趙小皓,張 鋼,宋嘉桐
(1.北京市地鐵運(yùn)營(yíng)有限公司,北京 100044;2.北京交通大學(xué),北京 100044;3.國(guó)網(wǎng)北京通州供電公司,北京 101100)
近些年來(lái),隨著城市化進(jìn)程的加快和城市軌道交通的高速發(fā)展,我國(guó)城軌的能源消耗問題也日益突出。2021 年,全國(guó)城軌交通總電能耗為213.1 億kWh,同比增長(zhǎng)23.6%,其中,牽引能耗106.2 億kWh,占總能耗的49.8%[1]。通常情況下,城軌列車再生制動(dòng)能量占總牽引能量的30%~60%[2],這部分能量除一部分被相鄰牽引機(jī)車吸收利用外,剩余部分由列車的制動(dòng)電阻或制動(dòng)機(jī)械發(fā)熱消耗掉,回收利用城軌列車的再生制動(dòng)能量,對(duì)于減少能耗、抑制接觸網(wǎng)網(wǎng)壓波動(dòng)以及提高供電系統(tǒng)穩(wěn)定性具有重要作用。
國(guó)內(nèi)外應(yīng)用較為廣泛的再生制動(dòng)能量利用方式主要包括電阻能耗型、逆變回饋型、電容儲(chǔ)能型、飛輪儲(chǔ)能型等。城市軌道交通具有車站數(shù)量多、站間運(yùn)行距離短、啟停頻繁、瞬時(shí)功率大等特點(diǎn),而飛輪的儲(chǔ)能密度大、效率高、瞬時(shí)功率大、響應(yīng)速度快,且維護(hù)周期相比于其他儲(chǔ)能裝置更長(zhǎng),與城軌的運(yùn)行特性具有良好的契合度。
目前,國(guó)內(nèi)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)還處在實(shí)驗(yàn)研發(fā)和樣機(jī)研制階段,在工程應(yīng)用中,多用于電力系統(tǒng)調(diào)頻、風(fēng)電等間歇式新能源發(fā)電、不間斷電源、電氣化鐵路等領(lǐng)域[3],在城軌交通領(lǐng)域應(yīng)用較少,對(duì)于城軌儲(chǔ)能系統(tǒng)控制策略的研究還未深入。文獻(xiàn)[4]考慮穩(wěn)壓節(jié)能及弱磁需求,提出基于多電壓閾值的單飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)控制策略。文獻(xiàn)[5]為了提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能,簡(jiǎn)化了電壓-電流雙閉環(huán)的控制結(jié)構(gòu),提出一種基于擴(kuò)張觀測(cè)器的直接電壓控制策略。文獻(xiàn)[6]在傳統(tǒng)比例積分(proportional integral,PI)控制的基礎(chǔ)上,建立基于電流前饋解耦控制的充電控制策略,并將滑模變結(jié)構(gòu)控制器應(yīng)用于飛輪系統(tǒng)放電控制策略中。
然而,飛輪單元在實(shí)際運(yùn)行過程中會(huì)由于自身參數(shù)和運(yùn)行環(huán)境差異導(dǎo)致轉(zhuǎn)速不一致,交流中壓環(huán)網(wǎng)的電壓波動(dòng)也有可能導(dǎo)致飛輪的誤動(dòng)作。文獻(xiàn)[7]基于等微增率原則對(duì)飛輪單元充放電功率進(jìn)行分配,在一定程度上抑制了轉(zhuǎn)差,但是該方法的控制參數(shù)較多,且易受飛輪電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)影響。文獻(xiàn)[8]基于一致性算法提出了一種分布式協(xié)調(diào)控制策略,將多個(gè)飛輪單元構(gòu)成多智能體系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)的功率分配方案,但是該控制方法需要多次迭代,控制過程存在計(jì)算量大且實(shí)時(shí)性較差的問題。文獻(xiàn)[9]通過測(cè)量牽引變電所交流側(cè)電壓實(shí)時(shí)分析牽引網(wǎng)空載額定電壓值,對(duì)充放電閾值進(jìn)行調(diào)整。
本文以城市軌道交通飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)為研究對(duì)象,提出一種基于牽引網(wǎng)直流側(cè)網(wǎng)壓的充放電控制策略,采用均速控制方法調(diào)節(jié)飛輪陣列因工藝與環(huán)境不同造成的轉(zhuǎn)速差異,并在現(xiàn)有控制策略的基礎(chǔ)上提出空載網(wǎng)壓辨識(shí)算法,以避免中壓環(huán)網(wǎng)電壓波動(dòng)造成的飛輪誤動(dòng)作。通過對(duì)含飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的牽引供電系統(tǒng)進(jìn)行建模仿真分析和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn),驗(yàn)證了控制策略的可行性,為飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)在城市軌道交通領(lǐng)域的進(jìn)一步應(yīng)用提供參考和借鑒。
