基于飛輪儲能技術(shù)的城市軌道交通再生能回收控制策略研究

趙思鋒，唐英偉，王 賽，王大杰

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基于飛輪儲能技術(shù)的城市軌道交通再生能回收控制策略研究

趙思鋒1，唐英偉1，王 賽2，王大杰1

（1盾石磁能科技有限責(zé)任公司，河北 唐山 063000；2北京交通大學(xué)長三角研究院，江蘇 鎮(zhèn)江 212009）

針對城市軌道交通列車運行密度高，起制動功率大的特點，采用飛輪型再生制動能量回收裝置可有效降低直流牽引網(wǎng)壓波動，降低牽引能耗。由于該裝置采用基于直流牽引網(wǎng)母線電壓高低進行充放電的控制策略，在實際運行工況中可能存在無法準確識別再生能或儲能設(shè)備SOC值無法自動調(diào)整導(dǎo)致無法再響應(yīng)牽引網(wǎng)壓波動的情況，本文提出空載網(wǎng)壓識別和SOC自適應(yīng)控制策略進行解決，通過軌道交通試驗平臺的試驗驗證，得出該控制策略的有效性。

軌道交通；飛輪；再生制動；優(yōu)化控制策略

城市軌道交通的主要能源消耗是電能，目前城市軌道交通列車制動能量可達牽引用電的30%～40%，其中不能被其它列車利用而浪費的制動能量約占40%。因此采用再生制動能量吸收利用裝置對列車產(chǎn)生的制動能量進行吸收再利用，將有利于城市軌道交通節(jié)能，減少二氧化碳排放同時還具有穩(wěn)定直流牽引網(wǎng)壓，降低閘瓦磨耗，減少環(huán)控系統(tǒng)的工作壓力。

飛輪型再生制動能量回收裝置作為再生能回收利用裝置的一種，具有使用壽命長、充放電速度快、瞬時功率大的優(yōu)點，直接將吸收的列車再生制動能量用于列車加速啟動過程，實現(xiàn)真正意義上的在城軌內(nèi)部的節(jié)能。

由于城軌牽引網(wǎng)系統(tǒng)為多電源耦合，牽引網(wǎng)壓的波動受發(fā)車密度、車輛制動功率多方面因素影響，儲能裝置接入后，能否準確識別再生制動能量產(chǎn)生的網(wǎng)壓波動以及儲能裝置能否在整個工作過程中保證自身的SOC值處于適當(dāng)水平，避免出現(xiàn)長期處于充滿電或缺電的狀態(tài)，因此需要對儲能裝置接入城軌牽引網(wǎng)后的控制策略進行優(yōu)化，滿足城軌運行工況的需求。本文針對上述問題進行相應(yīng)控制策略的研究，并且通過軌道交通試驗平臺的試驗驗證，得出該控制策略的有效性.

1 飛輪儲能原理與控制策略

1.1 飛輪介紹

GTR飛輪儲能技術(shù)來源于Urenco公司高速離心機技術(shù)，通過對高速離心機技術(shù)新的應(yīng)用場景開發(fā)，研發(fā)出GTR飛輪儲能系統(tǒng)。目前，GTR飛輪在國內(nèi)外廣泛應(yīng)用于電網(wǎng)電能質(zhì)量調(diào)節(jié)，軌道交通能量回收等領(lǐng)域。

1.2 飛輪儲能原理

飛輪儲能屬于一種物理儲能方式，利用旋轉(zhuǎn)體高速旋轉(zhuǎn)時所具備的動能來存儲能量，飛輪存儲能量公式為

1.3 機電能量轉(zhuǎn)換實現(xiàn)

飛輪儲能旋轉(zhuǎn)體與驅(qū)動電機間的連接形式可以為同軸相連，或者旋轉(zhuǎn)體直接作為驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)子，二者為一體化結(jié)構(gòu)。飛輪儲能用電機可以采用永磁同步電機、開關(guān)磁阻電機、永磁直流無刷電機等。

具體實現(xiàn)方式如下。

2 城軌交通牽引供電與飛輪控制策略

2.1 牽引供電方式

城市軌道交通采用直流牽引網(wǎng)供電的形式，一般在牽引變電所內(nèi)，10 kV/35 kV中壓經(jīng)過牽引整流機組變換為750VDC/1500VDC電壓為列車供電，列車受電通過架空牽引網(wǎng)或者第三軌供電實現(xiàn)。

