【鐵路儲(chǔ)能系統(tǒng)分析9600字（論文）】

鐵路儲(chǔ)能系統(tǒng)研究TOC\o"1-3"\h\u29117一、緒論 15728（一）研究背景 19490（二）相關(guān)研究闡述 1321531.國外研究 1140462.國內(nèi)研究 24206二、多種儲(chǔ)能技術(shù)分析 218896（一）蓄電池儲(chǔ)能技術(shù) 222811.蓄電池儲(chǔ)能分類 244982.蓄電池充電方式 320136(二)超級(jí)電容儲(chǔ)能技術(shù) 4223751.超級(jí)電容工作原理 4280532.超級(jí)電容特點(diǎn) 42168三、鐵路儲(chǔ)能系統(tǒng)分析 54985（一）背靠背混合儲(chǔ)能系統(tǒng)分析 517317（二）飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng) 6212561.系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu) 7191662.變流器系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 78272（三）混合儲(chǔ)能系統(tǒng) 872481.系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 8229702.系統(tǒng)工作原理 82557參考文獻(xiàn) 10摘要電氣化鐵路一直在我國交通運(yùn)輸方式中占據(jù)著重要地位，近年來高迷鐵路的飛快發(fā)展也十分矚口，作為大宗工業(yè)電力用戶，對(duì)于電力行業(yè)來說，鐵路牽引負(fù)荷具有很強(qiáng)的波動(dòng)性。由于機(jī)車制動(dòng)方式產(chǎn)生的大量再生制動(dòng)能量，給電網(wǎng)帶來嚴(yán)重的電能質(zhì)量問題并且也會(huì)直接影響到鐵路部門的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)，能源的節(jié)約與高效利用方式也是當(dāng)下備受人們關(guān)注的問題。本篇文章從儲(chǔ)能系統(tǒng)的國內(nèi)外研究背景出發(fā)，進(jìn)行多種儲(chǔ)能技術(shù)的介紹以及鐵路儲(chǔ)能系統(tǒng)的分析。關(guān)鍵詞：鐵路；儲(chǔ)能技術(shù)；儲(chǔ)能系統(tǒng)緒論（一）研究背景鐵路運(yùn)輸是韓國的主要交通工具之一，我國年鐵路里程達(dá)8萬多公里，居亞洲首位。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和居民經(jīng)濟(jì)水平的提高，原有的傳統(tǒng)鐵路運(yùn)營方式已不能滿足當(dāng)今社會(huì)的發(fā)展需要，因此我國逐步轉(zhuǎn)向電氣化軌道交通。我國電氣化鐵路起步較晚，但進(jìn)步驚人。韓國電氣化鐵路的建設(shè)始于1950年代后期，用了三年時(shí)間完成了第一條電氣化鐵路波峰段。可以看出，10年過去了，雖然在進(jìn)行電氣化，但韓國鐵路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展仍然滯后。后來，韓國意識(shí)到鐵路對(duì)國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要性，決定加快鐵路建設(shè)。隨著中國、華北、華南三大電氣化鐵路網(wǎng)絡(luò)的形成，韓國的電氣化鐵路行業(yè)進(jìn)入了應(yīng)急風(fēng)扇空前的發(fā)展階段?！八目v四橫”的高鐵布局格局。高鐵的高成本增加了鐵路部門的財(cái)政負(fù)擔(dān)，因?yàn)楦哞F的赤字和收入經(jīng)常減少。在電力企業(yè)電費(fèi)負(fù)擔(dān)加重的情況下，鐵路企業(yè)急需為經(jīng)濟(jì)增長做好準(zhǔn)備。由于牽引負(fù)荷普遍具有沖擊性、不規(guī)則波動(dòng)、變化頻繁、峰谷區(qū)間大等特點(diǎn)，同時(shí)國內(nèi)沒有系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)，牽引變壓器的容量設(shè)計(jì)滿足高峰牽引負(fù)荷作為需求邊界，而高峰負(fù)荷高峰不僅會(huì)導(dǎo)致技術(shù)上負(fù)序主導(dǎo)的電能質(zhì)量問題，而且在經(jīng)濟(jì)上直接影響電力成本。