飞轮储能在地铁系统中的应用

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图 3 能量储存原理示意框图 Fig.3 Energy storage principle sketch
图 1 制动电阻消耗能量原理示意框图 Fig.1 Energy consumption with resistor brake principle sketch 1.2 能量回馈
能量回馈的方法是将列车的制动能量通过一定的 方式反馈到交流电网(图 2 )。
飞轮作为一个定轴转动的旋转体,所储存的能量 E 由转动惯量I 和转动角速度ω决定:
( 1)
由此可见,提高飞轮的储能量有 2 个途径:一是增 加飞轮转子转动惯量;二是提高飞轮转速,这就引导人 们去考虑轻型高速装置的可能性。 2.1 系统结构
图 2 能量回馈到电网的示意框图 Fig.2 Energy feedback brake principle sketch 能量回馈的原理是:在列车前进时,交流供电系统 先将交流经过整流器变成直流,再经滤波环节,最后, 通过逆变器提供牵引电机,并实现 VVVF 调速控制;当 列车减速或制动时,电机(作发电机运行)的再生能量 经逆变器(作整流器运行)回馈到直流母线。然后控制 四象限变流器的开关器件,使之作逆变器运行,将直流
图 5 飞轮储能系统原理框图 Fig.5 Fly-wheel energy storage system sketch
(1)飞轮转子:飞轮转子有等应力圆盘、实心圆盘、 空心圆盘、环型、空心圆柱等多种类型,其中应用最广 泛的是实心圆盘飞轮和空心圆柱飞轮。为提高其性能, 一般用高强度复合纤维材料制做。
(2)支承轴承及辅助轴承:飞轮的支承方式主要有 超导磁悬浮、电磁悬浮、永磁悬浮和机械支承 4种。支承 轴承系统包括 2 个径向轴承和 1 个轴向轴承,它们作用 于飞轮转子系统,以使其安全稳定地运行。辅助轴承一 般采用机械轴承,着地轴承采用滑动接触轴承,而且不 需要润滑。
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应用基础研究
飞轮储能在地铁系统中的应用
来自百度文库
蒋启龙,连级三
(西南交通大学 电气工程学院,四川 成都 6 1 0 0 3 1 )
摘 要:地铁列车的制动能量是一种未被开发利用的能量,目前多采用制动电阻消耗制动或将减速过程中的
能量转化为热能而浪费。在分析传统的能量消耗和能量回馈方式的基础上,提出一种对供电系统无影响、改善供
Application Study on Flying-wheel Energy Storage in Subway System
JIANG Qi-long,LIAN Ji-san (Electrical Engineering College, Southwest Jiaotong University, Chengdu, Sichuan 610031,China)
系统中采用能量储存具有以下优点: (1) 充分利用制动能量,使列车更彻底地再生制动。 通 过 储 存 再 生 制 动 的 电 能 而 提 高 能 量 利 用 率 ,达 到 节 能的目的。 (2) 可以解决供电系统中的峰谷差的问题。通过储 能装置在用电低谷和高峰期间对能量的储存和释放, 起到削峰平谷的作用。 (3) 可以改善直流供电稳定性。在低电位时提供电 压支持,平衡负载的起伏、吸收冲击,控制和降低因大 范围负载波动而引起的供电母线的电压变化。 (4) 可以提高供电的可靠性。在系统因故障而停电 时,储能装置可以短时供电,相当于大型的 U P S(不间 断电源)的作用,避免突然停电带来的麻烦和损失。 (5) 降低供电系统峰值功率要求。由于电能消耗过 程 存 在 周 期 性 时 多 时 少 的 情 况 ,供 电 系 统 的 容 量 只 能 按 照 电 能 消 耗 的 峰 值 来 设 置 ,多 数 时 候 不 会 满 负 荷 运 行,造成资源浪费。采用能量储存方法,通过减少设备 的峰值容量而节约成本,图 4 为一个 10 MW 的供电系统 中使用一套2 MW 的飞轮储能系统后降低了系统峰值功 率要求的示意图。 (6) 减少隧道内的灰尘和热量。制动动能如果不能 有效利用,会产生大量废热,使地铁隧道和车站内的温 度升高,增加通风防尘费用。储能装置可以降低废热, 以改善旅客的乘车环境。
