包括額定功率、閥側(cè)額定電壓、穿越阻抗、空載網(wǎng)壓等)、接觸網(wǎng)阻抗、鋼軌阻抗、過渡電阻等進行直流供電仿真計算。
對于既有線路通過仿真得到不同發(fā)車間隔下再生制動能量、電阻消耗能量。通過飛輪儲能裝置所具備的能力以及現(xiàn)場的空間限制配置全線各牽引所需的容量；對于新建線路在直流供電仿真計算環(huán)節(jié)在各牽引所加無限大容量的飛輪儲能裝置，按照GB/T 36287—2018城市軌道交通列車再生制動能量地面利用系統(tǒng)要求充電閾值為空載網(wǎng)壓+20 V，放電閾值為空載網(wǎng)壓-30 V，在不同發(fā)車間隔下進行仿真。然后根據(jù)儲能裝置的瞬時功率計算平均功率(均方根值)，再綜合考慮儲能裝置需滿足的平均功率峰值、節(jié)能效果、初期近期遠期設計、經(jīng)濟性等因素進行各個牽引所飛輪儲能裝置容量的配置。最后可調(diào)整閾值使充放電能量盡可能達到一致，提高飛輪儲能裝置的充放電效率及利用率。
2.3 仿真模型建立
直流供電系統(tǒng)主要包括牽引網(wǎng)、整流機組、列車、飛輪儲能裝置。其等效模型如圖1所示。
圖1 直流供電系統(tǒng)等效模型
牽引網(wǎng)等效為電阻模型，列車等效為功率源模型，整流機組等效為戴維南等值電路中的等效內(nèi)阻和理想電壓源模型或諾頓等值電路中的等效內(nèi)阻和理想電流源模型，飛輪儲能裝置基于外特性進行建模，等效為恒壓源與功率源的組合。
圖2 飛輪U-I特性曲線
2.4 案例分析
以某新建線路為例，全線共24個站，13座牽引降壓混合所。線路空載網(wǎng)壓為1650 V，且設計初期發(fā)車間隔為4分35秒，近期發(fā)車間隔為2分30秒，遠期發(fā)車間隔為2分15秒。首先在13座牽引所中安裝無限大容量飛輪儲能裝置，充電閾值設置為1670 V，放電閾值設置為1620 V。由于列車制動停車時間為20 s左右，所以分別計算每種發(fā)車間隔下飛輪儲能裝置的20 s平均功率(均方根值)。各發(fā)車間隔下20 s平均功率(單位：kW)情況如圖3所示。
圖3 各發(fā)車間隔下平均功率最大值
根據(jù)配置飛輪儲能裝置的適用性考慮中的原則(1)，綜合初期近期遠期設計年限及平均功率峰值，具體容量配置如圖4所示。
圖4 飛輪儲能裝置容量配置
全線共配置27.4 MW飛輪儲能裝置，按照國標設置閾值，仿真結果顯示端頭站1和13節(jié)能效果不理想，根據(jù)SOC曲線判斷是由于放電閾值設置過高以致儲能裝置吸收的能量放不出去，所以將端頭站的飛輪儲能裝置放電閾值上調(diào)，設置為1635 V，則節(jié)能效果如圖5所示。
圖5 節(jié)能效果
根據(jù)仿真結果，4分35秒發(fā)車間隔下全線平均1 MW飛輪儲能裝置1 h節(jié)電量為77 kWh，2分30秒發(fā)車間隔下全線平均1 MW飛輪儲能裝置1 h節(jié)電量為81 kWh，2分15秒發(fā)車間隔下全線平均1 MW飛輪儲能裝置1 h節(jié)電量為64 kWh，節(jié)能效果良好。
3 飛輪儲能裝置的綜合控制策略
飛輪儲能裝置通過能量管理單元進行控制，能量管理單元具備數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)深度挖掘、趨勢狀態(tài)分析能力，可實現(xiàn)狀態(tài)識別、故障預測等功能。飛輪儲能裝置具備五個工作模式，分別為①節(jié)能模式；②電壓支撐模式；③鋼軌電位模式；④穩(wěn)壓模式；⑤應急電源模式。通過設置不同的工作模式，使飛輪儲能裝置響應線路的不同工況，實現(xiàn)多種模式自動切換及自主采信、學習、決策功能，達到更高效能。同時還可以解決城軌線路牽引網(wǎng)壓過高、牽引網(wǎng)壓過低、鋼軌電位嚴重等問題，也可以節(jié)約車輛產(chǎn)生的再生制動能量，達到節(jié)能減排的目的。
3.1 工作模式判定
