地铁列车制动能量的转化为热能的技术方案

地铁列车制动能量的转化为热能的技术方案

0网压波动范围大、能量利用率低在频繁移动和遏制的地铁系统中，供电的最大电压为1500v/c。当列车加快或降低时，电机电压增加，供电线路中的压降也增加，网络压降随时间推移而降低。当列车加快或降低时，电机电压降低，网压高于规定电压。因此,每节车安装了一个制动电阻箱,当网压高于1800VDC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。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总线系统的励磁能量处理方法1.1vvf风速控制目前,大多数地铁列车采用制动电阻来消耗列车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ZD,将能量以热能形式消耗掉,使系统电压维持在设定值以下。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。1.2利用变压器提供多工信道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)。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储能装置的作用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)。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UPS(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10MW的供电系统中使用一套2MW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。储能方式有很多种,有抽水电站储能、超导储能、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。2旋转动能储能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。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: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齿轮储能装置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。(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。(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。(5)真空室:由于飞轮的转速极高,在空气环境中高速旋转的飞轮转子会造成极高风阻损耗,为减小风损、提高效率,飞轮系统放置于高真空密封保护容器内。真空度越高,转子的滑行时间越长,能量保存的时间也越长。目前,真空度一般可达10-5Pa的数量级。同时,对于防止高速旋转的飞轮发生安全事故,真空腔还有屏蔽事故的作用。飞轮储能系统可以采用模块化结构,以适应以后的功能扩展。每个储能器都是一个独立运转的系统单元,当需要时,可以并联额外的储能单元,并自动分担负荷需求。多单元安装保证系统高度有效,提供N+1倍的可靠性。2.2系统工作过程飞轮储能系统就是实现电能到机械能再到电能的一套完整的储能装置,其系统框图如图5所示,其中飞轮装置的电能转换系统主要由变流器1和控制器组成。储能时,将整流器输出侧的直流电能转换成电压和频率可变的三相交流电,驱动飞轮电机;释能时,将飞轮电机发出的电能转换成直流电。变流器2负责将直流电能转换为频率和电压分别可调的三相交流电,供系统中的其他负载(牵引电机)使用。能量管理及控制器实时地监测电网的运行状态,根据飞轮电机、牵引电机的电流、电压和转速的变化,以及中间直流环节的电压变化,向变流器1、变流器2分别发出控制信号,完成飞轮系统的储能和释能,协调控制飞轮储能系统的运行状态。飞轮的升速和降速实现了电能的输入、储存和输出过程。系统工作过程可划分为3种工作模式(图6)。(1)飞轮储能模式当需要储能时,外电源给飞轮控制器供电,电机就作为电动机使用,利用现代功率电子技术,飞轮控制器控制电能输入驱动电机,使飞轮工作转速从最小ωmin达到最大ωman,以动能的形式把能量储存起来,从而完成电能-机械能转换的储能过程。