摘 要 電氣化鐵路是一種負(fù)荷波動劇烈的大型工業(yè)電氣設(shè)備。按照牽引載荷的峰谷出現(xiàn)的特點，對飛輪儲能裝置變流器的控制的方法和能量管理的方法進行了一定的分析，按照歷史的運行的數(shù)據(jù)，以每天為固定時段，更進一步的提出通過牽引負(fù)荷來對充放電控制的閾值進行選擇控制，并對閾值進行仿真模擬分析。

關(guān)鍵詞 電氣化;鐵路;飛輪儲能

引言

電氣化鐵路牽引峰值負(fù)荷限幅優(yōu)勢特點非常的突出，并且優(yōu)勢也非常的明顯。在技術(shù)水平上，消除負(fù)載峰值能夠使得負(fù)序電流對鐵路的影響降到最低。與此同時，飛輪儲能系統(tǒng)還對機車制動產(chǎn)生的制動能量的吸收和再利用進行了充分的考慮，能夠在一定程度上使得電能成本得到有效降低。

1 牽引負(fù)荷的峰與谷

電氣化鐵路的日常運行圖具有固定且準(zhǔn)確的周期性，過去在正常工作條件下的牽引負(fù)荷統(tǒng)計值具有良好的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。 因此，記錄并分析了過去在正常工作條件下的牽引載荷。功率曲線對峰值負(fù)載削峰的重要性不言而喻。正的功率表示牽引（電氣）的狀態(tài)，而負(fù)的功率代表發(fā)電的功率狀態(tài)。記錄正常工作條件下的牽引負(fù)載功率曲線[1]。如圖1所示：

2 飛輪裝置用于削峰填谷的控制策略

飛輪的儲能裝置主要通過變頻器，飛輪體，真空泵和冷卻柜共同組成。飛輪的主體主要包含飛輪的轉(zhuǎn)子，磁懸浮設(shè)備，機械軸承和高速的電動機。高速的電動機能夠在電動機或發(fā)電機狀態(tài)下工作; 冷卻柜用于飛輪體的物理冷卻。 真空泵用于減小飛輪轉(zhuǎn)動時的摩擦阻力[2]。

2.1 飛輪裝置變流器控制策略

因此，飛輪變流器由電網(wǎng)側(cè)變流器和電動機側(cè)變流器組成。變頻器兩部分的控制電路可以獨立設(shè)計，以確保飛輪裝置的穩(wěn)定運行。

（1） 網(wǎng)側(cè)變流器控制策略。電網(wǎng)側(cè)變流器的控制目標(biāo)有兩個：一是確保完整的的并網(wǎng)（并網(wǎng)或牽引）電能質(zhì)量;其二是控制電網(wǎng)。另一種方法是控制電動機側(cè)和電網(wǎng)側(cè)轉(zhuǎn)換器之間的能量傳遞平衡，也就是保證直流側(cè)的母線電壓保持恒定

（2） 電機側(cè)變流器控制策略。電動機側(cè)逆變器的控制目標(biāo)是對系統(tǒng)的反應(yīng)的速度進行有效的提高并防止電動機的繞組電流出現(xiàn)過大的情況。第二個是能夠按照上位控制器的命令對控制電機的能量傳輸進行有效控制。同時，電流控制用作內(nèi)環(huán)，以確保電機側(cè)的電能質(zhì)量并減少轉(zhuǎn)矩波動。為確保磁通量恒定，請將其設(shè)置為恒定值。

2.2 能量環(huán)節(jié)控制方式

之前的能源部分由直流側(cè)網(wǎng)絡(luò)電壓控制。原理是按照電網(wǎng)電壓的指令與實際電網(wǎng)壓力之間的偏差對儲能裝置的充放電進行直接的控制?？傮w來說控制比較的簡單。這種控制的方法利用了直流側(cè)總線電壓在供電期間會波動的特性，但這與電網(wǎng)側(cè)轉(zhuǎn)換器控制直流側(cè)總線電壓穩(wěn)定性的初衷相反。也就是說，當(dāng)直流側(cè)的電壓不再波動時，能量控制的環(huán)節(jié)將會失去穩(wěn)定性。所以，這篇文章提出一種能量管理的方法，通過牽引負(fù)載功率來對飛輪的充放電進行有效的控制。

3 實驗驗證

3.1 仿真實驗驗證

牽引變壓器將其簡單地想為理想電壓源，牽引負(fù)載等于電阻負(fù)載。負(fù)載的波動是通過改變負(fù)載電阻來實現(xiàn)的。仿真模型能夠在一定程度上對飛輪裝置的功率補償?shù)男ЧM行有效的驗證。

負(fù)載電阻在3s處減小，負(fù)載開始增加，電源側(cè)的有功功率輸出增加到110kW。當(dāng)負(fù)載電阻在6s時減小時，功率側(cè)的有功功率輸出將減小至10kW。電源側(cè)的功率嚴(yán)重波動。飛輪在進行工作的時候需要功率來對自身的運行的速度進行有效的維持，因此該功率將略高于之前的60kW（約61kW）功率。在6s內(nèi)，負(fù)載電阻減小，負(fù)載增加，但電源側(cè)的有功功率輸出沒有更改為61kW。飛輪單元提供增加的負(fù)載功率，這個時候，飛輪速度從36000r/min降至24000r/min，放電時間為1.3s。在放電期間，交流側(cè)的功率并不會因為負(fù)荷的變化而進行有效的變化。在6s內(nèi)，負(fù)載的電阻將會在增加，負(fù)載將會在一定程度減小。這個時候，電源側(cè)的有功功率輸出將會穩(wěn)定在一定的狀態(tài)下。降低的負(fù)載功率將會由飛輪進行有效的吸收。此時，飛輪速度從24000r/min增加到36000r/min，分析過程類似于放電過程，沒有重復(fù)[3]。

4 結(jié)束語

從減少鐵路運營的成本方面進行充分的考慮，本文提出了通過降低峰值的負(fù)荷并在吸收和利用制動能量的同時填充鐵路牽引供電系統(tǒng)中的飛輪儲能系統(tǒng)來對電力成本的方法進行有效的降低。這將為今后的電氣化鐵路飛輪儲能技術(shù)的發(fā)展起到一個推動作用，也將帶動全國鐵路的運行發(fā)展朝著一個更快的方向發(fā)展。

參考文獻

[1] 黃小紅，趙藝，李群湛，等.電氣化鐵路同相儲能供電技術(shù)[ED/OL]. http：//kns.cnki.net/kcms/detail/51.1277.U.20191211.1800.006.html，2020-02-04.

[2] 李群湛，王喜軍，黃小紅，等.電氣化鐵路飛輪儲能技術(shù)研究[J].中國電機工程學(xué)報，2019，39（7）：2025-2033.

[3] 王大杰，趙思鋒，黃小紅，等.飛輪儲能用于鐵路牽引負(fù)荷削峰填谷的實驗驗證[J].電氣化鐵道，2018，29（S1）：93-97，101.

作者簡介

魏民（1985-），男，北京;學(xué)歷：碩士，現(xiàn)就職單位：沈陽遠(yuǎn)大電力電子科技有限公司，研究方向：參與多項國家重點研發(fā)專項、多次獲得省級科技進步獎項。

*[基金項目] 本文系國家重點研發(fā)計劃項目資助，項目編號：2018YFB0905500。