飛輪再生制動(dòng)能量回收裝置一般由飛輪轉(zhuǎn)子、軸承、永磁同步電機(jī)、逆變器以及真空室等部件組成[10],其結(jié)構(gòu)如圖1 所示。
圖1 飛輪儲(chǔ)能裝置結(jié)構(gòu)Figure 1 Structure of flywheel energy storage device
轉(zhuǎn)子是飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的儲(chǔ)能媒介,飛輪轉(zhuǎn)子的特性關(guān)系著飛輪的儲(chǔ)能量。儲(chǔ)能量E的計(jì)算公式為
式中,J為飛輪轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;ωr為飛輪轉(zhuǎn)子的機(jī)械角速度。當(dāng)飛輪充電時(shí),永磁同步電機(jī)帶動(dòng)飛輪轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速上升,電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能;當(dāng)飛輪放電時(shí),飛輪轉(zhuǎn)子帶動(dòng)電機(jī)發(fā)電,轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速下降,將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。
飛輪儲(chǔ)能陣列的結(jié)構(gòu)示意如圖2 所示。圖中,Udc為牽引網(wǎng)壓,PMSM (permanent magnet synchronous motor)為飛輪儲(chǔ)能裝置中的永磁同步電機(jī)。本文所采用的飛輪儲(chǔ)能陣列由3 個(gè)飛輪單元并聯(lián)接入牽引接觸網(wǎng),提高了飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的儲(chǔ)能量與充放電功率,在一定程度上滿足了城軌列車再生制動(dòng)能量的回收與牽引變電所輸出削峰穩(wěn)壓需求。
圖2 飛輪儲(chǔ)能陣列結(jié)構(gòu)示意Figure 2 Structural diagram of flywheel energy storage array
飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)采用基于牽引網(wǎng)壓Udc的充放電功率的控制策略。飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)有充電、待機(jī)和放電3 種工作狀態(tài),根據(jù)牽引網(wǎng)壓Udc的變化調(diào)整飛輪的工作狀態(tài)。
飛輪的充放電功率上限P受牽引網(wǎng)壓Udc控制的關(guān)系如圖3 所示。圖中,U1為飛輪全功率充電電壓閾值,U2為牽引網(wǎng)的空載電壓,U3為全功率放電電壓閾值;Pn為飛輪儲(chǔ)能設(shè)備額定電壓,PL為飛輪進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)時(shí)的初始功率,PM為飛輪待機(jī)狀態(tài)下的最大功率;a、b為待機(jī)狀態(tài)功率調(diào)整參數(shù)。當(dāng)牽引網(wǎng)壓Udc大于U2+a時(shí),飛輪處于充電狀態(tài);Udc小于U2-a時(shí),飛輪處于放電狀態(tài),Udc處于U2+a和U2-a之間時(shí),飛輪則處于待機(jī)狀態(tài)。
圖3 飛輪功率上限P 與牽引網(wǎng)壓Udc 的關(guān)系Figure 3 The relationship between the limit of flywheel power P and the traction network voltage Udc
列車制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的再生制動(dòng)能量使?fàn)恳W(wǎng)壓Udc上升并大于空載電壓U2,當(dāng)差值大于a,即Udc>U2+a時(shí),飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)開始進(jìn)入充電狀態(tài),充電功率上限P從0 開始隨牽引網(wǎng)壓的升高而逐漸增大,當(dāng)Udc=U3時(shí),飛輪達(dá)到充電功率上限,開始滿功率充電。充電功率上限隨牽引網(wǎng)壓的變化率k1受U2+a和U3的共同影響。
