趙小皓，張 鋼，宋嘉桐

（1.北京市地鐵運(yùn)營(yíng)有限公司，北京 100044；2.北京交通大學(xué)，北京 100044；3.國(guó)網(wǎng)北京通州供電公司，北京 101100）

近些年來(lái)，隨著城市化進(jìn)程的加快和城市軌道交通的高速發(fā)展，我國(guó)城軌的能源消耗問題也日益突出。2021 年，全國(guó)城軌交通總電能耗為213.1 億kWh，同比增長(zhǎng)23.6%，其中，牽引能耗106.2 億kWh，占總能耗的49.8%[1]。通常情況下，城軌列車再生制動(dòng)能量占總牽引能量的30%～60%[2]，這部分能量除一部分被相鄰牽引機(jī)車吸收利用外，剩余部分由列車的制動(dòng)電阻或制動(dòng)機(jī)械發(fā)熱消耗掉，回收利用城軌列車的再生制動(dòng)能量，對(duì)于減少能耗、抑制接觸網(wǎng)網(wǎng)壓波動(dòng)以及提高供電系統(tǒng)穩(wěn)定性具有重要作用。

國(guó)內(nèi)外應(yīng)用較為廣泛的再生制動(dòng)能量利用方式主要包括電阻能耗型、逆變回饋型、電容儲(chǔ)能型、飛輪儲(chǔ)能型等。城市軌道交通具有車站數(shù)量多、站間運(yùn)行距離短、啟停頻繁、瞬時(shí)功率大等特點(diǎn)，而飛輪的儲(chǔ)能密度大、效率高、瞬時(shí)功率大、響應(yīng)速度快，且維護(hù)周期相比于其他儲(chǔ)能裝置更長(zhǎng)，與城軌的運(yùn)行特性具有良好的契合度。

目前，國(guó)內(nèi)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)還處在實(shí)驗(yàn)研發(fā)和樣機(jī)研制階段，在工程應(yīng)用中，多用于電力系統(tǒng)調(diào)頻、風(fēng)電等間歇式新能源發(fā)電、不間斷電源、電氣化鐵路等領(lǐng)域[3]，在城軌交通領(lǐng)域應(yīng)用較少，對(duì)于城軌儲(chǔ)能系統(tǒng)控制策略的研究還未深入。文獻(xiàn)[4]考慮穩(wěn)壓節(jié)能及弱磁需求，提出基于多電壓閾值的單飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)控制策略。文獻(xiàn)[5]為了提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能，簡(jiǎn)化了電壓-電流雙閉環(huán)的控制結(jié)構(gòu)，提出一種基于擴(kuò)張觀測(cè)器的直接電壓控制策略。文獻(xiàn)[6]在傳統(tǒng)比例積分(proportional integral，PI)控制的基礎(chǔ)上，建立基于電流前饋解耦控制的充電控制策略，并將滑模變結(jié)構(gòu)控制器應(yīng)用于飛輪系統(tǒng)放電控制策略中。

然而，飛輪單元在實(shí)際運(yùn)行過程中會(huì)由于自身參數(shù)和運(yùn)行環(huán)境差異導(dǎo)致轉(zhuǎn)速不一致，交流中壓環(huán)網(wǎng)的電壓波動(dòng)也有可能導(dǎo)致飛輪的誤動(dòng)作。文獻(xiàn)[7]基于等微增率原則對(duì)飛輪單元充放電功率進(jìn)行分配，在一定程度上抑制了轉(zhuǎn)差，但是該方法的控制參數(shù)較多，且易受飛輪電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)影響。文獻(xiàn)[8]基于一致性算法提出了一種分布式協(xié)調(diào)控制策略，將多個(gè)飛輪單元構(gòu)成多智能體系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)的功率分配方案，但是該控制方法需要多次迭代，控制過程存在計(jì)算量大且實(shí)時(shí)性較差的問題。文獻(xiàn)[9]通過測(cè)量牽引變電所交流側(cè)電壓實(shí)時(shí)分析牽引網(wǎng)空載額定電壓值，對(duì)充放電閾值進(jìn)行調(diào)整。

