飛輪儲能系統(tǒng)在高鐵電力系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

劉思松 李兵

摘要：目前， 隨著環(huán)境保護(hù)意識的提高以及全球能源的供需矛盾， 飛輪儲能研發(fā)人員的目光也必將其轉(zhuǎn)向更多的應(yīng)用領(lǐng)域。飛輪儲能系統(tǒng)的充電速度快， 放電完全， 損耗小， 也決定它廣闊的應(yīng)用前景。飛輪儲能系統(tǒng)是一種高度機(jī)電一體化產(chǎn)品，它在國防工業(yè)、汽車工業(yè)、電力工業(yè)、電信業(yè)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。此外，飛輪儲能在太空、潮汐、地?zé)嵋约霸诟劭谔厥鈭龊系纫泊笥杏猛竞土己玫膽?yīng)用前景，并有更多的應(yīng)用領(lǐng)域加入飛輪儲能的使用范圍中來。本文建立高鐵電力系統(tǒng)仿真模型和飛輪儲能系統(tǒng)仿真模型，并進(jìn)行了故障和穩(wěn)定運行情況下的仿真分析。

關(guān)鍵詞：高鐵電力系統(tǒng);PSCAD;飛輪儲能系統(tǒng)

引言

在高鐵列車的啟動和制動過程中，由于高鐵列車的加速和減速過程會造成網(wǎng)壓的不穩(wěn)定，因此每節(jié)車廂需要安裝一個制動電阻箱來穩(wěn)定電網(wǎng)的網(wǎng)壓。但是由于在制動過程中制動電阻產(chǎn)生的熱量會白白的浪費掉，降低了能量的利用率。如果想提高列車的能量的利用率，我們需要一個有效的儲能裝置來儲存這些可能被浪費掉的能量，同時再利用這些儲存的能量為高鐵列車在加速的狀態(tài)下提供動力，來提高能源的利用率，減少能源的消耗。

本文主要使用PSCAD軟件對飛輪儲能系統(tǒng)進(jìn)行建模和仿真。在建模之后，根據(jù)對飛輪儲能系統(tǒng)參數(shù)的調(diào)節(jié)，使飛輪儲能系統(tǒng)中飛輪的轉(zhuǎn)速在整流器和逆變器的情況下達(dá)到一個相對合理的轉(zhuǎn)速，從而達(dá)到飛輪儲能的仿真要求

再通過建模好的飛輪儲能系統(tǒng)加載到高鐵電力系統(tǒng)，對比有無飛輪儲能系統(tǒng)下的高鐵電力系統(tǒng)的變化，來衡量飛輪儲能系統(tǒng)是否做到了改善能量轉(zhuǎn)化的作用。

1、飛輪儲能系統(tǒng)

儲能技術(shù)作為一個新的研究領(lǐng)域在最近一段時間內(nèi)受到了全世界各國的高度關(guān)注。儲能的思想在于把電能轉(zhuǎn)化為自然界其他形式的能量存儲起來，由于其儲存能量的方式不同主要可以劃分為物理儲能、磁儲能、化學(xué)儲能和相變儲能等方式。在傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)中增加儲能系統(tǒng)后，可以有效的提高原有電力系統(tǒng)的工作效率。調(diào)節(jié)飛輪儲能裝置的各種參數(shù)，來提升系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

1.1 飛輪儲能系統(tǒng)的原理與應(yīng)用

飛輪儲能裝置按照結(jié)構(gòu)可以分為具有大轉(zhuǎn)動慣量和高轉(zhuǎn)速的飛輪、支持轉(zhuǎn)子的高強(qiáng)度軸承、實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換的發(fā)電—電動一體機(jī)、功率變換器和控制系統(tǒng)。在儲能狀態(tài)下運行時，飛輪電機(jī)作為電動機(jī)運行，能量從電力系統(tǒng)流向飛輪電機(jī)，飛輪在一定的控制方法控制下轉(zhuǎn)速上升，此時電能將轉(zhuǎn)化為機(jī)械能存儲在飛輪中;在釋能狀態(tài)下運行時，飛輪電機(jī)作為發(fā)電機(jī)運行，能量從飛輪電機(jī)流向電力系統(tǒng)，飛輪的轉(zhuǎn)速隨著能量的降低將逐漸下降，此時飛輪中存儲的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能流出。

