电气化铁路飞轮储能技术研究

摘 要 电气化铁路是一种负荷波动剧烈的大型工业电气设备。按照牵引载荷的峰谷出现的特点，对飞轮储能装置变流器的控制的方法和能量管理的方法进行了一定的分析，按照历史的运行的数据，以每天为固定时段，更进一步的提出通过牵引负荷来对充放电控制的阈值进行选择控制，并对阈值进行仿真模拟分析。

关键词 电气化;铁路;飞轮储能

引言

电气化铁路牵引峰值负荷限幅优势特点非常的突出，并且优势也非常的明显。在技术水平上，消除负载峰值能够使得负序电流对铁路的影响降到最低。与此同时，飞轮储能系统还对机车制动产生的制动能量的吸收和再利用进行了充分的考虑，能够在一定程度上使得电能成本得到有效降低。

1 牵引负荷的峰与谷

电气化铁路的日常运行图具有固定且准确的周期性，过去在正常工作条件下的牵引负荷统计值具有良好的稳定性和准确性。 因此，记录并分析了过去在正常工作条件下的牵引载荷。功率曲线对峰值负载削峰的重要性不言而喻。正的功率表示牵引（电气）的状态，而负的功率代表发电的功率状态。记录正常工作条件下的牵引负载功率曲线[1]。如图1所示：

2 飞轮装置用于削峰填谷的控制策略

飞轮的储能装置主要通过变频器，飞轮体，真空泵和冷却柜共同组成。飞轮的主体主要包含飞轮的转子，磁悬浮设备，机械轴承和高速的电动机。高速的电动机能够在电动机或发电机状态下工作; 冷却柜用于飞轮体的物理冷却。 真空泵用于减小飞轮转动时的摩擦阻力[2]。

2.1 飞轮装置变流器控制策略

因此，飞轮变流器由电网侧变流器和电动机侧变流器组成。变频器两部分的控制电路可以独立设计，以确保飞轮装置的稳定运行。

（1） 网侧变流器控制策略。电网侧变流器的控制目标有两个：一是确保完整的的并网（并网或牵引）电能质量;其二是控制电网。另一种方法是控制电动机侧和电网侧转换器之间的能量传递平衡，也就是保证直流侧的母线电压保持恒定

（2） 电机侧变流器控制策略。电动机侧逆变器的控制目标是对系统的反应的速度进行有效的提高并防止電动机的绕组电流出现过大的情况。第二个是能够按照上位控制器的命令对控制电机的能量传输进行有效控制。同时，电流控制用作内环，以确保电机侧的电能质量并减少转矩波动。为确保磁通量恒定，请将其设置为恒定值。

2.2 能量环节控制方式

之前的能源部分由直流侧网络电压控制。原理是按照电网电压的指令与实际电网压力之间的偏差对储能装置的充放电进行直接的控制。总体来说控制比较的简单。这种控制的方法利用了直流侧总线电压在供电期间会波动的特性，但这与电网侧转换器控制直流侧总线电压稳定性的初衷相反。也就是说，当直流侧的电压不再波动时，能量控制的环节将会失去稳定性。所以，这篇文章提出一种能量管理的方法，通过牵引负载功率来对飞轮的充放电进行有效的控制。

3 实验验证

3.1 仿真实验验证

牵引变压器将其简单地想为理想电压源，牵引负载等于电阻负载。负载的波动是通过改变负载电阻来实现的。仿真模型能够在一定程度上对飞轮装置的功率补偿的效果进行有效的验证。

负载电阻在3s处减小，负载开始增加，电源侧的有功功率输出增加到110kW。当负载电阻在6s时减小时，功率侧的有功功率输出将减小至10kW。电源侧的功率严重波动。飞轮在进行工作的时候需要功率来对自身的运行的速度进行有效的维持，因此该功率将略高于之前的60kW（约61kW）功率。在6s内，负载电阻减小，负载增加，但电源侧的有功功率输出没有更改为61kW。飞轮单元提供增加的负载功率，这个时候，飞轮速度从36000r/min降至24000r/min，放电时间为1.3s。在放电期间，交流侧的功率并不会因为负荷的变化而进行有效的变化。在6s内，负载的电阻将会在增加，负载将会在一定程度减小。这个时候，电源侧的有功功率输出将会稳定在一定的状态下。降低的负载功率将会由飞轮进行有效的吸收。此时，飞轮速度从24000r/min增加到36000r/min，分析过程类似于放电过程，没有重复[3]。

4 结束语

从减少铁路运营的成本方面进行充分的考虑，本文提出了通过降低峰值的负荷并在吸收和利用制动能量的同时填充铁路牵引供电系统中的飞轮储能系统来对电力成本的方法进行有效的降低。这将为今后的电气化铁路飞轮储能技术的发展起到一个推动作用，也将带动全国铁路的运行发展朝着一个更快的方向发展。

参考文献

[1] 黄小红，赵艺，李群湛，等.电气化铁路同相储能供电技术[ED/OL]. http：//kns.cnki.net/kcms/detail/51.1277.U.20191211.1800.006.html，2020-02-04.

[2] 李群湛，王喜军，黄小红，等.电气化铁路飞轮储能技术研究[J].中国电机工程学报，2019，39（7）：2025-2033.

[3] 王大杰，赵思锋，黄小红，等.飞轮储能用于铁路牵引负荷削峰填谷的实验验证[J].电气化铁道，2018，29（S1）：93-97，101.

作者简介

魏民（1985-），男，北京;学历：硕士，现就职单位：沈阳远大电力电子科技有限公司，研究方向：参与多项国家重点研发专项、多次获得省级科技进步奖项。

*[基金项目] 本文系国家重点研发计划项目资助，项目编号：2018YFB0905500。