由于高峰負(fù)荷與環(huán)境壓力容量收費(fèi)和高峰需求收費(fèi)密切相關(guān)，如果峰值過高，鐵路用戶將承擔(dān)額外費(fèi)用。牽引供電系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行通常會(huì)導(dǎo)致負(fù)載峰值持續(xù)時(shí)間較短和變壓器容量利用率降低的趨勢，從而降低了牽引供電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性[2-5]。電力系統(tǒng)通常采用削峰和填谷測量來減少負(fù)載峰谷差異。對(duì)電網(wǎng)而言，削峰填谷有助于減少電網(wǎng)負(fù)荷峰峰差，提高發(fā)電設(shè)備的產(chǎn)能利用率，減少發(fā)電機(jī)組投資，創(chuàng)造電力供需。保持電網(wǎng)平衡，穩(wěn)定運(yùn)行，用戶可以利用峰谷差價(jià)，獲得降低電費(fèi)的經(jīng)濟(jì)效果。有許多步驟可以實(shí)現(xiàn)削峰和腹部脫皮。用戶側(cè)通常配合供電部門建議的用電負(fù)荷管理措施，改變用電方式和時(shí)間。在電網(wǎng)側(cè)，采用儲(chǔ)能技術(shù)來實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。傳統(tǒng)儲(chǔ)能方式為抽水蓄能方式，現(xiàn)代先進(jìn)儲(chǔ)能技術(shù)主要研究飛輪儲(chǔ)能、鉛酸電池、鋰電池等電池儲(chǔ)能、超導(dǎo)體、超級(jí)電容器等電磁儲(chǔ)能。研究表明，電池儲(chǔ)能系統(tǒng)、超級(jí)電容器儲(chǔ)能系統(tǒng)及其混合儲(chǔ)能系統(tǒng)具有獨(dú)特的優(yōu)勢，在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)揮著不可替代的作用。（二）相關(guān)研究闡述1.國外研究對(duì)電池的研究非常成熟。電池電壓波動(dòng)小，發(fā)電率低，與車載能源系統(tǒng)相比，電池更適用于陸地儲(chǔ)能系統(tǒng)。在韓國，自2007年以來，可應(yīng)用于混合動(dòng)力汽車的樁離子電池的陸地儲(chǔ)能裝置的開發(fā)已投入實(shí)際應(yīng)用。意大利的一項(xiàng)研究證實(shí)，大功率、高性能的堆離子電池可用于地面儲(chǔ)能系統(tǒng)。這些電池比超級(jí)電容器更具成本效益。日本于1980年開始研究鉛酸電池，2006年開始研究廣泛使用的堆離子電池，陸地能源系統(tǒng)取得長足進(jìn)步，鎳金屬電池也進(jìn)行了同樣的研究，但并不實(shí)用。在車載儲(chǔ)能系統(tǒng)中，超級(jí)電容器具有相對(duì)優(yōu)勢，而電池的壽命相對(duì)較短。東日本旅客鐵道株式會(huì)社與龐巴迪傳動(dòng)聯(lián)合設(shè)計(jì)開發(fā)的電動(dòng)火車動(dòng)力裝置主要由離子電池供電，接觸網(wǎng)和輕軌可通過接觸網(wǎng)或通過電池與對(duì)講機(jī)電路通電運(yùn)行。超級(jí)電容器的研究也非常廣泛。根據(jù)德國的研究實(shí)驗(yàn)結(jié)果，輕軌超級(jí)電容器的節(jié)能效果達(dá)到30%。東海鐵道株式會(huì)社也獲得了類似的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。除了輕軌，超級(jí)電容器還可用于通過牽引系統(tǒng)發(fā)電的混合動(dòng)力汽車。研究表明，在德國內(nèi)燃電動(dòng)混合動(dòng)力汽車中使用超級(jí)電容器進(jìn)行儲(chǔ)能可以減少二氧化碳排放并降低成本。超級(jí)電容器容量小，但壽命長。初期投資也在10年內(nèi)收回。超級(jí)電容器也可用于陸地能源系統(tǒng)。超級(jí)電容器是日本陸地儲(chǔ)能系統(tǒng)中使用的主要設(shè)備。意大利的一項(xiàng)案例研究表明，使用超級(jí)電容器的地面儲(chǔ)能系統(tǒng)不僅有助于調(diào)峰，還可以降低空調(diào)成本。