飛輪儲能系統(tǒng)的保護(hù)措施簡單，效率高并且非常的耐用，非常的環(huán)保。飛輪儲能技術(shù)當(dāng)今運用于風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，小型太陽能光伏發(fā)電系統(tǒng)，不間斷電源UPS中的應(yīng)用，以及在航天飛行器和汽車工業(yè)中的應(yīng)用。在不同的能源系統(tǒng)中，可以作為發(fā)電裝著的飛輪儲能系統(tǒng)，能夠使系統(tǒng)工作平穩(wěn)，效率高;而作為其他設(shè)備中，例如不間斷供電備用電源和傳統(tǒng)的化學(xué)蓄電池相比也有很到的發(fā)展前景。飛輪儲能系統(tǒng)已經(jīng)在電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性方面有了很大的進(jìn)步，例如：在風(fēng)力發(fā)電裝置中，利用飛輪儲能裝置的電機(jī)作為發(fā)電機(jī)和電動機(jī)，在該方面已經(jīng)證實了有很大的研究成果;在不間斷的UPS 電源中，與傳統(tǒng)的化學(xué)電池相比，飛輪儲能電池環(huán)保，價格低廉，無污染。采用飛輪儲能系統(tǒng)的電機(jī)調(diào)節(jié)分布式發(fā)電系統(tǒng)的輸出特性，可以減少用其他方式的系統(tǒng)的很多缺點，可以提高波動和承受能力;飛輪儲能裝置被應(yīng)用于電力系統(tǒng)的配電網(wǎng)中，可以高效率的提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

1.2 飛輪儲能的電機(jī)模型

建立飛輪儲能系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)是運用慣性原理。物體的旋轉(zhuǎn)起來的慣性用轉(zhuǎn)動慣量（J）來決定，物體的水平的運動慣性用物體自身的質(zhì)量（m）來決定的。我們可以由物體的質(zhì)量分布來計算出物體的轉(zhuǎn)動慣量的大小，其公式可表示為：

飛輪可以儲存的能量E可以表示為：

由飛輪儲能公式我們能夠看出，飛輪儲存能量與自身的轉(zhuǎn)動慣量和旋轉(zhuǎn)的角速度兩個量有關(guān)。由此我們可以找到兩種方法提升飛輪儲能系統(tǒng)的儲能的大?。旱谝环N是增加飛輪本身的轉(zhuǎn)動慣量的大小，這種系統(tǒng)轉(zhuǎn)速較低，可以用于固定應(yīng)用的情形;第二種是提高飛輪的轉(zhuǎn)速，這種系統(tǒng)重量較小，可以應(yīng)用在有特殊要求的場合。

根據(jù)電機(jī)的運行特性，我們可以知道，當(dāng)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩與飛輪的方向相同的時候，可以使飛輪受到正向的力矩，起到推進(jìn)作用使飛輪加速;當(dāng)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩與飛輪的方向相反的時候，使飛輪受到反向的力矩，起到阻礙作用使飛輪減速，這兩個過程分別成為充電過程和放電過程。我們把飛輪的最高轉(zhuǎn)速記作，最低轉(zhuǎn)速記作，在最高速與最低速之間，重復(fù)循環(huán)的做著充放電動作。

建立飛輪電機(jī)仿真模型的難點在于仿真軟件中沒有一個自帶的的飛輪模型，并且由于飛輪工作時的作用體現(xiàn)在轉(zhuǎn)動慣量J上，所以在仿真軟件中單獨搭建一個飛輪的仿真模型是非常有難度的，我們需要對飛輪電機(jī)的模型進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚?，來得到一個簡化的飛輪電機(jī)的仿真模型?？紤]到飛輪電機(jī)中的飛輪和電機(jī)在工作過程中為同軸旋轉(zhuǎn)，且具有相同的轉(zhuǎn)速，我們可以把兩者看做一個整體來進(jìn)行建模，用飛輪電機(jī)總的轉(zhuǎn)動慣量J作為計算飛輪存儲能量中的飛輪轉(zhuǎn)動慣量，因為飛輪的轉(zhuǎn)動慣量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動慣量，所以我們可以用飛輪的轉(zhuǎn)動慣量來代替整個飛輪儲能系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量。

因此，我們利用PSCAD軟件中的同步電機(jī)模型來改造飛輪儲能的電機(jī)。改變的方法為增大同步電機(jī)的慣性時間常數(shù)從而來改變飛輪儲能電機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量大小。由于飛輪儲能的轉(zhuǎn)動慣量越大，儲存的能量就越多，進(jìn)而達(dá)到模擬飛輪儲能電機(jī)的模型特點。通常我們把飛輪儲能電機(jī)的模型的阻轉(zhuǎn)矩系數(shù)D設(shè)置為零來簡化過程。