(3)电动 / 发电机:一般为电动 / 发电互逆式双向电 机,常用的电机有永磁无刷电机、三相无刷直流电机、 磁阻电机和感应电机。
(4)电力转换器:它将输入电能转化为直流电供给 电 机 ,输 出 电 能 进 行 调 频 、整 流 后 供 给 负 载 的 关 键 部 件。当外设通过电力电子装置给电机供电时,电机给飞 轮加速,储存能量; 当飞轮给电机施加转矩时,电机又 通过电力电子装置给外设供电。它具有调频、整流、恒 压等功能。
电品质、降低系统峰值功率要求的能量储存方式,对磁浮飞轮储能装置的结构、原理和工作模式等进行了重点分
析,并对大容量磁悬浮飞轮在地铁系统中的应用进行了研究,指出了飞轮储能系统的关键技术和发展方向。
关键词: 飞轮; 磁浮轴承; 能量储存; 地铁
中图分类号:U231
文 献 标 识 码 :A
文章编号:1671-8410(2007)04-0013-005
Abstract: The energy, a unemployed energy produced during brake or deceleration of subway car, is mostly translated into heat energy by brake resistor. Besides conventional energy consumption and energy feedback, a new type energy storage mode which have no effect on power source, improve power quality and decrease peak power demand, is proposed. Structure, principle, operation modes, key technology and trend of flying-wheel energy storage (FES) device are discussed. Operation speed, magnetic bearing, safe container, monitor system of FES applied in subway system have been designed.
减速或制动时的再生能量(图 1)。其原理是:在列车前 进时,直流系统通过逆变器给牵引电机组供电,并实现 VVVF 调速控制;当列车减速或制动时,电机(作发电机 运行)的再生能量经逆变器(作整流器运行)回馈到直 流母线,使滤波中间电容充电。若电容两端电压升高至 设定值时,控制系统发出信号驱动开关 Z D ,将能量以 热能形式消耗掉,使系统电压维持在设定值以下。
储能方式有很多种,有抽水电站储能、超导储能、
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压缩空气储能、蓄电池储能、超级电容器储能、飞轮储 能 技 术 等 ,但 大 部 分 基 于 各 种 原 理 和 方 式 的 储 能 装 置 都还处于研究阶段,有很多技术问题需要解决。而飞轮 储 能 技 术 发 展 已 经 比 较 成 熟 ,被 认 为 是 近 期 最 有 希 望 和最有竞争力的新型储能技术,受到国内外的重视,成 为目前许多科研工作者的研究重点。
目前,造成这种结果的原因是,还没有理想的大规 模 储 存 电 能 的 技 术 和 装 备 ,大 规 模 的 储 能 技 术 和 储 能 装备是电力行业中备受关注但尚未解决的难题之一。 如 果 能 够 大 规 模 地 储 存 电 能 ,就 会 给 电 力 生 产 和 使 用 带来革命性的变化。设法回收制动能量,储存于储能器 中,同时产生一定的负荷阻力使汽车或列车减速制动; 当 车 辆 再 次 起 动 或 加 速 时 ,储 能 器 中 的 能 量 再 转 换 为 车辆行驶所需的动能,从而达到节能的目的。美国、日 本 、欧 洲 等 发 达 国 家 和 地 区 都 致 力 于 能 量 储 存 方 法 的 研究。与国外相比,国内在复合材料性能、轴承技术、电