列車牽引時(shí)吸收能量導(dǎo)致牽引網(wǎng)壓Udc降低并小于空載電壓U2,當(dāng)差值大于a,即Udc<U2-a時(shí),飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)開始進(jìn)入放電狀態(tài),放電功率上限P從0 開始隨牽引網(wǎng)壓的降低而逐漸增大,當(dāng)Udc=U1時(shí),飛輪達(dá)到放電功率上限,開始滿功率放電。放電功率上限隨牽引網(wǎng)壓的變化率k2受U2+a和U1的共同影響。
當(dāng)牽引網(wǎng)壓Udc介于U2±a之間時(shí),飛輪處于待機(jī)狀態(tài),在理想情況下,飛輪能保持當(dāng)前轉(zhuǎn)速。然而由于真空室并非絕對(duì)真空,只是為飛輪提供一個(gè)低風(fēng)阻的運(yùn)行環(huán)境,飛輪在旋轉(zhuǎn)時(shí),其軸承也會(huì)產(chǎn)生一定的損耗,飛輪的轉(zhuǎn)速會(huì)因?yàn)樽陨淼臋C(jī)械損耗而自由下降,若對(duì)此不加限制,可能會(huì)在需要放電時(shí)轉(zhuǎn)速過低,甚至低于轉(zhuǎn)速下限。故當(dāng)Udc介于U2-a和U2+a之間時(shí),飛輪小功率充放電以維持轉(zhuǎn)速,使其轉(zhuǎn)速處于一個(gè)穩(wěn)定值。
當(dāng)Udc=U2-a或Udc=U2+a時(shí),待機(jī)狀態(tài)功率上限P不是從0 開始逐漸增大,而是立刻以小功率PL為限制值接管飛輪控制,維持飛輪轉(zhuǎn)速。當(dāng)Udc=U2-a或Udc=U2+a時(shí),飛輪待機(jī)狀態(tài)的功率上限PL較小,并隨著Udc升高至U2-b或降低至U2+b的過程中逐漸增大至PM。飛輪功率上限P的計(jì)算式為
在性能設(shè)計(jì)上,目前的控制策略已具備飛輪儲(chǔ)能陣列控制功能。然而由于制造工藝有限,不同飛輪單元的實(shí)際參數(shù)不可能完全一致,運(yùn)行環(huán)境也會(huì)存在一定差異,相同功率指令下的飛輪在運(yùn)行一段時(shí)間后就會(huì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)速差異。飛輪間轉(zhuǎn)速差異較大將嚴(yán)重影響飛輪儲(chǔ)能陣列整體的輸出功率,造成儲(chǔ)能陣列容量的浪費(fèi)。
本文在根據(jù)實(shí)時(shí)牽引網(wǎng)壓Udc確定的相同飛輪功率命令的基礎(chǔ)上,添加小功率的轉(zhuǎn)速修正分量,生成個(gè)性化的多機(jī)功率命令,使飛輪功率存在微小的不同,以到達(dá)轉(zhuǎn)速均衡的目的。
轉(zhuǎn)速修正模塊通過對(duì)各自的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速進(jìn)行采集和計(jì)算,分別以3 個(gè)飛輪的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速n1、n2、n3為輸入,以飛輪平均轉(zhuǎn)速navg為反饋,將3 個(gè)飛輪轉(zhuǎn)速環(huán)的輸出P1′、P2′、P3′作為修正值,補(bǔ)償?shù)捷敵龅墓β拭钪礟out上,生成各飛輪單元的單獨(dú)命令P1*、P2*、P3*,均衡各飛輪單元的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)速,實(shí)現(xiàn)多機(jī)并聯(lián)下的能量分配管理。具體的均速控制框圖如圖4 所示。
圖4 均速控制方法框圖Figure 4 Diagram of average speed control method
本文1.2 所述的充放電控制策略基本可以實(shí)現(xiàn)根據(jù)網(wǎng)壓波動(dòng)進(jìn)行飛輪充放電控制,以達(dá)到對(duì)再生制動(dòng)能量的回收利用和對(duì)網(wǎng)壓波動(dòng)的抑制目的。但在城軌牽引供電系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行過程中,除了列車運(yùn)行會(huì)引起直流牽引網(wǎng)壓波動(dòng)之外,中壓交流電網(wǎng)側(cè)的波動(dòng)也會(huì)引起直流網(wǎng)壓波動(dòng),由于該網(wǎng)壓波動(dòng)為非列車引起,如不加以識(shí)別可能會(huì)引起飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)誤動(dòng)作。
為了防止交流網(wǎng)壓波動(dòng)造成的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)誤動(dòng)作,充放電控制策略中的牽引網(wǎng)側(cè)空載電壓U2通常不是采用固定的額定值,而是測(cè)量牽引變電所輸入側(cè)中壓環(huán)網(wǎng)電壓電流實(shí)時(shí)信號(hào),并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行直流側(cè)空載網(wǎng)壓辨識(shí),作為充放電閾值計(jì)算算法的基礎(chǔ)??蛰d網(wǎng)壓辨識(shí)算法的流程如圖5 所示。