本文以城市軌道交通飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)為研究對(duì)象，提出一種基于牽引網(wǎng)直流側(cè)網(wǎng)壓的充放電控制策略，采用均速控制方法調(diào)節(jié)飛輪陣列因工藝與環(huán)境不同造成的轉(zhuǎn)速差異，并在現(xiàn)有控制策略的基礎(chǔ)上提出空載網(wǎng)壓辨識(shí)算法，以避免中壓環(huán)網(wǎng)電壓波動(dòng)造成的飛輪誤動(dòng)作。通過對(duì)含飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的牽引供電系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真分析和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了控制策略的可行性，為飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)在城市軌道交通領(lǐng)域的進(jìn)一步應(yīng)用提供參考和借鑒。

1 飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與控制

1.1 結(jié)構(gòu)與拓?fù)?/h3>

飛輪再生制動(dòng)能量回收裝置一般由飛輪轉(zhuǎn)子、軸承、永磁同步電機(jī)、逆變器以及真空室等部件組成[10]，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 飛輪儲(chǔ)能裝置結(jié)構(gòu)Figure 1 Structure of flywheel energy storage device

轉(zhuǎn)子是飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的儲(chǔ)能媒介，飛輪轉(zhuǎn)子的特性關(guān)系著飛輪的儲(chǔ)能量。儲(chǔ)能量E的計(jì)算公式為

式中，J為飛輪轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；ωr為飛輪轉(zhuǎn)子的機(jī)械角速度。當(dāng)飛輪充電時(shí)，永磁同步電機(jī)帶動(dòng)飛輪轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速上升，電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能；當(dāng)飛輪放電時(shí)，飛輪轉(zhuǎn)子帶動(dòng)電機(jī)發(fā)電，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速下降，將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。

飛輪儲(chǔ)能陣列的結(jié)構(gòu)示意如圖2 所示。圖中，Udc為牽引網(wǎng)壓，PMSM (permanent magnet synchronous motor)為飛輪儲(chǔ)能裝置中的永磁同步電機(jī)。本文所采用的飛輪儲(chǔ)能陣列由3 個(gè)飛輪單元并聯(lián)接入牽引接觸網(wǎng)，提高了飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的儲(chǔ)能量與充放電功率，在一定程度上滿足了城軌列車再生制動(dòng)能量的回收與牽引變電所輸出削峰穩(wěn)壓需求。

圖2 飛輪儲(chǔ)能陣列結(jié)構(gòu)示意Figure 2 Structural diagram of flywheel energy storage array

1.2 充放電控制策略

飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)采用基于牽引網(wǎng)壓Udc的充放電功率的控制策略。飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)有充電、待機(jī)和放電3 種工作狀態(tài)，根據(jù)牽引網(wǎng)壓Udc的變化調(diào)整飛輪的工作狀態(tài)。

飛輪的充放電功率上限P受牽引網(wǎng)壓Udc控制的關(guān)系如圖3 所示。圖中，U1為飛輪全功率充電電壓閾值，U2為牽引網(wǎng)的空載電壓，U3為全功率放電電壓閾值；Pn為飛輪儲(chǔ)能設(shè)備額定電壓，PL為飛輪進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)時(shí)的初始功率，PM為飛輪待機(jī)狀態(tài)下的最大功率；a、b為待機(jī)狀態(tài)功率調(diào)整參數(shù)。當(dāng)牽引網(wǎng)壓Udc大于U2+a時(shí)，飛輪處于充電狀態(tài)；Udc小于U2-a時(shí)，飛輪處于放電狀態(tài)，Udc處于U2+a和U2-a之間時(shí)，飛輪則處于待機(jī)狀態(tài)。

圖3 飛輪功率上限P 與牽引網(wǎng)壓Udc 的關(guān)系Figure 3 The relationship between the limit of flywheel power P and the traction network voltage Udc

列車制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的再生制動(dòng)能量使?fàn)恳W(wǎng)壓Udc上升并大于空載電壓U2，當(dāng)差值大于a，即Udc＞U2+a時(shí)，飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)開始進(jìn)入充電狀態(tài)，充電功率上限P從0 開始隨牽引網(wǎng)壓的升高而逐漸增大，當(dāng)Udc=U3時(shí)，飛輪達(dá)到充電功率上限，開始滿功率充電。充電功率上限隨牽引網(wǎng)壓的變化率k1受U2+a和U3的共同影響。

列車牽引時(shí)吸收能量導(dǎo)致牽引網(wǎng)壓Udc降低并小于空載電壓U2，當(dāng)差值大于a，即Udc＜U2-a時(shí)，飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)開始進(jìn)入放電狀態(tài)，放電功率上限P從0 開始隨牽引網(wǎng)壓的降低而逐漸增大，當(dāng)Udc=U1時(shí)，飛輪達(dá)到放電功率上限，開始滿功率放電。放電功率上限隨牽引網(wǎng)壓的變化率k2受U2+a和U1的共同影響。

