北京交通大学李进、张钢 等：城轨交通用飞轮储能阵列控制策略

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在城市轨道交通供电系统中引入飞轮储能系统能够有效回收列车再生制动能量，稳定直流接触网电压，但是目前单飞轮储能系统的容量通常难以满足需求。飞轮储能阵列是解决这一问题的有效手段，然而目前针对飞轮储能阵列控制策略的研究还较少。

为此，北京交通大学电气工程学院、中国铁道科学研究院集团有限公司标准计量研究所的研究人员李进、张钢、刘志刚、王勇在2021年第23期《电工技术学报》上撰文，针对飞轮阵列均速控制和SOC管理等关键问题，提出了基于“电压-转速-电流”三闭环控制的飞轮储能阵列控制策略，并通过仿真和实验验证了其可行性。

作者介绍

• 李进，男，1997年出生，硕士研究生，研究方向为城市轨道交通飞轮储能技术。

• 张钢，男，1982年出生，副教授，博士生导师，北京市轨道交通电气工程技术研究中心副主任。研究方向为城市轨道交通牵引供电技术、数字孪生技术及智能运维技术。研发的城市轨道交通中压能馈装置在全国20多条线路推广应用，获省部级科技奖励2项。

• 刘志刚，男，1961年出生，教授、博士生导师，国务院政府津贴专家。长期从事轨道交通轨道交通供电、车辆牵引传动、信息化与智能化等技术研究。主持承担多项国家级重大科研项目，多项创新研究成果填补国内外空白。

• 王勇，男，1987年出生，中国铁道科学研究院集团有限公司标准计量研究所工程师，主要从事城轨和电气化铁路能馈和储能装备检验检测工作。

研究背景

据统计，城轨交通列车再生制动能量可达牵引能量的20~40%，安装储能系统回收列车再生制动能量是降低轨道交通能耗的有效手段之一。常见的储能系统包括电池、超级电容和飞轮储能系统(Flywheel Energy Storage System, FESS)。相比于电池和超级电容类的储能系统，飞轮储能系统具有瞬时功率高、储能密度大、使用寿命长、容量衰减小、环保无污染等优点，在轨道交通领域受到广泛关注。

由于城轨列车制动功率较大，单个小容量飞轮难以满足列车再生制动的需求，而大容量飞轮制造难度大、造价昂贵、运输和安装困难，因此采用多个飞轮单元并联构成飞轮储能阵列(Flywheel Energy Storage Array, FESA)不失为一种有效解决方案。

论文所解决的问题及意义

本文针对城轨交通飞轮储能阵列控制中面临的节能稳压、SOC 管理、飞轮单元转速均衡等问题，在完成单飞轮储能系统控制策略设计基础上，提出了基于“电压-转速-电流”三闭环控制的飞轮储能阵列控制策略，并完成了仿真和实验验证，为进一步工程应用奠定基础。

论文方法及创新点

含飞轮储能系统的城轨牵引供电示意图如图 1所示。飞轮储能系统安装在牵引变电所内，与二极管整流机组并联，在列车制动时吸收多余的再生制动能量，并在列车牵引时释放储存的能量给列车使用，最终实现节能及稳定网压的目的。

图1 含飞轮储能系统的城轨牵引供电示意图

考虑到列车再生制动功率大，单个飞轮难以满足要求，需要采用图2所示的飞轮储能阵列解决方案。

图2 飞轮储能阵列示意图

由于不同飞轮单元在制造时不可避免的存在参数差异，所以在对飞轮储能阵列控制时，还需要考虑各个飞轮间的转速均衡。本文给出了基于“电压-转速-电流”三闭环的控制策略，即在电压外环与电流内环之间增加一个转速闭环，直接控制飞轮储能阵列中各个飞轮单元的转速，整体控制框图如图3所示。

图3 基于“电压-转速-电流”三闭环控制策略

通过对飞轮转速变化率dn/dt的控制即可实现对转矩的控制。本文将图3所示的电压外环输出指令定义为飞轮转速变化量Δn，由于电压闭环指令更新的间隔固定，Δn值的变化即代表着飞轮转速变化率的变化。利用转速指令计算环节得到各飞轮单元的统一转速指令，实现电压外环与转速闭环的有效串联。通过转速闭环对各飞轮单元进行统一的转速控制，一方面能够有效避免飞轮单元产生较大的转速差，另一方面只需对转速指令加以限制就能实现飞轮储能阵列的SOC管理。对于飞轮储能阵列释能模式与放电模式下功率的控制，同样通过限制电流闭环输出指令i_sref来实现，配合不同的工作模式切换电流指令限制值-i_slim1和-i_slim2。

结论

本文提出的基于“电压-转速-电流”三闭环控制策略，实现了飞轮储能阵列工作模式切换、飞轮单元转速均衡、SOC 能量管理等功能。搭建了1MW飞轮储能阵列实验平台，验证了文中提出的飞轮储能阵列控制策略的可行性。

引用本文

李进, 张钢, 刘志刚, 王勇. 城轨交通用飞轮储能阵列控制策略[J]. 电工技术学报, 2021, 36(23): 4885-4895. Li Jin, Zhang Gang, Liu Zhigang, Wang Yong. Control Strategy of Flywheel Energy Storage Array for Urban Rail Transit. Transactions of China Electrotechnical Society, 2021, 36(23): 4885-4895.

DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.210419

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