基于飞轮储能技术的城市轨道交通再生能回收控制策略研究

赵思锋，唐英伟，王 赛，王大杰



基于飞轮储能技术的城市轨道交通再生能回收控制策略研究

赵思锋1，唐英伟1，王 赛2，王大杰1

（1盾石磁能科技有限责任公司，河北 唐山 063000；2北京交通大学长三角研究院，江苏 镇江 212009）

针对城市轨道交通列车运行密度高，起制动功率大的特点，采用飞轮型再生制动能量回收装置可有效降低直流牵引网压波动，降低牵引能耗。由于该装置采用基于直流牵引网母线电压高低进行充放电的控制策略，在实际运行工况中可能存在无法准确识别再生能或储能设备SOC值无法自动调整导致无法再响应牵引网压波动的情况，本文提出空载网压识别和SOC自适应控制策略进行解决，通过轨道交通试验平台的试验验证，得出该控制策略的有效性。

轨道交通；飞轮；再生制动；优化控制策略

城市轨道交通的主要能源消耗是电能，目前城市轨道交通列车制动能量可达牵引用电的30%～40%，其中不能被其它列车利用而浪费的制动能量约占40%。因此采用再生制动能量吸收利用装置对列车产生的制动能量进行吸收再利用，将有利于城市轨道交通节能，减少二氧化碳排放同时还具有稳定直流牵引网压，降低闸瓦磨耗，减少环控系统的工作压力。

飞轮型再生制动能量回收装置作为再生能回收利用装置的一种，具有使用寿命长、充放电速度快、瞬时功率大的优点，直接将吸收的列车再生制动能量用于列车加速启动过程，实现真正意义上的在城轨内部的节能。

由于城轨牵引网系统为多电源耦合，牵引网压的波动受发车密度、车辆制动功率多方面因素影响，储能装置接入后，能否准确识别再生制动能量产生的网压波动以及储能装置能否在整个工作过程中保证自身的SOC值处于适当水平，避免出现长期处于充满电或缺电的状态，因此需要对储能装置接入城轨牵引网后的控制策略进行优化，满足城轨运行工况的需求。本文针对上述问题进行相应控制策略的研究，并且通过轨道交通试验平台的试验验证，得出该控制策略的有效性.

1 飞轮储能原理与控制策略

1.1 飞轮介绍

GTR飞轮储能技术来源于Urenco公司高速离心机技术，通过对高速离心机技术新的应用场景开发，研发出GTR飞轮储能系统。目前，GTR飞轮在国内外广泛应用于电网电能质量调节，轨道交通能量回收等领域。

1.2 飞轮储能原理

飞轮储能属于一种物理储能方式，利用旋转体高速旋转时所具备的动能来存储能量，飞轮存储能量公式为

1.3 机电能量转换实现

飞轮储能旋转体与驱动电机间的连接形式可以为同轴相连，或者旋转体直接作为驱动电机的转子，二者为一体化结构。飞轮储能用电机可以采用永磁同步电机、开关磁阻电机、永磁直流无刷电机等。

具体实现方式如下。

2 城轨交通牵引供电与飞轮控制策略

2.1 牵引供电方式

城市轨道交通采用直流牵引网供电的形式，一般在牵引变电所内，10 kV/35 kV中压经过牵引整流机组变换为750VDC/1500VDC电压为列车供电，列车受电通过架空牵引网或者第三轨供电实现。

线路上运行的列车相对于牵引网而言是一个移动负荷，同一条线路上多车非同步的起制动操作都将会造成直流牵引网压的复杂变化。

2.2 飞轮接入牵引系统方案

飞轮型再生制动能量回收装置对外电气接口为直流，通过高速断路器连接于750/1500VDC牵引网处，主回路电气连接示意图如图1所示，装置可安装于牵引变电所内，或者采用集装箱形式安装于行车线路轨旁处。

图1 飞轮接入牵引网主回路示意图

由于飞轮型再生制动能量回收装置只与直流牵引网产生电气连接，其吸收的再生制动能量直接在直流牵引网系统内转换，对城轨供电系统不会产生谐波注入影响。相对于其它类型装置，储能装置能抑制制动能量造成的网压升高，同时储存的能量还能改善列车取流造成的电压降落，所以有良好的稳定牵引网压的作用。

针对列车起制动时间短的特点，飞轮型再生制动能量回收装置具备快速响应能力，可及时捕获再生制动能量或补充牵引能量；针对列车加减速功率大、起制动频繁的特性，飞轮型再生制动能量回收装置可提供瞬时大功率支撑，具备频繁充放电能力。

2.3 再生能吸收利用控制策略

飞轮采用基于直流母线电压的控制逻辑，控制策略如图2。

飞轮储能系统有三种工作状态，分别为充电、维持、放电三种工作状态，根据城轨牵引网母线电压的高低飞轮自动响应处于何种工作状态,说明 如下：

当列车减速制动进站造成牵引网母线电压抬高，电压值>2+时，处于飞轮储能系统充电，吸收电能的区域，并且充电的功率随母线电压的不断升高而增大，以此吸收再生制动能量，同时稳定牵引网压，避免再生制动失效。

