王大杰，孫振海，陳 鷹，李勝飛，趙思鋒，溫海平

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1 MW陣列式飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)在城市軌道交通中的應(yīng)用

王大杰1，孫振海2，陳 鷹1，李勝飛1，趙思鋒1，溫海平1

（1盾石磁能科技有限責(zé)任公司，河北 唐山 063000；2北京市地鐵運(yùn)營(yíng)有限公司，北京 100044）

本文根據(jù)城市軌道交通的運(yùn)行特點(diǎn)和車輛參數(shù)提出了一種1 MW陣列式飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)，用來(lái)吸收再利用機(jī)車制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的制動(dòng)電能。通過對(duì)比不同類型的再生制動(dòng)能量回收方式，突出飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)應(yīng)用在城市軌道交通的必要性和先進(jìn)性。文中通過對(duì)某些線路進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)試，根據(jù)現(xiàn)有單臺(tái)飛輪儲(chǔ)能裝置進(jìn)行陣列式組合，通過產(chǎn)品優(yōu)化以及安全計(jì)算和工程實(shí)施預(yù)判，組裝出容量為1 MW的陣列式飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)，并證明了1 MW陣列式飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)在城市軌道交通應(yīng)用的正確性和可實(shí)施性。

城市軌道交通；飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)；陣列式；再生制動(dòng)

再生制動(dòng)能量回收技術(shù)可有效降低城市軌道交通的電費(fèi)成本、節(jié)約能源、減少二氧化碳排放，符合國(guó)家節(jié)能減排政策，且提高列車運(yùn)行安全穩(wěn)定 性[1-2]。目前我國(guó)采用的再生制動(dòng)能量回收方式較為單一且具有局限性。飛輪儲(chǔ)能技術(shù)屬國(guó)際先進(jìn)的物理儲(chǔ)能方式，對(duì)環(huán)境友好無(wú)污染，可快速、頻繁充放電，壽命長(zhǎng)，噪音小，較原有制動(dòng)能量管理技術(shù)先進(jìn)、穩(wěn)定及效益突出。

在城市軌道交通中應(yīng)用飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)可起到非常好的節(jié)能效果，每年可節(jié)約10%～20%電費(fèi)支出，節(jié)約能源，減少二氧化碳排放；同時(shí)可穩(wěn)定直流牽引網(wǎng)壓，減少網(wǎng)壓波動(dòng)對(duì)供電設(shè)備元器件以及車輛的影響；可使列車穩(wěn)定進(jìn)行電制動(dòng)，降低閘瓦磨耗，減少通風(fēng)空調(diào)及排風(fēng)系統(tǒng)的損耗；可有效改善牽引網(wǎng)電能質(zhì)量，避免能量回饋至交流電網(wǎng)造成對(duì)電網(wǎng)的污染等。

本文通過研究城市軌道交通的運(yùn)行特點(diǎn)和車輛參數(shù)，研究了1 MW陣列式飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)，并通過優(yōu)化使其滿足城市軌道交通的運(yùn)行條件。通過數(shù)據(jù)測(cè)試表明了1 MW陣列式飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)可有效吸收再利用制動(dòng)電能，起到很好的節(jié)能降耗效果，同時(shí)穩(wěn)定牽引網(wǎng)壓，提高供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

1 對(duì)比不同類型的再生制動(dòng)能量回收方式

目前再生制動(dòng)能量回收方式主要有：電阻消耗型，中壓能饋型，超級(jí)電容型，飛輪儲(chǔ)能型[3-4]。相比電阻消耗型裝置，飛輪型再生制動(dòng)能量回收裝置可以回收再利用列車制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的再生電能，實(shí)現(xiàn)真正的節(jié)能減排，降低電費(fèi)成本，減少二氧化碳排放；而電阻消耗型裝置只是將再生制動(dòng)能量轉(zhuǎn)化成熱量消耗掉，無(wú)法實(shí)現(xiàn)能量再利用，同時(shí)給站內(nèi)和隧道帶來(lái)溫升，增加暖通壓力。

