電氣化鐵路飛輪儲(chǔ)能技術(shù)研究

摘 要 電氣化鐵路是一種負(fù)荷波動(dòng)劇烈的大型工業(yè)電氣設(shè)備。按照牽引載荷的峰谷出現(xiàn)的特點(diǎn)，對飛輪儲(chǔ)能裝置變流器的控制的方法和能量管理的方法進(jìn)行了一定的分析，按照歷史的運(yùn)行的數(shù)據(jù)，以每天為固定時(shí)段，更進(jìn)一步的提出通過牽引負(fù)荷來對充放電控制的閾值進(jìn)行選擇控制，并對閾值進(jìn)行仿真模擬分析。

關(guān)鍵詞 電氣化;鐵路;飛輪儲(chǔ)能

引言

電氣化鐵路牽引峰值負(fù)荷限幅優(yōu)勢特點(diǎn)非常的突出，并且優(yōu)勢也非常的明顯。在技術(shù)水平上，消除負(fù)載峰值能夠使得負(fù)序電流對鐵路的影響降到最低。與此同時(shí)，飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)還對機(jī)車制動(dòng)產(chǎn)生的制動(dòng)能量的吸收和再利用進(jìn)行了充分的考慮，能夠在一定程度上使得電能成本得到有效降低。

1 牽引負(fù)荷的峰與谷

電氣化鐵路的日常運(yùn)行圖具有固定且準(zhǔn)確的周期性，過去在正常工作條件下的牽引負(fù)荷統(tǒng)計(jì)值具有良好的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。 因此，記錄并分析了過去在正常工作條件下的牽引載荷。功率曲線對峰值負(fù)載削峰的重要性不言而喻。正的功率表示牽引（電氣）的狀態(tài)，而負(fù)的功率代表發(fā)電的功率狀態(tài)。記錄正常工作條件下的牽引負(fù)載功率曲線[1]。如圖1所示：

2 飛輪裝置用于削峰填谷的控制策略

飛輪的儲(chǔ)能裝置主要通過變頻器，飛輪體，真空泵和冷卻柜共同組成。飛輪的主體主要包含飛輪的轉(zhuǎn)子，磁懸浮設(shè)備，機(jī)械軸承和高速的電動(dòng)機(jī)。高速的電動(dòng)機(jī)能夠在電動(dòng)機(jī)或發(fā)電機(jī)狀態(tài)下工作; 冷卻柜用于飛輪體的物理冷卻。 真空泵用于減小飛輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的摩擦阻力[2]。

2.1 飛輪裝置變流器控制策略

因此，飛輪變流器由電網(wǎng)側(cè)變流器和電動(dòng)機(jī)側(cè)變流器組成。變頻器兩部分的控制電路可以獨(dú)立設(shè)計(jì)，以確保飛輪裝置的穩(wěn)定運(yùn)行。

（1） 網(wǎng)側(cè)變流器控制策略。電網(wǎng)側(cè)變流器的控制目標(biāo)有兩個(gè)：一是確保完整的的并網(wǎng)（并網(wǎng)或牽引）電能質(zhì)量;其二是控制電網(wǎng)。另一種方法是控制電動(dòng)機(jī)側(cè)和電網(wǎng)側(cè)轉(zhuǎn)換器之間的能量傳遞平衡，也就是保證直流側(cè)的母線電壓保持恒定

（2） 電機(jī)側(cè)變流器控制策略。電動(dòng)機(jī)側(cè)逆變器的控制目標(biāo)是對系統(tǒng)的反應(yīng)的速度進(jìn)行有效的提高并防止電動(dòng)機(jī)的繞組電流出現(xiàn)過大的情況。第二個(gè)是能夠按照上位控制器的命令對控制電機(jī)的能量傳輸進(jìn)行有效控制。同時(shí)，電流控制用作內(nèi)環(huán)，以確保電機(jī)側(cè)的電能質(zhì)量并減少轉(zhuǎn)矩波動(dòng)。為確保磁通量恒定，請將其設(shè)置為恒定值。