當(dāng)牽引網(wǎng)壓Udc介于U2±a之間時(shí)，飛輪處于待機(jī)狀態(tài)，在理想情況下，飛輪能保持當(dāng)前轉(zhuǎn)速。然而由于真空室并非絕對(duì)真空，只是為飛輪提供一個(gè)低風(fēng)阻的運(yùn)行環(huán)境，飛輪在旋轉(zhuǎn)時(shí)，其軸承也會(huì)產(chǎn)生一定的損耗，飛輪的轉(zhuǎn)速會(huì)因?yàn)樽陨淼臋C(jī)械損耗而自由下降，若對(duì)此不加限制，可能會(huì)在需要放電時(shí)轉(zhuǎn)速過低，甚至低于轉(zhuǎn)速下限。故當(dāng)Udc介于U2-a和U2+a之間時(shí)，飛輪小功率充放電以維持轉(zhuǎn)速，使其轉(zhuǎn)速處于一個(gè)穩(wěn)定值。

當(dāng)Udc=U2-a或Udc=U2+a時(shí)，待機(jī)狀態(tài)功率上限P不是從0 開始逐漸增大，而是立刻以小功率PL為限制值接管飛輪控制，維持飛輪轉(zhuǎn)速。當(dāng)Udc=U2-a或Udc=U2+a時(shí)，飛輪待機(jī)狀態(tài)的功率上限PL較小，并隨著Udc升高至U2-b或降低至U2+b的過程中逐漸增大至PM。飛輪功率上限P的計(jì)算式為

1.3 飛輪陣列均速控制

在性能設(shè)計(jì)上，目前的控制策略已具備飛輪儲(chǔ)能陣列控制功能。然而由于制造工藝有限，不同飛輪單元的實(shí)際參數(shù)不可能完全一致，運(yùn)行環(huán)境也會(huì)存在一定差異，相同功率指令下的飛輪在運(yùn)行一段時(shí)間后就會(huì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)速差異。飛輪間轉(zhuǎn)速差異較大將嚴(yán)重影響飛輪儲(chǔ)能陣列整體的輸出功率，造成儲(chǔ)能陣列容量的浪費(fèi)。

本文在根據(jù)實(shí)時(shí)牽引網(wǎng)壓Udc確定的相同飛輪功率命令的基礎(chǔ)上，添加小功率的轉(zhuǎn)速修正分量，生成個(gè)性化的多機(jī)功率命令，使飛輪功率存在微小的不同，以到達(dá)轉(zhuǎn)速均衡的目的。

轉(zhuǎn)速修正模塊通過對(duì)各自的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速進(jìn)行采集和計(jì)算，分別以3 個(gè)飛輪的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速n1、n2、n3為輸入，以飛輪平均轉(zhuǎn)速navg為反饋，將3 個(gè)飛輪轉(zhuǎn)速環(huán)的輸出P1′、P2′、P3′作為修正值，補(bǔ)償?shù)捷敵龅墓β拭钪礟out上，生成各飛輪單元的單獨(dú)命令P1*、P2*、P3*，均衡各飛輪單元的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)多機(jī)并聯(lián)下的能量分配管理。具體的均速控制框圖如圖4 所示。

圖4 均速控制方法框圖Figure 4 Diagram of average speed control method

1.4 空載網(wǎng)壓辨識(shí)

本文1.2 所述的充放電控制策略基本可以實(shí)現(xiàn)根據(jù)網(wǎng)壓波動(dòng)進(jìn)行飛輪充放電控制，以達(dá)到對(duì)再生制動(dòng)能量的回收利用和對(duì)網(wǎng)壓波動(dòng)的抑制目的。但在城軌牽引供電系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行過程中，除了列車運(yùn)行會(huì)引起直流牽引網(wǎng)壓波動(dòng)之外，中壓交流電網(wǎng)側(cè)的波動(dòng)也會(huì)引起直流網(wǎng)壓波動(dòng)，由于該網(wǎng)壓波動(dòng)為非列車引起，如不加以識(shí)別可能會(huì)引起飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)誤動(dòng)作。

