阵列式飞轮储能在轨道交通领域的应用

阵列式飞轮储能在轨道交通领域的应用

王禹贺

深圳市市政设计研究院有限公司   518000

摘要：轨道交通行业电力成本较高，阵列式飞轮储能是一种新型能源反馈装置，通过电能与机械能的相互转化，实现轨道交通领域的大幅度节能目标。

关键词：阵列式飞轮储存系统能量回馈

目前轨道交通正处于建设运营的快速发展期，运营成本也日益增加，其中电力费用约占运营成本的30%～40%，牵引功耗约占地铁运营总电量的50%地铁列车制动时产生的能量约占牵引总电量的10%～20%。

在国家“煤达峰、碳中和”的号召下，未来节能减排、成本减排高效需求旺盛，地铁高效节能技术迫在眉睫。近年来，各地城市轨道交通的节能消费已成为本行业非常热门的研究课题。地铁列车再生制动能源利用装置由最初的阻力能耗型装置发展到近两年流行的逆变器反馈吸收型，再生制动能源回收利用技术在工程领域不断突破和创新。

阵列式飞轮储能是指电能与机械能间双向转换，阵列式飞轮储能装置将从外部吸收电能的大部分通过电机转换成阵列式飞轮的同频率旋转的机械动能并在短时间内进行储能，当外部环境需要电能时，通过阵列式发电机将飞轮动能转化为电能，运用于外部负荷。飞轮空载运行时，整个系统仅以最小维持转速运行，以保持低能耗。飞轮储能技术的节能效果出类拔萃，主要用于军工航天产业，在我国国内地铁还没有广泛的规模化应用。

目前，我国城市轨道交通已进入全面快速发展的新阶段，我国经济发展进入新常态，节能形势依然严峻，技术创新是主流趋势，随着阵列式飞轮储存技术发展成熟城市轨道交通再生制动能量回收技术将迎来进一步创新。

本文通过研究城市轨道交通的运行特点和列车数据，研究适合地铁运行环境的飞轮储能系统，并通过优化控制方法，使飞轮储能系统具备更高的节能效果，并稳定牵引系统的网压可以提高地铁列车供电系统的可靠性。

1阵列式飞轮储能技术的原理与特点

阵列式飞轮储能装置以多个并联高速运行飞轮作为能量短时储能介质，利用电机和发电机，通过混合动力功率控制系统，实现动能和电能的相互转换，从而充放电。阵列式飞轮储能装置储能时，电能通过ACDC/CDC功率变换器高频驱动电机，电机驱动多台并联飞轮加速旋转，多台飞轮以机械能形式短时间储能完成从电能到机械能转换的储能过程，能量使飞轮本体高速旋转，飞轮本体为真空，因此高速旋转的机械能损耗几乎可以忽略不计。接着，电动机在接收到下一个机械能量释放控制信号之前维持一定系统转速，控制信号根据实际的电压状况设定阈值在释放能量时，保持高速旋转的飞轮拖动电机发电，通过DCDC功率转换器输出系统所需的电流和电压，完成机械能向电能转换的能量释放过程。由此，整个阵列式储能飞轮系统实现了电能的输入、存储和输出过程。阵列式飞轮储能技术与其他类型储能技术相比，具有无噪音、储能大、功率大、效率高、无污染、适用广、维护简单、模块化设计制造等优点。

2阵列式飞轮储能装置在轨道交通领域的运行原理

当列车制动时，制动过程中产生的制动电流将飞轮转子从低速旋转驱动到高速旋转，将列车制动时产生的电能转换成多个并联飞轮旋转的机械能进行存储，当列车启动或加速时飞轮系统的电发动机转变为发电机模式，利用飞轮转速下降的惯性将机械动能转化为电能输出，从而实现再生制动能的反馈吸收再利用。

列车制动时，EMS系统与DC/DC变频器、变频器及飞轮系统配合，使飞轮充电，积累地铁制动反馈能量，抑制牵引网压升高。

列车启动时，EMS系统与DC/DC、ACDC变换器、逆变器及飞轮系统配合，使飞轮放电，向直流电网反馈能量，为列车启动提供动力。

3阵列式飞轮储能系统的应用

3.1飞轮储能系统在轨道交通领域的应用现状

飞轮储能系统能有效提高铁路运行质量，利用再生制动能，因此飞轮储能装置很早就应用于地铁。2000年，英国伦敦地铁皮卡迪利线安装了电力300kW的飞轮储存系统。2001年，美国纽约地铁Far Rockaway线上安装了电力1MW的飞轮储存系统。2003年，法国里昂地铁安装了电力200kW、可储存能源1.44kWh的飞轮储存系统。2010年，伦敦地铁在皮卡迪利线进行了飞轮储存再生制动试验。

