城軌交通用飛輪儲能陣列控制策略

李 進 張 鋼 劉志剛 王 勇

城軌交通用飛輪儲能陣列控制策略

李 進1張 鋼1劉志剛1王 勇2

（1. 北京交通大學電氣工程學院 北京 100044 2. 中國鐵道科學研究院集團有限公司標準計量研究所 北京 100081）

在城市軌道交通供電系統中引入飛輪儲能系統能夠有效回收列車再生制動能量，穩定直流接觸網電壓，但是單飛輪儲能系統容量較小，難以滿足列車再生制動能量利用需求。飛輪儲能陣列是解決這一問題的有效手段，然而目前對飛輪儲能陣列控制策略的研究還較少。該文首先分析飛輪儲能系統的數學模型和運行特性；然后考慮穩壓節能及弱磁需求，給出基于多電壓閾值的單飛輪儲能系統控制策略；并在此基礎上針對飛輪陣列均速控制和荷電狀態（SOC）管理等核心問題，提出基于轉差修正控制和基于“電壓-轉速-電流”三閉環控制的兩種飛輪儲能陣列控制策略；最后通過仿真和實驗驗證了飛輪儲能陣列控制策略的可行性。

城市軌道交通 飛輪儲能 飛輪儲能陣列 再生制動

0 引言

城市軌道交通運行速度快、運載客量大、安全準時，能夠有效緩解交通擁堵問題，受到了各大城市的青睞。近幾年，城軌交通規模迅速擴大，同時也帶來了巨大的電能消耗，預計未來地鐵能耗將達到全國總電耗的5‰以上[1]，如何降低能耗已成當務之急。據統計，城軌交通列車再生制動能量可達牽引能量的20%～40%[2]，安裝儲能系統回收列車再生制動能量是降低軌道交通能耗的有效手段之一[3-5]。目前，軌道交通中常見的儲能系統包括電池、超級電容和飛輪儲能系統（Flywheel Energy Storage System, FESS），在國內外地鐵線路中均有應用。如安裝了電池儲能系統[5-7]的日本西神山手線、谷町線等線路，安裝了超級電容儲能系統[8-9]的北京八通線、10號線等線路以及安裝了飛輪儲能系統[10-11]的洛杉磯金色線、北京房山線等線路，引入儲能系統后節能效果顯著且有效抑制了直流母線電壓的波動。相比于電池和超級電容類的儲能系統，飛輪儲能系統具有瞬時功率高、儲能密度大、使用壽命長、容量衰減小、環保無污染等優點，在國內外軌道交通領域受到了廣泛關注[12-13]。

飛輪儲能系統控制策略是研究的一個熱點。為了維持牽引供電網電壓的穩定，一般通過監測直流網壓的變化來判斷是否進行儲能系統的充放電動 作[14-16]。文獻[15]為了提高系統動態性能，簡化了電壓-電流雙閉環的控制結構，提出了一種基于擴張觀測器的直接電壓控制策略，但其將網壓二次方作為狀態變量，儲能系統對網壓自身的波動較為敏感。文獻[16]提出了一種隨飛輪荷電狀態（State of Charge, SOC）動態調整充放電電壓閾值的控制方法，在飛輪SOC增大、減小時分別調高、調低充放電電壓閾值，提高了儲能系統適應工況的能力，但在多車同時牽引時可能導致SOC過低而影響儲能系統的性能。

目前，單個小容量飛輪難以滿足列車再生制動的需求，而大容量飛輪受制造技術的限制[17]造價昂貴，此外大容量飛輪體積質量龐大，運輸和安裝時存在困難。采用多個飛輪單元并聯構成飛輪儲能陣列（Flywheel Energy Storage Array, FESA），是解決這些問題的一種有效手段[18]。針對飛輪儲能陣列的控制，文獻[19]按照等微增率原則分配各個飛輪單元功率，降低了飛輪儲能陣列損耗，但涉及的控制參數較多，計算過程復雜且易受電機運行狀態的影響。文獻[20]采用等轉矩控制的方式，各飛輪單元平均分配轉矩，然而由于飛輪單元自身參數差異的影響，僅采用等轉矩控制會導致飛輪單元出現轉速差異，影響儲能陣列性能。

