1 MW阵列式飞轮储能系统在城市轨道交通中的应用

王大杰，孙振海，陈 鹰，李胜飞，赵思锋，温海平



1 MW阵列式飞轮储能系统在城市轨道交通中的应用

王大杰1，孙振海2，陈 鹰1，李胜飞1，赵思锋1，温海平1

（1盾石磁能科技有限责任公司，河北 唐山 063000；2北京市地铁运营有限公司，北京 100044）

本文根据城市轨道交通的运行特点和车辆参数提出了一种1 MW阵列式飞轮储能系统，用来吸收再利用机车制动时产生的制动电能。通过对比不同类型的再生制动能量回收方式，突出飞轮储能系统应用在城市轨道交通的必要性和先进性。文中通过对某些线路进行数据测试，根据现有单台飞轮储能装置进行阵列式组合，通过产品优化以及安全计算和工程实施预判，组装出容量为1 MW的阵列式飞轮储能系统，并证明了1 MW阵列式飞轮储能系统在城市轨道交通应用的正确性和可实施性。

城市轨道交通；飞轮储能系统；阵列式；再生制动

再生制动能量回收技术可有效降低城市轨道交通的电费成本、节约能源、减少二氧化碳排放，符合国家节能减排政策，且提高列车运行安全稳定 性[1-2]。目前我国采用的再生制动能量回收方式较为单一且具有局限性。飞轮储能技术属国际先进的物理储能方式，对环境友好无污染，可快速、频繁充放电，寿命长，噪音小，较原有制动能量管理技术先进、稳定及效益突出。

在城市轨道交通中应用飞轮储能系统可起到非常好的节能效果，每年可节约10%～20%电费支出，节约能源，减少二氧化碳排放；同时可稳定直流牵引网压，减少网压波动对供电设备元器件以及车辆的影响；可使列车稳定进行电制动，降低闸瓦磨耗，减少通风空调及排风系统的损耗；可有效改善牵引网电能质量，避免能量回馈至交流电网造成对电网的污染等。

本文通过研究城市轨道交通的运行特点和车辆参数，研究了1 MW阵列式飞轮储能系统，并通过优化使其满足城市轨道交通的运行条件。通过数据测试表明了1 MW阵列式飞轮储能系统可有效吸收再利用制动电能，起到很好的节能降耗效果，同时稳定牵引网压，提高供电系统的稳定性。

1 对比不同类型的再生制动能量回收方式

目前再生制动能量回收方式主要有：电阻消耗型，中压能馈型，超级电容型，飞轮储能型[3-4]。相比电阻消耗型装置，飞轮型再生制动能量回收装置可以回收再利用列车制动时产生的再生电能，实现真正的节能减排，降低电费成本，减少二氧化碳排放；而电阻消耗型装置只是将再生制动能量转化成热量消耗掉，无法实现能量再利用，同时给站内和隧道带来温升，增加暖通压力。

相比中压能馈型装置，飞轮型再生制动能量回收装置安装在供电系统的直流侧，从牵引网吸收再生制动能量并存储后直接用于列车的启动运行，实现即收即用，整个能量回收再利用过程全部完成在直流侧，不会对交流电网产生影响，同时兼顾稳定直流牵引网压的作用，可提高供电系统电能质量和稳定性。而中压能馈型装置是将再生制动能量回馈至交流电网，所吸收的能量并不能用于列车，能量回馈到中压电网损耗较大，谐波较多，对供电系统电能质量产生一定的影响。

相比超级电容型装置，飞轮型再生制动能量回收装置吸收效果更好，寿命长，噪音小，占地面积小，非常适合城市轨道交通配电室狭小空间的安装和改造。

2 列车制动的能量和功率分析

2.1 列车制动能量分析

已有很多学者对列车再生制动能量进行研究，本文在此研究基础上对实际车型进行了调研。

假设线路中列车为4M2T车型，动车车重34 t，拖车车重32 t。则列车重量

车=34×4+32×2=200 t （1）

按单节车厢载客300人计算，假定乘客平均体重为60kg，则列车载客总重

人=300×60×6=108 t （2）

则总重量

总=200+108=308 t （3）

列车从零速加速到80 km/h（约22 m/s），需要的能量为

总=0.5×308×222=74.5 MJ （4）

列车运行过程为：起动——加速——惰行——制动——停止。惰行之后列车速度降低至70 km/h（约19 m/s），列车速度降低至5 km/h（约1.4 m/s）时开始精准制动。则在理想情况下，再生制动产生的总能量[5]

再生=0.5×308×（192-1.42）=55 MJ （5）

根据经验，被飞轮吸收的能量约占再生能量的30%

吸收=55×0.3=16.5 MJ=4.58 kW·h (6)