2.2 能量環(huán)節(jié)控制方式

之前的能源部分由直流側(cè)網(wǎng)絡(luò)電壓控制。原理是按照電網(wǎng)電壓的指令與實(shí)際電網(wǎng)壓力之間的偏差對儲(chǔ)能裝置的充放電進(jìn)行直接的控制。總體來說控制比較的簡單。這種控制的方法利用了直流側(cè)總線電壓在供電期間會(huì)波動(dòng)的特性，但這與電網(wǎng)側(cè)轉(zhuǎn)換器控制直流側(cè)總線電壓穩(wěn)定性的初衷相反。也就是說，當(dāng)直流側(cè)的電壓不再波動(dòng)時(shí)，能量控制的環(huán)節(jié)將會(huì)失去穩(wěn)定性。所以，這篇文章提出一種能量管理的方法，通過牽引負(fù)載功率來對飛輪的充放電進(jìn)行有效的控制。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

牽引變壓器將其簡單地想為理想電壓源，牽引負(fù)載等于電阻負(fù)載。負(fù)載的波動(dòng)是通過改變負(fù)載電阻來實(shí)現(xiàn)的。仿真模型能夠在一定程度上對飛輪裝置的功率補(bǔ)償?shù)男ЧM(jìn)行有效的驗(yàn)證。

負(fù)載電阻在3s處減小，負(fù)載開始增加，電源側(cè)的有功功率輸出增加到110kW。當(dāng)負(fù)載電阻在6s時(shí)減小時(shí)，功率側(cè)的有功功率輸出將減小至10kW。電源側(cè)的功率嚴(yán)重波動(dòng)。飛輪在進(jìn)行工作的時(shí)候需要功率來對自身的運(yùn)行的速度進(jìn)行有效的維持，因此該功率將略高于之前的60kW（約61kW）功率。在6s內(nèi)，負(fù)載電阻減小，負(fù)載增加，但電源側(cè)的有功功率輸出沒有更改為61kW。飛輪單元提供增加的負(fù)載功率，這個(gè)時(shí)候，飛輪速度從36000r/min降至24000r/min，放電時(shí)間為1.3s。在放電期間，交流側(cè)的功率并不會(huì)因?yàn)樨?fù)荷的變化而進(jìn)行有效的變化。在6s內(nèi)，負(fù)載的電阻將會(huì)在增加，負(fù)載將會(huì)在一定程度減小。這個(gè)時(shí)候，電源側(cè)的有功功率輸出將會(huì)穩(wěn)定在一定的狀態(tài)下。降低的負(fù)載功率將會(huì)由飛輪進(jìn)行有效的吸收。此時(shí)，飛輪速度從24000r/min增加到36000r/min，分析過程類似于放電過程，沒有重復(fù)[3]。

4 結(jié)束語

從減少鐵路運(yùn)營的成本方面進(jìn)行充分的考慮，本文提出了通過降低峰值的負(fù)荷并在吸收和利用制動(dòng)能量的同時(shí)填充鐵路牽引供電系統(tǒng)中的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)來對電力成本的方法進(jìn)行有效的降低。這將為今后的電氣化鐵路飛輪儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展起到一個(gè)推動(dòng)作用，也將帶動(dòng)全國鐵路的運(yùn)行發(fā)展朝著一個(gè)更快的方向發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1] 黃小紅，趙藝，李群湛，等.電氣化鐵路同相儲(chǔ)能供電技術(shù)[ED/OL]. http：//kns.cnki.net/kcms/detail/51.1277.U.20191211.1800.006.html，2020-02-04.

[2] 李群湛，王喜軍，黃小紅，等.電氣化鐵路飛輪儲(chǔ)能技術(shù)研究[J].中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2019，39（7）：2025-2033.

[3] 王大杰，趙思鋒，黃小紅，等.飛輪儲(chǔ)能用于鐵路牽引負(fù)荷削峰填谷的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[J].電氣化鐵道，2018，29（S1）：93-97，101.

作者簡介

魏民（1985-），男，北京;學(xué)歷：碩士，現(xiàn)就職單位：沈陽遠(yuǎn)大電力電子科技有限公司，研究方向：參與多項(xiàng)國家重點(diǎn)研發(fā)專項(xiàng)、多次獲得省級科技進(jìn)步獎(jiǎng)項(xiàng)。

*[基金項(xiàng)目] 本文系國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目資助，項(xiàng)目編號：2018YFB0905500。