本文針對城軌交通飛輪儲能陣列控制中面臨的節能穩壓、SOC管理、飛輪單元轉速均衡等問題，提出了新的飛輪儲能陣列控制策略。本文在完成對單飛輪儲能系統控制策略設計的基礎上，重點對飛輪儲能陣列控制策略進行了討論，分別提出了基于轉差修正控制和基于“電壓-轉速-電流”三閉環控制的兩種飛輪儲能陣列控制策略，并完成了仿真和實驗驗證。

1 城軌交通飛輪儲能系統

1.1 帶儲能系統的牽引供電系統分析

傳統的城軌交通牽引供電系統主要包括牽引變電所、牽引接觸網和列車三個部分。牽引變電所將10kV/35kV三相交流電降壓和整流處理后，轉變為1 500V/750V直流電并經由牽引接觸網向列車供電。

由于當前牽引變電所的整流機組多為二極管整流機組，能量只能單向地從交流電網流向直流牽引接觸網。因而，當列車進行再生制動時，多余的再生制動能量會造成牽引網電壓抬升，若使用吸收電阻消耗多余制動能量，不僅會浪費大量能量，還會增加通風系統能耗。針對這些問題，本文引入了飛輪儲能系統，帶儲能系統的牽引供電系統結構示意圖如圖1所示。飛輪儲能系統與整流機組并聯，安裝在牽引變電所內，在列車制動時吸收多余的再生制動能量并在列車牽引時釋放儲存的能量，以實現節能與穩定網壓的目的。

圖1 帶儲能系統的牽引供電系統結構示意圖

飛輪儲能系統主要由雙向DC-AC變換器、永磁同步電機（Permanent Magnet Synchronous Motor, PMSM）和飛輪轉子組成，飛輪儲能系統拓撲如圖2所示。雙向DC-AC變換器作為儲能系統與牽引供電系統的能量交換裝置，通過合理地控制其開關脈沖即可實現對飛輪儲能系統的能量管理。

圖2 飛輪儲能系統拓撲

1.2 飛輪儲能系統數學模型和運行曲線

為了研究飛輪儲能系統的控制策略，需要獲得飛輪儲能系統的數學模型。通常，把飛輪轉子與PMSM看作一個整體進行建模，在dq坐標系下，凸極永磁同步電機的數學模型包括下列方程。

電壓方程

磁場方程

轉矩方程

運動方程

式中，d和q分別為定子d軸、q軸電壓；d和q分別為定子d軸、q軸電流；d和q分別為定子d軸、q軸磁鏈；r為機械角速度；d和q分別為定子的d軸、q軸電感；f為永磁體磁鏈；為極對數；e為電磁轉矩；l為負載轉矩；為轉動慣量；為摩擦因數。

在實際的運行中，考慮雙向DC-AC變換器輸出電流、直流側電壓的限制，以及飛輪儲能系統輸出轉矩的需求，給出了d-q平面下的飛輪儲能系統運行限制方程，如式（5）所示，從上至下依次為電壓限制方程、電流限制方程和轉矩限制方程。

式中，Udc為變換器直流側電壓；Ilim為變換器輸出電流矢量最大幅值。根據式（5）畫出電流平面飛輪儲能系統運行曲線如圖3所示。飛輪儲能系統PMSM運行工作點應位于電流限制曲線與電壓限制曲線相交的區域且滿足對應轉矩限制曲線。采用id=0控制時，隨著轉速的升高，受電壓限制曲線影響工作點從a點逐漸移動至b點，此時已無法滿足轉矩限制曲線，儲能系統輸出轉矩降低。因此，有必要通過弱磁手段將工作點由b點擴展至點，保證飛輪儲能系統在高速時仍能滿足輸出需求。