3.2飞轮储存系统配置

飞轮储能系统由阵列飞轮主机、系统控制柜、DC/DC柜、双向转换器、电阻柜、真空保持系统及冷却系统组成。冷却系统采用集中冷却的液冷方式。

飞轮+真空柜：利用电能高速旋转驱动飞轮，将电能转化为机械能，必要时用飞轮惯性拖动电机发电，将储存的机械能转化为电能输出的技术。

冷却柜：为飞轮提供水冷散热形式的冷却冷却。

电阻柜：飞轮停止时利用电阻柜释放能量，使飞轮停止第一时间。

DCDC机柜：连接馈线机柜，配合变频机柜完成飞轮充放电。

变频柜：双向变频器完成飞轮充电放电功能。

控制柜：飞轮设备系统进行程序控制及状态监控。

3.3飞轮储能型能量反馈系统接入地铁牵引供电系统的方式

飞轮储能系统与地铁牵引供电系统并联，地铁列车飞轮储能型能量反馈系统正极通过直流断路器与供电系统直流母线连接。由于飞轮型能量反馈系统与地铁牵引供电系统并联，当飞轮系统出现故障时，断路器断开，可及时切除故障，不影响现有系统同时，当供电系统出现问题时，该接入方案还可以保护飞轮系统的干扰。

3.4飞轮储能系统的保护与联锁

飞轮储能系统与列车供电控制系统并联牵引网系统，对原牵引网和列车控制运行系统不作任何改动。当飞轮系统发生故障时，飞轮储能系统的入线开关会自动切除飞轮系统，并通过飞轮储能系统自带的制动电阻柜在最短时间内耗尽其能量。

3.5阵列式飞轮储能系统控制逻辑

飞轮旋转时惯性作用大，运行负荷速度响应慢，但阵列飞轮储能时电机上升速度快，因此需要系统快速响应。为了达到快速响应、频繁变换的要求，电动机加速控制可采用两种控制方法：分别采用恒功率控制和恒转矩控制方式，恒功率控制以系统所能承受的最大功率为加速功率，保持系统加速功率不变。恒转矩控制以系统能承受的最大转矩为加速转矩，维持系统的加速转矩。

飞轮的能量释放过程将高速旋转飞轮的机械能转化为电能，能量释放过程中飞轮不断减速，电机作为发电机运行，电机的输出电压和频率随着转速的变化而不断变化所释放的电能首先整流成直流电，然后由稳压装置转换成稳定的直流电，经过逆变转换成交流电后才能提供交流负载。

阵列式飞轮型储能系统是一种机电能转换和储存的装置。阵列式飞轮储能装置的设计涉及化学材料、机械工程、电子电路、电机工程、热能和动力工程等多学科的相互作用，其设计过程特别复杂，在设计理念上也有独到之处。近年来，轨道交通领域经历了从设计到应用的过程。阵列式飞轮储能装置适应性强，可根据用户需求灵活调整自身参数。飞轮储能今后的发展和研究重点是增大储能、开发大功率飞轮，在实际应用中是提高系统和安全稳定性、降低设备成本、降低维护成本。

【1】戴建、邓占锋、刘刚等.大容量飞轮储存技术发展情况〔J〕.电工技术学报，2011、26（7）：133-139

Equo 2 surge bolund B, bernhoff h, leijion M. flywheel energy and power storage system intj J. renewable and sustainable energy review, 2007, 11 (2): 235 - 258

【3】曾建军、林知明、张建德、地铁制动能量分析及再生技术研究[J]、电气化铁路、2006（6）：33-36。

【4】一键。城市轨道交通列车再生制动能量回收系统的研究[D]。成都：西南交通大学，2012。

【5】贺威俊、高仕斌、王励等.轨道交通牵引用变电供应技术[M]。成都：西南交通大学出版社，2011。