输入能量为:式中:Eh(t)——能量损耗。飞轮系统依靠最小的交流电输入,飞轮电机维持在一个恒定的转速运行,直到接受到一个能量释放的控制信号。(3)飞轮释能模式当飞轮控制器接到释能信号后,减小变频器输出频率,降低电机气隙旋转磁场的速度,电机滑差率为负,电磁转矩成为制动转矩,高速旋转的飞轮作为原动机拖动电机发电,通过功率变换器输出适用于负载的电流与电压,从而完成机械能-电能转换的释放能量过程,飞轮转速下降,输出能量为:飞轮储能系统通常设计为半充电状态下“空转”(保持模式),它提供所储存的能量以满足其他负载需要,而且还预留出容量来吸收需要储存的再生能量。一台经过放电模式的储能器通常会从电网慢慢吸收电能,然后再回到能量保持模式。2.3高速运行系统能量释放飞轮的储能过程就是电机的升速过程,要求系统能快速储能,由于飞轮属于大惯性负载,速度相应慢。为了达到上述要求,电机升速可以采用两种变频控制方式:恒转矩控制和恒功率控制,相应输出特性曲线如图7所示。恒转矩控制(曲线(a))是以系统能承受的最大转矩为加速转矩,保持系统的加速转矩不变;恒功率控制(曲线(b))是以系统能承受的最大功率为加速功率,保持系统的加速功率不变。飞轮能量释放过程是把高速旋转飞轮的机械能转化为电能,释能过程中飞轮不断减速,电机作为发电机运行,电机的输出电压与频率随转速变化而不断变化,发出的电能需先整流成直流电,再由稳压装置变换成稳定的直流电,经逆变器变换后转化为交流电后才能供给交流负载。飞轮作为一个定轴转动的旋转体,所储能量为E=Iω2。设飞轮角速度由ω1加速到ω2,飞轮的转动惯量为I,加速时间为t,系统能承受的最大转矩为M,系统能承受的最大功率为P。因此,升速过程中储存能量为:(1)恒转矩控制方式(2)恒功率控制方式考虑电机由转速ωmin=ωmax/2升到ωmax=ω,按照恒转矩控制方式,电机最大功率与加速时间分别为:按照恒功率控制方式,电机功率与加速时间分别为:由式(10)和(11)可知,恒功率控制所需的储能时间长,而所需要的电机功率比恒转矩控制小。因此,在飞轮电机升速过程中按曲线(b),在低于额定转速段采用恒转矩调速,在高于额定转速段采用恒功率调速,以提高电机和变频器的利用率和效率。为了补偿低频段定子电阻的影响,应提高起始段的电压。3应用程序设计3.1叶轮材料的选用飞轮储存的能量与它的旋转速度的平方成正比,和它的转动惯量成正比。飞轮的旋转速度和它的结构尺寸受材料强度,特别是拉伸强度的制约。飞轮储存的能量和材料的容许拉伸应力的关系为:式中:E——飞轮的动能;m——飞轮质量;I——飞轮转动惯量;ω——飞轮转动角速度;ρ——飞轮材料密度;σh——材料最大允许拉伸应力。由此可见,对于转动惯量几何形状一定的飞轮,其储能大小与材料的许用应力σh和材料的密度ρ有关,要想获得较大的能量储存,必须选用高比强度(σh/ρ)的材料,即选用质地轻、强度大的材料。对于高转速储能飞轮,通常选用高强度纤维复合材料,对于低转速储能飞轮,可选用高强度的铝合金或优质钢来制作飞轮。3.2转速对电机功率的影响飞轮转速范围是飞轮装置设计中重要的设计参数之一。虽然飞轮储能与转速的平方成正比,但并不是越快越实用。因为,不可抗拒力(如离心力或转子失控)引发的危险性也会大大增加。同时,在整个转速范围内,希望飞轮电机的功率最小。根据电机理论,其功率P与转速ω之间的关系为:P=Teω(Te—电磁转矩)。要想达到功率最小的要求,必须限制飞轮的转速。但是,如果过分限制飞轮的转速范围,则储存在飞轮中的总能量只有很小一部分得以利用,可利用的能量为:为了使飞轮能为其他负载提供所储存的能量,而且还预留出容量来吸收需要储存的再生能量,飞轮系统额定转速ωo应满足下列条件:3.3发电机的特点飞轮储能中,电能与机械能之间的转换是通过既是电动机也充当发电机的电机及其控制系统来实现的。由于电机转速高,运转速度范围大,且工作在真空之中,散热条件差,所以因此飞轮储能装置中的电机应具备以下特点:转矩和输出功率较大;较长的稳定使用寿命;较低的铁损、铜损及空载损耗;高效的能量转换,能适应大范围的速度变化。随着控制技术的发展,由于感应电机的转速调节方便,在飞轮储能中应用很广泛。3.4磁悬浮系统拓扑结构确定磁浮轴承主要用来支承高速旋转的飞轮转子,飞轮转子的6个刚体自由度中,除了绕转轴旋转的一个自由度以外,其他5个自由度由磁悬浮系统所控制。飞轮储能磁悬浮系统有多种拓扑结构可供选择,由Earnshow定理可知,仅由永磁轴承组成的磁悬浮系统是不可能在所有自由度上均获得稳定平衡的,因此,至少在一个方向上必须采用机械轴承或主动型电磁轴承才能使之稳定。而5轴控制的电磁轴承系统通常需要10套轴承磁铁线圈、提供10个传感器和10通道控制系统,