2 單飛輪儲能系統控制策略

應用于城軌交通時，儲能系統一般通過監測直流牽引網電壓值進行充放電動作，由于飛輪儲能系統的特殊性，在進行控制時還需要考慮對PMSM的控制。本文給出了基于多電壓閾值的單飛輪儲能系統控制策略，基于多電壓閾值的單飛輪儲能系統控制框圖如圖4所示，主要包括基于多閾值的模式切換與穩壓控制和超前角弱磁控制兩個部分。

2.1 基于多閾值的模式切換與穩壓控制

儲能系統采用電壓-電流雙閉環控制，外環為牽引網電壓環，其充放電閾值的設置會對儲能系統的性能產生影響。當放電閾值設置得較高時，儲能系統將優先于牽引所向列車供電，迅速釋放儲存的再生制動能量，從而保持較低的SOC水平，有利于提高回收列車再生制動能量的能力，但其穩壓能力較差；當放電閾值設置較低時，儲能系統有利于在列車起動導致牽引網電壓跌落時，釋放能量抑制網壓的跌落，但可能出現“儲而不放”的情況而影響節能效果。為使儲能系統兼顧穩壓與節能功能，本文采用多電壓閾值的方式，為電壓外環設置了三個閾值char、dis1和dis2，將飛輪儲能系統劃分為四種工作模式，分別為充電、待機、釋能和放電模式，飛輪儲能系統工作模式如圖5所示。圖中，min和max分別為儲能系統允許的最小、最大工作電壓，dc0為牽引網空載電壓。

圖4 基于多電壓閾值的單飛輪儲能系統控制框圖

圖5 飛輪儲能系統工作模式

當列車制動導致接觸網電壓抬升時，飛輪儲能系統工作于充電模式，回收再生能量；當列車牽引導致接觸網電壓下跌較大時，飛輪儲能系統工作于放電模式，滿功率放電抑制網壓跌落；而當牽引所附近列車同時進行牽引與制動，牽引網電壓跌落較小以及列車處于惰行或靠站停車，僅需為列車輔助供電系統供電時，飛輪儲能系統工作于釋能模式，以較小功率向牽引網放電，消耗儲存能量。

釋能模式閾值dis1與放電模式閾值dis2的關系為

兩種模式下的輸出功率通過電流內環指令限制值-slim1和-slim2進行控制。以上參數應結合線路的實際情況進行選取，以獲得較好的穩壓與節能效果。對上述控制策略進行了仿真驗證，仿真模型參數見表1。

表1 單飛輪儲能系統仿真參數

Tab.1 Simulation parameters of flywheel energy storage system

圖6所示為單飛輪儲能系統在列車制動-靠站停車-牽引工況下的仿真波形，從上往下依次為列車功率、牽引網電壓、飛輪定子電流矢量及飛輪儲能系統SOC波形。其中，列車功率數據由實際線路進行牽引計算得到。飛輪儲能系統能夠根據列車運行狀態切換相應工作模式：列車制動時工作于充電模式，SOC升高，電壓穩定在1 750V左右；列車靠站停車時以較小功率為列車輔助供電系統供電，SOC緩緩下降，電壓穩定在1 650V左右；列車牽引時工作于放電模式，SOC快速下降，電壓穩定在1 630V左右。

圖6 單飛輪儲能系統仿真波形

通過仿真可知，單飛輪儲能系統能有效回收利用再生制動能量，在充電、釋能與放電模式的配合下，兼顧節能與穩壓功能。同時也發現了其存在的問題：單飛輪儲能系統容量較小，難以滿足列車再生制動能量利用需求，車載制動電阻長時間起動。

2.2 飛輪儲能系統弱磁控制

根據式（7）只需獲得定子電流矢量超前角度D，即可算出弱磁情況下PMSM的dq軸電流指令，考慮放電的情況，在計算d時對s取絕對值，這種弱磁控制方式被稱為超前角弱磁，具體控制框圖如圖7所示。