圖5 空載網(wǎng)壓辨識(shí)算法流程Figure 5 No-load network voltage identification algorithm
首先對(duì)中壓交流網(wǎng)絡(luò)的交流電壓Uac進(jìn)行采集,通過低通濾波濾除高次諧波得到Uacf,再結(jié)合牽引變壓器以及整流機(jī)組的參數(shù),計(jì)算得到直流側(cè)空載網(wǎng)壓的估計(jì)值U2′。采集交流電流Iac并濾波得到Iacf,通過變壓器和線路阻抗Z計(jì)算補(bǔ)償電壓ΔU,以補(bǔ)償變壓器和線路阻抗產(chǎn)生的壓降對(duì)空載網(wǎng)壓的影響。空載網(wǎng)壓辨識(shí)值U2即為直流網(wǎng)壓估計(jì)值U2′與補(bǔ)償量ΔU之和,即
空載網(wǎng)壓辨識(shí)算法在實(shí)際運(yùn)行中的結(jié)果如表1 所示。對(duì)比分析可知,在中壓環(huán)網(wǎng)電壓波動(dòng)的情況下,空載網(wǎng)壓辨識(shí)結(jié)果能夠隨電壓波動(dòng)自動(dòng)調(diào)整,且辨識(shí)結(jié)果與直流側(cè)電壓傳感器的采樣值基本吻合,相對(duì)誤差在0.7%以內(nèi),空載網(wǎng)壓辨識(shí)算法能夠有效地估計(jì)實(shí)際直流電壓,降低交流側(cè)電網(wǎng)波動(dòng)的影響。
表1 空載電壓辨識(shí)結(jié)果Table 1 Traction voltage recognition results under no-load operation condition
為驗(yàn)證飛輪儲(chǔ)能裝置控制策略的可行性,選取北京地鐵房山線廣陽(yáng)城站為飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)接入位置,對(duì)飛輪的工作效果進(jìn)行仿真分析。廣陽(yáng)城站前后車站的布點(diǎn)關(guān)系與站間距離如圖6 所示,其中,廣陽(yáng)城站距籬笆城站1 474 m,距良鄉(xiāng)大學(xué)城北站2 003 m。
圖6 廣陽(yáng)城站點(diǎn)關(guān)系Figure 6 Station relationship of Guangyangcheng station
采用基于MATLAB 自主開發(fā)的Revisor 軟件進(jìn)行仿真,建立含飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的城軌牽引供電系統(tǒng)及列車等效模型[11],仿真界面如圖7 所示。
圖7 牽引供電系統(tǒng)仿真界面Figure 7 Simulation interface of traction power supply system
房山線牽采用10 kV 分散供電方式,由沿線設(shè)置的AC 10 kV/DC 750 V 牽引變電所供電,共15 座牽引變電所,列車編組為4M2T,電機(jī)額定功率200 kW。采用4.5 min 的發(fā)車間隔和功率上限為1 MW 的飛輪,以1 s為仿真步長(zhǎng)對(duì)牽引供電系統(tǒng)進(jìn)行牽引計(jì)算和潮流計(jì)算,對(duì)比安裝飛輪前后的變電所能量、功率和直流網(wǎng)側(cè)電壓變化情況。
在1 h 的循環(huán)周期內(nèi),未安裝飛輪儲(chǔ)能裝置時(shí),變電所輸出能量為556 kWh,輸出功率峰值為2.75 MW,直流側(cè)牽引網(wǎng)壓在700~900 V 之間波動(dòng)。
在廣陽(yáng)城站接入功率為1 MW、容量為4.75 kWh的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)后,經(jīng)仿真分析,變電所輸出能量為417 kWh,較未安裝飛輪儲(chǔ)能裝置時(shí)減少了25%,節(jié)能效果明顯。
接入飛輪后,牽引變電所輸出功率的峰值為1.8 MW,較未安裝飛輪時(shí)降低了34.5%,飛輪有效抑制了牽引所的沖擊功率波動(dòng),降低了牽引所的供電負(fù)擔(dān)。安裝飛輪前后的牽引所輸出功率Ps隨時(shí)間t變化的曲線如圖8 所示。
圖8 安裝飛輪前后的牽引變電所功率曲線Figure 8 Power curve of traction substation before and after installing flywheel
