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飞轮储能系统在轨道交通中的应用研究
| 论文题名： | 飞轮储能系统在轨道交通中的应用研究 |
| 关键词： | 城市轨道交通;飞轮储能;再生制动;控制策略;电能质量 |
| 摘要： | 城市轨道交通作为绿色、高效的公共出行工具，能够有效缓解城市地面交通拥堵问题，近年来得到了快速发展。然而，传统城市轨道交通供电系统存在再生制动能量利用率低、电能质量低下的问题。飞轮储能(FlywheelEnergyStorage，FES)作为一种高效率、高功率密度、高响应速度的物理储能方式，在能量回收和电能质量治理方面有着优越的表现。然而，飞轮储能技术尚未普及，在城市轨道交通系统中的应用较少，研究较为匮乏。本文针对飞轮储能系统在城市轨道交通系统中的应用展开研究，发掘飞轮储能在再生制动能量回收、提升轨道交通供电系统电能质量方面的积极意义。 首先，介绍了飞轮储能系统的结构、工作原理，对飞轮储能系统所使用的永磁同步电机进行建模。采用励磁电流id=0方法实现了飞轮储能系统充放电控制，通过加入前馈解耦环节，提高了飞轮储能系统响应速度。基于MATLAB2020a搭建了飞轮储能系统仿真模型，为飞轮储能系统在轨道交通中的应用研究奠定基础。 其次，结合轨道列车运行阻力和制动策略，仿真计算了轨道列车单次制动能量。分析了多列车运行方式对牵引网电压的影响，结合单次制动能量计算，配置了飞轮阵列(FlywheelEnergyStorageArrays，FESA)容量。介绍了轨道交通供电系统结构以及供电方式，阐述了24脉波整流变压器工作原理，基于MATLAB2020a搭建了轨道交通牵引供电系统仿真模型，为后文飞轮储能系统的应用提供平台。 再次，设计了地铁-飞轮再生制动能量回收系统的控制策略。针对单体飞轮，提出了基于前馈解耦的双外环协调控制策略，并基于模糊控制理论，添加了模糊自适应PID控制器，提升了飞轮储能系统控制性能;针对飞轮阵列放电模式，提出了基于等功率、等转矩、等时间的三种阵列放电控制策略;针对飞轮阵列充电模式，提出了飞轮储能单元荷电状态(StateofCharge，SOC)自动均衡充电策略。阐述了逆变回馈、超级电容再生制动能量回收系统的工作原理，基于MATLAB2020a平台对三种再生制动能量回收方式进行了仿真对比分析，并验证了飞轮储能系统控制策略的可行性和优越性。 最后，论述了多列车频繁启停引起的牵引网直流母线电压暂降/暂升和牵引变电站交流侧电流谐波问题，接着论述了交、直流侧短路故障引起的牵引网直流电压暂降问题。基于MATLAB2020a平台，仿真验证了通过引入飞轮储能系统，可以平抑多列车启停引起的直流电压暂降/暂升，大幅缓解交、直流侧短路故障引起的直流电压暂降，并且可以改善交流侧电流波形，抑制交流侧电流谐波，使得非特征谐波基本消失，特征谐波含量显著降低。 |
| 作者： | 曲晓琛 |
| 专业： | 电气工程 |
| 导师： | 田立军 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 山东大学 |
| 学位年度： | 2022 |
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