2.2 列车制动功率分析

对北京地铁某安装有电阻能耗再生制动装置的线路进行数据采集，得出在不同发车间隔再生制动功率功率如表1所示。

表1 各种运行间隔下再生制动功率（单位：kW）

由表1可知，在不同行车间隔时，再生制动功率最大值发生在2min行车间隔时，最大值为 927kW。

结合机车资料，根据行车模拟-单台列车停车制动功率为1630 kW。表1计算时，已考虑了正常运行图上、下行列车同时进站对设备容量选择的需求。因为尖峰的负荷在再生制动功率的占比非常小，为吸收尖峰负荷增加设备容量其效果不会得到显著改善，从节能以及经济性角度看，选择1 MW飞轮型再生制动能量回收装置较为合理。

通过对列车制动能量和列车制动功率进行分析得出，4M2T车型在进行再生制动时需要再生制动能量回收装置吸收的能量为4.58 kW·h，功率为 1 MW。则按照功能需求，配备的飞轮储能系统需在能量和功率上均满足要求。

3 1MW阵列式飞轮储能系统

3.1 飞轮储能装置介绍

飞轮储能装置的本体包括碳纤维复合材料转子、被动磁悬浮轴承、高速高效永磁电机、针式轴承、真空腔及外壳等部分[6-7]。

转子是高质量部件，由碳纤维、磁粉和玻璃纤维复合材料制成，磁粉在制作过程中产生了两种磁性，在一端磁极被以圆周排列构成了被动磁轴承的一半（顶部轴承），转子的剩余部分被纵向磁化为十二个磁极，构成永磁电机的转子。无铁芯转子层与纤维复合材料层集成为一体，不仅提高了飞轮转子系统允许的最大线速度和储能密度，也提升了飞轮转子的安全性。

图1 GTR飞轮本体剖面结构

高速永磁电机为外转子内定子结构。电机定子铁芯采用超薄高硅钢片叠制，绕组采用高频litz线，超薄硅钢片用于将涡流降到最低；优质的利兹绞线可以减弱集肤效应；定子中心为空心轴，用于导线引出和冷却水路布置，定子产生的热量由在中心轴内循环的冷却液冷却，能保证长时间运行温度控制在合适的范围内。

轴承系统是由底部的针式轴承和顶部的被动磁轴承组合形成的。被动磁轴承安装在转子的顶部，针式轴承和阻尼系统安装在转子的底部，两者形成支撑配合，不仅降低了轴承损耗，也省去了主动磁轴承所需的复杂动态检测与快响应控制系统，实现了高速转子的悬浮稳定支撑。

外壳是一个安全容器，保证转子在内部可安全稳定地高速旋转，腔体内部为真空密闭的环境，降低风阻，使飞轮损耗更小。

3.2 1MW阵列式飞轮储能系统

1 MW阵列式飞轮储能系统由3台GTR333功率模块构成[10]，系统平面布置图如图2所示，3台GTR333功率模块并联摆放，1 MW飞轮储能系统的安装尺寸为3343 mm×1599 mm×2269 mm，占地面积为5.3 m2。

图2 1 MW阵列式飞轮储能系统平面图

3.2.2 主要参数指标

1 MW飞轮储能系统主要参数指标[8-9]如表2 所示。

表2 1 MW飞轮储能系统参数指标

从1 MW飞轮储能系统的技术指标来看，在功率和能量方面均能满足地铁车辆进行再生制动的需求，适合在地铁里牵引供电系统中应用。

3.2.3 1 MW系统接入供电系统方式

1 MW飞轮储能系统接入到供电系统的方式如图3所示[11-12]，线路中的上下行接触轨均通过断路器、负荷开关与供电系统直流母线相连接，飞轮储能系统通过正极断路器和负极隔离开关与直流母线直接连接，此安装方式可以同时吸收再利用上下行线路的再生制动能量，效率更高。通过安装正极断路器，在飞轮出现故障时，可及时断开飞轮与牵引供电系统的连接，不会对牵引供电系统产生影响，在牵引系统出现严重故障时也可以断开保护飞轮；安装负极隔离开关在检修时可实现彻底隔离，保障人身安全。

图3 接入方式

3.2.4 1 MW系统电气构成

1 MW的飞轮储能系统由3台333 kW的功率模块并联组成，如图4所示，3台功率模块分别通过隔离开关并联到正、负极柜，与供电系统接口简单。通过HMI人机界面可实现3台功率模块的监控和操作，同时人机界面对外提供RS485接口，可以通讯的形式，将三遥量上传PSCADA。

（5）共享共用支撑：系统的建立，为建立大型设备监测及共享使用机制提供了有力的数据支撑，可为相邻相同行业单位开展相同业务提供了硬件支持，提高使用效率，减少资金投入。