圖7 飛輪儲能系統弱磁控制框圖

圖8所示為飛輪儲能系統恒轉矩充電時的轉速和交、直軸電流仿真波形。可見，采用弱磁控制的飛輪在轉速較高時仍能保證系統性能，而不采用弱磁控制的飛輪轉矩明顯減小，轉速上升速度變慢。

圖8 飛輪儲能系統弱磁控制仿真波形

3 飛輪儲能陣列控制策略

大容量飛輪受制造成本和運輸安裝條件的限制，目前難以投入工程應用，而單個小容量飛輪又無法滿足列車再生制動能量利用的需求。因此，本文采取將單飛輪儲能單元并聯組成飛輪儲能陣列的方式提升總體容量，以滿足再生制動儲能需求。

圖9所示為飛輪儲能陣列的結構，飛輪單元直流側通過母線并聯。由于不同飛輪單元在制造時不可避免地存在參數差異，所以在對飛輪儲能陣列控制時，還需要考慮各個飛輪間的轉速均衡。本文給出了兩種飛輪儲能陣列控制方案。

圖9 飛輪儲能陣列結構

3.1 基于轉差修正的控制策略

不同于單飛輪儲能系統，飛輪儲能陣列的控制還需要關注各飛輪單元間的轉速均衡，避免個別飛輪轉速過高或過低，造成儲能陣列容量浪費。為此，在基于轉差修正的飛輪儲能陣列控制策略中，根據各飛輪單元的轉速差異對充放電電流指令進行了修正，具體實現方式如圖10所示。

圖10 基于轉差的電流指令修正

在轉矩受到限制的情況下，飛輪轉速的高低直接影響儲能系統功率的大小，因此對飛輪SOC的管理必不可少。本文引入了系數SOC，在儲能系統不同SOC狀態下對充放電指令加以約束，實現SOC的管理。充電和放電工況下，系數SOC的取值如圖11所示，其中SOCmax和SOCmin為飛輪儲能系統SOC的上、下限，SOCmax通常為1。

圖11 系數kSOC的取值

充電工況下飛輪單元轉速升高達到SOCH時，通過系數SOC限制其充電以避免轉速過高。此時SOC與SOC的函數關系為

放電工況下飛輪單元轉速下降至SOCL時，通過系數SOC限制其放電以避免轉速過低。此時SOC與SOC的函數關系為

基于轉差修正的飛輪儲能陣列控制策略總體框圖如圖12所示。在單飛輪儲能系統控制策略的基礎上，增加了轉差修正與SOC管理環節，以實現飛輪儲能陣列的協同控制。

圖12 基于轉差修正的飛輪儲能陣列控制策略

3.2 基于“電壓-轉速-電流”三閉環的控制策略

從前文來看，在設計飛輪儲能陣列控制策略時，既要考慮飛輪單元間的速度均衡，又要考慮SOC的管理，這些都與飛輪的轉速相關。所以，本文提出了飛輪儲能陣列控制的另一種思路，即在電壓外環與電流內環之間增加一個轉速閉環，直接控制飛輪儲能陣列中各個飛輪單元的轉速。基于“電壓-轉速-電流”三閉環的飛輪儲能陣列控制策略整體框圖如圖13所示，該控制策略的關鍵點在于如何將電壓環與轉速環有效地連接起來。由式（4）可知，當負載轉矩為零且忽略摩擦時，飛輪儲能系統運動方程為

圖13 基于電壓-轉速-電流三閉環的飛輪儲能陣列控制策略

式中，為飛輪轉速。由式（10）可知，通過對飛輪轉速變化率d/d的控制即可實現對轉矩的控制。本文將圖13所示的電壓外環輸出指令定義為飛輪轉速變化量D，由于電壓閉環指令更新的間隔固定，D值的變化即代表著飛輪轉速變化率的變化。利用轉速指令計算環節得到各飛輪單元的統一轉速指令，實現電壓外環與轉速閉環的有效串聯。轉速指令計算環節具體為