相比中壓能饋型裝置，飛輪型再生制動(dòng)能量回收裝置安裝在供電系統(tǒng)的直流側(cè)，從牽引網(wǎng)吸收再生制動(dòng)能量并存儲(chǔ)后直接用于列車的啟動(dòng)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)即收即用，整個(gè)能量回收再利用過程全部完成在直流側(cè)，不會(huì)對(duì)交流電網(wǎng)產(chǎn)生影響，同時(shí)兼顧穩(wěn)定直流牽引網(wǎng)壓的作用，可提高供電系統(tǒng)電能質(zhì)量和穩(wěn)定性。而中壓能饋型裝置是將再生制動(dòng)能量回饋至交流電網(wǎng)，所吸收的能量并不能用于列車，能量回饋到中壓電網(wǎng)損耗較大，諧波較多，對(duì)供電系統(tǒng)電能質(zhì)量產(chǎn)生一定的影響。

相比超級(jí)電容型裝置，飛輪型再生制動(dòng)能量回收裝置吸收效果更好，壽命長(zhǎng)，噪音小，占地面積小，非常適合城市軌道交通配電室狹小空間的安裝和改造。

2 列車制動(dòng)的能量和功率分析

2.1 列車制動(dòng)能量分析

已有很多學(xué)者對(duì)列車再生制動(dòng)能量進(jìn)行研究，本文在此研究基礎(chǔ)上對(duì)實(shí)際車型進(jìn)行了調(diào)研。

假設(shè)線路中列車為4M2T車型，動(dòng)車車重34 t，拖車車重32 t。則列車重量

車=34×4+32×2=200 t （1）

按單節(jié)車廂載客300人計(jì)算，假定乘客平均體重為60kg，則列車載客總重

人=300×60×6=108 t （2）

則總重量

總=200+108=308 t （3）

列車從零速加速到80 km/h（約22 m/s），需要的能量為

總=0.5×308×222=74.5 MJ （4）

列車運(yùn)行過程為：起動(dòng)——加速——惰行——制動(dòng)——停止。惰行之后列車速度降低至70 km/h（約19 m/s），列車速度降低至5 km/h（約1.4 m/s）時(shí)開始精準(zhǔn)制動(dòng)。則在理想情況下，再生制動(dòng)產(chǎn)生的總能量[5]

再生=0.5×308×（192-1.42）=55 MJ （5）

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，被飛輪吸收的能量約占再生能量的30%

吸收=55×0.3=16.5 MJ=4.58 kW·h (6)

2.2 列車制動(dòng)功率分析

對(duì)北京地鐵某安裝有電阻能耗再生制動(dòng)裝置的線路進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，得出在不同發(fā)車間隔再生制動(dòng)功率功率如表1所示。

表1 各種運(yùn)行間隔下再生制動(dòng)功率（單位：kW）

由表1可知，在不同行車間隔時(shí)，再生制動(dòng)功率最大值發(fā)生在2min行車間隔時(shí)，最大值為 927kW。

結(jié)合機(jī)車資料，根據(jù)行車模擬-單臺(tái)列車停車制動(dòng)功率為1630 kW。表1計(jì)算時(shí)，已考慮了正常運(yùn)行圖上、下行列車同時(shí)進(jìn)站對(duì)設(shè)備容量選擇的需求。因?yàn)榧夥宓呢?fù)荷在再生制動(dòng)功率的占比非常小，為吸收尖峰負(fù)荷增加設(shè)備容量其效果不會(huì)得到顯著改善，從節(jié)能以及經(jīng)濟(jì)性角度看，選擇1 MW飛輪型再生制動(dòng)能量回收裝置較為合理。

通過對(duì)列車制動(dòng)能量和列車制動(dòng)功率進(jìn)行分析得出，4M2T車型在進(jìn)行再生制動(dòng)時(shí)需要再生制動(dòng)能量回收裝置吸收的能量為4.58 kW·h，功率為 1 MW。則按照功能需求，配備的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)需在能量和功率上均滿足要求。

3 1MW陣列式飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)

3.1 飛輪儲(chǔ)能裝置介紹

飛輪儲(chǔ)能裝置的本體包括碳纖維復(fù)合材料轉(zhuǎn)子、被動(dòng)磁懸浮軸承、高速高效永磁電機(jī)、針式軸承、真空腔及外殼等部分[6-7]。

轉(zhuǎn)子是高質(zhì)量部件，由碳纖維、磁粉和玻璃纖維復(fù)合材料制成，磁粉在制作過程中產(chǎn)生了兩種磁性，在一端磁極被以圓周排列構(gòu)成了被動(dòng)磁軸承的一半（頂部軸承），轉(zhuǎn)子的剩余部分被縱向磁化為十二個(gè)磁極，構(gòu)成永磁電機(jī)的轉(zhuǎn)子。無(wú)鐵芯轉(zhuǎn)子層與纖維復(fù)合材料層集成為一體，不僅提高了飛輪轉(zhuǎn)子系統(tǒng)允許的最大線速度和儲(chǔ)能密度，也提升了飛輪轉(zhuǎn)子的安全性。

