飞轮储能系统在武汉光谷空轨旅游线路的应用研究

熊秋梅

邮编：430010

摘要：本文针对GTR飞轮储能系统首次全线应用在国内首条悬挂式空中轨道列车光谷生态大走廊旅游观光线（以下简称光谷空轨线）中，介绍了线路特点、车辆特点、飞轮储能系统主回路拓扑结构，就如何实现飞轮储能系统与光谷空轨线路工况的匹配进行了控制策略研究，并通过数据统计分析验证了飞轮储能系统投入后与光谷空轨线路良好的匹配性。

关键词：GTR飞轮 空轨 再生制动能量回收利用

Abstract: In this paper, GTR flywheel energy storage system is applied for the first time in the Optical Valley Eco-Corridor tourism line (hereinafter referred to as Optical Valley Air Rail Line), the characteristics of the line, the characteristics of the vehicle and the main loop topology of the flywheel energy storage system are introduced, and the control strategy of how to achieve the match between the flywheel energy storage system and the Optical Valley air rail line is studied. The good matching between flywheel energy storage system and Optical Valley air rail line is verified by statistical analysis of data.

Key words: GTR flywheel, empty rail, regenerative braking energy recovery and utilization

目前,国内城市轨道交通主要采用能耗装置和中压能馈装置吸收列车再生制动能量。电阻型能耗装置对列车制动时产生的制动能量进行热消耗，无法回收再利用，而且电阻产生的热量也会造成空间温度升高，增加轨道交通内部通风空调负荷；中压能馈装置通过逆变方式将再生制动能量回馈至中压网络，不能直接用于列车牵引，且无法在列车起动时支撑直流牵引网压[1]。

在城市轨道交通中应用飞轮储能系统，可以吸收列车再生制动能量并在列车起动时回馈至直流牵引网，实现再生制动能量即收即用，同时稳定直流牵引网压[2]。

2023年9月26日，国内首条悬挂式单轨系统——武汉光谷空轨旅游线路（以下简称光谷空轨线）正式开通运营。相对于其他城市轨道交通，光谷空轨线是一种中低运量、生态环保、绿色低碳的城市交通新制式，全线首次仅采用飞轮储能系统作为再生制动能量回收利用装置，车辆无车载制动电阻，前期采用两节车厢且车辆自重较地铁车辆轻。针对这一线路特点，如何实现飞轮储能系统与线路工况的匹配，稳定直流牵引网压，保障列车平稳电制动，成为一个亟待解决的问题。

一、系统介绍

光谷空轨线一期全长10.5 km，共设站6座，其中4座牵引站分别为九峰山站、高新二路站、综保区站、龙泉山站，每座牵引站安装了666 kW的飞轮储能系统作为再生制动能量回收利用装置。初期车辆采用2节编组，最多能容纳220余人，总自重约39.92 t，无车载制动电阻，列车的再生制动仅依靠飞轮储能系统。

图1  光谷空轨线飞轮储能系统接入方式

光谷空轨线飞轮储能系统接入方式如图1所示，其中KM1、KM2、KM3、KM4、KM5、KM6、KM7为接触器，QS1未隔离开关，QF1、QF2为断路器，SCADA为数据采集与监视控制系统。飞轮储能系统主要分为飞轮储能装置、隔离开关与电抗柜、综合控制柜三部分。飞轮储能装置主要由飞轮驱动变流器和飞轮组成，两台飞轮储能装置并联接入隔离开关柜的双极隔离开关，隔离开关柜的双极隔离开关正极接入变电所内215正极柜断路器QF1，隔离开关负极接入DC-750V母线。隔离开关与电抗柜主要由双极隔离开关、直流电抗器、制动电阻和直流接触器组成。综合控制柜主要由能量管理单元、控制/显示模块、逻辑控制单元组成。综合控制柜与飞轮储能装置通过CAN通信与两台飞轮驱动变流器连接，实现设备信息的上传下达、逻辑控制。综合控制柜的逻辑控制单元通过交流电压采集模块采集中压网络交流电压，通过干接点连接变电所内215正极柜断路器QF1来实现故障联锁，通过SCADA连接线路综控平台，实现所内飞轮储能系统的上传下达，逻辑顺控等操作。

二、控制策略研究

（一）基本控制策略

光谷空轨线是中低运量新型城市轨道交通制式，飞轮储能系统的基本控制策略采用电压控制，可以快速响应直流牵引网压的变化，发挥快速响应的特性，即列车进站制动时，直流牵引网压升高，飞轮储能系统将电能储存起来，保证列车平稳进行再生制动；列车出站时，直流牵引网压降低，飞轮储能系统将储存的电能释放至直流牵引网，支撑网压并保证列车平稳出站。电压功率曲线如图2所示，其中Pcmax为最大充电功率，Pdmax为最大放电功率。