飛輪儲(chǔ)能的研究也在飛風(fēng)扇的發(fā)展中。在電力系統(tǒng)中，飛輪儲(chǔ)能技術(shù)主要用于降低用電負(fù)荷的峰谷填谷，同時(shí)可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。從2009年開始，美國進(jìn)入飛輪儲(chǔ)能商業(yè)化階段，這一事件進(jìn)一步刺激了飛輪儲(chǔ)能技術(shù)的興起，并出現(xiàn)了多個(gè)飛輪協(xié)同工作的工程應(yīng)用，導(dǎo)致容量和容量的顯著提升。飛輪的功率從千瓦級(jí)增加到兆瓦級(jí)。2010年，美國BeaconPower組建了200個(gè)100kW/25kWh飛輪陣列，使飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)總?cè)萘窟_(dá)到100MW/SMWh}2}。o德國在單飛輪方面做了大量的研究，致力于提高單飛輪、飛輪的充放電功率和儲(chǔ)能能力。2011年，德國Piper公司利用單飛輪充放電功率，維持15秒最大功率輸出，調(diào)峰功率達(dá)到1.65MW。由于工程應(yīng)用的需求，飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)正朝著大容量、大功率的方向發(fā)展。2.國內(nèi)研究我國將電池應(yīng)用于電力系統(tǒng)的研究有著悠久的歷史。由于電力工業(yè)的發(fā)展和電池制造技術(shù)的快速發(fā)展，未來10年它一直在不斷變化。一般來說，1970年代之前用于電力系統(tǒng)的電池都是鉛酸電池。1970年代開始使用半封閉式鉛酸電池，1980年代中期開始普遍使用100Ah以下的鎳強(qiáng)化電池。1990年代具有安裝方便、維護(hù)少、環(huán)保等一系列高可靠性優(yōu)點(diǎn)。1990年代后期迅速占領(lǐng)市場，廣泛應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域。2010年，三套100kw鎳氫電池儲(chǔ)能系統(tǒng)在九溪變電站儲(chǔ)能試驗(yàn)園實(shí)施。在韓國，飛輪能量的利用還處于理論研究階段，大部分理論成果還處于實(shí)驗(yàn)階段，工程應(yīng)用與其他國家相比還存在不足。清華大學(xué)于1997年設(shè)計(jì)的復(fù)合飛輪儲(chǔ)能裝置是韓國首個(gè)成功實(shí)現(xiàn)充放電的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)。第二代儲(chǔ)能系統(tǒng)于1999年設(shè)計(jì)，容量翻倍[yo-I2]。之后，中國科學(xué)院設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種微電網(wǎng)慣性儲(chǔ)能裝置，該裝置的主要目的是提高微電網(wǎng)的電能質(zhì)量，應(yīng)用是保證和提高電網(wǎng)系統(tǒng)安全運(yùn)行的穩(wěn)定性和可靠性.讓它中國科學(xué)院在超導(dǎo)磁懸浮技術(shù)方面也取得了不錯(cuò)的成績。2017年，盾石磁能科技有限公司成功研發(fā)出大功率GTR飛輪儲(chǔ)能裝置，該裝置單飛輪放電功率333kW，儲(chǔ)能容量1.56kWh，采用磁懸浮技術(shù)，充放電時(shí)振動(dòng)較大，飛輪儲(chǔ)能技術(shù)是中國飛輪儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用史上的一個(gè)重要里程碑，在我們的項(xiàng)目中得到廣泛應(yīng)用。二、多種儲(chǔ)能系統(tǒng)分析（一）蓄電池儲(chǔ)能技術(shù)1.蓄電池儲(chǔ)能分類電池儲(chǔ)能是一項(xiàng)歷史悠久、發(fā)展成熟的儲(chǔ)能技術(shù)，廣泛應(yīng)用于生活的各個(gè)領(lǐng)域，并且通過不斷的改進(jìn)，也發(fā)展出了各種類型。下面介紹常用的電池種類、學(xué)習(xí)中必須掌握的參數(shù)、充放電方法。以下是常用電池類型的一些典型示例。W鉛酸閥調(diào)節(jié)電池：由于其結(jié)構(gòu)特性，這些電池的電解液消耗量非常低，因此需要很少的額外水。