当列车加速起动出站造成牵引网母线电压拉低，电压值<2-时，处于飞轮储能系统释放电能的区域，飞轮向牵引网提供功率支撑，且功率随母线电压的不断降低而增大，通过飞轮储能系统释能补充牵引能量，稳定直流母线电压稳定。

图2 飞轮型再生制动能量回收装置控制策略

当牵引网母线电压值在飞轮设定的维持区域[2-a,2+a]波动时，飞轮处于备用状态，使其荷电状态SOC值处于设定值，执行维持转速指令。

基于直流母线电压控制策略的流程图如图5 所示。

图3 飞轮控制策略流程图

根据母线电压-功率曲线将采样电压转换为相应的充放电功率值，而后通过功率限幅参数得到给定的功率值。根据功率-电机定子电流的关系得到给定定子电流，通过与反馈定子电流插值进行PID控制产生PWM控制量，实现给定功率的输出。

3 改进的控制策略

3.1 固有策略面临的问题

飞轮型再生制动能量回收装置采取基于直流网压的传统控制方法，这样在仅由10 kV/ 35kV中压交流供电网络产生电压波动的情况下，同样会造成直流牵引网压的波动，储能设备会进行充放电误操作，消耗牵引网能量。

在复杂变化的牵引网压波动情况下，保证飞轮型再生制动能量回收装置始终能够正确动作进行充放电，并且长期保持在一个合理的SOC值水平，避免储能装置出现长时间“满电”或长时间“缺电”的状况，无法再响应直流牵引网压执行充放电操作。

3.2 优化控制策略描述

飞轮型再生制动能量回收装置基于直流母线电压的充放电逻辑，充放电电压阈值的变化将会显著影响充放电动作逻辑以及功率的大小。基于此思想，将充放电电压阈值作为一个随牵引网压和飞轮SOC变化的函数，使飞轮在整个运行过程中都能保证充放电电压阈值的动态调整，将会提高设备在城轨运行工况的适应能力。

3.2.1 城轨牵引网空载电压辨识

飞轮型再生制动能量回收装置能量管理模块通过硬件层采集中压网络电压信号，结合城轨牵引变压器以及整流机组的原理，通过一定的滤波算法计算得出实时空载电压，并作为充放电阈值计算算法和能量管理策略算法的基础，算法框图如图4所示。

图4 空载网压辨识算法框图

3.2.2 充放电电压阈值动态调整

飞轮型再生制动能量回收装置能量管理模块通过空载电压辨识算法得到实时空载电压，结合飞轮型再生制动能量回收装置当前的SOC综合分析，采用优化算法计算得出最优的充放电阈值，结合图2定义参数如表1所示。

表1 充放电参数定义表

在实现合理的SOC值水平情况下，尽可能让飞轮多吸收和释放再生制动能量。飞轮型再生制动能量回收装置完成一次充放电操作后，结合充放电结束时SOC值参数SOCend，更新优化的充放电电压阈值参数如下：

通过充放电结束时SOCend的状态实时调整下一个即将充放电电压阈值，可实现在飞轮运行的全过程中对SOC的动态调整，避免储能装置出现长时间“满电”或长时间“缺电”的状况，无法再响应直流牵引网压执行充放电操作。

4 轨道交通试验效果观测

4.1 平台结构介绍

图5 轨道交通试验平台结构

该轨道交通试验平台采用二极管整流模拟城轨牵引整流机组，采用两台同轴相连异步电机模拟列车的启制动工况。飞轮装置连接于牵引电机的直流母线侧，实现再生制动能量的回收以及牵引能量的补充，并且在牵引和负载侧的直流母线均配备功率制动电阻防止再生失效。

在牵引侧，380VA进线电压经过变压器升压得到560VAC，经二极管整流得750VDC母线，而后连接逆变器驱动功率为110 kW的牵引电机。在负载侧，380VAC进线电压经过二极管整流得到510VDC，而后连接逆变器驱动功率为110 kW的负载电机。通过上位机设置功率指令模拟城轨列车进站和出站的工况。

4.2 实验效果观测

4.2.1 空载网压辨识

将交流电压传感器连接至整流机组交流进线侧，当输入交流电压变化时，根据整流二极管的整流系数得到读取飞轮型再生制动能量装置空载网压辨识值，并和飞轮直流侧传感器采样的空载电网实际值进行对比，实际测量数据如下：

表2 空载网压辨识参数表

通过上述数据可知：在输入交流电压波动的情况下，经过辨识后的空载网压辨识值能够随着输入交流电压的波动自动调整，并且该空载网压辨识值与飞轮直流侧传感器采样的空载电网实际值吻合度较高，空载电压相对误差在<0.7%以内。

4.2.2 充放电阈值自动调整

参数设定如下：直流空载电压=820 V，飞轮初始SOC=89%；起始充电电压=830 V，全功率充电电压=850 V；起始放电电压=764 V，全功率放电电压=744 V；充放电SOC偏置值=40 V；

