基于飞轮储能的轨道交通供配电系统优化与能效提升策略

摘要：本文深入探讨基于飞轮储能的轨道交通供配电系统优化与能效提升策略。分析了传统轨道交通供配电系统的不足，详细阐述飞轮储能原理及其在轨道交通中的应用优势。通过建立模型和案例分析，提出系统优化配置、能量管理策略等具体措施，为提高轨道交通能效和可持续性提供理论支持与实践指导。

关键词：飞轮储能；轨道交通；供配电系统；能效提升

一、引言

随着城市轨道交通的快速发展，其能耗问题日益凸显。轨道交通供配电系统作为能耗的关键环节，对其进行优化和能效提升至关重要。传统供配电系统在能量回收利用、应对负荷波动等方面存在不足，而飞轮储能技术的引入为解决这些问题提供了新的思路。飞轮储能具有响应速度快、寿命长、充放电效率高等优点，能有效改善轨道交通供配电系统性能，降低能耗。

二、轨道交通供配电系统现状分析

2.1 系统组成与工作原理

轨道交通供配电系统作为保障列车稳定运行和车站设备正常运转的关键，其架构由多个核心部分协同构成。外部电源是整个系统的能量源头，通常来自城市电网，它将高压电能输送至主变电所。主变电所承担着初次降压的重任，把超高电压降低至适合分配的电压等级，随后将电能分配给牵引变电所和降压变电所。

2.2 存在的问题

能量浪费严重：在列车运行过程中，制动阶段会产生大量的再生电能。然而，传统供配电系统缺乏高效的能量回收机制，这些电能无法被有效储存和再次利用，只能白白损耗，这不仅造成了能源的浪费，也增加了运营成本。

负荷波动影响：列车启动时需要瞬间大功率供电，加速过程中功率需求持续变化，制动时又会产生能量回馈，这些频繁且大幅度的负荷波动，对电网的稳定性带来极大挑战。同时，长期处于这种不稳定的供电环境下，供配电设备的电气应力频繁变化，加速了设备的老化和损坏，缩短了设备的使用寿命。

供电可靠性问题：当遇到突发的电网故障，如线路短路、变电站故障等，由于缺乏足够的备用电源和快速切换机制，很容易导致供电中断。这不仅会使列车紧急停车，影响乘客的出行体验，还可能对列车的运行安全构成威胁，引发一系列安全隐患 。

三、飞轮储能技术原理与优势

3.1 技术原理

飞轮储能系统是一种基于物理储能方式的先进技术，主要由高速飞轮、电机、电力电子变换器和控制系统这几个关键部分组成。高速飞轮是储能的核心部件，通常由高强度、轻质材料制成，能够在高速旋转状态下储存大量的机械能。

当系统处于充电过程时，电机作为电能与机械能转换的媒介，在控制系统的调控下，将电网输入的电能转化为机械能，驱动飞轮高速旋转。随着飞轮转速的不断提升，其储存的能量也逐渐增加。此时，电能以机械能的形式被高效地储存起来。

而在放电阶段，高速旋转的飞轮凭借自身的惯性带动电机运转，电机此时作为发电机，将飞轮储存的机械能重新转换为电能输出。电力电子变换器在整个过程中起着至关重要的作用，它负责实现电网与飞轮储能系统之间的双向能量交换，根据系统的运行需求，精确控制电能的输入和输出，确保系统稳定、高效地运行。同时，控制系统实时监测飞轮的转速、能量状态以及电网的运行参数，根据预设的策略对整个系统进行智能化管理。

3.2 优势分析

高效的能量回收与利用：在轨道交通场景中，列车制动时会产生大量的再生电能。飞轮储能系统能够迅速响应，快速吸收这些制动能量，将其转化为飞轮的机械能储存起来。当列车再次需要电能，如启动、加速阶段，飞轮储能系统又能及时将储存的能量释放出来，为列车供电。这一过程大大提高了能量的利用率，减少了能量浪费，降低了轨道交通的运营成本。

