飞轮储能系统在高铁电力系统中的应用研究

刘思松 李兵

摘要：目前， 随着环境保护意识的提高以及全球能源的供需矛盾， 飞轮储能研发人员的目光也必将其转向更多的应用领域。飞轮储能系统的充电速度快， 放电完全， 损耗小， 也决定它广阔的应用前景。飞轮储能系统是一种高度机电一体化产品，它在国防工业、汽车工业、电力工业、电信业等领域具有广阔的应用前景。此外，飞轮储能在太空、潮汐、地热以及在港口特殊场合等也大有用途和良好的应用前景，并有更多的应用领域加入飞轮储能的使用范围中来。本文建立高铁电力系统仿真模型和飞轮储能系统仿真模型，并进行了故障和稳定运行情况下的仿真分析。

关键词：高铁电力系统;PSCAD;飞轮储能系统

引言

在高铁列车的启动和制动过程中，由于高铁列车的加速和减速过程会造成网压的不稳定，因此每节车厢需要安装一个制动电阻箱来稳定电网的网压。但是由于在制动过程中制动电阻产生的热量会白白的浪费掉，降低了能量的利用率。如果想提高列车的能量的利用率，我们需要一个有效的储能装置来储存这些可能被浪费掉的能量，同时再利用这些储存的能量为高铁列车在加速的状态下提供动力，来提高能源的利用率，减少能源的消耗。

本文主要使用PSCAD软件对飞轮储能系统进行建模和仿真。在建模之后，根据对飞轮储能系统参数的调节，使飞轮储能系统中飞轮的转速在整流器和逆变器的情况下达到一个相对合理的转速，从而达到飞轮储能的仿真要求

再通过建模好的飞轮储能系统加载到高铁电力系统，对比有无飞轮储能系统下的高铁电力系统的变化，来衡量飞轮储能系统是否做到了改善能量转化的作用。

1、飞轮储能系统

储能技术作为一个新的研究领域在最近一段时间内受到了全世界各国的高度关注。储能的思想在于把电能转化为自然界其他形式的能量存储起来，由于其储存能量的方式不同主要可以划分为物理储能、磁储能、化学储能和相变储能等方式。在传统的电力系统中增加储能系统后，可以有效的提高原有电力系统的工作效率。调节飞轮储能装置的各种参数，来提升系统的稳定性。

1.1 飞轮储能系统的原理与应用

飞轮储能装置按照结构可以分为具有大转动惯量和高转速的飞轮、支持转子的高强度轴承、实现能量转换的发电—电动一体机、功率变换器和控制系统。在储能状态下运行时，飞轮电机作为电动机运行，能量从电力系统流向飞轮电机，飞轮在一定的控制方法控制下转速上升，此时电能将转化为机械能存储在飞轮中;在释能状态下运行时，飞轮电机作为发电机运行，能量从飞轮电机流向电力系统，飞轮的转速随着能量的降低将逐渐下降，此时飞轮中存储的机械能转化为电能流出。

飞轮储能系统的保护措施简单，效率高并且非常的耐用，非常的环保。飞轮储能技术当今运用于风力发电系统，小型太阳能光伏发电系统，不间断电源UPS中的应用，以及在航天飞行器和汽车工业中的应用。在不同的能源系统中，可以作为发电装着的飞轮储能系统，能够使系统工作平稳，效率高;而作为其他设备中，例如不间断供电备用电源和传统的化学蓄电池相比也有很到的发展前景。飞轮储能系统已经在电力系统的稳定性方面有了很大的进步，例如：在风力发电装置中，利用飞轮储能装置的电机作为发电机和电动机，在该方面已经证实了有很大的研究成果;在不间断的UPS 电源中，与传统的化学电池相比，飞轮储能电池环保，价格低廉，无污染。采用飞轮储能系统的电机调节分布式发电系统的输出特性，可以减少用其他方式的系统的很多缺点，可以提高波动和承受能力;飞轮储能装置被应用于电力系统的配电网中，可以高效率的提高电力系统的稳定性。

1.2 飞轮储能的电机模型

建立飞轮储能系统的理论基础是运用惯性原理。物体的旋转起来的惯性用转动惯量（J）来决定，物体的水平的运动惯性用物体自身的质量（m）来决定的。我们可以由物体的质量分布来计算出物体的转动惯量的大小，其公式可表示为：

飞轮可以储存的能量E可以表示为：

由飞轮储能公式我们能够看出，飞轮储存能量与自身的转动惯量和旋转的角速度两个量有关。由此我们可以找到两种方法提升飞轮储能系统的储能的大小：第一种是增加飞轮本身的转动惯量的大小，这种系统转速较低，可以用于固定应用的情形;第二种是提高飞轮的转速，这种系统重量较小，可以应用在有特殊要求的场合。