接入飛輪后,牽引網(wǎng)壓雖然仍在700~900 V 之間波動(dòng),但出現(xiàn)電壓峰值的次數(shù)比未安裝飛輪儲(chǔ)能裝置時(shí)減少了73%以上,飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)有效地抑制了牽引網(wǎng)側(cè)的電壓波動(dòng)。安裝飛輪前后的牽引網(wǎng)側(cè)電壓波形如圖9 所示。
圖9 安裝飛輪前后的牽引網(wǎng)電壓曲線Figure 9 Voltage curve of traction network before and after installing flywheel
為了驗(yàn)證空載網(wǎng)壓辨識(shí)的作用,模擬中壓環(huán)網(wǎng)電壓從10 kV 波動(dòng)到10.2 kV 的情況,此時(shí)所識(shí)別的空載網(wǎng)壓則從821 V 變?yōu)?37 V,牽引網(wǎng)壓Udc曲線如圖10 所示。仿真結(jié)果表明,在其他仿真條件不變的情況下,中壓環(huán)網(wǎng)電壓波動(dòng)2%,會(huì)使得整個(gè)牽引網(wǎng)空載電壓提升約2%,但是對(duì)飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行無(wú)影響。
圖10 10 kV 網(wǎng)壓波動(dòng)下牽引網(wǎng)電壓曲線Figure 10 Voltage curve of traction network under 10kV network voltage fluctuation
為驗(yàn)證飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)在列車牽引、制動(dòng)過程中響應(yīng)牽引網(wǎng)壓波動(dòng)進(jìn)行充放電動(dòng)作的及時(shí)性和準(zhǔn)確性,將飛輪儲(chǔ)能設(shè)備接入廣陽(yáng)城站,選取廣陽(yáng)城站前后兩站籬笆城站至良鄉(xiāng)大學(xué)城北站為測(cè)試區(qū)段,測(cè)試車輛在區(qū)間內(nèi)往返運(yùn)行,采用夜間動(dòng)調(diào)測(cè)試。
經(jīng)過測(cè)試,列車在啟動(dòng)、制動(dòng)過程中,牽引網(wǎng)壓和飛輪儲(chǔ)能裝置的總功率隨時(shí)間變化的波形如圖11所示。
圖11 牽引網(wǎng)壓和飛輪功率隨時(shí)間變化的曲線Figure 11 Curves of traction network and flywheel power along with time
分析圖11 中波形可知,飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)可以根據(jù)控制策略及時(shí)準(zhǔn)確地響應(yīng)牽引網(wǎng)壓波動(dòng),在牽引網(wǎng)壓升高時(shí)吸收電能并在牽引網(wǎng)壓降低時(shí)釋放電能,夜間動(dòng)調(diào)結(jié)果驗(yàn)證了飛輪型再生制動(dòng)能量回收再利用裝置與地鐵牽引網(wǎng)的跟隨性、匹配性以及設(shè)備運(yùn)行的穩(wěn)定性,飛輪儲(chǔ)能裝置具備了日間掛網(wǎng)條件。
將飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)在日間地鐵正常運(yùn)行時(shí)接入廣陽(yáng)城站,通過長(zhǎng)時(shí)間掛網(wǎng)測(cè)試驗(yàn)證設(shè)備的穩(wěn)定性和飛輪系統(tǒng)的節(jié)能效率、穩(wěn)壓效果。
3.2.1 節(jié)能效率
城軌牽引供電系統(tǒng)是一個(gè)多能源耦合的復(fù)雜系統(tǒng),變電所、列車與飛輪間通過牽引網(wǎng)互相傳遞能量。牽引變電所輸出能量可由列車運(yùn)行消耗,也可以由飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)轉(zhuǎn)化為動(dòng)能存儲(chǔ);列車再生制動(dòng)能量可以由飛輪轉(zhuǎn)化并存儲(chǔ),也可以直接為相鄰列車所用;飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)放電釋放的能量則由列車運(yùn)行消耗。三者互相耦合,共同決定牽引供電系統(tǒng)的能量流動(dòng)特性。
為分析飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的節(jié)能效果,對(duì)日間掛網(wǎng)運(yùn)行期間飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行了收集和統(tǒng)計(jì)分析,定義列車耗電量為飛輪系統(tǒng)節(jié)電量與牽引機(jī)組耗電量之和,則節(jié)能率為飛輪系統(tǒng)節(jié)電量占列車耗電量的百分比。在7 d 的掛網(wǎng)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)中,飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)實(shí)際每天運(yùn)行時(shí)間為6:00~22:00,日平均投運(yùn)時(shí)間為16 h,該線路中廣陽(yáng)城站列車每日實(shí)際運(yùn)行時(shí)間為5:20~23:30,約為18 h。7 d 日間掛網(wǎng)實(shí)驗(yàn)中的飛輪節(jié)能率統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2 所示。
