摘 要：地铁车辆制动时产生的废热影响车辆运行品质与乘车环境。设计了具有储能、释能、能量保持3种工作模式的飞轮储能装置，将制动能量加以回收与利用。通过对储能装置的结构特点及车辆限界进行分析，确定以“高转速、小尺寸、大功率”的原则，设计了适合于地铁车辆的飞轮储能装置方案，对飞轮储能装置3种工作模式的程序控制进行了设计。建立了仿真模型，对系统的储能与释能这2种工作模式进行了仿真与分析。

关键词：地铁车辆；飞轮储能装置；程序控制

 

      地铁车辆制动系统采用电空电控制动方式，制动能量的绝大部分通过制动电阻消耗掉，既对隧道内环境产生了废热污染，又需要开启通风散热设备，浪费了能量。随着社会经济的发展，世界能源日趋紧张，“节能环保”已经成为全球关注的话题。能量的回收与再利用是“节能环保”的有效手段，并成为世界性的研究课题。然而，轨道交通车辆的制动能量至今还没被很好地开发与利用，例如地铁车辆和轻轨车辆等，它们需要频繁起动和制动，如果将制动能量回收并利用，则不但达到节能环保的效果，也对乘车环境起到改善作用。与传统的蓄电池、超级电容等储能方式相比，飞轮储能具有无法比拟的优点。车辆采用飞轮储能具有以下优点。

      (1）充分利用制动能量。提高能量利用率，达到节能的效果。

      (2）提高动力单元的牵引能力。当需要增大牵引力时，如车辆启动、加速或者爬坡等，储能装置能够提供额外的动力。

      (3）提高供电的可靠性。如果供电系统因故障而断电时，储能装置可以短时供电，避免因停电带来的麻烦和损失。

      (4）减少热量耗散。储能装置可以有效地降低废热，尤其在长大隧道中有明显改善旅客的乘车环境的作用。

 

      储能系统结构设计方案如图1所示。能量转换系统主要由牵引电机、牵引逆变/整流电路、双向能量转换开关、储能变流器以及无刷直流电机、飞轮等单元组成。由于无刷直流电机带动飞轮起动时的瞬时电流较大，为保护主电路电气元件，在主电路中加入电感L来削弱电流对主电路产生的瞬时冲击^[1]。

      系统工作原理：车辆制动减速时，牵引电动机作为发电机运行，电能经电压源型牵引逆变器变为直流电，此时控制双向能量转换开关V1打开，电能通过储能变流器调频调压后驱动无刷直流电机，带动飞轮旋转，从而完成电能-机械能转换的储能过程；牵引电机或其他负载不需要额外增加电能时，储能系统依靠最小的电能输入，使电机/飞轮维持在最高转速下恒定运行；车辆启动、爬坡或加速时，牵引电机电枢电流增大，此时，飞轮控制器接到释能信号，高速旋转的飞轮作为原动机拖动电机旋转，所发出的电能，经过储能变流器调频调压后，经双向能量开关V2、牵引逆变器，向牵引电机供电。从而完成机械能-电能转换的释能过程。

      程序控制设计主要是完成对储能系统3种工作模式的控制。系统完成CPU的初始化、变量的定义与赋值、外围模块的初始化和系统中断的配置等任务后，系统进入主循环，无限循环、等待中断等状态^[2] 。在主循环中，主要完成系统中断的配置、标志变量的设置以及根据各种标志变量决定作何种处理，其流程如图2所示。图2中标志变量等于0、1、2，分别表示系统处于加速储能、释能和能量保持工作模式。

      车辆进行再生制动或电阻制动过程中，只有直流侧电压超过设定的值后，图1中双向能量转换开关V1才会打开，进行能量的存储。为了简化仿真模型，本文采用750  V的直流电压源模块来代替再生制动时经过变流器以及斩波器电压调节后产生的电能，脉冲发生器模块表示飞轮负载，所建模型如图3所示。

      由仿真波形图4可以看出：电机在0～3  s内以较大的加速度带动飞轮转子加速旋转并达到7.1×10⁴ r/min，此后转速上升变得平缓并趋近于给定值，在15  s左右飞轮转子转速已经达到8×10⁴  r/min，并基本维持在该速度值。从转速响应曲线来看，没有出现转速超调的现象，这样不仅有利于飞轮转子运行的平稳性，也对电机起到一种保护作用。由图5可知，随着转速的提高，感应电动势峰值不断升高，感应电动势与电流波动的周期越来越短，最后达到稳定状态。

      本文建立了以转矩方式控制无刷直流电机发电状态模型，如图6所示。图6中直流侧电容C为滤波电容，R、L为负载，电机的初始转速为8×10⁴  r/min。

      由仿真波形图7、图8可以看出，系统释能过程中，飞轮系统所储的动能经过无刷直流电转换为电能，再经整流器输出后的直流电压波形随着飞轮转速的降低而不断下降。仿真过程中还发现直流侧负载越大，单位时间内消耗的电能越多，飞轮转速降低也就越快。

 

      本文设计了应用于地铁车辆的飞轮储能装置方案，并对储能、释能状态进行了仿真与分析，为轨道交通车辆节能技术的多样化探索一条新路。相信随着电力电子技术与新材料技术的不断发展，飞轮储能装置将成为节能环保的优选设备并越来越多的应用于实际工程之中。

 

[1] 蒋启龙，连级三．飞轮储能在地铁系统中的应用[J] ．交流技术与电力牵引，2007（4）.

[2] 李雪松．飞轮储能系统电动发电运行控制技术的研究[D]．河北：华北电力大学，2006.