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本文亮点：（1）就既有线路和新建线路，考虑牵引所空间限制、储能装置平均功率峰值、节能效果等因素，说明了飞轮储能装置的容量配置方法并针对实际案例进行容量配置说明。（2）为使飞轮储能装置的控制策略灵活应对地铁线路的复杂工况，设置节能、稳压、网压支撑、钢轨电位治理、应急电源五种工作模式。
摘 要 城市轨道交通中列车频繁启动制动，制动能量大，网压波动大，有些线路存在钢轨电位严重的问题。飞轮储能装置具有功率大、响应速度快、寿命长等特点，可以对再生制动能量在直流侧进行即收即用，节能效果好，能稳定网压波动。由于飞轮储能装置的接入可以实现多点回流、缩短电流回流路径，故对钢轨电位也有改善效果。文章分别就既有线路和新建线路，考虑牵引所空间限制、储能装置平均功率峰值、节能效果等因素，说明了飞轮储能装置的容量配置方法并针对实际案例进行容量配置说明。为使飞轮储能装置的控制策略灵活应对地铁线路的复杂工况，设置节能、稳压、网压支撑、钢轨电位治理、应急电源五种工作模式。通过飞轮储能装置在实际工程的应用案例验证了飞轮储能装置具有良好的稳压效果，平均节能率为11.36%~17.28%，全功率响应频次为31次/h，且经试验验证飞轮储能装置具有应急电源功能。
关键词 城市轨道交通；飞轮储能装置；容量配置；控制策略
城市轨道交通列车运行密度大、列车功率大、站间距短、频繁地启动制动，如果车间配合不合适，列车制动时产生的大量再生制动能量无法被邻车吸收，返至牵引网造成牵引网压抬升，这一部分能量一般通过再生制动装置进行吸收。电阻型再生制动能量吸收装置将列车制动产生的电能以热能的形式白白消耗掉了，无节能作用，且发热量大，噪声大，发热严重的话容易发生火灾；低压逆变型再生电能利用装置是将列车制动产生的再生制动能量优先反馈至400 V系统，由动力照明负荷进行吸收消纳，但由于400 V系统的吸收消纳能力有限，不能完全吸收制动能量，多余的再生制动能量还得通过电阻进行消耗；中压逆变型再生电能利用装置连接在直流牵引系统和交流系统之间，继电保护整定难度加大，运行方式复杂，并对交流系统造成谐波污染，且无电压支撑作用。
在近几年城市轨道交通节能技术发展中，飞轮储能装置实现了完全自主知识产权以及国产化。飞轮储能装置具备毫秒级响应、大功率充放电、超长寿命的特性，可频繁动作，与城市轨道交通完美契合，可以作为再生制动能量利用装置。文献[1]根据变电所输出功率及变电所直流侧电压进行分析，提出了超级电容储能装置的容量配置；文献[2]通过构建包含电池/超级电容的全寿命周期成本和变电站耗电费用的容量配置目标函数进行电池和超级电容混合储能容量的配置，且基于模糊逻辑进行充放电阈值自动调整策略来回收制动能量；文献[3]利用带精英策略的非支配遗传算法实现经济效益率和节能率的多目标多变量优化配置车载储能和地面储能容量，使用在线控制策略通过统计储能系统的回收能量值对充放电阈值进行动态校正；文献中并未考虑既有线路和新建线路的设计区别，其控制策略均针对能量回收进行设置，并未考虑线路实际工况是非常复杂多变的，故本文根据实际工程经验、仿真设计对既有线路和新建线路进行飞轮储能装置容量配置方法说明，且针对线路的不同工况灵活设置飞轮储能装置的控制策略，使其满足轨道交通的不同需求。
1 飞轮储能装置的原理
飞轮储能装置属于一种物理储能方式，利用旋转体高速旋转时具备的动能来存储能量，通过电动/发电一体化双向高效电机，实现电能和动能的双向变换。当外部输入电能时，定子磁场和转子磁场相互作用，飞轮工作在电动机状态，飞轮高速旋转，电能转换为动能储存；当定子无电能输入时，切割外转子高速旋转形成的磁场，将飞轮存储的动能转换为电能输出。其原理为：
飞轮储能装置采用碳纤维复合转子技术，具有高强度、抗拉伸的特性，转动惯量小，响应速度快，本体可达到1 ms快速响应，5 ms全功率响应的速度；采用被动磁悬浮轴承技术，无控制单元，不耗电，无磨损；采用内定子高速飞轮电机技术，利用超薄无曲向硅钢片和利兹线及树脂灌封，结构紧凑，体积小，效率高。