線路上運行的列車相對于牽引網(wǎng)而言是一個移動負荷，同一條線路上多車非同步的起制動操作都將會造成直流牽引網(wǎng)壓的復(fù)雜變化。

2.2 飛輪接入牽引系統(tǒng)方案

飛輪型再生制動能量回收裝置對外電氣接口為直流，通過高速斷路器連接于750/1500VDC牽引網(wǎng)處，主回路電氣連接示意圖如圖1所示，裝置可安裝于牽引變電所內(nèi)，或者采用集裝箱形式安裝于行車線路軌旁處。

圖1 飛輪接入牽引網(wǎng)主回路示意圖

由于飛輪型再生制動能量回收裝置只與直流牽引網(wǎng)產(chǎn)生電氣連接，其吸收的再生制動能量直接在直流牽引網(wǎng)系統(tǒng)內(nèi)轉(zhuǎn)換，對城軌供電系統(tǒng)不會產(chǎn)生諧波注入影響。相對于其它類型裝置，儲能裝置能抑制制動能量造成的網(wǎng)壓升高，同時儲存的能量還能改善列車取流造成的電壓降落，所以有良好的穩(wěn)定牽引網(wǎng)壓的作用。

針對列車起制動時間短的特點，飛輪型再生制動能量回收裝置具備快速響應(yīng)能力，可及時捕獲再生制動能量或補充牽引能量；針對列車加減速功率大、起制動頻繁的特性，飛輪型再生制動能量回收裝置可提供瞬時大功率支撐，具備頻繁充放電能力。

2.3 再生能吸收利用控制策略

飛輪采用基于直流母線電壓的控制邏輯，控制策略如圖2。

飛輪儲能系統(tǒng)有三種工作狀態(tài)，分別為充電、維持、放電三種工作狀態(tài)，根據(jù)城軌牽引網(wǎng)母線電壓的高低飛輪自動響應(yīng)處于何種工作狀態(tài),說明 如下：

當(dāng)列車減速制動進站造成牽引網(wǎng)母線電壓抬高，電壓值>2+時，處于飛輪儲能系統(tǒng)充電，吸收電能的區(qū)域，并且充電的功率隨母線電壓的不斷升高而增大，以此吸收再生制動能量，同時穩(wěn)定牽引網(wǎng)壓，避免再生制動失效。

當(dāng)列車加速起動出站造成牽引網(wǎng)母線電壓拉低，電壓值<2-時，處于飛輪儲能系統(tǒng)釋放電能的區(qū)域，飛輪向牽引網(wǎng)提供功率支撐，且功率隨母線電壓的不斷降低而增大，通過飛輪儲能系統(tǒng)釋能補充牽引能量，穩(wěn)定直流母線電壓穩(wěn)定。

圖2 飛輪型再生制動能量回收裝置控制策略

當(dāng)牽引網(wǎng)母線電壓值在飛輪設(shè)定的維持區(qū)域[2-a,2+a]波動時，飛輪處于備用狀態(tài)，使其荷電狀態(tài)SOC值處于設(shè)定值，執(zhí)行維持轉(zhuǎn)速指令。

基于直流母線電壓控制策略的流程圖如圖5 所示。

圖3 飛輪控制策略流程圖

根據(jù)母線電壓-功率曲線將采樣電壓轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的充放電功率值，而后通過功率限幅參數(shù)得到給定的功率值。根據(jù)功率-電機定子電流的關(guān)系得到給定定子電流，通過與反饋定子電流插值進行PID控制產(chǎn)生PWM控制量，實現(xiàn)給定功率的輸出。

3 改進的控制策略

3.1 固有策略面臨的問題

飛輪型再生制動能量回收裝置采取基于直流網(wǎng)壓的傳統(tǒng)控制方法，這樣在僅由10 kV/ 35kV中壓交流供電網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生電壓波動的情況下，同樣會造成直流牽引網(wǎng)壓的波動，儲能設(shè)備會進行充放電誤操作，消耗牽引網(wǎng)能量。