為了防止交流網(wǎng)壓波動(dòng)造成的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)誤動(dòng)作，充放電控制策略中的牽引網(wǎng)側(cè)空載電壓U2通常不是采用固定的額定值，而是測(cè)量牽引變電所輸入側(cè)中壓環(huán)網(wǎng)電壓電流實(shí)時(shí)信號(hào)，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行直流側(cè)空載網(wǎng)壓辨識(shí)，作為充放電閾值計(jì)算算法的基礎(chǔ)?？蛰d網(wǎng)壓辨識(shí)算法的流程如圖5 所示。

圖5 空載網(wǎng)壓辨識(shí)算法流程Figure 5 No-load network voltage identification algorithm

首先對(duì)中壓交流網(wǎng)絡(luò)的交流電壓Uac進(jìn)行采集，通過低通濾波濾除高次諧波得到Uacf，再結(jié)合牽引變壓器以及整流機(jī)組的參數(shù)，計(jì)算得到直流側(cè)空載網(wǎng)壓的估計(jì)值U2′。采集交流電流Iac并濾波得到Iacf，通過變壓器和線路阻抗Z計(jì)算補(bǔ)償電壓ΔU，以補(bǔ)償變壓器和線路阻抗產(chǎn)生的壓降對(duì)空載網(wǎng)壓的影響。空載網(wǎng)壓辨識(shí)值U2即為直流網(wǎng)壓估計(jì)值U2′與補(bǔ)償量ΔU之和，即

空載網(wǎng)壓辨識(shí)算法在實(shí)際運(yùn)行中的結(jié)果如表1 所示。對(duì)比分析可知，在中壓環(huán)網(wǎng)電壓波動(dòng)的情況下，空載網(wǎng)壓辨識(shí)結(jié)果能夠隨電壓波動(dòng)自動(dòng)調(diào)整，且辨識(shí)結(jié)果與直流側(cè)電壓傳感器的采樣值基本吻合，相對(duì)誤差在0.7%以內(nèi)，空載網(wǎng)壓辨識(shí)算法能夠有效地估計(jì)實(shí)際直流電壓，降低交流側(cè)電網(wǎng)波動(dòng)的影響。

表1 空載電壓辨識(shí)結(jié)果Table 1 Traction voltage recognition results under no-load operation condition

2 飛輪儲(chǔ)能裝置應(yīng)用效果仿真

為驗(yàn)證飛輪儲(chǔ)能裝置控制策略的可行性，選取北京地鐵房山線廣陽(yáng)城站為飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)接入位置，對(duì)飛輪的工作效果進(jìn)行仿真分析。廣陽(yáng)城站前后車站的布點(diǎn)關(guān)系與站間距離如圖6 所示，其中，廣陽(yáng)城站距籬笆城站1 474 m，距良鄉(xiāng)大學(xué)城北站2 003 m。

圖6 廣陽(yáng)城站點(diǎn)關(guān)系Figure 6 Station relationship of Guangyangcheng station

采用基于MATLAB 自主開發(fā)的Revisor 軟件進(jìn)行仿真，建立含飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的城軌牽引供電系統(tǒng)及列車等效模型[11]，仿真界面如圖7 所示。

圖7 牽引供電系統(tǒng)仿真界面Figure 7 Simulation interface of traction power supply system

房山線牽采用10 kV 分散供電方式，由沿線設(shè)置的AC 10 kV/DC 750 V 牽引變電所供電，共15 座牽引變電所，列車編組為4M2T，電機(jī)額定功率200 kW。采用4.5 min 的發(fā)車間隔和功率上限為1 MW 的飛輪，以1 s為仿真步長(zhǎng)對(duì)牽引供電系統(tǒng)進(jìn)行牽引計(jì)算和潮流計(jì)算，對(duì)比安裝飛輪前后的變電所能量、功率和直流網(wǎng)側(cè)電壓變化情況。

在1 h 的循環(huán)周期內(nèi)，未安裝飛輪儲(chǔ)能裝置時(shí)，變電所輸出能量為556 kWh，輸出功率峰值為2.75 MW，直流側(cè)牽引網(wǎng)壓在700～900 V 之間波動(dòng)。

在廣陽(yáng)城站接入功率為1 MW、容量為4.75 kWh的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)后，經(jīng)仿真分析，變電所輸出能量為417 kWh，較未安裝飛輪儲(chǔ)能裝置時(shí)減少了25%，節(jié)能效果明顯。

接入飛輪后，牽引變電所輸出功率的峰值為1.8 MW，較未安裝飛輪時(shí)降低了34.5%，飛輪有效抑制了牽引所的沖擊功率波動(dòng)，降低了牽引所的供電負(fù)擔(dān)。安裝飛輪前后的牽引所輸出功率Ps隨時(shí)間t變化的曲線如圖8 所示。