1.3 飛輪儲能系統(tǒng)的仿真分析

以下仿真只測試對電機(jī)轉(zhuǎn)速參數(shù)的變化，當(dāng)電機(jī)達(dá)到所給定的轉(zhuǎn)速的時候，電機(jī)的轉(zhuǎn)速最終會平穩(wěn)在這個值得附近，這是飛輪儲能系統(tǒng)儲存的最大能量。下圖為充放電仿真波形圖：

從圖中可以看出，設(shè)定的轉(zhuǎn)速為3000轉(zhuǎn)/分，飛輪儲能系統(tǒng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速一直上升吸收能量，最終穩(wěn)定到設(shè)定的值保持不變。

放電過程的簡化仿真圖，直接連接直流側(cè)的負(fù)載，放電過程飛輪電機(jī)從額定的轉(zhuǎn)速一直下降，釋放能量向直流負(fù)載，額定轉(zhuǎn)速時是飛輪系統(tǒng)儲能最多的時候，通過電力變化器的開關(guān)控制，使其釋放能量。

從圖中可知，飛輪系統(tǒng)從額定轉(zhuǎn)速一直下降，最終降到最低，額定轉(zhuǎn)速時能量最多，下降到最后，飛輪系統(tǒng)幾乎沒有能量。

2、飛輪儲能系統(tǒng)應(yīng)用在高鐵電力系統(tǒng)

飛輪儲能系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用十分的廣泛，作用十分重要。由于飛輪儲能系統(tǒng)的優(yōu)點對于電力系統(tǒng)的幫助很明顯，例如：它的高效率、節(jié)能、環(huán)保、轉(zhuǎn)速大等特點應(yīng)用于電力系統(tǒng)，幫助電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性，保障電能的質(zhì)量。因此，飛輪儲能系統(tǒng)的開發(fā)和研究對于電力系統(tǒng)來說十分的重要。以下為飛輪儲能系統(tǒng)應(yīng)用在高鐵電力系統(tǒng)中的仿真分析。

高鐵電力系統(tǒng)的仿真分析

2.1 加在負(fù)載端的高鐵電力系統(tǒng)仿真分析

由于各動車組的型號和配置不同，在此統(tǒng)一為在電力負(fù)載側(cè)和母線側(cè)作為簡化。下圖所示為加在負(fù)載端的飛輪儲能系統(tǒng)：

如上圖所示為加在電力負(fù)載上的飛輪儲能系統(tǒng)。該部分的作為測試，當(dāng)電力負(fù)載與電機(jī)出現(xiàn)問題的時候，飛輪儲能系統(tǒng)作為備用設(shè)備為負(fù)載提供能量，保持持續(xù)供電防止設(shè)備損壞。下圖為仿真波形圖：

從波形圖可知，電力負(fù)載的電壓仍是很穩(wěn)定的在一個值，并沒有受電源供不上電而影響了電壓的穩(wěn)定性。

2.2 加在母線上的高鐵電力系統(tǒng)仿真分析

下圖為加在電力母線上的飛輪儲能系統(tǒng)：

如上圖所示為加在電力母線上的飛輪儲能系統(tǒng)，該部分的作用為，當(dāng)電力系統(tǒng)的電機(jī)出現(xiàn)問題以后，飛輪儲能系統(tǒng)作為備用以后為系統(tǒng)供電，這部分應(yīng)用了飛輪儲能的大容量特點，可以瞬間輸出大能量來為負(fù)載使用。下圖為負(fù)載兩端電壓的波形圖：

從上圖可知，加了飛輪儲能系統(tǒng)的電力系統(tǒng)，在電機(jī)出現(xiàn)問題以后可以繼續(xù)為可以繼續(xù)為系統(tǒng)供電，保證了電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

3、結(jié)語

從以上的分析中可知，飛輪儲能系統(tǒng)應(yīng)用在高鐵電力系統(tǒng)中可以改善電力系統(tǒng)的能量利用率，并且還可以作為備用電源為高鐵電力系統(tǒng)的照明系統(tǒng)等進(jìn)行供電。此外若想做到飛輪系統(tǒng)很好的應(yīng)用在高鐵電力系統(tǒng)中，我們還需考慮很多問題，例如并網(wǎng)時的網(wǎng)壓調(diào)整，儲能大小，儲能時間，儲能泄露等問題。在以后的研究與發(fā)展中，我們應(yīng)試著從材料，軟件及系統(tǒng)中來提高飛輪儲能系統(tǒng)應(yīng)用在高鐵電力系統(tǒng)中。

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作者簡介：劉思松，男，漢，籍貫：四川廣元，學(xué)歷：大專，就職單位，中車成都機(jī)車車輛有限公司，職稱：車輛電工（高級技師）從事工作，動車組電氣調(diào)試及動車組售后。