作者介紹

• 李進(jìn)，男，1997年出生，碩士研究生，研究方向?yàn)槌鞘熊壍澜煌w輪儲(chǔ)能技術(shù)。
• 張鋼，男，1982年出生，副教授，博士生導(dǎo)師，北京市軌道交通電氣工程技術(shù)研究中心副主任。研究方向?yàn)槌鞘熊壍澜煌恳╇娂夹g(shù)、數(shù)字孿生技術(shù)及智能運(yùn)維技術(shù)。研發(fā)的城市軌道交通中壓能饋裝置在全國(guó)20多條線路推廣應(yīng)用，獲省部級(jí)科技獎(jiǎng)勵(lì)2項(xiàng)。
• 劉志剛，男，1961年出生，教授、博士生導(dǎo)師，國(guó)務(wù)院政府津貼專(zhuān)家。長(zhǎng)期從事軌道交通軌道交通供電、車(chē)輛牽引傳動(dòng)、信息化與智能化等技術(shù)研究。主持承擔(dān)多項(xiàng)國(guó)家級(jí)重大科研項(xiàng)目，多項(xiàng)創(chuàng)新研究成果填補(bǔ)國(guó)內(nèi)外空白。
• 王勇，男，1987年出生，中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量研究所工程師，主要從事城軌和電氣化鐵路能饋和儲(chǔ)能裝備檢驗(yàn)檢測(cè)工作。

研究背景

據(jù)統(tǒng)計(jì)，城軌交通列車(chē)再生制動(dòng)能量可達(dá)牽引能量的20~40%，安裝儲(chǔ)能系統(tǒng)回收列車(chē)再生制動(dòng)能量是降低軌道交通能耗的有效手段之一。常見(jiàn)的儲(chǔ)能系統(tǒng)包括電池、超級(jí)電容和飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)(Flywheel Energy Storage System, FESS)。相比于電池和超級(jí)電容類(lèi)的儲(chǔ)能系統(tǒng)，飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)具有瞬時(shí)功率高、儲(chǔ)能密度大、使用壽命長(zhǎng)、容量衰減小、環(huán)保無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，在軌道交通領(lǐng)域受到廣泛關(guān)注。

由于城軌列車(chē)制動(dòng)功率較大，單個(gè)小容量飛輪難以滿足列車(chē)再生制動(dòng)的需求，而大容量飛輪制造難度大、造價(jià)昂貴、運(yùn)輸和安裝困難，因此采用多個(gè)飛輪單元并聯(lián)構(gòu)成飛輪儲(chǔ)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(wèn)題及意義

本文針對(duì)城軌交通飛輪儲(chǔ)能陣列控制中面臨的節(jié)能穩(wěn)壓、SOC 管理、飛輪單元轉(zhuǎn)速均衡等問(wèn)題，在完成單飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)控制策略設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上，提出了基于“電壓-轉(zhuǎn)速-電流”三閉環(huán)控制的飛輪儲(chǔ)能陣列控制策略，并完成了仿真和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，為進(jìn)一步工程應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

論文方法及創(chuàng)新點(diǎn)

含飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的城軌牽引供電示意圖如圖 1所示。飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)安裝在牽引變電所內(nèi)，與二極管整流機(jī)組并聯(lián)，在列車(chē)制動(dòng)時(shí)吸收多余的再生制動(dòng)能量，并在列車(chē)牽引時(shí)釋放儲(chǔ)存的能量給列車(chē)使用，最終實(shí)現(xiàn)節(jié)能及穩(wěn)定網(wǎng)壓的目的。

圖1 含飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的城軌牽引供電示意圖

考慮到列車(chē)再生制動(dòng)功率大，單個(gè)飛輪難以滿足要求，需要采用圖2所示的飛輪儲(chǔ)能陣列解決方案。

圖2 飛輪儲(chǔ)能陣列示意圖

由于不同飛輪單元在制造時(shí)不可避免的存在參數(shù)差異，所以在對(duì)飛輪儲(chǔ)能陣列控制時(shí)，還需要考慮各個(gè)飛輪間的轉(zhuǎn)速均衡。本文給出了基于“電壓-轉(zhuǎn)速-電流”三閉環(huán)的控制策略，即在電壓外環(huán)與電流內(nèi)環(huán)之間增加一個(gè)轉(zhuǎn)速閉環(huán)，直接控制飛輪儲(chǔ)能陣列中各個(gè)飛輪單元的轉(zhuǎn)速，整體控制框圖如圖3所示。

圖3 基于“電壓-轉(zhuǎn)速-電流”三閉環(huán)控制策略

通過(guò)對(duì)飛輪轉(zhuǎn)速變化率dn/dt的控制即可實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)矩的控制。本文將圖3所示的電壓外環(huán)輸出指令定義為飛輪轉(zhuǎn)速變化量Δn，由于電壓閉環(huán)指令更新的間隔固定，Δn值的變化即代表著飛輪轉(zhuǎn)速變化率的變化。利用轉(zhuǎn)速指令計(jì)算環(huán)節(jié)得到各飛輪單元的統(tǒng)一轉(zhuǎn)速指令，實(shí)現(xiàn)電壓外環(huán)與轉(zhuǎn)速閉環(huán)的有效串聯(lián)。

通過(guò)轉(zhuǎn)速閉環(huán)對(duì)各飛輪單元進(jìn)行統(tǒng)一的轉(zhuǎn)速控制，一方面能夠有效避免飛輪單元產(chǎn)生較大的轉(zhuǎn)速差，另一方面只需對(duì)轉(zhuǎn)速指令加以限制就能實(shí)現(xiàn)飛輪儲(chǔ)能陣列的SOC管理。對(duì)于飛輪儲(chǔ)能陣列釋能模式與放電模式下功率的控制，同樣通過(guò)限制電流閉環(huán)輸出指令isref來(lái)實(shí)現(xiàn)，配合不同的工作模式切換電流指令限制值-islim1和-islim2。

結(jié)論

本文提出的基于“電壓-轉(zhuǎn)速-電流”三閉環(huán)控制策略，實(shí)現(xiàn)了飛輪儲(chǔ)能陣列工作模式切換、飛輪單元轉(zhuǎn)速均衡、SOC 能量管理等功能。搭建了1MW飛輪儲(chǔ)能陣列實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，驗(yàn)證了文中提出的飛輪儲(chǔ)能陣列控制策略的可行性。

引用本文

李進(jìn), 張鋼, 劉志剛, 王勇. 城軌交通用飛輪儲(chǔ)能陣列控制策略[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 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.