飞轮储能系统在电气化铁路的应用与研究

王大杰，陈 鹰，唐英伟，李胜飞，赵思锋



飞轮储能系统在电气化铁路的应用与研究

王大杰，陈 鹰，唐英伟，李胜飞，赵思锋

（盾石磁能科技有限责任公司，河北 唐山 063000）

本文提出了通过飞轮储能系统在线路负荷较重时对电网释能来降低变压器的出力，从而降低最大需量值或变压器容量；因为铁路负序最严重的时候为变压器处于峰值功率时，所以还可有效降低负序电流。由于飞轮储能装置是个储能体，同时具备储能和释能的双重功能，所以此系统还可吸收再利用机车制动时产生的制动电能，有效降低电度电费成本。本文先后介绍了系统整体结构、变流器系统、飞轮储能装置、测控单元，然后根据实际变电站参数和实测牵引负荷数据建立了该系统的仿真模型进行仿真，表明了所提出的飞轮储能系统应用于电气化铁路进行削峰填谷的正确性。

电气化铁路；削峰填谷；降低基本电费；治理负序；回收再利用制动能量；飞轮储能系统

削峰填谷是电力系统负荷管理的重要举措，对于电网而言，削峰有利于提高发输变电设备利用率，节省设备扩容、更新费用，降低供电成本，对于一般用户而言，可以利用峰谷差价取得降低电费的经济效益。储能系统具备电能储存和释放的双重功能，即具有对负荷削峰和填谷的双重作用，其中飞轮储能系统基于其快速响应、瞬间输出高功率和长寿命的特性在此应用方向上有着独到的优势，在实际应用中发挥着不可替代的、巨大作用，并在发挥着越来越大的作用。

电气化铁路牵引负荷削峰填谷具有技术经济兼优的作用，在技术层面上由于消除负荷高峰可有效降低负序电流的影响[1-3]；在经济层面上可有效降低变压器的容量或最大需量，直接产生经济效益，同时飞轮储能系统兼顾吸收再利用机车制动产生的制动电能，有效降低电度电费成本。

电气化铁路运行图具有以日为单位的特点，即有固定、准确的周期性，因此可以从中提取有意义的统计值加以研究、利用。根据牵引负荷的特点，通过专门设备与方法，实现实时最优化削峰，减少变压器容量或最大需量，取得最佳经济效益，同时治理负序，改善技术性能。

本文研究了飞轮储能装置和背靠背变流器，共同组成飞轮储能系统，通过飞轮储能系统与牵引变电所馈电母线挂接，实现削峰填谷和降低负序兼顾制动能量回收再利用的功能。

1 系统整体结构

该系统安装在变电所内，系统构成包括既有铁路牵引变压器，在牵引变压器的二次侧安装飞轮储能系统，安装位置如图1中红色虚线部分。需要新增加的设备包括：飞轮储能装置、背靠背变流器、分别在供电臂T1和T2上安装降压变压器，在降压变压器高压侧安装断路器。在整个电气回路中飞 轮储能装置通过变流器和变压器与馈电母线T1、T2连接，变压器和变流器组成的系统将馈电母线上 的AC27.5 kV变换成DC750 V输出给飞轮储能 装置。

图1 系统拓扑结构

此方案是针对现在高速铁路普遍采用的/型变压器接法所设计，配电所内装有两台变压器，一备一用，平常运行时母联开关处于闭合状态，其中两个供电臂分别对左侧和右侧的上、下行线路进行供电，飞轮储能装置通过背靠背变流器和降压变压器与供电臂连接并进行能量的存储与释放。

通过背靠背变流器将两个供电臂连接到一起，在中间直流环节加装飞轮储能装置，在此种安装方式下，一套飞轮储能系统可同时对T1、T2两个供电臂进行功率补偿，更大幅度地降低了变压器出现峰值功率的概率，并可以同时吸收再利用两个供电臂上产生的再生电能，同时通过中间直流环节也可实现两供电臂之间功率的融通，使两个供电臂负荷相等，有效减小负序电流对公用电网的危害[4,6]。