图2  光谷空轨线电压功率曲线

电压值参数定义如下：空载电压值U0，最小充/放电功率电压值分别为Ucmin、Udmin，最大充/放电功率电压值分别为cmax、Udmax。除此之外，飞轮储能系统内部每台飞轮储能装置设置有初始充/放电电压偏置值∆Ucs、∆Uds，充/放电电压偏置值区间Uci、Udi，实时充/放电电压偏置值∆Ucn、∆Udn，实时充/放电电压阈值∆Uct、∆Udt。

（二）飞轮均衡控制策略

飞轮均衡控制策略以每台飞轮储能装置的SOC控制为基础，将SOC值的变化转换成飞轮充/放电阈值，从而实现飞轮储能装置间实时均衡控制。控制策略如下：每台飞轮储能装置的实时SOC值为∆SOC1-∆SOCn，SOC值的平均值为SOCav，SOC值的均差值为∆SOC1-∆SOCn，初始充/放电阈值SOC范围为0—1。

其中：

        （1）

                     （2）

                      （3）

……

                    （4）

初始充/放电电压阈值分别为：

                                 （5）

                                        （6）

充/放电电压偏置值区间分别为：

                               （7）

                                 （8）

在飞轮储能系统充/放电过程中，飞轮能量管理模块依据以上原理进行计算，将SOC差值等比转换输出为充/放电偏置值并实时调节。

因此，第n台飞轮储能系统的实时充/放电电压偏置值分别为：

                        （9）

                         （10）

第n台飞轮储能系统的实时充/放电电压阈值分别为：

                    （11）

                       （12）

充/放电的判定条件为实时网压值与空载网压值的差值，实时网压高于空载网压时，飞轮储能系统充电；实时网压低于空载网压时，飞轮储能系统放电。

通过阈值调整使储能量高的飞轮储能系统放电阈值增大、充电阈值减小，使储能量低的飞轮储能系统放电阈值减少、充电阈值增大，达到平衡多台飞轮SOC差异的目的。

能量管理模块具备以上判定准则与相关阈值调整控制信号，在飞轮储能系统运行时，实时采集每台飞轮储能装置的实时SOC值、飞轮储能系统的实时网压、线路空载网压值。

当检测到飞轮储能装置间的SOC值不一致时，实时网压大于空载网压时，每台飞轮储能装置按照实时充电电压阈值公式（11）进行充电；当检测到飞轮储能装置间的SOC值不一致时，实时网压小于空载网压时，每台飞轮储能装置按照实时放电电压阈值公式（12）进行放电。

三、数据统计分析

（一）飞轮储能系统退出数据

图3 飞轮储能系统退出时的直流网压数据

2023年3月25日，光谷空轨线车辆跑车调试过程中，切断全线飞轮储能系统，车辆先尝试进行再生制动，再生制动失效后依靠机械制动停车，其间直流牵引网压多次超过900 V导致车辆逆变器内电阻烧损，车辆再生制动失效而进行多次机械制动导致制动盘高温变红、部分橡胶件融化。飞轮储能系统退出时的直流网压数据如图1所示。

（二）飞轮储能系统投入数据

图4 飞轮储能系统投入使用后的数据

飞轮储能系统投入使用后，车辆跑车调试过程中直流牵引网压可以稳定在795—843V，两辆列车同时在60 km/h施加最大常用制动，电刹车数次均成功，抑制网压波动效果良好，车辆启动制动更为平顺。飞轮储能系统投入后数据如图4所示。

图5 连续7日的功率和SOC值

统计2023年5月22日—28日连续7日的数据，功率和SOC值如图5所示，蓝色曲线和灰色曲线分别代表飞轮1和飞轮2的直流功率，橙色曲线和黄色曲线分别代表飞轮1和飞轮2的SOC值。两台飞轮储能装置的直流功率、SOC值曲线重叠基本一致。

四、结语

飞轮储能系统在武汉光谷空轨线的工程应用，充分说明了飞轮储能系统能够有效抑制列车启停带来的直流牵引网压波动，减少列车机械制动次数和机械制动导致的刹车盘磨损，保证列车平稳制动，验证了飞轮储能系统与光谷空轨线工况的匹配性。

在光谷空轨线工程中，实现了飞轮储能系统内部多台飞轮储能装置的功率均衡和

SOC值均衡，保证每台飞轮储能装置的转速一致，从而增强飞轮储能系统内部的稳定性。

参考文献

[1]王月明.城市轨道交通列车制动[M].北京：科学出版社,2014.

[2]孙振海,刘双振,陈鹰等.GTR飞轮在城市轨道交通的工程应用[J].中国标准化,2019(S2):309-316.