在復(fù)雜變化的牽引網(wǎng)壓波動情況下，保證飛輪型再生制動能量回收裝置始終能夠正確動作進行充放電，并且長期保持在一個合理的SOC值水平，避免儲能裝置出現(xiàn)長時間“滿電”或長時間“缺電”的狀況，無法再響應(yīng)直流牽引網(wǎng)壓執(zhí)行充放電操作。

3.2 優(yōu)化控制策略描述

飛輪型再生制動能量回收裝置基于直流母線電壓的充放電邏輯，充放電電壓閾值的變化將會顯著影響充放電動作邏輯以及功率的大小?；诖怂枷?，將充放電電壓閾值作為一個隨牽引網(wǎng)壓和飛輪SOC變化的函數(shù)，使飛輪在整個運行過程中都能保證充放電電壓閾值的動態(tài)調(diào)整，將會提高設(shè)備在城軌運行工況的適應(yīng)能力。

3.2.1 城軌牽引網(wǎng)空載電壓辨識

飛輪型再生制動能量回收裝置能量管理模塊通過硬件層采集中壓網(wǎng)絡(luò)電壓信號，結(jié)合城軌牽引變壓器以及整流機組的原理，通過一定的濾波算法計算得出實時空載電壓，并作為充放電閾值計算算法和能量管理策略算法的基礎(chǔ)，算法框圖如圖4所示。

圖4 空載網(wǎng)壓辨識算法框圖

3.2.2 充放電電壓閾值動態(tài)調(diào)整

飛輪型再生制動能量回收裝置能量管理模塊通過空載電壓辨識算法得到實時空載電壓，結(jié)合飛輪型再生制動能量回收裝置當(dāng)前的SOC綜合分析，采用優(yōu)化算法計算得出最優(yōu)的充放電閾值，結(jié)合圖2定義參數(shù)如表1所示。

表1 充放電參數(shù)定義表

在實現(xiàn)合理的SOC值水平情況下，盡可能讓飛輪多吸收和釋放再生制動能量。飛輪型再生制動能量回收裝置完成一次充放電操作后，結(jié)合充放電結(jié)束時SOC值參數(shù)SOCend，更新優(yōu)化的充放電電壓閾值參數(shù)如下：

通過充放電結(jié)束時SOCend的狀態(tài)實時調(diào)整下一個即將充放電電壓閾值，可實現(xiàn)在飛輪運行的全過程中對SOC的動態(tài)調(diào)整，避免儲能裝置出現(xiàn)長時間“滿電”或長時間“缺電”的狀況，無法再響應(yīng)直流牽引網(wǎng)壓執(zhí)行充放電操作。

4 軌道交通試驗效果觀測

4.1 平臺結(jié)構(gòu)介紹

圖5 軌道交通試驗平臺結(jié)構(gòu)

該軌道交通試驗平臺采用二極管整流模擬城軌牽引整流機組，采用兩臺同軸相連異步電機模擬列車的啟制動工況。飛輪裝置連接于牽引電機的直流母線側(cè)，實現(xiàn)再生制動能量的回收以及牽引能量的補充，并且在牽引和負載側(cè)的直流母線均配備功率制動電阻防止再生失效。

在牽引側(cè)，380VA進線電壓經(jīng)過變壓器升壓得到560VAC，經(jīng)二極管整流得750VDC母線，而后連接逆變器驅(qū)動功率為110 kW的牽引電機。在負載側(cè)，380VAC進線電壓經(jīng)過二極管整流得到510VDC，而后連接逆變器驅(qū)動功率為110 kW的負載電機。通過上位機設(shè)置功率指令模擬城軌列車進站和出站的工況。

4.2 實驗效果觀測

4.2.1 空載網(wǎng)壓辨識

將交流電壓傳感器連接至整流機組交流進線側(cè)，當(dāng)輸入交流電壓變化時，根據(jù)整流二極管的整流系數(shù)得到讀取飛輪型再生制動能量裝置空載網(wǎng)壓辨識值，并和飛輪直流側(cè)傳感器采樣的空載電網(wǎng)實際值進行對比，實際測量數(shù)據(jù)如下：