改善电网稳定性：列车运行过程中的负荷波动对电网稳定性影响较大。飞轮储能系统凭借其快速的响应特性，能够在负荷突变时迅速调整自身的充放电状态。在列车启动、加速等高负荷需求时，飞轮储能系统及时放电补充电能；在列车制动产生能量回馈时，快速吸收多余电能。通过这种方式，有效平抑了负荷波动，减少了对电网的冲击，提高了供电质量，保障了电网的稳定运行。

长寿命和高可靠性：与传统的电池储能技术相比，飞轮储能系统具有明显的优势。其机械结构相对简单，主要依靠高速旋转的飞轮和电机等部件，不存在复杂的化学反应。同时，由于没有化学物质参与，避免了电池老化、腐蚀等问题，大大延长了系统的使用寿命。而且，简单的结构使得系统的可靠性更高，降低了故障发生的概率，维护成本也相应降低。这使得飞轮储能系统在轨道交通这种对设备可靠性要求极高的领域具有广阔的应用前景。

四、基于飞轮储能的供配电系统优化策略

4.1 系统优化配置

·飞轮容量选择：根据轨道交通线路的运行特点，如列车运行间隔、制动能量大小等，通过数学模型计算确定合适的飞轮容量，确保既能满足能量回收需求，又不会造成资源浪费。

·安装位置优化：综合考虑牵引变电所的分布、负荷分布等因素，选择最佳的飞轮储能系统安装位置，以减少能量传输损耗，提高系统效率。

4.2 能量管理策略

·制定充放电规则：根据列车运行时刻表、负荷需求预测等信息，制定合理的飞轮储能系统充放电规则。例如，在列车制动时优先充电，在列车启动、加速等高负荷时段放电。

·协调控制：实现飞轮储能系统与其他供配电设备的协调控制，确保整个系统的稳定运行。例如，与牵引变电所的整流器、逆变器协同工作，优化电能分配。

五、能效提升措施与效果评估

5.1 具体措施

·优化运行模式：采用智能调度系统，优化列车运行模式，减少不必要的加减速，降低能耗。结合飞轮储能系统，实现能量的合理分配和利用。

·设备升级改造：对供配电系统中的设备进行升级改造，提高设备效率。例如，采用高效节能的变压器、电力电子器件等，降低设备自身损耗。

5.2 效果评估

·建立评估指标体系：建立包括能量回收率、能耗降低率、电网稳定性指标等在内的评估指标体系，全面评估基于飞轮储能的供配电系统优化与能效提升效果。

六、结论与展望

本文通过对基于飞轮储能的轨道交通供配电系统优化与能效提升策略的研究，表明飞轮储能技术在轨道交通领域具有广阔的应用前景。通过合理的系统优化配置和能量管理策略，结合能效提升措施，能有效提高轨道交通供配电系统的能效和稳定性。未来，随着技术的不断发展，飞轮储能系统的性能将进一步提升，成本将进一步降低，有望在轨道交通领域得到更广泛的应用。同时，还需进一步研究与其他新型储能技术的融合应用，以及与智能电网的协同发展，为轨道交通的可持续发展提供更有力的支持。

参考文献;

[1]赵思锋，唐英伟，王赛，等. 基于飞轮储能技术的城市轨道交通再生能回收控制策略研究[J]. 储能科学与技术，2018，7（3）：524-529. DOI：10.12028/j.issn.2095-4239.2018.0053.

[2]喻奇. 飞轮储能技术在城市轨道交通的应用[J]. 电气化铁道，2020，31（2）：53-57.

[3]赵小皓，张钢，宋嘉桐. 城市轨道交通飞轮储能系统控制策略研究[J]. 都市快轨交通，2023，36（6）：116-123. DOI：10.3969/j.issn.1672-6073.2023.06.017.