通過轉速閉環對各飛輪單元進行統一的轉速控制，一方面能夠有效避免飛輪單元產生較大的轉速差；另一方面只需對轉速指令加以限制就能實現飛輪儲能陣列的SOC管理。

對于飛輪儲能陣列釋能模式與放電模式下功率的控制，同樣通過限制電流閉環輸出指令sref來實現，配合不同的工作模式切換電流指令限制值-slim1和-slim2。在基于“電壓-轉速-電流”三閉環的控制策略中，釋能模式和放電模式的電壓環指令各自給出，不同于基于轉差修正的控制策略中放電工況下電壓外環輸出指令由釋能模式閉環與放電模式閉環疊加而成，這使得采用前者進行控制時，儲能陣列在釋能模式與放電模式間切換時不如后者平滑。表現為電流閉環指令sref在切換模式時突變，這一問題可以通過將放電模式電流閉環的PI初值設置為-slim1的方式來解決。

3.3 仿真與分析

為進一步分析上述兩種飛輪儲能陣列控制策略，在圖6所示的列車功率波形下，進行了對比仿真。具體仿真參數見表2。

表2 飛輪儲能陣列仿真參數

Tab.2 Simulation parameters of flywheel energy storage array

圖14為兩種飛輪儲能陣列控制策略在列車制動—靠站停車—牽引工況下的仿真波形，從上往下依次為牽引網電壓、電流矢量指令及飛輪儲能系統SOC波形?？梢园l現，上述兩種控制策略下，飛輪儲能陣列均能夠根據牽引網電壓情況動作，準確地進行充電、釋能及放電模式切換，完成再生制動能量的吸收與快速釋放，儲能陣列SOC保持在0.3～1之間。從牽引網電壓波形來看，采用飛輪儲能陣列后，列車制動時制動電阻起動時間有效縮短，理論上通過合理配置飛輪儲能陣列容量，可以避免制動電阻的起動，實現再生制動能量的完全利用。

圖14 飛輪儲能陣列仿真波形

為驗證上述兩種控制策略的均速能力，將飛輪儲能陣列中三個飛輪單元的初速度分別設置為7 000r/min、7 500r/min和8 000r/min，并對它們的轉動慣量設置了5%的誤差。飛輪儲能陣列均速控制仿真波形如圖15所示，飛輪單元經過約5s的調整后轉速趨于一致并在后續的充放電過程中保持了均衡?？梢?，當儲能陣列中的飛輪單元出現轉速差異時，上述兩種控制策略均能有效進行均速調整，快速消除轉差并保持飛輪單元間的轉速均衡。

圖15 飛輪儲能陣列均速控制仿真波形

為進一步說明均速控制對儲能陣列的影響效果，定義了轉速均衡度為

由轉速均衡度的定義可知，Kn越接近1，飛輪單元的轉速均衡度越好。在飛輪單元平均轉速為7 500r/min而Kn不同的情況下，進行了充電仿真，并將不同Kn對應的儲能陣列功率波形及列車再生制動功率波形進行了對比，不同轉速均衡度下儲能陣列功率曲線如圖16所示。由仿真可知，飛輪單元保持轉速均衡時，儲能陣列能夠全程保持滿功率工作狀態，較好地匹配列車再生制動功率曲線；而當儲能陣列的Kn增大時，儲能陣列以滿功率狀態工作的時間明顯縮短，功率曲線無法有效匹配列車制動功率曲線，儲能陣列穩壓節能效果下降，且造成了儲能陣列容量的浪費。因此，采用帶均速控制的飛輪儲能陣列控制策略是有必要的。

