摘 要： 针对轨道交通再生制动能量问题，本文开展基于磁悬浮飞轮阵列储能型制动能回收节能系统研究。通过分析牵引供电系统结构，分别对列车进站的制动方式和能耗特性进行了分析，并给出了增加储能装置前后的耗能对比情况。在此基础上，设计一种基于飞轮储能阵列的直流电能循环利用系统，可实现车辆进站制动能量的快速吸收和出站时的功率补偿，通过对飞轮阵列关键指标进行论证，确定了飞轮并联方案和容量配置。最后，搭建了飞轮阵列储能实验系统，通过飞轮对拖充放电控制和性能测试验证了系统的有效性，为城市轨道交通再生制动能量的回收和节能奠定基础。
关键词： 磁悬浮飞轮阵列储能；直流电能循环利用；对拖充放电控制
随着城市轨道交通的迅猛发展，地铁已成为城市轨道交通的主要通行方式，列车短距离多频次制动，损耗制动能量达到牵引能量的20%～30%。对地铁制动能量进行存储再利用，不仅能节能减排、保护环境，还可以稳定直流牵引电网电压。通过在地面牵引变电所内设置再生制动能量吸收装置可以达到节能回收效果，目前能量的吸收方案主要有电阻耗能型、电容储能型、飞轮储能型以及逆变回馈型等。电阻耗能型方案是把列车制动能量采用制动电阻进行吸收，造成能量浪费；电容储能型目前尚在研究当中；逆变回馈型方案是把列车制动能量回馈至牵引电网侧，具备一定的节能效果，但是无法解决列车出站时的能量需求。与其他储能方式相比，磁悬浮飞轮储能技术具有充放电迅速、储能密度高、效率高、寿命长、环境污染小等优点，已广泛应用于动态UPS、制动能量回收、电力系统调频调峰等领域。因此，采用磁悬浮储能飞轮作为列车制动能量回收利用储能装置是理想选择。
本文在中电建路桥集团支持下，采用北京泓慧国际能源技术发展有限公司自研的大功率储能飞轮作为应用对象，开展地铁列车制动能量节能回收系统研究。首先对轨道交通牵引供电系统进行了介绍，并以此对列车进出站工况及制动能量进行了分析，确定储能飞轮制动能回收系统结构和关键技术指标。设计了飞轮储能实验平台，并依托实际系统进行了飞轮阵列对拖充放电性能测试。
1 轨道交通牵引供电系统如图1所示，城市轨道交通牵引供电系统包括城市主电网侧、主电网侧降压变压器、牵引电网侧、牵引电网侧降压变压器、整流器、列车接触网侧、牵引列车等。其中，城市主电网采用高压配电，经主网降压变压器后两侧电压变为110 kV、35 kV、10 kV等级，北京等地多采用10 kV牵引电网电压；牵引电网下接降压变压器，两侧电压经整流器后生成直流接触网电压，用于牵引列车供电需要。
目前，我国牵引直流接触网的标称电压常用的有两种：直流750 V（范围600～900 V），直流1500 V（范围1200～1800 V）。这两种电压等级应用均较普遍，相比之下1500 V电网可允许增加供电半径，减少变电站数量和线路投资，降低电能损耗，占据一定的经济效益。增大接触网电压等级，要求设备具备更高的绝缘水平和耐压等级。
2 列车进出站工况机制动能量分析
列车进站时，需要提前进行制动，制动方式主要有空气制动和电制动两种。空气制动以压缩空气为动力源，通过闸瓦与车轮踏面磨擦而产生制动力；电制动也称再生能量制动，将列车动能转化为电能并反馈给供电触网。实际应用中以电制动为主，空气制动为辅。目前再生能量制动主要有两种吸收方式：①当相邻列车具有吸收条件时，制动列车产生的再生能量通过直流牵引网被相邻处于牵引模式下的其他列车所吸收；②当再生能量不能完全被其他列车所吸收时，再生能量将由车载制动电阻所消耗，将电能转换为热能散发在隧道中（传统解决方案）。
以北京地铁一号线某站点为例，从耗能和节能两方面来分析。
2.1 耗能分析
北京一号线某站点发车间隔约为3 min，工作时间5:30—22:30，每天工作17 h，共计发车次数为340次。据统计地铁每次牵引供电耗电量平均约为20 kW·h左右，其中40%～50%的电能为地铁制动能量，取45%即9 kW·h电量为计算量。这部分制动能量约30%～50%回馈到直流电网后，被线路上同一供电区段相邻车辆和本车辅助系统吸收，取40%即3.6 kW·h电量为计算量。
因此，列车单站点单次进出站约消耗9 kW·h电制动能量，其中3.6 kW·h电量用于临近车辆和用电负荷吸收，剩余的5.4 kW·h电量则通过制动电阻消耗掉，无法实现再生利用。考虑该站点每天共计340次的发车工况，得到列车能耗值如表1所示，若将电阻耗能部分能量以储能装置吸收回馈，得到列车总耗能如表2所示。
表1 未采用储能装备时地铁一天能耗表