轨道交通中成熟应用的GTR-333飞轮，额定功率为333 kW，额定电压为1500 V，最高转速为40000 r/min，可用容量为2.4 kWh，满功率充放电时间为26 s，双向充放电效率为90.7%，深度充放电寿命大于1000万次。
2 飞轮储能装置容量配置
2.1 配置飞轮储能装置的适用性考虑
（1）由于城轨牵引供电网是个动态耦合、能量快速交互的网络，若某站储能装置的容量无法完全吸收此时直流供电网的再生能量及功率，多余的再生能量及功率同样可能被邻近的储能装置及时吸收，所以在对储能装置容量进行选取时应该更加灵活。在某些发车间隔时，一些牵引变电所可能出现峰值再生功率很大，平均再生功率很小的情况，此时这些变电所处储能装置的功率等级就没必要按照峰值再生功率进行配置，否则很可能造成装置容量的浪费。
（2）由于飞轮储能装置响应速度可达毫秒级，可根据需要灵活设置其充放电阈值。若线路网压稳定、轨电位在国标要求范围之内，则可适当调宽阈值范围，当列车产生制动能量时，先使邻车尽可能地吸收，剩余的能量由飞轮储能装置回收再利用；若线路网压过高或过低、轨电位过高，则应增大飞轮储能装置的容量和功率，调窄充放电阈值，使其可以灵敏动作，这样一方面可以及时调整网压，另一方面可以防止大量制动电流流过长距离流通路径而造成轨电位严重。
2.2 飞轮储能装置容量配置方法
首先根据列车编组信息(包括列车的额定电压、最大制动电压、授流方式、辅助功率、结构速度、列车长度、车辆重量、加减速度、牵引制动特性曲线等)、线路纵断面信息(包括线路坡度、曲线、标记等)进行牵引计算，然后根据整流机组参数(包括额定功率、阀侧额定电压、穿越阻抗、空载网压等)、接触网阻抗、钢轨阻抗、过渡电阻等进行直流供电仿真计算。
对于既有线路通过仿真得到不同发车间隔下再生制动能量、电阻消耗能量。通过飞轮储能装置所具备的能力以及现场的空间限制配置全线各牵引所需的容量；对于新建线路在直流供电仿真计算环节在各牵引所加无限大容量的飞轮储能装置，按照GB/T 36287—2018城市轨道交通列车再生制动能量地面利用系统要求充电阈值为空载网压+20 V，放电阈值为空载网压-30 V，在不同发车间隔下进行仿真。然后根据储能装置的瞬时功率计算平均功率(均方根值)，再综合考虑储能装置需满足的平均功率峰值、节能效果、初期近期远期设计、经济性等因素进行各个牵引所飞轮储能装置容量的配置。最后可调整阈值使充放电能量尽可能达到一致，提高飞轮储能装置的充放电效率及利用率。
2.3 仿真模型建立
直流供电系统主要包括牵引网、整流机组、列车、飞轮储能装置。其等效模型如图1所示。
图1 直流供电系统等效模型
牵引网等效为电阻模型，列车等效为功率源模型，整流机组等效为戴维南等值电路中的等效内阻和理想电压源模型或诺顿等值电路中的等效内阻和理想电流源模型，飞轮储能装置基于外特性进行建模，等效为恒压源与功率源的组合。
图2 飞轮U-I特性曲线
2.4 案例分析
以某新建线路为例，全线共24个站，13座牵引降压混合所。线路空载网压为1650 V，且设计初期发车间隔为4分35秒，近期发车间隔为2分30秒，远期发车间隔为2分15秒。首先在13座牵引所中安装无限大容量飞轮储能装置，充电阈值设置为1670 V，放电阈值设置为1620 V。由于列车制动停车时间为20 s左右，所以分别计算每种发车间隔下飞轮储能装置的20 s平均功率(均方根值)。各发车间隔下20 s平均功率(单位：kW)情况如图3所示。
图3 各发车间隔下平均功率最大值
根据配置飞轮储能装置的适用性考虑中的原则(1)，综合初期近期远期设计年限及平均功率峰值，具体容量配置如图4所示。
图4 飞轮储能装置容量配置
全线共配置27.4 MW飞轮储能装置，按照国标设置阈值，仿真结果显示端头站1和13节能效果不理想，根据SOC曲线判断是由于放电阈值设置过高以致储能装置吸收的能量放不出去，所以将端头站的飞轮储能装置放电阈值上调，设置为1635 V，则节能效果如图5所示。
图5 节能效果
根据仿真结果，4分35秒发车间隔下全线平均1 MW飞轮储能装置1 h节电量为77 kWh，2分30秒发车间隔下全线平均1 MW飞轮储能装置1 h节电量为81 kWh，2分15秒发车间隔下全线平均1 MW飞轮储能装置1 h节电量为64 kWh，节能效果良好。