通過上面的仿真，可以發現，基于轉差修正控制和基于“電壓—轉速—電流”三閉環控制這兩種策略，都能滿足飛輪儲能陣列的功能需求，如工作模式的切換、飛輪單元均速控制、SOC管理等，且兩種控制策略性能相差不大。但是從控制的復雜程度來看，采用基于轉差修正的控制策略，除了新增加轉差修正和SOC管理環節外，還需在飛輪接近轉速下限時，引入額外的轉速環來維持飛輪的最低轉速。而基于“電壓—轉速—電流”三閉環的控制策略，只需在電壓和電流環之間串聯轉速環即可，結構更為簡單。因此，本文采用第二種飛輪儲能陣列控制策略，進行實驗驗證。

4 實驗驗證

4.1 實驗平臺

為了驗證飛輪儲能陣列控制策略的可行性，搭建了1MW飛輪儲能陣列實驗平臺，進行實驗驗證。實驗平臺拓撲結構如圖17所示，主要包括降壓變壓器、PWM變流器柜和飛輪儲能陣列，其中變壓器一次側連接10kV電網，二次側連接PWM變流器柜；變流器柜輸出端則與飛輪儲能陣列母線連接；飛輪儲能陣列由三個飛輪儲能單元并聯組成，額定功率為1MW。圖18為飛輪儲能陣列實驗平臺。

圖17 實驗平臺拓撲結構

圖18 飛輪儲能陣列實驗平臺

實驗內容主要包括兩個部分：一是控制PWM變流器先后工作于整流和逆變模式，分別模擬列車制動和牽引過程，觀察該過程中飛輪儲能陣列的狀態及直流母線電壓dc的情況，驗證儲能陣列的節能穩壓功能；二是調整三個飛輪單元的初始轉速，在飛輪單元間存在轉速差的情況下進行充電實驗，驗證儲能陣列的均速控制效果。實驗平臺的參數見表3。

表3 飛輪儲能陣列實驗平臺參數

Tab.3 FESA experimental platform parameters

4.2 實驗結果與分析

在實驗過程中，受電流、電壓傳感器的長度限制，利用功率分析儀采集了實驗平臺直流母線的電壓、電流及功率數據，功率分析儀型號為橫河WT1800，數據更新周期設置為50ms；而飛輪單元變頻器交流側的a相電流和飛輪單元的轉速數據則通過錄波儀進行采集，錄波儀型號為DL 850，采樣率為500kS/s。轉速傳感器采用了磁阻型轉速傳感器。

4.2.1 儲能陣列模式切換與穩壓實驗

將PWM變流器設置為一個可控功率源，通過功率指令控制其輸出功率，模擬列車制動、靠站停車及牽引工況，驗證儲能陣列在不同工況下的模式切換與穩壓功能?？紤]儲能陣列的額定功率與有效容量，對模擬的列車功率曲線進行了調整，使其功率峰值不超過1MW，能量不大于6kW·h。儲能陣列模式切換與穩壓實驗波形如圖19所示。

圖19 儲能陣列模式切換與穩壓實驗波形

結合功率與直流母線電壓波形來看，當PWM變流器工作于整流模式，模擬列車制動工況時，飛輪儲能陣列工作于充電模式，回收電能并將直流母線電壓穩定在1 750V；當PWM變流器工作于逆變模式，以較小功率模擬列車靠站停車工況下輔助供電系統能耗時，飛輪儲能陣列工作于釋能模式，將直流母線電壓穩定在1 650V；當PWM變流器工作于逆變模式，以較大功率模擬列車牽引工況時，飛輪儲能陣列工作于放電模式，將直流母線電壓穩定在1 630V。實驗過程中，飛輪儲能陣列能夠準確響應PWM變流器功率的變化切換工作模式，依據設定的多段閾值，實現不同工作模式下的電壓穩定。飛輪變頻器交流側電流波形正常，各飛輪單元SOC保持在0.4～1之間。