圖1 GTR飛輪本體剖面結(jié)構(gòu)

高速永磁電機(jī)為外轉(zhuǎn)子內(nèi)定子結(jié)構(gòu)。電機(jī)定子鐵芯采用超薄高硅鋼片疊制，繞組采用高頻litz線，超薄硅鋼片用于將渦流降到最低；優(yōu)質(zhì)的利茲絞線可以減弱集膚效應(yīng)；定子中心為空心軸，用于導(dǎo)線引出和冷卻水路布置，定子產(chǎn)生的熱量由在中心軸內(nèi)循環(huán)的冷卻液冷卻，能保證長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行溫度控制在合適的范圍內(nèi)。

軸承系統(tǒng)是由底部的針式軸承和頂部的被動(dòng)磁軸承組合形成的。被動(dòng)磁軸承安裝在轉(zhuǎn)子的頂部，針式軸承和阻尼系統(tǒng)安裝在轉(zhuǎn)子的底部，兩者形成支撐配合，不僅降低了軸承損耗，也省去了主動(dòng)磁軸承所需的復(fù)雜動(dòng)態(tài)檢測(cè)與快響應(yīng)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了高速轉(zhuǎn)子的懸浮穩(wěn)定支撐。

外殼是一個(gè)安全容器，保證轉(zhuǎn)子在內(nèi)部可安全穩(wěn)定地高速旋轉(zhuǎn)，腔體內(nèi)部為真空密閉的環(huán)境，降低風(fēng)阻，使飛輪損耗更小。

3.2 1MW陣列式飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)

1 MW陣列式飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)由3臺(tái)GTR333功率模塊構(gòu)成[10]，系統(tǒng)平面布置圖如圖2所示，3臺(tái)GTR333功率模塊并聯(lián)擺放，1 MW飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的安裝尺寸為3343 mm×1599 mm×2269 mm，占地面積為5.3 m2。

圖2 1 MW陣列式飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)平面圖

3.2.2 主要參數(shù)指標(biāo)

1 MW飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)主要參數(shù)指標(biāo)[8-9]如表2 所示。

表2 1 MW飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)參數(shù)指標(biāo)

從1 MW飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)來(lái)看，在功率和能量方面均能滿足地鐵車輛進(jìn)行再生制動(dòng)的需求，適合在地鐵里牽引供電系統(tǒng)中應(yīng)用。

3.2.3 1 MW系統(tǒng)接入供電系統(tǒng)方式

1 MW飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)接入到供電系統(tǒng)的方式如圖3所示[11-12]，線路中的上下行接觸軌均通過斷路器、負(fù)荷開關(guān)與供電系統(tǒng)直流母線相連接，飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)通過正極斷路器和負(fù)極隔離開關(guān)與直流母線直接連接，此安裝方式可以同時(shí)吸收再利用上下行線路的再生制動(dòng)能量，效率更高。通過安裝正極斷路器，在飛輪出現(xiàn)故障時(shí)，可及時(shí)斷開飛輪與牽引供電系統(tǒng)的連接，不會(huì)對(duì)牽引供電系統(tǒng)產(chǎn)生影響，在牽引系統(tǒng)出現(xiàn)嚴(yán)重故障時(shí)也可以斷開保護(hù)飛輪；安裝負(fù)極隔離開關(guān)在檢修時(shí)可實(shí)現(xiàn)徹底隔離，保障人身安全。

圖3 接入方式

3.2.4 1 MW系統(tǒng)電氣構(gòu)成

1 MW的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)由3臺(tái)333 kW的功率模塊并聯(lián)組成，如圖4所示，3臺(tái)功率模塊分別通過隔離開關(guān)并聯(lián)到正、負(fù)極柜，與供電系統(tǒng)接口簡(jiǎn)單。通過HMI人機(jī)界面可實(shí)現(xiàn)3臺(tái)功率模塊的監(jiān)控和操作，同時(shí)人機(jī)界面對(duì)外提供RS485接口，可以通訊的形式，將三遙量上傳PSCADA。