優(yōu)點(diǎn)是對(duì)高溫和振動(dòng)的適應(yīng)性強(qiáng)，使用壽命長，自放電率低。鉛酸VRB主要用于汽車和電動(dòng)汽車的電力，最近也廣泛應(yīng)用于通信、配電網(wǎng)、交通牽引等領(lǐng)域。鉛酸膠體電池：膠體電池是在鉛酸電池的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，硫酸通過凝膠形成膠體狀態(tài)。其主要優(yōu)點(diǎn)是：經(jīng)濟(jì)和環(huán)保成本低，可以提高電池的性能，放電穩(wěn)定，拐點(diǎn)高，比能量大，比鉛酸閥壽命長。它是經(jīng)過調(diào)節(jié)的電池，受溫度影響較小。近年來，膠體電池也得到了廣泛的應(yīng)用，主要用于大規(guī)模儲(chǔ)能應(yīng)用。Ni-FuBattery:Ni-Fu電池是一種經(jīng)濟(jì)型長壽命電池，充放電循環(huán)壽命可達(dá)1000次以上，放電時(shí)電壓不明顯下降。它非常適合用于直流電子設(shè)備（如數(shù)字設(shè)備）中的電池，但由于其毒性而在許多國家/地區(qū)被禁止使用。鎳氫電池：鎳氫電池電流比普通堿性電池大，優(yōu)于鎳氟電池，因此對(duì)快速耗電有很好的適用性。主要用于動(dòng)力電池，也廣泛用作通訊設(shè)備的電源。樁電池：樁電池以樁離子為材料儲(chǔ)存電能，具有在兩極之間移動(dòng)的可逆性，具有能量密度高、使用壽命長、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)。大多數(shù)情況下，它們是計(jì)算機(jī)電源、手機(jī)和其他小型設(shè)備。磷酸鐵焦耳技術(shù)的發(fā)展是實(shí)現(xiàn)大容量焦耳電池儲(chǔ)能的關(guān)鍵，雖然磷酸鐵焦耳的能量密度較低，但安全性能大大提高，是一種儲(chǔ)能技術(shù)。液流電池（包括釩電池和鋅澳電池）:液流電池充放電性能好，頻率高。輸出功率和儲(chǔ)能容量由化學(xué)反應(yīng)面積和存儲(chǔ)的電解液體積決定，可以單獨(dú)設(shè)計(jì)，大大增加了電池的靈活性。液流電池電化學(xué)極化程度小，其中全釩液流電池具有儲(chǔ)能容量大、100%深度放電、能效高、充放電快、壽命更長等優(yōu)點(diǎn)。比同類型的其他產(chǎn)品。2.蓄電池充電方式在電池的充放電過程中，不同的充電方式會(huì)不同程度地影響電池的壽命。充電方式主要有恒流充電、恒壓充電、恒功率充電、風(fēng)扇快速充電等。（1）恒流充電方式電池恒流充電是指充電電流恒定，充電曲線如圖2-1所示。充電時(shí)，根據(jù)電池端電壓的變化實(shí)時(shí)調(diào)整充電電流，保證電流恒定，這種方式主要應(yīng)用于多節(jié)電池串聯(lián)配置電池組時(shí)。這種充電方式比較適合電流不大但時(shí)間較長的情況，因?yàn)楫?dāng)單節(jié)電池的電壓低于其他值或標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，可以快速恢復(fù)低壓電池的電量.這種方法的缺點(diǎn)是在充電后期，充電電流變大，釋放的氣體較多，一定程度上影響了充放電效率。(2)恒壓充電方式恒壓充電是指對(duì)電池進(jìn)行恒壓充電，充電曲線如圖2-2所示。充電開始時(shí)，電池兩端的初始電壓較小，因此電流會(huì)稍大一些，但隨著充電的進(jìn)行，電流逐漸減小。在充電結(jié)束時(shí)，電流可以減小到一個(gè)很小的值，所以在這個(gè)過程中不需要控制電流。與上述方法相比，充電過程中產(chǎn)生的氣體更少，充電時(shí)間更短。需要注意的是，過大的初始充電電流可能會(huì)超過電池的額定電流，容易損壞電池。(3)恒功率充電方式恒定功率充電是指從固定電源對(duì)對(duì)電池充電。常規(guī)電網(wǎng)是集電能的產(chǎn)生、轉(zhuǎn)換、傳輸、分配和使用為一體的系統(tǒng)，電力系統(tǒng)的功率實(shí)時(shí)波動(dòng)，必須控制功率平衡。對(duì)于一些小規(guī)模的用電，如微電網(wǎng)，往往使用新能源發(fā)電，同時(shí)用戶較少，往往存在不平衡。這個(gè)現(xiàn)象。