根据电机的运行特性，我们可以知道，当电机的转矩与飞轮的方向相同的时候，可以使飞轮受到正向的力矩，起到推进作用使飞轮加速;当电机的转矩与飞轮的方向相反的时候，使飞轮受到反向的力矩，起到阻碍作用使飞轮减速，这两个过程分别成为充电过程和放电过程。我们把飞轮的最高转速记作，最低转速记作，在最高速与最低速之间，重复循环的做着充放电动作。

建立飛轮电机仿真模型的难点在于仿真软件中没有一个自带的的飞轮模型，并且由于飞轮工作时的作用体现在转动惯量J上，所以在仿真软件中单独搭建一个飞轮的仿真模型是非常有难度的，我们需要对飞轮电机的模型进行适当的处理，来得到一个简化的飞轮电机的仿真模型。考虑到飞轮电机中的飞轮和电机在工作过程中为同轴旋转，且具有相同的转速，我们可以把两者看做一个整体来进行建模，用飞轮电机总的转动惯量J作为计算飞轮存储能量中的飞轮转动惯量，因为飞轮的转动惯量远远大于电机转子的转动惯量，所以我们可以用飞轮的转动惯量来代替整个飞轮储能系统的转动惯量。

因此，我们利用PSCAD软件中的同步电机模型来改造飞轮储能的电机。改变的方法为增大同步电机的惯性时间常数从而来改变飞轮储能电机的转动惯量大小。由于飞轮储能的转动惯量越大，储存的能量就越多，进而达到模拟飞轮储能电机的模型特点。通常我们把飞轮储能电机的模型的阻转矩系数D设置为零来简化过程。

1.3 飞轮储能系统的仿真分析

以下仿真只测试对电机转速参数的变化，当电机达到所给定的转速的时候，电机的转速最终会平稳在这个值得附近，这是飞轮储能系统储存的最大能量。下图为充放电仿真波形图：

从图中可以看出，设定的转速为3000转/分，飞轮储能系统的电机转速一直上升吸收能量，最终稳定到设定的值保持不变。

放电过程的简化仿真图，直接连接直流侧的负载，放电过程飞轮电机从额定的转速一直下降，释放能量向直流负载，额定转速时是飞轮系统储能最多的时候，通过电力变化器的开关控制，使其释放能量。

从图中可知，飞轮系统从额定转速一直下降，最终降到最低，额定转速时能量最多，下降到最后，飞轮系统几乎没有能量。

2、飛轮储能系统应用在高铁电力系统

飞轮储能系统在电力系统中的应用十分的广泛，作用十分重要。由于飞轮储能系统的优点对于电力系统的帮助很明显，例如：它的高效率、节能、环保、转速大等特点应用于电力系统，帮助电力系统的稳定性，保障电能的质量。因此，飞轮储能系统的开发和研究对于电力系统来说十分的重要。以下为飞轮储能系统应用在高铁电力系统中的仿真分析。

高铁电力系统的仿真分析

2.1 加在负载端的高铁电力系统仿真分析

由于各动车组的型号和配置不同，在此统一为在电力负载侧和母线侧作为简化。下图所示为加在负载端的飞轮储能系统：

如上图所示为加在电力负载上的飞轮储能系统。该部分的作为测试，当电力负载与电机出现问题的时候，飞轮储能系统作为备用设备为负载提供能量，保持持续供电防止设备损坏。下图为仿真波形图：

从波形图可知，电力负载的电压仍是很稳定的在一个值，并没有受电源供不上电而影响了电压的稳定性。

2.2 加在母线上的高铁电力系统仿真分析

下图为加在电力母线上的飞轮储能系统：

如上图所示为加在电力母线上的飞轮储能系统，该部分的作用为，当电力系统的电机出现问题以后，飞轮储能系统作为备用以后为系统供电，这部分应用了飞轮储能的大容量特点，可以瞬间输出大能量来为负载使用。下图为负载两端电压的波形图：

从上图可知，加了飞轮储能系统的电力系统，在电机出现问题以后可以继续为可以继续为系统供电，保证了电力系统的稳定性。

3、结语

从以上的分析中可知，飞轮储能系统应用在高铁电力系统中可以改善电力系统的能量利用率，并且还可以作为备用电源为高铁电力系统的照明系统等进行供电。此外若想做到飞轮系统很好的应用在高铁电力系统中，我们还需考虑很多问题，例如并网时的网压调整，储能大小，储能时间，储能泄露等问题。在以后的研究与发展中，我们应试着从材料，软件及系统中来提高飞轮储能系统应用在高铁电力系统中。

参考文献：

[1]杨绛     飞轮储能系统研究进展_应用现状与前景

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[5]张狄林.美国综合电力推进技术发展综述.船舶技术.

[6]张狄林.美国综合电力推进技术发展综述.船舶技术.

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[8]任俊杰.船用永磁同步电动机推进系统建模与仿真研究.大连海事大学工学硕士论文.

作者简介：刘思松，男，汉，籍贯：四川广元，学历：大专，就职单位，中车成都机车车辆有限公司，职称：车辆电工（高级技师）从事工作，动车组电气调试及动车组售后。