4.2.2 儲能陣列均速實驗

將三個飛輪單元的初速度設置為7 000r/min、7 500r/min和8 000r/min，分別在有均速控制和無均速控制的情況下進行實驗。由于存在轉差時，均速控制會影響儲能陣列的輸出功率，若PWM變流器仍作為功率源，可能出現PWM變流器輸出功率無法完全被儲能陣列吸收導致直流母線電壓過高的情況。為避免損壞實驗平臺，將PWM變流器設置為一個可控電壓源，輸出電壓設定為1 800V，儲能陣列的充電閾值為1 750V。此時儲能陣列電壓外環輸出滿功率充電指令，采用“電壓—轉速—電流”三閉環控制時，其實際功率還受到均速控制的影響。

飛輪儲能陣列均速實驗波形如圖20所示，無均速控制時（見圖20a）飛輪單元間的轉差無法消除，三個飛輪滿功率工作直至先后充滿；有均速控制時（見圖20b），轉速較高的飛輪單元充電電流受到抑制，當轉速趨于一致時三個飛輪單元充電電流保持均衡，儲能陣列滿功率運行?？梢姡瑹o均速控制時，飛輪儲能陣列無法自主調節飛輪單元間存在的轉速差，而這種轉差較大時，必然導致部分飛輪率先充滿或放完電能，影響儲能陣列輸出功率；采用基于“電壓—轉速—電流”三閉環的控制策略時，儲能陣列能夠主動調整飛輪單元間的轉速差，保持飛輪陣列的轉速均衡，避免由于轉差造成儲能陣列容量的浪費。

圖20 飛輪儲能陣列均速實驗波形

5 結論

本文以利用飛輪儲能系統回收城軌交通再生制動能量為出發點，分析了飛輪儲能系統數學模型和運行特性，提出了單飛輪儲能系統控制策略。針對單飛輪儲能系統容量較小的缺陷，采用飛輪儲能陣列的解決辦法并提出了飛輪儲能陣列控制策略，實現了飛輪儲能陣列工作模式切換、飛輪單元轉速均衡、SOC能量管理等功能。通過Simulink仿真和實驗平臺實驗，驗證了飛輪儲能陣列控制策略的可行性。在后續的研究中，將在實際的地鐵線路中對飛輪儲能陣列的節能穩壓及均速效果進行驗證，還將對飛輪儲能陣列的容量配置做進一步的研究。

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Control Strategy of Flywheel Energy Storage Array for Urban Rail Transit

1112

（1. School of Electrical Engineering Beijing Jiaotong University Beijing 100044 China 2. Standards and Metrology Institute China Academy of Railway Sciences Group Co. Ltd Beijing 100081 China）

The introduction of a flywheel energy storage system in the urban rail transit power supply system can effectively recover the regenerative braking energy of the train and stabilize the DC catenary voltage. However, the single flywheel energy storage system has a small capacity, and it is difficult to meet the demand for train regenerative braking energy utilization. Flywheel energy storage array is an effective means to solve this problem, however, there are few researches on its control strategy. This paper first analyzed the mathematical model and operating characteristics of the flywheel energy storage system. Then, considering the requirements for voltage stabilization, energy saving and field weakening, a control strategy for a single flywheel energy storage system based on multiple voltage thresholds was given. Subsequently, aiming at the core issues of flywheel array speed-balance control and SOC management, two flywheel energy storage array control strategies based on speed-error regulation control and based on “voltage-speed-current” three closed-loop control were proposed. Finally, the simulation and experiment verify that the proposed control strategy can be arrayed.

Urban rail transit, flywheel energy storage, flywheel energy storage array, regenerative braking

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.210419

TK02

中央高?；究蒲袠I務費專項資金資助項目（2018JBZ004）。

2021-04-19

2021-05-17

李 進 男，1997年生，碩士，研究方向為城市軌道交通飛輪儲能技術。E-mail: 19126123@bjtu.edu.cn

張 鋼 男，1982年生，副教授，博士生導師，研究方向為軌道交通牽引供電技術、新能源并網與儲能技術等。E-mail: gzhang@bjtu.edu.cn（通信作者）

（編輯 陳 誠）