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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
1.2 飞轮储能原理
2 城轨交通牵引供电与飞轮控制策略
2.1 牵引供电方式
2.2 飞轮接入牵引系统方案
图1 飞轮接入牵引网主回路示意图
2.3 再生能吸收利用控制策略
图2 飞轮型再生制动能量回收装置控制策略
图3 飞轮控制策略流程图
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
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
表1 充放电参数定义表
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
4.2 实验效果观测
4.2.1 空载网压辨识
表2 空载网压辨识参数表
4.2.2 充放电阈值自动调整
图6 循环测试曲线
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。
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[J]. 储能科学与技术, 2018, 7(3): 524-529.
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