3 飞轮储能装置的综合控制策略
飞轮储能装置通过能量管理单元进行控制，能量管理单元具备数据采集、数据分析、数据深度挖掘、趋势状态分析能力，可实现状态识别、故障预测等功能。飞轮储能装置具备五个工作模式，分别为①节能模式；②电压支撑模式；③钢轨电位模式；④稳压模式；⑤应急电源模式。通过设置不同的工作模式，使飞轮储能装置响应线路的不同工况，实现多种模式自动切换及自主采信、学习、决策功能，达到更高效能。同时还可以解决城轨线路牵引网压过高、牵引网压过低、钢轨电位严重等问题，也可以节约车辆产生的再生制动能量，达到节能减排的目的。
3.1 工作模式判定
工作模式判定：能量管理单元通过实时采集牵引网压U网、牵引电流I、钢轨电位U钢、线路列车工况等判定飞轮储能装置以何种模式工作。①若线路电压、轨电位均正常，则飞轮储能装置选择节能模式；②若线路电压跌落严重，危及车辆运行安全，则飞轮储能装置选择电压支撑模式；③若牵引网压过高，危及车辆运行安全，则飞轮储能装置选择稳压模式；④若钢轨电位超过阈值设置，则飞轮储能装置选择钢轨电位模式；⑤若线路出现故障，牵引所退出运行，则飞轮储能装置选择应急电源模式。
3.2 工作模式优先级
工作模式的优先级：应急电源模式>网压支撑模式>稳压模式>钢轨电位模式>节能模式；飞轮储能装置运行过程中可根据不同工况选择不同模式运行，实现工作模式的自动切换，达到飞轮储能装置利用最大化、经济效益最大化、功能利用最大化。
3.3 工作模式的实施
每种模式阈值设置原理不一样，电压支撑模式、稳压模式需注意飞轮的能量与需要支撑的电压幅值以及需要支撑的时间三者之间的配合；节能模式阈值可以适当灵敏，尽可能充放平衡。流程图如图6所示：
图6 控制流程图
4 工程应用效果分析
某地铁线路采用8节编组B型车，最高速度100 km/h，牵引供电系统采用DC1500V架空接触网供电、走行轨回流方式，中压环网采用10 kV电压等级。一期工程设置3.6 MW电阻型再生电能利用装置，现对一期A站、B站进行飞轮储能装置改造。目前高峰发车间隔为2分30秒，平峰发车间隔为4分、6分。
通过计算各发车间隔下20s平均功率(单位：kW)如表1所示。
表1 20s平均功率统计
综合考虑各发车间隔平均功率值、空间限制条件等，本改造项目在A站安装1 MW飞轮储能装置，B站安装2 MW飞轮储能装置。
4.1 节能效果
A站1 MW飞轮储能装置日均节电量为1382 kWh，平均节能率为11.36%，年节电量约为50万kWh；B站2 MW飞轮日均节电量为2381 kWh，平均节能率为17.28%，年节电量约87万kWh，节能效果显著，其中A站统计图表如图7所示。
图7 A站节能数据统计
4.2 响应频次
飞轮储能装置1h内功率波动及动作频次如图8所示。
图8 飞轮响应频次统计
实测数据显示飞轮在1 h内充放电响应次数为236次，深度充放电次数为102次，75%功率深度充放电次数为56次，全功率充放电动作次数为31次。飞轮储能装置大功率、短时高频次的特性与地铁工况完美匹配。
4.3 应急电源功能测试
应急牵引测试采用B站2 MW飞轮单独供电，列车由静止开始启动运行，飞轮输出功率曲线如图9所示。
图9 飞轮功率曲线
如图飞轮直流功率所示，接触网断电后列车从飞轮取电，功率逐渐增大，最大至526 kW，列车车速从0~20 km/h，然后维持20 km/h车速行驶，维持过程中，牵引功率为55 kW。在飞轮能量将要耗尽时，列车为维持车速，突然出现一个大功率后飞轮电量耗尽列车开始滑行，直至列车停止共行驶888 m。通过应急测试证明飞轮储能装置具备应急电源功能。
5 结 论
根据既有线路与新建线路的不同特征进行飞轮储能装置的容量配置更加合理。针对线路可能出现的不同工况灵活设置飞轮储能装置的控制策略，使飞轮储能装置实现多种模式自动切换，既可解决城轨线路牵引网压过高、牵引网压过低、钢轨电位严重等问题，也可以节约车辆产生的再生制动能量，达到节能减排的目的。从实际项目应用可以看出，1 MW飞轮储能装置平均日节电量1254 kWh，且响应频次可以和地铁工况完美匹配。2 MW飞轮单独供电，低速牵引列车，最终可以滑行888 m，具有应急电源功能。