表2 空載網(wǎng)壓辨識參數(shù)表

通過上述數(shù)據(jù)可知：在輸入交流電壓波動的情況下，經(jīng)過辨識后的空載網(wǎng)壓辨識值能夠隨著輸入交流電壓的波動自動調(diào)整，并且該空載網(wǎng)壓辨識值與飛輪直流側(cè)傳感器采樣的空載電網(wǎng)實際值吻合度較高，空載電壓相對誤差在<0.7%以內(nèi)。

4.2.2 充放電閾值自動調(diào)整

參數(shù)設(shè)定如下：直流空載電壓=820 V，飛輪初始SOC=89%；起始充電電壓=830 V，全功率充電電壓=850 V；起始放電電壓=764 V，全功率放電電壓=744 V；充放電SOC偏置值=40 V；

循環(huán)測試中，最大牽引功率和制動功率均為50 kW，牽引工況吸收的能量略大于制動工況反饋的能量，與真實城軌車輛牽引制動工況比較接近。同時，為模擬不同功率等級的牽引和制動工況，前兩個牽引制動循環(huán)的能量等級較大，第三個牽引制動循環(huán)的能量等級較小。試驗中，以三組牽引制動循環(huán)為一個大的循環(huán)，通過多次循環(huán)工作考核SOC是否保持在一個合理水平。圖6為連續(xù)運行測試相關(guān)參量的變化曲線。

通過圖6(c)可以看出，在牽引制動循環(huán)中，能夠?qū)⒅绷骶W(wǎng)壓穩(wěn)定在780～860 V區(qū)間；通過圖6(d)可以看出，飛輪初始SOC值為89%，經(jīng)過2次充放電循環(huán)后進入相對穩(wěn)定的狀態(tài)，每個充放電循環(huán)中飛輪SOC值的變化范圍約為5%～90%；通過圖6(e)可以看出，在每個充放電過程結(jié)束后，能量管理單元都會根據(jù)當(dāng)前SOC值對閾值電壓進行調(diào)整，保證了飛輪的SOC值始終處在合理范圍內(nèi)，不會出現(xiàn)因SOC值過高或過低影響設(shè)備動作的情況。

5 結(jié) 語

在城軌交通牽引網(wǎng)復(fù)雜的網(wǎng)壓波動情況下，采用優(yōu)化的控制策略實現(xiàn)空載網(wǎng)壓辨識和SOC自適應(yīng)調(diào)整，能夠保證飛輪型再生制動能量回收裝置響應(yīng)列車起制動網(wǎng)壓波動，同時可以保證其SOC值在整個運行工況下處于適當(dāng)水平，接下來應(yīng)進一步考慮多臺飛輪儲能系統(tǒng)同時運行時相互間能量均衡協(xié)調(diào)控制的能力。

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The study of control strategy for urban mass transit based on flywheel energy storage system

ZHAO Sifeng1, TANG Yingwei1, WANG Sai2, WANG Dajie1

(1Dunshi Magnetic Energy Technology Co., Ltd, Tangshan 063000, HebeiChina;2Beijing Jiaotong University Yangtze River Delta Research Institute, Zhenjiang 212009, Jiangsu, China)

In terms of the high operation density and regenerative braking power of the urban mass transit, the flywheel energy storage system(FESS) can effectively reduce the DC traction network voltage fluctuation and the traction energy consumption. Because the charge or discharge operation for the FESS is just based on the high or low DC traction network voltage, so the regenerative braking power may not be identified accurately in addition, the state of charge (SOC) of the FESS cannot be automatically adjusted which leads to the incorrect response to the traction network voltage in the actual operating conditions. In this paper, the unload transit network voltage identification and the SOC optimized control strategy is adopted to solve these problem, the effectiveness of the proposed control strategy is verified by rail transit platform test.

urban mass transit; flywheel; regenerative braking; optimized control strategy

10.12028/j.issn.2095-4239.2018.0053

TM 76

A

2095-4239（2018）03-524-06

2018-04-04；

2018-04-15。

趙思鋒（1989—），男，碩士，研究方向為電氣傳動控制，E-mail：zhaosifeng@dscnkj.com；

唐英偉，研究方向為電氣工程，E-mail: 18931536555@189.cn。