圖8 安裝飛輪前后的牽引變電所功率曲線Figure 8 Power curve of traction substation before and after installing flywheel

接入飛輪后，牽引網(wǎng)壓雖然仍在700～900 V 之間波動(dòng)，但出現(xiàn)電壓峰值的次數(shù)比未安裝飛輪儲(chǔ)能裝置時(shí)減少了73%以上，飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)有效地抑制了牽引網(wǎng)側(cè)的電壓波動(dòng)。安裝飛輪前后的牽引網(wǎng)側(cè)電壓波形如圖9 所示。

圖9 安裝飛輪前后的牽引網(wǎng)電壓曲線Figure 9 Voltage curve of traction network before and after installing flywheel

為了驗(yàn)證空載網(wǎng)壓辨識(shí)的作用，模擬中壓環(huán)網(wǎng)電壓從10 kV 波動(dòng)到10.2 kV 的情況，此時(shí)所識(shí)別的空載網(wǎng)壓則從821 V 變?yōu)?37 V，牽引網(wǎng)壓Udc曲線如圖10 所示。仿真結(jié)果表明，在其他仿真條件不變的情況下，中壓環(huán)網(wǎng)電壓波動(dòng)2%，會(huì)使得整個(gè)牽引網(wǎng)空載電壓提升約2%，但是對(duì)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行無(wú)影響。

圖10 10 kV 網(wǎng)壓波動(dòng)下牽引網(wǎng)電壓曲線Figure 10 Voltage curve of traction network under 10kV network voltage fluctuation

3 飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)

3.1 飛輪基本功能驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)在列車牽引、制動(dòng)過程中響應(yīng)牽引網(wǎng)壓波動(dòng)進(jìn)行充放電動(dòng)作的及時(shí)性和準(zhǔn)確性，將飛輪儲(chǔ)能設(shè)備接入廣陽(yáng)城站，選取廣陽(yáng)城站前后兩站籬笆城站至良鄉(xiāng)大學(xué)城北站為測(cè)試區(qū)段，測(cè)試車輛在區(qū)間內(nèi)往返運(yùn)行，采用夜間動(dòng)調(diào)測(cè)試。

經(jīng)過測(cè)試，列車在啟動(dòng)、制動(dòng)過程中，牽引網(wǎng)壓和飛輪儲(chǔ)能裝置的總功率隨時(shí)間變化的波形如圖11所示。

圖11 牽引網(wǎng)壓和飛輪功率隨時(shí)間變化的曲線Figure 11 Curves of traction network and flywheel power along with time

分析圖11 中波形可知，飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)可以根據(jù)控制策略及時(shí)準(zhǔn)確地響應(yīng)牽引網(wǎng)壓波動(dòng)，在牽引網(wǎng)壓升高時(shí)吸收電能并在牽引網(wǎng)壓降低時(shí)釋放電能，夜間動(dòng)調(diào)結(jié)果驗(yàn)證了飛輪型再生制動(dòng)能量回收再利用裝置與地鐵牽引網(wǎng)的跟隨性、匹配性以及設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性，飛輪儲(chǔ)能裝置具備了日間掛網(wǎng)條件。

3.2 飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)效果分析

將飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)在日間地鐵正常運(yùn)行時(shí)接入廣陽(yáng)城站，通過長(zhǎng)時(shí)間掛網(wǎng)測(cè)試驗(yàn)證設(shè)備的穩(wěn)定性和飛輪系統(tǒng)的節(jié)能效率、穩(wěn)壓效果。

3.2.1 節(jié)能效率

城軌牽引供電系統(tǒng)是一個(gè)多能源耦合的復(fù)雜系統(tǒng)，變電所、列車與飛輪間通過牽引網(wǎng)互相傳遞能量。牽引變電所輸出能量可由列車運(yùn)行消耗，也可以由飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為動(dòng)能存儲(chǔ)；列車再生制動(dòng)能量可以由飛輪轉(zhuǎn)化并存儲(chǔ)，也可以直接為相鄰列車所用；飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)放電釋放的能量則由列車運(yùn)行消耗。三者互相耦合，共同決定牽引供電系統(tǒng)的能量流動(dòng)特性。