（5）共享共用支撐：系統(tǒng)的建立，為建立大型設(shè)備監(jiān)測(cè)及共享使用機(jī)制提供了有力的數(shù)據(jù)支撐，可為相鄰相同行業(yè)單位開展相同業(yè)務(wù)提供了硬件支持，提高使用效率，減少資金投入。

圖4 電氣構(gòu)成

3.2.5 故障保護(hù)與聯(lián)鎖

飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)自身控制單元能夠?qū)︼w輪的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行判斷，在飛輪自身發(fā)生過流、過載、過壓、欠壓、超溫、真空度缺失等故障時(shí)，觸發(fā)故障報(bào)警，使飛輪退出工作，同時(shí)飛輪控制單元的硬點(diǎn)輸出繼電器，輸出故障信號(hào)，可供保護(hù)跳閘使用，如圖5所示。同時(shí)，在配電柜上的人機(jī)界面會(huì)顯示飛輪的故障信息，方便技術(shù)人員查詢和維修設(shè)備。

3.2.6 飛輪控制策略

飛輪采用基于直流母線電壓的控制邏輯，控制策略見圖6。

圖5 保護(hù)與連鎖

圖6 飛輪控制策略

飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)有3種工作狀態(tài)，分別為充電、維持、放電3種工作狀態(tài)，根據(jù)地鐵母線電壓的高低飛輪自動(dòng)響應(yīng)充放電。

線路有車制動(dòng)時(shí)會(huì)造成母線電壓升高，當(dāng)母線電壓值>2+a時(shí)，飛輪進(jìn)入充電區(qū)域，并且充電的功率隨母線電壓的升高而增大，當(dāng)電壓超過3時(shí)，飛輪進(jìn)行全功率充電。通過飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)吸收電能，抑制直流網(wǎng)壓的抬升，保證列車可以穩(wěn)定進(jìn)行電制動(dòng)。

線路有車啟動(dòng)時(shí)會(huì)造成母線電壓降低，當(dāng)母線電壓值<2-a時(shí)，飛輪進(jìn)入放電區(qū)域，并且放電的功率隨母線電壓的降低而增大，當(dāng)電壓低于1時(shí)，飛輪進(jìn)行全功率放電。通過飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)釋放電能，穩(wěn)定直流母線電壓穩(wěn)定。

當(dāng)線路上沒有車時(shí)，母線電壓值在牽引網(wǎng)空載電壓附近波動(dòng)，設(shè)定該電壓值為飛輪的維持區(qū)域 [2-a,2+a]，飛輪執(zhí)行維持轉(zhuǎn)速的指令，使其荷電狀態(tài) SOC 值處于一個(gè)設(shè)定值。當(dāng)有列車進(jìn)站或出站時(shí)，飛輪系統(tǒng)既可以響應(yīng)充電又可以響應(yīng)放電 操作。

4 案例分析

4.1 紐約地鐵遠(yuǎn)洛克威線

1 MW飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)已成功安裝應(yīng)用于美國(guó)紐約地鐵遠(yuǎn)洛克威線，遠(yuǎn)洛克威線采用R143車型，8節(jié)編組，單節(jié)車重30 t，最高時(shí)速為90 km/h。圖7為紐約地鐵節(jié)能數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)圖。

圖7 節(jié)能數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)圖

對(duì)紐約地鐵遠(yuǎn)洛克威線進(jìn)行了一個(gè)月的節(jié)能數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，從統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以看出日最大節(jié)電量為1420 kW·h，日最小節(jié)電量為1020 kW·h，通過計(jì)算日平均節(jié)電量約為1250 kW·h，該站牽引系統(tǒng)日耗電量約 6300 kW·h，則飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的節(jié)能效率為1250÷6300×100%=19.8%。

從紐約地鐵遠(yuǎn)洛克威線飛輪儲(chǔ)能項(xiàng)目可以看出飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)可以有效吸收再利用列車制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的再生電能，節(jié)能降耗，大幅度降低了地鐵運(yùn)營(yíng)的電費(fèi)成本。

4.2 洛杉磯地鐵黃金線

1 MW飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)已成功安裝應(yīng)用于美國(guó)洛杉磯地鐵黃金線高地公園站，美國(guó)洛杉磯地鐵黃金線全長(zhǎng)31.7 km，共21個(gè)站，運(yùn)行車輛為輕軌，兩節(jié)編組形式。圖8為未安裝飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)時(shí)的電壓波動(dòng)曲線，圖9為安裝飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)后的電壓、電流、功率波動(dòng)曲線。

