作者介紹

• 李進，男，1997年出生，碩士研究生，研究方向為城市軌道交通飛輪儲能技術。
• 張鋼，男，1982年出生，副教授，博士生導師，北京市軌道交通電氣工程技術研究中心副主任。研究方向為城市軌道交通牽引供電技術、數字孿生技術及智能運維技術。研發的城市軌道交通中壓能饋裝置在全國20多條線路推廣應用，獲省部級科技獎勵2項。
• 劉志剛，男，1961年出生，教授、博士生導師，國務院政府津貼專家。長期從事軌道交通軌道交通供電、車輛牽引傳動、信息化與智能化等技術研究。主持承擔多項國家級重大科研項目，多項創新研究成果填補國內外空白。
• 王勇，男，1987年出生，中國鐵道科學研究院集團有限公司標準計量研究所工程師，主要從事城軌和電氣化鐵路能饋和儲能裝備檢驗檢測工作。

研究背景

據統計，城軌交通列車再生制動能量可達牽引能量的20~40%，安裝儲能系統回收列車再生制動能量是降低軌道交通能耗的有效手段之一。常見的儲能系統包括電池、超級電容和飛輪儲能系統(Flywheel Energy Storage System, FESS)。相比于電池和超級電容類的儲能系統，飛輪儲能系統具有瞬時功率高、儲能密度大、使用壽命長、容量衰減小、環保無污染等優點，在軌道交通領域受到廣泛關注。

由于城軌列車制動功率較大，單個小容量飛輪難以滿足列車再生制動的需求，而大容量飛輪制造難度大、造價昂貴、運輸和安裝困難，因此采用多個飛輪單元并聯構成飛輪儲能陣列(Flywheel Energy Storage Array, FESA)不失為一種有效解決方案。

論文所解決的問題及意義

本文針對城軌交通飛輪儲能陣列控制中面臨的節能穩壓、SOC 管理、飛輪單元轉速均衡等問題，在完成單飛輪儲能系統控制策略設計基礎上，提出了基于“電壓-轉速-電流”三閉環控制的飛輪儲能陣列控制策略，并完成了仿真和實驗驗證，為進一步工程應用奠定基礎。

論文方法及創新點

含飛輪儲能系統的城軌牽引供電示意圖如圖 1所示。飛輪儲能系統安裝在牽引變電所內，與二極管整流機組并聯，在列車制動時吸收多余的再生制動能量，并在列車牽引時釋放儲存的能量給列車使用，最終實現節能及穩定網壓的目的。

圖1 含飛輪儲能系統的城軌牽引供電示意圖

考慮到列車再生制動功率大，單個飛輪難以滿足要求，需要采用圖2所示的飛輪儲能陣列解決方案。

圖2 飛輪儲能陣列示意圖

由于不同飛輪單元在制造時不可避免的存在參數差異，所以在對飛輪儲能陣列控制時，還需要考慮各個飛輪間的轉速均衡。本文給出了基于“電壓-轉速-電流”三閉環的控制策略，即在電壓外環與電流內環之間增加一個轉速閉環，直接控制飛輪儲能陣列中各個飛輪單元的轉速，整體控制框圖如圖3所示。

圖3 基于“電壓-轉速-電流”三閉環控制策略

通過對飛輪轉速變化率dn/dt的控制即可實現對轉矩的控制。本文將圖3所示的電壓外環輸出指令定義為飛輪轉速變化量Δn，由于電壓閉環指令更新的間隔固定，Δn值的變化即代表著飛輪轉速變化率的變化。利用轉速指令計算環節得到各飛輪單元的統一轉速指令，實現電壓外環與轉速閉環的有效串聯。

通過轉速閉環對各飛輪單元進行統一的轉速控制，一方面能夠有效避免飛輪單元產生較大的轉速差，另一方面只需對轉速指令加以限制就能實現飛輪儲能陣列的SOC管理。對于飛輪儲能陣列釋能模式與放電模式下功率的控制，同樣通過限制電流閉環輸出指令isref來實現，配合不同的工作模式切換電流指令限制值-islim1和-islim2。

結論

本文提出的基于“電壓-轉速-電流”三閉環控制策略，實現了飛輪儲能陣列工作模式切換、飛輪單元轉速均衡、SOC 能量管理等功能。搭建了1MW飛輪儲能陣列實驗平臺，驗證了文中提出的飛輪儲能陣列控制策略的可行性。

引用本文

李進, 張鋼, 劉志剛, 王勇. 城軌交通用飛輪儲能陣列控制策略[J]. 電工技術學報, 2021, 36(23): 4885-4895. Li Jin, Zhang Gang, Liu Zhigang, Wang Yong. Control Strategy of Flywheel Energy Storage Array for Urban Rail Transit. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(23): 4885-4895.