伊朗設拉子大學開展多環(huán)飛輪轉子的模塊化優(yōu)化設計
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技術領域：飛輪儲能在能量回收領域的應用
開發(fā)單位：伊朗設拉子大學機械工程學院 H. Mohammadi
技術突破：開展了輕型列車多環(huán)飛輪轉子的模塊化優(yōu)化設計的研究，研究了特定情況下飛輪轉子的最優(yōu)配置方案，結果表明使用15個所設計的飛輪儲能模塊可以為某一線路節(jié)省35.1%的能源。
文章名稱：Sina Rastegarzadeh, Mojtaba Mahzoon, Hossein Mohammadi. A novel modular designing for multi-ring flywheel rotor to optimize energy consumption in light metro trains. Energy, 2020.
應用價值：通過模塊化優(yōu)化減小了用于輕型地鐵列車能量回收的飛輪儲能系統(tǒng)的體積，提高了能量回收率，并提供了求解特定情況下飛輪轉子的最優(yōu)配置方案的方法。
地鐵列車的速度快，慣性大，而且需要快速停車，這意味著在剎車過程中會浪費很多能量。動態(tài)能量回收系統(tǒng)可以在制動期間輔助回收動能，并將其存儲在各種儲能單元中，例如飛輪儲能（FES）、超級電容器（UCs）或電池，并在加速條件下使用。對于地鐵列車而言，再生制動系統(tǒng)要求儲能系統(tǒng)應具有較高的功率密度和較長的使用壽命，因此飛輪儲能從各類儲能技術中脫穎而出。
研究人員選擇一種多環(huán)飛輪轉子作為基本模塊，通過對每節(jié)車廂飛輪轉子模塊的個數進行最優(yōu)設計，來降低輕軌列車的能耗。在優(yōu)化算法中考慮角加速度和重力影響，將單位體積能量作為成本函數，利用實時的速度和加速度數據，對設拉子城市列車系統(tǒng)進行了通用模塊化設計。最后，研究人員得出結論：使用15個所設計的飛輪儲能模塊可以為這一線路節(jié)省35.1%的能源，而增加飛輪儲能模塊的容量并不一定會降低列車的能量消耗。
圖1 優(yōu)化列車能耗的流程圖
圖2 制動系統(tǒng)使用不同數量飛輪時列車整體能量消耗
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為了循環(huán)利用地鐵列車的再生制動能量，研究人員采用基于直流牽引網電壓的高速飛輪儲能系統(tǒng)充放電控制方法。同時，對地鐵直流牽引供電系統(tǒng)中高速飛輪儲能系統(tǒng)的控制方法進行研究。在MATLAB /Simulink 中搭建基于高速飛輪儲能系統(tǒng)的地鐵列車起動與制動仿真模型，驗證了所提控制方法的有效性。最后，在國內某地鐵牽引站內安裝高速飛輪儲能系統(tǒng)對所提控制方法進行了實驗驗證。在現場測試中，高速飛輪儲能系統(tǒng)的轉速范圍可以維持在27 000～36 000 r /min。（來源：電機與控制學報）
圖3 飛輪儲能型地鐵再生制動能量利用系統(tǒng)示意圖
圖4 高速飛輪轉速和SOC 現場實測結果