2 变流器系统结构

变流器系统的拓扑结构如图2所示，其中红色虚线部分为飞轮储能系统，飞轮储能系统包括背靠背变流器和飞轮储能装置，此处以自耦变压器（auto-transformer，AT）供电方式[7]来分析。

图2 变流器系统拓扑结构

由图2可见，背靠背变流器系统通过降压变压器分别连接于两供电臂。系统包括两个背靠背结构的电压源变流器、变流器中间直流侧加装电容，直流电容用来稳定直流侧电压，将飞轮储能装置挂接在中间直流侧，两个单臂变流器之间采用协调控制，一个变流器控制无功和直流侧网压，另一个变流器负责能量的分配，飞轮储能装置在变压器达到核定负荷时对外放电以降低变压器的最大需量，在线路中有制动能量时进行能量的回收。背靠背变流器通过电抗器和单相降压变压器连接到牵引变压器的二次侧供电臂，使两供电臂可以进行功率融通，从而使两个供电臂负荷相同，起到很好的降低负序电流的效果，两个变流器还可以进行谐波的抑。飞轮储能系统可以通过背靠背变流器实现能量的传递，降低变压器的最大需量，降低最大需量收费，避免供电部门罚款；同时可减少大容量变压器设备的投资，提高变压器使用寿命；兼顾回收再利用列车制动产生的电能。

2.1 削峰过程

削峰填谷为当线路负荷较重时，飞轮储能系统对牵引网放电，消除用电高峰，降低峰值功率，并在牵引网负荷较轻（即谷）时自身进行储能。

受地质沉积环境的影响，二2煤层厚度及顶底板岩性变化较为复杂。河南登封区域山西组二2煤沉积前期为滨海浅湖泊环境，陆源碎屑主要来自隆起地带，二2煤底板多为砂岩，部分为砂质泥岩，继而形成泥炭沼泽相，发育了二2煤。

图3为削峰过程示意图，图中曲线10是馈线的实测负荷功率，正的表示牵引（用电）工况，负的表示再生制动（发电）工况，坐标为MW。通过计算往日正常工况下牵引负荷功率曲线，得出均值11；图中选择一个时段（1 h）的负荷功率曲线，以负荷削峰为目标，选择基准值14＞基准值13＞基准值12＞均值11。显然，将牵引负荷功率与基准值对比即可实时控制飞轮储能装置的充放电工况，实现实时削峰填谷；选取的基准值越大，峰的数量就 越少，充放电次数就越少，飞轮储能装置容量也 就越小，但削峰能力较弱，电费降低越少，反之 亦然。

图3 基准值选取

以图3中基准值14进行说明，当牵引负荷达到基准值14时，飞轮储能系统开始对牵引网进行削峰，由于出现负荷高峰时段较短，需要飞轮快速响应，响应时间为ms级[10-11]，及时捕捉用电高峰并将能量释放到牵引网以降低变压器输出功率；从 示意图上可以看出超过基准值的负荷功率最大值为5 MW左右，通过计算牵引能量得出削峰需要飞轮提供的能量为41 kW·h，若匹配的飞轮储能系统在功率和能量上均需满足要求，则可实现降低约5 MW的变压器最大需量，以河北省电网销售电价表中最大需量为35元/kW每月来计算，每年可节约基本电费为5000×35×12=210万元/年，节能效益非常可观。

当基准值选取的更小时需要的飞轮储能系统的容量越大，需求的飞轮储能系统功率在兆瓦级以上。

因此通过基准值的选择，可以寻求一个技术经济最佳的削峰方案，使飞轮储能系统既可以解决技术上的电能质量问题，又可以带来更好的经济效益。

2.2 削弱负序电流和谐波

当线路负荷未达到基准值时，即不需要飞轮储能系统削峰时，两变流器系统配合如下文所述，进行负序治理[4,8]。

如图2所示，设A、B、C为/牵引系统原边侧三相电压，a、b为副边电压；设A相电网电压A（）=sin，则（）=sin（-p/6），（）=sin（-p/2）；牵引供电臂负载电流L和L用傅里叶级数表示为