图4 电气构成

3.2.5 故障保护与联锁

飞轮储能系统自身控制单元能够对飞轮的运行状态进行判断，在飞轮自身发生过流、过载、过压、欠压、超温、真空度缺失等故障时，触发故障报警，使飞轮退出工作，同时飞轮控制单元的硬点输出继电器，输出故障信号，可供保护跳闸使用，如图5所示。同时，在配电柜上的人机界面会显示飞轮的故障信息，方便技术人员查询和维修设备。

3.2.6 飞轮控制策略

飞轮采用基于直流母线电压的控制逻辑，控制策略见图6。

图5 保护与连锁

图6 飞轮控制策略

飞轮储能系统有3种工作状态，分别为充电、维持、放电3种工作状态，根据地铁母线电压的高低飞轮自动响应充放电。

线路有车制动时会造成母线电压升高，当母线电压值>2+a时，飞轮进入充电区域，并且充电的功率随母线电压的升高而增大，当电压超过3时，飞轮进行全功率充电。通过飞轮储能系统吸收电能，抑制直流网压的抬升，保证列车可以稳定进行电制动。

线路有车启动时会造成母线电压降低，当母线电压值<2-a时，飞轮进入放电区域，并且放电的功率随母线电压的降低而增大，当电压低于1时，飞轮进行全功率放电。通过飞轮储能系统释放电能，稳定直流母线电压稳定。

当线路上没有车时，母线电压值在牵引网空载电压附近波动，设定该电压值为飞轮的维持区域 [2-a,2+a]，飞轮执行维持转速的指令，使其荷电状态 SOC 值处于一个设定值。当有列车进站或出站时，飞轮系统既可以响应充电又可以响应放电 操作。

4 案例分析

4.1 纽约地铁远洛克威线

1 MW飞轮储能系统已成功安装应用于美国纽约地铁远洛克威线，远洛克威线采用R143车型，8节编组，单节车重30 t，最高时速为90 km/h。图7为纽约地铁节能数据统计图。

图7 节能数据统计图

对纽约地铁远洛克威线进行了一个月的节能数据统计，从统计数据可以看出日最大节电量为1420 kW·h，日最小节电量为1020 kW·h，通过计算日平均节电量约为1250 kW·h，该站牵引系统日耗电量约 6300 kW·h，则飞轮储能系统的节能效率为1250÷6300×100%=19.8%。

从纽约地铁远洛克威线飞轮储能项目可以看出飞轮储能系统可以有效吸收再利用列车制动时产生的再生电能，节能降耗，大幅度降低了地铁运营的电费成本。

4.2 洛杉矶地铁黄金线

1 MW飞轮储能系统已成功安装应用于美国洛杉矶地铁黄金线高地公园站，美国洛杉矶地铁黄金线全长31.7 km，共21个站，运行车辆为轻轨，两节编组形式。图8为未安装飞轮储能系统时的电压波动曲线，图9为安装飞轮储能系统后的电压、电流、功率波动曲线。

由于高地公园站属于轨道交通与公共交通的交叉地带，列车启、制动频繁，距离变电所较远，直接造成此处网压跌落严重，从图7中可以看出，线路最低电压为518 V，低下的电能质量给列车运行带来安全隐患。

为了改善牵引供电系统末端电压跌落严重的问题，减少变电所的投资，在此站安装了飞轮储能系统，装机容量为1 MW，用来支撑牵引网压。图8 为安装完飞轮储能系统以后测得的运行数据，从数据分析可以看出，在26分32秒时，飞轮对外释放功率为720 kW，母线电压为665 V，此电压值较未安装设备时的最低电压值为518 V有了非常大的改善，可以保证列车安全稳定通过此路段；在26分50秒时，飞轮从电网吸收功率为501 kW，母线网压为861 V，可见1 MW飞轮储能系统的投入满足机车制动的容量，可完全吸收机车制动时产生的电能，同时抑制牵引网压的抬升，保证列车可以稳定进行电制动。

图8 未安装飞轮储能系统时电压波动曲线

图9 安装飞轮储能系统后电压、电流、功率波动曲线

从数据报告中可以看出，飞轮储能系统可灵敏的检测到线路网压的波动并能频繁的响应充放电，并能有效的将母线电压稳定在良好范围内。飞轮储能系统在其中可以有效吸收再利用机车制动产生的电能，并在列车牵引或启动时起到很好支撑网压的效果。

5 结 论

本文通过对比不同方式的再生制动能量回收装置，凸显出飞轮储能系统在轨道交通中应用的优势；通过对GTR333功率模块进行阵列式组合，通过合理设计、安全计算，形成阵列式1 MW飞轮储能系统，并说明了1 MW阵列式飞轮储能系统接入到牵引供电系统中的接入方式和故障保护；通过分析轨道交通列车制动时的容量和能量，得出1 MW飞轮储能系统在能量和容量上均可满足一些线路的应用；最后通过项目案例进行数据分析可看出飞轮储能系统可起到明显的吸收再利用制动电能和稳定网压的效果。可以看出1 MW阵列式飞轮储能系统具有工程应用价值。

[1] 汪琪. 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．

[2] 杨俭, 李发扬, 宋瑞刚, 等. 城市轨道交通车辆制动能量回收技术现状及研究进展[J]. 铁道学报, 2011, 33(2): 26-33.