Key words: flying wheel; magnetic bearing; energy storage; subway
0 引言
在 频 繁 起 动 和 制 动 的 地 铁 系 统 中 ,供 电 额 定 电 压 为 1 500 VDC,当列车加速或上坡时,电机电流增大,供 电轨上的压降也随之增大,会造成网压低于额定电压, 而列车减速或下坡时,电机电流减小,网压又会高于额 定电压。因此,每节车安装了一个制动电阻箱,当网压 高于 1 800 VDC 时,闭合列车上的制动电阻,消耗制动或 减速时的再生能量。因此,在整个线路运行过程中,网
利用率,达到节能的目的,并保证直流环节电压在允许 范围之内。但是,四象限变流器的控制较为复杂,须保 证回馈能量的频率、相位与电网同步。 1.3 能量储存
能量储存的工作原理是:在列车制动过程中,将制 动 能 量 通 过 一 定 方 式 储 存 起 来 。当 列 车 需 要 大 功 率 工 作时(如上坡、加速等),储能装置再通过一些转换环节 将电能释放出来,以供系统使用(图 3 )。
飞轮储能装置最基本的工作原理(图 5 )是将外界 输送过来的电能通过电动机转化为飞轮转动的动能储 存起来;当外界需要电能的时候,又通过发电机将飞轮 的动能转化为电能,输出到外部负载;当飞轮空闲运转 时,整个装置以最小损耗运行。为了减少空闲运转时的 损耗,提高飞轮的转速和飞轮储能装置的效率,飞轮储 能装置轴承的设计一般都使用非接触式的磁悬浮轴承 技 术 ,而 且 将 电 机 和 飞 轮 都 密 封 在 一 个 真 空 容 器 内 以 减少风阻。发电机和电动机通常使用一台电机来实现, 通过轴承与飞轮连接在一起。因此,飞轮储能装置一般
由飞轮转子、轴、轴承、电机、真空容器和电力电子装 置等部件组成。
图 4 储能降低峰值功率要求示意图 Fig.4 Peak power requirement reduction due to energy storage
2 飞轮储能技术
用 高 速 旋 转 的 飞 轮 储 存 能 量 的 概 念 由 来 已 久 ,早 在 20 世纪 50 年代就有人提出飞轮储能的设想。飞轮储 能是一种新型的机械储能技术,是将电能、机械动能、 制动能,或者风能、太阳能等自然能转化成飞轮的旋转 动 能 加 以 储 存 。并 根 据 需 要 又 可 转 化 为 其 他 形 式 的 能 量。与其他储能技术相比,具有储能大、功率大、效率 高、无污染、适用广、无噪声、寿命长、维护简单、可实 现连续工作、可进行模块化设计制造等优点。
收稿日期:2 0 0 7 - 0 6 - 0 5 作者简介:蒋启龙(1 9 6 9 - ),男,副教授,主要从事电力电子及 磁浮技术教学和研究工作。 基金项目:“2 1 工程”项目资助( M 0 1 9 9 9 1 9 9 5 0 1 3 0 )
压波动范围较大。同时,再生能量由制动电阻转化为热 能而白白浪费,能量的利用率降低。
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飞轮储能在地铁系统中的应用
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能转换效率和实验研究方面存在明显的差距。 本 文 将 对 飞 轮 储 能 技 术 进 行 研 究 ,探 讨 磁 浮 轴 承
支承的飞轮储能装置在地铁列车供电系统中的应用。
1 地铁系统制动能量的处理方式
1.1 能量消耗 目 前 ,大 多 数 地 铁 列 车 采 用 制 动 电 阻 来 消 耗 列 车
采 用 这 种 方 法 ,能 有 效 控 制 因 再 生 能 量 引 起 的 直 流环节过电压,保证整个系统正常工作。但是,列车制 动能量以热能形式白白浪费掉,而且会产生大量废热, 使地铁隧道和车站内的温度升高,降低了能量利用率。
再转换成交流,并入到电网,供其他列车或设备运行使用。 采用这种方法,能有效地利用制动能量,提高能量
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