表2 飛輪節(jié)能率統(tǒng)計(jì)結(jié)果Table 2 Statistical results of flywheel energy saving rate
分析數(shù)據(jù)可知,飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)實(shí)際日節(jié)電量范圍為1 130~1 380 kWh,節(jié)電率20%~29%,日平均節(jié)電量為1 292 kWh,日平均節(jié)電率為23%。飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的節(jié)電效果明顯
3.2.2 穩(wěn)壓效果
除節(jié)能目的外,飛輪儲(chǔ)能裝置可以在列車制動(dòng)時(shí)吸收再生制動(dòng)能量以抑制牽引網(wǎng)壓的抬升,在列車啟動(dòng)時(shí)釋放電能以補(bǔ)償網(wǎng)壓的跌落,從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定網(wǎng)壓的目的,飛輪儲(chǔ)能裝置投入前后的地鐵運(yùn)行期間牽引網(wǎng)壓波動(dòng)曲線如圖12 所示。
圖12 接入飛輪前后的牽引網(wǎng)壓波形對(duì)比Figure 12 Comparison of traction network voltage before and after flywheel installation
通過對(duì)牽引系統(tǒng)投入飛輪前后的牽引網(wǎng)壓數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比得出結(jié)論:在未加裝飛輪時(shí),牽引網(wǎng)壓最低為705 V,最高為928 V,電壓最大差值為223 V,網(wǎng)壓波動(dòng)較嚴(yán)重;在投入1 MW 飛輪儲(chǔ)能裝置后,網(wǎng)壓最低為751 V,最高為900 V,電壓最大差值為149 V,降低了33.2%,牽引網(wǎng)壓基本穩(wěn)定在750~900 V 范圍內(nèi),穩(wěn)壓效果明顯。
為了防止因制造工藝影響造成的3 臺(tái)飛輪轉(zhuǎn)速差異,避免能量浪費(fèi),本文1.3 節(jié)給出的控制策略是在原有充放電控制策略的基礎(chǔ)上進(jìn)行了均速控制,分別在3 臺(tái)飛輪的功率命令上添加小功率的轉(zhuǎn)速修正分量,以達(dá)到轉(zhuǎn)速均衡的目的。
在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)中,3 臺(tái)飛輪功率及轉(zhuǎn)速曲線如圖13所示。在均速控制策略的協(xié)同控制與管理下,3 臺(tái)飛輪的轉(zhuǎn)速基本均衡,一致性較強(qiáng),均速控制方法的工作效果良好。
圖13 3 臺(tái)飛輪的轉(zhuǎn)速曲線Figure 13 Speed curves of three flywheels
針對(duì)應(yīng)用于城市軌道交通的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng),本文提出基于牽引網(wǎng)直流側(cè)網(wǎng)壓的充放電控制策略、飛輪陣列均速控制方法和空載網(wǎng)壓辨識(shí)方法,以應(yīng)對(duì)列車頻繁啟動(dòng)、制動(dòng)造成的網(wǎng)壓波動(dòng)和能量浪費(fèi)問題。
經(jīng)過建模與仿真分析,接入飛輪后變電所輸出能量較未安裝飛輪儲(chǔ)能裝置前減少了25%,輸出功率峰值降低了34.5%,出現(xiàn)電壓峰值的次數(shù)減少了73%,飛輪有效地節(jié)約了能量,抑制了牽引網(wǎng)壓波動(dòng)。通過在北京地鐵房山線廣陽(yáng)城站牽引變電所接入飛輪儲(chǔ)能裝置并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn),飛輪儲(chǔ)能裝置的節(jié)電率為23%,牽引網(wǎng)壓波動(dòng)降低了33.2%,進(jìn)一步驗(yàn)證了控制策略的可行性和飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的穩(wěn)壓和節(jié)能效果。