工作模式判定：能量管理單元通過實時采集牽引網(wǎng)壓U網(wǎng)、牽引電流I、鋼軌電位U鋼、線路列車工況等判定飛輪儲能裝置以何種模式工作。①若線路電壓、軌電位均正常，則飛輪儲能裝置選擇節(jié)能模式；②若線路電壓跌落嚴重，危及車輛運行安全，則飛輪儲能裝置選擇電壓支撐模式；③若牽引網(wǎng)壓過高，危及車輛運行安全，則飛輪儲能裝置選擇穩(wěn)壓模式；④若鋼軌電位超過閾值設置，則飛輪儲能裝置選擇鋼軌電位模式；⑤若線路出現(xiàn)故障，牽引所退出運行，則飛輪儲能裝置選擇應急電源模式。
3.2 工作模式優(yōu)先級
工作模式的優(yōu)先級：應急電源模式>網(wǎng)壓支撐模式>穩(wěn)壓模式>鋼軌電位模式>節(jié)能模式；飛輪儲能裝置運行過程中可根據(jù)不同工況選擇不同模式運行，實現(xiàn)工作模式的自動切換，達到飛輪儲能裝置利用最大化、經(jīng)濟效益最大化、功能利用最大化。
3.3 工作模式的實施
每種模式閾值設置原理不一樣，電壓支撐模式、穩(wěn)壓模式需注意飛輪的能量與需要支撐的電壓幅值以及需要支撐的時間三者之間的配合；節(jié)能模式閾值可以適當靈敏，盡可能充放平衡。流程圖如圖6所示：
圖6 控制流程圖
4 工程應用效果分析
某地鐵線路采用8節(jié)編組B型車，最高速度100 km/h，牽引供電系統(tǒng)采用DC1500V架空接觸網(wǎng)供電、走行軌回流方式，中壓環(huán)網(wǎng)采用10 kV電壓等級。一期工程設置3.6 MW電阻型再生電能利用裝置，現(xiàn)對一期A站、B站進行飛輪儲能裝置改造。目前高峰發(fā)車間隔為2分30秒，平峰發(fā)車間隔為4分、6分。
通過計算各發(fā)車間隔下20s平均功率(單位：kW)如表1所示。
表1 20s平均功率統(tǒng)計
綜合考慮各發(fā)車間隔平均功率值、空間限制條件等，本改造項目在A站安裝1 MW飛輪儲能裝置，B站安裝2 MW飛輪儲能裝置。
4.1 節(jié)能效果
A站1 MW飛輪儲能裝置日均節(jié)電量為1382 kWh，平均節(jié)能率為11.36%，年節(jié)電量約為50萬kWh；B站2 MW飛輪日均節(jié)電量為2381 kWh，平均節(jié)能率為17.28%，年節(jié)電量約87萬kWh，節(jié)能效果顯著，其中A站統(tǒng)計圖表如圖7所示。
圖7 A站節(jié)能數(shù)據(jù)統(tǒng)計
4.2 響應頻次
飛輪儲能裝置1h內(nèi)功率波動及動作頻次如圖8所示。
圖8 飛輪響應頻次統(tǒng)計
實測數(shù)據(jù)顯示飛輪在1 h內(nèi)充放電響應次數(shù)為236次，深度充放電次數(shù)為102次，75%功率深度充放電次數(shù)為56次，全功率充放電動作次數(shù)為31次。飛輪儲能裝置大功率、短時高頻次的特性與地鐵工況完美匹配。
4.3 應急電源功能測試
應急牽引測試采用B站2 MW飛輪單獨供電，列車由靜止開始啟動運行，飛輪輸出功率曲線如圖9所示。
圖9 飛輪功率曲線
如圖飛輪直流功率所示，接觸網(wǎng)斷電后列車從飛輪取電，功率逐漸增大，最大至526 kW，列車車速從0~20 km/h，然后維持20 km/h車速行駛，維持過程中，牽引功率為55 kW。在飛輪能量將要耗盡時，列車為維持車速，突然出現(xiàn)一個大功率后飛輪電量耗盡列車開始滑行，直至列車停止共行駛888 m。通過應急測試證明飛輪儲能裝置具備應急電源功能。
5 結 論
根據(jù)既有線路與新建線路的不同特征進行飛輪儲能裝置的容量配置更加合理。針對線路可能出現(xiàn)的不同工況靈活設置飛輪儲能裝置的控制策略，使飛輪儲能裝置實現(xiàn)多種模式自動切換，既可解決城軌線路牽引網(wǎng)壓過高、牽引網(wǎng)壓過低、鋼軌電位嚴重等問題，也可以節(jié)約車輛產(chǎn)生的再生制動能量，達到節(jié)能減排的目的。從實際項目應用可以看出，1 MW飛輪儲能裝置平均日節(jié)電量1254 kWh，且響應頻次可以和地鐵工況完美匹配。2 MW飛輪單獨供電，低速牽引列車，最終可以滑行888 m，具有應急電源功能。