3 测控单元

3.1 工作原理

测控单元如图4所示，本文背靠背变流器装置基于降压变压器次边绕组多重化、多个背靠背H 桥功率单元并联接入，两端变流器结构完全对称，控制策略也相同，以左端A相供电臂为例进行说明。该装置控制系统从结构上可分为内环控制和外环控制[7,9]，内环控制解决电流的快速跟踪控制问题，外环控制用于确定参考值的大小。

测控单元的结构为从单相接线主变压器次边引出牵引进线，牵引进线连接牵引母线I、II；牵引母线经馈线连接牵引网给列车供电；电压互感器测量牵引母线对地电压；电流互感器测量馈线的电流；降压变压器原边连接牵引母线和地，次边连接背靠背变流器的交流端口；背靠背变流器的直流端口与飞轮储能装置连接；电压互感器和电流互感器的测量端连接测控单元输入接口，测控单元输出接口与背靠背变流器的控制端相连接。

图4 测控单元

通过采集牵引母线上的电压和馈线侧的电流对背靠背变流器执行命令，飞轮储能装置作为背靠背变流器系统的子系统由变流器发出充放电指令。变流器系统通过测控单元得到充放电功率指令，并通过处理在需要时将此功率指令发送给飞轮储能系统，飞轮储能装置与变流器系统通过直流主回路的连接，用于功率传输及网压检测控制，飞轮储能装置的工作电压范围和变流器系统工作电压范围设置为一致，则飞轮接收到指令后会根据自身控制策略执行此充放电功率指令。

当线路中负荷未达到核定值时，通过两个变流器协调控制实现有功功率的转移和无功补偿；当线路中负荷超过核定值时，首先两个变流器实现轻 载侧向重载侧转移能量，剩下的由飞轮储能装置 提供[5,8]。

3.2 不同工况下的控制方式

控制方式为当供电线路中变压器输出侧电流达到设定基准值时，此时飞轮储能系统对外放电，降低变压器产生的最大需量，同时支撑牵引网压。飞轮储能系统在线路中有列车进行再生制动时或在行车间隔时自身进行充电进行充电[5]。

具体控制方式如下。①当飞轮储能系统工作 在削峰模式时，控制逻辑如图5、图6所示。当两个臂上同时有车进行牵引时，飞轮储能系统可同时对两个供电臂进行削峰，控制方式如图5所示；当仅一个供电臂上有车进行牵引时，飞轮储能系统仅对一个供电臂进行削峰，控制方式如图6所示。②当飞轮储能系统工作在储能模式时，控制方式如图7～9所示。当仅一个供电臂上有车进行制动时，飞轮储能系统将制动能量进行存储，控制方式如图7所示；当两个供电臂上都有车制动时，飞轮储 能系统同时存储两个供电臂上制动的能量，控制方式如图8所示。③当一个供电臂有车制动，另供电臂有车牵引时，飞轮储能系统优先将制动能量转移到另一供电臂中供列车牵引，并将剩余能量进行存储，控制方式如图9所示；当一个供电臂中同时有车进行牵引和制动时，机车再生制动能量直接用于牵引。

图5 两个供电臂同时有车牵引

图6 仅一供电臂有车牵引

图7 仅一供电臂有车制动

图8 两个供电臂同时有车制动

图9 一个供电臂有车制动另一供电臂有车牵引

4 仿真分析

4.1 实测数据统计与分析

对邯长线武安变电所进行实时数据采集，2018年6月5日至6月6日实时功率如图10所示，牵引负荷功率2天最大值为21.2 MW、平均值为1.7 MW，最大需要量值为12.0 MW和11.5 MW。