2.2 节能潜力分析从表2可以看出，如果可以采用储能装置将消耗在制动电阻上的再生能量进行回馈利用，则每天可以减少耗能1836 kW·h。再生制动能量储能装置一般由储能部件、电力电子器件等组成，储能效率包括充电效率和放电效率，电力电子器件的控制效率可达98%～99%，充放电循环效率可以达到96%～98%。
同时，飞轮电机效率可达99%（功率越大电机效率越高），储能本体效率同样可达99%（储能本体损耗包括残余空磨耗、磁偏拉力损耗等）。因此，综合考虑电力电子效率、电机效率、储能本体效率，飞轮单一充放电效率可以达到
| 99%×99%×99%=97.03% | （1） |
| 5.4×97.03%=5.24（kW·h） | （2） |
| 5.24×97.03%=5.08（kW·h | （3） |
| 5.08×340=1727.2（kW·h） | （4） |
3 磁悬浮飞轮储能型制动能量回收系统
磁悬浮飞轮储能型制动能量回收装置主要是利用飞轮的惯性将外界电能通过电动机转化为飞轮动能进行存储。该装置是通过跟踪变电所直流空载电压、母线电压，以判断是否有列车再生制动且再生电是否能被本车动力设备和相邻车辆完全吸收。当发现变电所附近有再生电能需要吸收时，飞轮转动加速，储存电能；当判断变电所的附近有列车启动或加速需要牵引用电时，飞轮降低转速，装置于是作为发电设备向牵引网释放电能。该装置除了具有吸收电能的功能外，还具有稳压的功能，可以通过设置其运行状态，在牵引网电压较低的时候释放电能，在牵引网电压较高时吸收电能，起到稳压的作用。飞轮储能系统接入装置工作示意图如图2所示。
如图2所示，磁悬浮飞轮储能装置输出交流电能，通过基于IGBT的双向变流器及电力电子器件整流后输出直流电能，并挂接于列车直流接触网侧，完成能量双向流动。飞轮储能时，列车能量由直流接触网流入储能装置，飞轮释能时，飞轮能量由储能装置流入直流接触网。当飞轮储能装置的容量（总储电量和总功率）配置合适，列车制动能量可完全被吸收并进行循环利用。
3.2 飞轮储能本体及工作原理如图3所示，磁悬浮储能飞轮本体由电动机/发电机一体机、高速飞轮转子、磁悬浮轴承、密封壳体、高压真空电极及备用保护轴承等组成（以北京泓慧飞轮产品为例）。其中，采用三相永磁同步电机作为驱动机构，分定子和转子两部分，转子侧安装永磁体用于建立主磁场，定子侧输出三相交流电与变流器连接。轴承系统采用五自由度全悬浮电磁轴承，包括径向磁轴承（上/下径向）和轴向磁轴承（上/下轴向），用于保持高速转子与壳体之间的完全悬浮于状态。备用机械轴承用于保护磁轴承以避免与转子发生碰撞。密封壳体配置真空连接件，用于保持飞轮腔体的真空值要求，减小转子空磨耗，提高系统效率。
为提高能量密度，飞轮转子可采用高强度钢、碳纤维等复合材料制成，转子储能体与电机转子部分同轴连接，电机定子在变流器作用下驱动转子加速充电和降速发电。飞轮储能本体有三种运行模式：充电模式、放电模式和保持模式。（1）充电模式：飞轮电机作为电动机运行，控制单元控制电机以由最小工作转速ωmin达到最大工作转速ωmax以动能的形式将能量储存起来，从网侧输入能量为
| Ein = J×(ω2max-ω2min)／2+Eh1 | （5） |
（2）保持模式：飞轮装置以最小的电能输入，保持转子处于稳定的全悬浮状态，并使电机以恒定的转速运行，直到控制单元发出控制信号。
（3）放电模式：飞轮电机作为发电机运行，高速旋转的飞轮作为原动机发电，经功率变换器输出适用的电压和电流，实现机械能到电能的转换。考虑放电能量损耗Eh2，飞轮输出到网侧的能量为
| Eout=J×(ω2max-ω2min)／2-Eh2 | （6） |
3.3 飞轮储能阵列关键指标论证
对于特定的飞轮单机，其最大储能量有限。为了获得更大的储能量、更高的功率及更长的后备时间，将多台飞轮单机并联组成储能阵列是重要解决措施，同时可降低制造成本并具有模块化生产优势。轨道交通飞轮制动储能系统一般根据列车运行频次和再生制动能量大小，采用多台飞轮单元并联的形式。飞轮储能阵列如图4所示。
飞轮储能阵列跟踪牵引接触网的直流母线电压进行充放电控制，牵引供电系统标准GB/T10411中1500 V标称电压的上下允许波动范围为1000～1800 V，飞轮电机的放电电压范围为1200～1350 V，充电电压范围为1650～1800 V，即直流接触网电压高于1650 V为飞轮充电区域，低于1350 V为飞轮放电区域，中间为飞轮保持区域，飞轮充放电区间如图5所示。
若直流接触网电压低于1200 V，飞轮储能阵列可持续网接触网输入能量以维持电压稳定，若电压高于1800 V，飞轮储能阵列自主保护同时允许一定的泄能系统投入。目前北京泓慧国际能源发展有限公司研制的储能飞轮单机性能指标如表3所示。
表3 储能飞轮单机技术指标