YANG Jian, LI Fayang, SONG Ruigang, et al. Review of the utilization of vehicularbraking energy in urban railway transportation[J]. Journal of the China Railway Society, 2011, 33(2): 26-33.

[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]. 电气化铁道, 2006(6): 33-36.

[4] 蒋启龙, 连级三. 飞轮储能在地铁系统中的应用[J]. 变流技术与电力牵引, 2007(4): 13-17.

JIANG Qilong, LIAN Jisan. Application study on fly-wheel energy storage in subway system[J]. High Power Converter Technology, 2007(4): 13-17.

[5] 郑陶. 地铁再生制动能量分析与综合节能研究[D]. 成都: 西南交通大学, 2017.

[6] 戴兴建, 张小章, 姜新建, 等. 清华大学飞轮储能技术研究概况[J]. 储能科学与技术, 2012, 1(1): 64-68.

DAI Xingjian, ZHANG Xiaozhang, JIANG Xinjian, et al. Flywheel energy storage technology in Tsinghua University[J]. Energy Storage Science and Technology, 2012, 1(1): 64-68.

[7] 墨柯. 飞轮储能技术及产业发展概况[J]. 新材料产业, 2013(7): 37-42.

[8] 戴兴建, 姜新建, 王秋楠, 等. 1 MW/60 MJ飞轮储能系统设计与实验研究[J]. 电工技术学报, 2017(21): 89-95.

DAI Xingjian, JIANG Xinjian, WANG Qiunan, et al. The design and testing of 1 MW/60 MJ flywheel energy storage power system[J]. Transactions of China Electrotechnical Scociety, 2017(21): 89-95.

[9] HUSSAIN E K, BENCHEBRA D, ATALLAH K. A flywheel energy storage system for an isolated micro-grid[C]//3rd Renewable Power Generation Conferences, Naples, Italy, 2014.

[10] VESELIN Vracar. Modular high-power electronics for a high speed MLC flywheel energy storage system[J]. Journal of Energy and Power Engineering, 2012, 6(11): 1856.

[11] 贺威俊, 高仕斌, 王励, 等. 轨道交通牵引供变电技术[M]. 成都: 西南交通大学出版社, 2011.

HE Weijun, GAO Shibin, WANG Li, et al. Power supply and substation techniques for electric traction of rail transit[M]. Chengdu: Southewest Jiaotong University Press, 2011.

[12] 于伟松, 杨兴山, 韩连祥, 等. 城市轨道交通供电系统设计原理与应用[M]. 成都: 西南交通大学出版社, 2008.

YU Weisong, YANG Xingshan, HAN Lianxiang, et al. Design principle and application of power system for urban rail transit[M]. Chengdu: Southwest Jiaotong University Press, 2008.

Application of array 1 MW flywheel energy storage system in rail transit

WANG Dajie1,SUN Zhenhai2,CHEN Ying1,LI Shengfei1,ZHAO Sifeng1,WEN Haiping1

(1Dunshi Magnetic Energy Technology Co. Ltd., Tangshan 063000, Hebei, China;2Beijing Subway Operation Co. Ltd., Beijing 100044, China)

A 1 MW flywheel energy storage array system is proposed according to the operation characteristics and train parameters of urban rail transit to absorb the braking power generated when the train is braking. By comparing different types of regenerative braking energy recovery methods, the necessity of application of flywheel energy storage system in urban rail transit are analyzed. The 1MW array flywheel energy storage system is carried out from the array optimization, security calculation and project implement anticipation based on the test data for the rail transit electrical drive line. The feasibility of 1 MW flywheel energy storage array system applied in urban rail transit is verified.

urban rail transit; flywheel energy storage system; array type; regenerative braking

10.12028/j.issn.2095-4239.2018.0136

TH 133

A

2095-4239（2018）05-841-06

2018-08-02；

2018-08-15。

王大杰（1989—），男，本科，研究方向为飞轮储能技术在轨道交通、铁路领域的应用与研究，E-mail：wangdajie@dscnkj.com；

孙振海，研究方向为地铁系统供电、轨道交通牵引供电，E-mail：s1618@sohu.com。