為分析飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的節(jié)能效果，對(duì)日間掛網(wǎng)運(yùn)行期間飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行了收集和統(tǒng)計(jì)分析，定義列車耗電量為飛輪系統(tǒng)節(jié)電量與牽引機(jī)組耗電量之和，則節(jié)能率為飛輪系統(tǒng)節(jié)電量占列車耗電量的百分比。在7 d 的掛網(wǎng)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)中，飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)實(shí)際每天運(yùn)行時(shí)間為6:00～22:00，日平均投運(yùn)時(shí)間為16 h，該線路中廣陽(yáng)城站列車每日實(shí)際運(yùn)行時(shí)間為5:20～23:30，約為18 h。7 d 日間掛網(wǎng)實(shí)驗(yàn)中的飛輪節(jié)能率統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2 所示。

表2 飛輪節(jié)能率統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 2 Statistical results of flywheel energy saving rate

分析數(shù)據(jù)可知，飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)實(shí)際日節(jié)電量范圍為1 130～1 380 kWh，節(jié)電率20%～29%，日平均節(jié)電量為1 292 kWh，日平均節(jié)電率為23%。飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的節(jié)電效果明顯

3.2.2 穩(wěn)壓效果

除節(jié)能目的外，飛輪儲(chǔ)能裝置可以在列車制動(dòng)時(shí)吸收再生制動(dòng)能量以抑制牽引網(wǎng)壓的抬升，在列車啟動(dòng)時(shí)釋放電能以補(bǔ)償網(wǎng)壓的跌落，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定網(wǎng)壓的目的，飛輪儲(chǔ)能裝置投入前后的地鐵運(yùn)行期間牽引網(wǎng)壓波動(dòng)曲線如圖12 所示。

圖12 接入飛輪前后的牽引網(wǎng)壓波形對(duì)比Figure 12 Comparison of traction network voltage before and after flywheel installation

通過對(duì)牽引系統(tǒng)投入飛輪前后的牽引網(wǎng)壓數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比得出結(jié)論：在未加裝飛輪時(shí)，牽引網(wǎng)壓最低為705 V，最高為928 V，電壓最大差值為223 V，網(wǎng)壓波動(dòng)較嚴(yán)重；在投入1 MW 飛輪儲(chǔ)能裝置后，網(wǎng)壓最低為751 V，最高為900 V，電壓最大差值為149 V，降低了33.2%，牽引網(wǎng)壓基本穩(wěn)定在750～900 V 范圍內(nèi)，穩(wěn)壓效果明顯。

3.3 飛輪陣列均速效果驗(yàn)證

為了防止因制造工藝影響造成的3 臺(tái)飛輪轉(zhuǎn)速差異，避免能量浪費(fèi)，本文1.3 節(jié)給出的控制策略是在原有充放電控制策略的基礎(chǔ)上進(jìn)行了均速控制，分別在3 臺(tái)飛輪的功率命令上添加小功率的轉(zhuǎn)速修正分量，以達(dá)到轉(zhuǎn)速均衡的目的。

在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)中，3 臺(tái)飛輪功率及轉(zhuǎn)速曲線如圖13所示。在均速控制策略的協(xié)同控制與管理下，3 臺(tái)飛輪的轉(zhuǎn)速基本均衡，一致性較強(qiáng)，均速控制方法的工作效果良好。

圖13 3 臺(tái)飛輪的轉(zhuǎn)速曲線Figure 13 Speed curves of three flywheels

4 結(jié)論

針對(duì)應(yīng)用于城市軌道交通的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)，本文提出基于牽引網(wǎng)直流側(cè)網(wǎng)壓的充放電控制策略、飛輪陣列均速控制方法和空載網(wǎng)壓辨識(shí)方法，以應(yīng)對(duì)列車頻繁啟動(dòng)、制動(dòng)造成的網(wǎng)壓波動(dòng)和能量浪費(fèi)問題。

經(jīng)過建模與仿真分析，接入飛輪后變電所輸出能量較未安裝飛輪儲(chǔ)能裝置前減少了25%，輸出功率峰值降低了34.5%，出現(xiàn)電壓峰值的次數(shù)減少了73%，飛輪有效地節(jié)約了能量，抑制了牽引網(wǎng)壓波動(dòng)。通過在北京地鐵房山線廣陽(yáng)城站牽引變電所接入飛輪儲(chǔ)能裝置并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，飛輪儲(chǔ)能裝置的節(jié)電率為23%，牽引網(wǎng)壓波動(dòng)降低了33.2%，進(jìn)一步驗(yàn)證了控制策略的可行性和飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的穩(wěn)壓和節(jié)能效果。