由于高地公園站屬于軌道交通與公共交通的交叉地帶，列車啟、制動(dòng)頻繁，距離變電所較遠(yuǎn)，直接造成此處網(wǎng)壓跌落嚴(yán)重，從圖7中可以看出，線路最低電壓為518 V，低下的電能質(zhì)量給列車運(yùn)行帶來(lái)安全隱患。

為了改善牽引供電系統(tǒng)末端電壓跌落嚴(yán)重的問題，減少變電所的投資，在此站安裝了飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)，裝機(jī)容量為1 MW，用來(lái)支撐牽引網(wǎng)壓。圖8 為安裝完飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)以后測(cè)得的運(yùn)行數(shù)據(jù)，從數(shù)據(jù)分析可以看出，在26分32秒時(shí)，飛輪對(duì)外釋放功率為720 kW，母線電壓為665 V，此電壓值較未安裝設(shè)備時(shí)的最低電壓值為518 V有了非常大的改善，可以保證列車安全穩(wěn)定通過此路段；在26分50秒時(shí)，飛輪從電網(wǎng)吸收功率為501 kW，母線網(wǎng)壓為861 V，可見1 MW飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的投入滿足機(jī)車制動(dòng)的容量，可完全吸收機(jī)車制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的電能，同時(shí)抑制牽引網(wǎng)壓的抬升，保證列車可以穩(wěn)定進(jìn)行電制動(dòng)。

圖8 未安裝飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)時(shí)電壓波動(dòng)曲線

圖9 安裝飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)后電壓、電流、功率波動(dòng)曲線

從數(shù)據(jù)報(bào)告中可以看出，飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)可靈敏的檢測(cè)到線路網(wǎng)壓的波動(dòng)并能頻繁的響應(yīng)充放電，并能有效的將母線電壓穩(wěn)定在良好范圍內(nèi)。飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)在其中可以有效吸收再利用機(jī)車制動(dòng)產(chǎn)生的電能，并在列車牽引或啟動(dòng)時(shí)起到很好支撐網(wǎng)壓的效果。

5 結(jié) 論

本文通過對(duì)比不同方式的再生制動(dòng)能量回收裝置，凸顯出飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)在軌道交通中應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)；通過對(duì)GTR333功率模塊進(jìn)行陣列式組合，通過合理設(shè)計(jì)、安全計(jì)算，形成陣列式1 MW飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)，并說明了1 MW陣列式飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)接入到牽引供電系統(tǒng)中的接入方式和故障保護(hù)；通過分析軌道交通列車制動(dòng)時(shí)的容量和能量，得出1 MW飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)在能量和容量上均可滿足一些線路的應(yīng)用；最后通過項(xiàng)目案例進(jìn)行數(shù)據(jù)分析可看出飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)可起到明顯的吸收再利用制動(dòng)電能和穩(wěn)定網(wǎng)壓的效果。可以看出1 MW陣列式飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)具有工程應(yīng)用價(jià)值。

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Application of array 1 MW flywheel energy storage system in rail transit

WANG Dajie1,SUN Zhenhai2,CHEN Ying1,LI Shengfei1,ZHAO Sifeng1,WEN Haiping1

(1Dunshi Magnetic Energy Technology Co. Ltd., Tangshan 063000, Hebei, China;2Beijing Subway Operation Co. Ltd., Beijing 100044, China)

A 1 MW flywheel energy storage array system is proposed according to the operation characteristics and train parameters of urban rail transit to absorb the braking power generated when the train is braking. By comparing different types of regenerative braking energy recovery methods, the necessity of application of flywheel energy storage system in urban rail transit are analyzed. The 1MW array flywheel energy storage system is carried out from the array optimization, security calculation and project implement anticipation based on the test data for the rail transit electrical drive line. The feasibility of 1 MW flywheel energy storage array system applied in urban rail transit is verified.

urban rail transit; flywheel energy storage system; array type; regenerative braking

10.12028/j.issn.2095-4239.2018.0136

TH 133

A

2095-4239（2018）05-841-06

2018-08-02；

2018-08-15。

王大杰（1989—），男，本科，研究方向?yàn)轱w輪儲(chǔ)能技術(shù)在軌道交通、鐵路領(lǐng)域的應(yīng)用與研究，E-mail：wangdajie@dscnkj.com；

孫振海，研究方向?yàn)榈罔F系統(tǒng)供電、軌道交通牽引供電，E-mail：s1618@sohu.com。