4.2 武安变电所5 MW储能装置削峰特性仿真分析

武安变电所5 MW储能装置削峰特性仿真分析如图11所示。通过仿真可以看出，投入5 MW的飞轮储能系统可将变压器的最大需量由11.5 MW降低为7.2 MW，可以降低4.3 MW的最大需量收费；同时根据电气化铁路具有以日为单位的运行特点，可以看出在每日有许多再生制动能量回馈到电网，从图11可以看出当天线路中的总再生电能为7774.9 kW·h，当日牵引总能耗为48000 kW·h，所以此变电所每日再生制动电能的可利用率为7774.9÷48000×100%=16%。

GTR飞轮储能系统具有短时高频次的特性（一小时内可以完成30次循环充放电），满足铁路牵引系统频繁波动的特性，由于牵引负荷具有以日为单位的供电特性，通过对牵引负荷的规律进行分析，使GTR飞轮工作在快充快放、多循环次数充放的模式，充分发挥GTR飞轮储能系统频繁充放及长寿命的特性，将机车再生制动的电能进行充分利用。

图10 武安变电所实时功率

图11 武安变电所5 MW储能装置削峰特性仿真

飞轮储能系统可以降低变压器的基本电费和 电度电费，大大节约运营成本，具有长期稳定的 收益。

4.3 改善负序性能

武安变电所电压不平衡度最大的2%所在功率位置分布图如图12所示，从图中可见电压不平衡度最大值主要集中于负荷功率最大处，即负荷功率越大，负序电流和电压不平衡度表现越明显，故可通过储能装置“削峰”实现降低电压不平衡度（负序电流），改善负序效果。

图12 武安变压所电压不平衡度最大的2%分布图

飞轮储能系统不但可以节约电费成本，同时可治理电能质量，解决了目前电能质量治理装置没有经济性的难题，社会效益和经济效益良好，实现铁路提质增效，推动铁路绿色发展。

5 结 论

从降低铁路运营成本的角度出发，本文提出通过飞轮储能系统对铁路牵引供电系统进行削峰填谷同时吸收再利用制动电能来降低电费成本。研究了飞轮储能系统的背靠背变流器系统、飞轮储能装置、测控单元和不同工况下的工作方式。仿真表明飞轮储能系统可以降低变压器的最大需量，并可充分吸收再利用制动电能，同时治理电能质量的功能，可谓一举多得，具有工程应用价值。

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Application and research of flywheel energy storage system in electrified railway

WANG Dajie, CHEN Ying, TANG Yingwei, LI Shengfei, ZHAO Sifeng

(Dunshi Magnetic Energy Technology Co., Ltd., Tangshan 063000, Hebei, China)

The flywheel energy storage is used to reduce the power output of the transformer by discharging energy to the power grid when the line load is heavy. FES is useful to reduce the maximum demand value or transformer capacity, depress the negative sequence current of railway and absorb the braking energy generated to save energy. This paper presented the integration structure of the system, converter system, flywheel energy storage device, measurement and control unit. The simulation model of the system is proposed according to the actual substation parameters and the actual measured traction load data. The simulation analysis indicated that the proposed flywheel energy storage system was suitable for peak shaving in electrified railway.

electrified railway; peak shaving; lower basic electricity charges; negative sequence regulation; regenerative braking energy recovery; flywheel energy storage system

10.12028/j.issn.2095-4239.2018.0137

TH 133

A

2095-4239（2018）05-853-08

2018-08-02；

2018-08-15。

王大杰（1989—），男，本科，研究方向为飞轮储能技术在轨道交通、铁路领域的应用与研究，E-mail：wangdajie@dscnkj.com；

陈鹰，研究方向为飞轮储能技术在铁路、轨道交通及电力等领域的应用与研究，E-mail：yingchen1956@sina.com。