循环测试中，最大牵引功率和制动功率均为50 kW，牵引工况吸收的能量略大于制动工况反馈的能量，与真实城轨车辆牵引制动工况比较接近。同时，为模拟不同功率等级的牵引和制动工况，前两个牵引制动循环的能量等级较大，第三个牵引制动循环的能量等级较小。试验中，以三组牵引制动循环为一个大的循环，通过多次循环工作考核SOC是否保持在一个合理水平。图6为连续运行测试相关参量的变化曲线。

通过图6(c)可以看出，在牵引制动循环中，能够将直流网压稳定在780～860 V区间；通过图6(d)可以看出，飞轮初始SOC值为89%，经过2次充放电循环后进入相对稳定的状态，每个充放电循环中飞轮SOC值的变化范围约为5%～90%；通过图6(e)可以看出，在每个充放电过程结束后，能量管理单元都会根据当前SOC值对阈值电压进行调整，保证了飞轮的SOC值始终处在合理范围内，不会出现因SOC值过高或过低影响设备动作的情况。

5 结 语

在城轨交通牵引网复杂的网压波动情况下，采用优化的控制策略实现空载网压辨识和SOC自适应调整，能够保证飞轮型再生制动能量回收装置响应列车起制动网压波动，同时可以保证其SOC值在整个运行工况下处于适当水平，接下来应进一步考虑多台飞轮储能系统同时运行时相互间能量均衡协调控制的能力。

[1] 赵亚杰, 夏欢, 王俊兴, 等. 基于动态阈值调节的城轨交通超级电容储能系统控制策略研究[J]. 电工技术学报, 2015, 30(14): 427-432.

ZHAO Y J, XIA H, WANG J X, et al. Control strategy of ultracapacitor storage system in urban mass transit system based on dynamic voltage threshold[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2015, 30(14): 427-432.

[2] 王成. 基于超级电容的置地式地铁再生制动能量回收技术研究[D]. 南京: 南京航空航天大学, 2013.

WANG C. Research on regenerative braking energy utilization technique based on stationary supercapacitors in metro-transit systems[D]. Nanjing: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, 2013.

[3] GONZALEZ-GIL A, PALACIN R, BATTY P．Sustainable urban rail systems：Strategies and technologies for optimal management of regenerative braking energy[J]. Energy Conversion and Management, 2013, 75: 374-388.

[4] IANNUZZI D, CICCARELLI F, LAURIA D. Stationary ultra capacitors storage device for improving energy saving and voltage profile of light transportation networks[J]. Transportation Research Part C：Emerging Technologies, 2012, 21(1): 321-337.

[5] 刘炜. 基于超级电容的城轨再生制动能量存储利用研究[D]. 成都: 西南交通大学, 2011.

[6] 邓文豪. 城市轨道交通地面型超级电容储能系统关键技术的研究[D]. 北京: 中国铁道科学研究院, 2010.

[7] 赵坤, 王椹榕, 王德伟, 等. 车载超级电容储能系统间接电流控制策略[J]. 电工技术学报, 2011, 26(9): 124-129.

ZHAO K, WANG Z R, WANG D W, et al. Indirect current control strategy of on-board supercapacitor energy storage system of railway vehicle[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2011, 26(9): 124-129.

[8] 王迅. 城市轨道交通车载超级电容储能系统控制策略的研究[D]. 北京: 北京交通大学, 2010.

WANG X. Study the control strategy of energy saving system with super capacitor on-board of railway vehicle for urban mass transit[J]. Beijing: Beijing Jiaotong University, 2010.

[9] 胡斌. 城市轨道交通地面式超级电容储能装置控制策略研究[D]. 北京: 北京交通大学, 2014.

HU B. Study on urban rail transit wayside super capacitor energy storage device control strategy[J]. Beijing: Beijing Jiaotong University, 2014.

The study of control strategy for urban mass transit based on flywheel energy storage system

ZHAO Sifeng1, TANG Yingwei1, WANG Sai2, WANG Dajie1

(1Dunshi Magnetic Energy Technology Co., Ltd, Tangshan 063000, HebeiChina;2Beijing Jiaotong University Yangtze River Delta Research Institute, Zhenjiang 212009, Jiangsu, China)

In terms of the high operation density and regenerative braking power of the urban mass transit, the flywheel energy storage system(FESS) can effectively reduce the DC traction network voltage fluctuation and the traction energy consumption. Because the charge or discharge operation for the FESS is just based on the high or low DC traction network voltage, so the regenerative braking power may not be identified accurately in addition, the state of charge (SOC) of the FESS cannot be automatically adjusted which leads to the incorrect response to the traction network voltage in the actual operating conditions. In this paper, the unload transit network voltage identification and the SOC optimized control strategy is adopted to solve these problem, the effectiveness of the proposed control strategy is verified by rail transit platform test.

urban mass transit; flywheel; regenerative braking; optimized control strategy

10.12028/j.issn.2095-4239.2018.0053

TM 76

A

2095-4239（2018）03-524-06

2018-04-04；

2018-04-15。

赵思锋（1989—），男，硕士，研究方向为电气传动控制，E-mail：zhaosifeng@dscnkj.com；

唐英伟，研究方向为电气工程，E-mail: 18931536555@189.cn。