根据相关参考文献，地铁再生制动功率最大值发生在2～3 min发车间隔条件，功率值处于900～1000 kW水平。因此，采用北京泓慧研制的飞轮产品，单机功率250 kW（可长期过载至300 kW使用），则需要3～4台飞轮单机组成储能阵列。从系统运行经济性和可靠性方面考虑，配置3台飞轮单机组成储能阵列是较好的选择，此时最大储电量为9 kW·h，完全满足上文所述的单次发车需要提供5.4 kW·h要求。
4.1 飞轮储能实验平台设计
为验证所采用的飞轮储能阵列的有效性，本文在中电建路桥集团支持下，基于北京泓慧国际能源发展有限公司研制的FW2503飞轮产品搭建了飞轮阵列实验平台，从充放电功率、额定转速、响应时间、满功率维持时间等方面对系统性能进行测试。所搭建的实验平台如图6所示，其中，图6(a)为其拓扑图，包括一台网侧PCS（将电网交流电压整流为直流电压）、三台机侧变流器和飞轮储能单机、PLC控制器；图6(b)为实际系统，PCS与机侧变流器采用背靠背结构成柜，飞轮本体与磁悬浮控制器部分单独成柜。
（b）实际系统图
图6 飞轮储能实验平台
为了降低对电网容量的要求，减少电能损失，本实验平台采用飞轮单机两两对拖的方式进行测试，即能量由放电飞轮流入充电飞轮，网侧PCS用于保证直流母线电压稳定，机侧变流器用于飞轮的充放电功率控制。实验分启动、对拖和反对拖三个过程：启动过程由PCS稳压，三组机侧变流器分别拖动飞轮旋转至设定转速（放电飞轮转速高于充电飞轮），对拖过程由高转速飞轮放电，低转速飞轮充电，反对拖过程反之。经过几次对拖实验后，由于能量损耗，三台飞轮最高转速均有所下降，此时重复启动过程给飞轮储能阵列进行适当的能量补充。如此循环往复。
4.2 飞轮阵列充放电性能测试
三台飞轮1、飞轮2和飞轮3分别进行多组充放电实验测试，这里以飞轮1和3之间的对拖实验为例介绍。图7分别为飞轮3对飞轮1对拖过程充放电测试结果（飞轮3放电，飞轮1充电）。
| E1=2.93-0.71=2.22（kW·h） | （7） |
| E2=250*33/3600=2.29（kW·h） | （8） |
| Eƞ1=E1/E2=96.9% | （9） |
从图7(f)可知，在对拖过程中飞轮3往直流侧释放能量，转速由10500 r/min降至5000 r/min，飞轮5000 r/min对应储电量为0.68 kW·h，则飞轮3在放电过程中所释放能量为
| E3=3.0-0.68=2.32（kW·h） | （10） |
| Eƞ2=E3/E2=98.7% | （11） |
综合实验数据可以看出，飞轮单机充放电功率达到250 kW，充放电转速区间5000～10500 r/min，满功率维持时间高于30 s，充放电响应时间低于20 ms，充放电效率高于97%，从储电量、功率、维持时间、响应时间和储能效率等方面衡量，均满足轨道交通再生制动能量回收系统需求，从而验证了所采用的飞轮储能系统的有效性。
5 结论本文采用磁悬浮飞轮阵列进行地铁直流电能的循环利用，首先给出了地铁牵引供电系统结构，明确了直流接触网1500 V电压等级，并对列车制动方式和回收能量进行了分析，指出了直流网侧增加储能装置的必要性。在此基础上，设计了飞轮阵列在直流接触网的应用架构，并详细介绍了飞轮单机系统参数和储能阵列的关键技术指标。为了验证系统性能，基于飞轮的性能指标，搭建了由三台飞轮单机组成的储能阵列实验平台，并通过两两对拖充放电策略进行了阵列的性能测试。实验结果表明所设计的飞轮阵列性能优越，完全满足地铁直流电能循环利用需求，为后续开展飞轮储能阵列在轨道交通中的应用奠定基础。
引用本文： 刘平,李树胜,李光军等.基于磁悬浮储能飞轮阵列的地铁直流电能循环利用系统及实验研究[J].储能科学与技术,2020,09(03):910-917. LIU Ping,LI Shusheng,LI Guangjun,et al.Experimental research on DC power recycling system in the subway based on the magnetically suspended energy-storaged flywheel array[J].Energy Storage Science and Technology,2020,09(03):910-917.
第一作者：刘平（1987—），女，硕士，研究方向为轨道交通应用及路桥建设，E-mail：liuping8806@163.com；
通讯作者：李树胜，博士，研究方向为磁悬浮储能飞轮，E-mail：lss123048@163.com。