當(dāng)系統(tǒng)檢測到功率變化并獲得功率差時(shí)，通過電力電子變流器控制來保證系統(tǒng)的功率平衡，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)電池的恒功率充電。這樣，儲(chǔ)能系統(tǒng)以恒定功率存儲(chǔ)和供應(yīng)電能，實(shí)現(xiàn)內(nèi)部功率平衡，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的電壓和頻率穩(wěn)定。這種方法可以有效地解決電力平衡問題，特別是應(yīng)用于微電網(wǎng)時(shí)，可以調(diào)節(jié)和分配電力。(4)分段充電方式基于上述方法，常用的有二階段充電法和三階段充電法，如圖2-3所示。兩步充電法是在啟動(dòng)時(shí)恒流充電，當(dāng)電池達(dá)到一定容量時(shí)再恒壓充電的方法。三相充電是基于增加了一個(gè)恒壓浮充階段?？梢源_認(rèn)電池已經(jīng)充滿電了，這種方法充電效果很好，很完美。(5)快迷充電方式除上述方法外，為總結(jié)上述優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，人們開發(fā)了幾種減少化學(xué)反應(yīng)時(shí)間的方法和技術(shù)，主要包括脈沖充電法、變電流間歇充電法等。(二)超級(jí)電容儲(chǔ)能技術(shù)1.超級(jí)電容工作原理1960年代出現(xiàn)的超級(jí)電容器，與電池相比，是一種優(yōu)越、環(huán)保、非常實(shí)用的儲(chǔ)能方式。最近，超級(jí)電容器在韓國新興能源領(lǐng)域蓬勃發(fā)展，許多西方國家將超級(jí)電容器相關(guān)研究項(xiàng)目列入國家重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目。超級(jí)電容器作為分布式儲(chǔ)能設(shè)備用于多種用途，為電網(wǎng)中的突發(fā)事件做準(zhǔn)備。功率穩(wěn)定性超級(jí)電容器和燃料電池的組合可用于電動(dòng)或混合動(dòng)力汽車，以最大限度地減少電池?fù)p耗并延長使用壽命，同時(shí)提高動(dòng)力汽車的耐用性和實(shí)用性。儲(chǔ)能系統(tǒng)的壽命，在交通運(yùn)輸方面，列車的特殊功能需要連續(xù)頻繁的起停，在此期間，由于工況反復(fù)變化而損失的能量非常大，超級(jí)電容器可以儲(chǔ)存制動(dòng)時(shí)的能量，釋放時(shí)，除了省電性能外，還可以用于各種領(lǐng)域，即使是軍用，其用途也非常廣泛。超級(jí)電容器的結(jié)構(gòu)和電容原理不同于傳統(tǒng)的儲(chǔ)能器件，其工作原理是基于雙電層電容效應(yīng)。雙電層電容器由集流體、電解液、極化電極和隔膜四部分組成，電容器的性能受極化電極和電解液的影響。2.超級(jí)電容特點(diǎn)與化學(xué)電池相比，超級(jí)電容器具有明顯的性能特點(diǎn)和儲(chǔ)能優(yōu)勢：充電更快。普通化學(xué)電池充電到一定容量可能需要幾個(gè)小時(shí)，但由于超級(jí)電容器采用大電流充電，因此超級(jí)電容器的充電過程可以在幾分鐘甚至10秒內(nèi)完成。高功率密度。超級(jí)電容器的功率密度是常規(guī)化學(xué)電池的10倍，因此可以提供特別大的脈沖電流，并且可以配置一定容量的超級(jí)電容器來滿足高功率要求，也適用于頻繁負(fù)載。波動(dòng)場，可以大大提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。更長的使用壽命。與其他電容器不同，超級(jí)電容器的充放電過程沒有任何內(nèi)部化學(xué)變化，是一個(gè)物理過程，整個(gè)過程是完全可逆的，因此超級(jí)電容器的壽命不會(huì)因?yàn)槌浞烹娺^程而縮短。受環(huán)境溫度影響較小。超級(jí)電容器在軍事領(lǐng)域發(fā)揮著非常重要的作用，即使在零下10攝氏度的環(huán)境下也能正常工作，因此與其他儲(chǔ)能器件相比，它能夠很好地適應(yīng)較低的溫度和惡劣的環(huán)境，并保持良好的性能。對(duì)環(huán)境有輕微污染。超級(jí)電容器使用碳作為材料，在整個(gè)應(yīng)用過程中不會(huì)污染環(huán)境，與傳統(tǒng)化學(xué)電池相比，可以減少許多有害物質(zhì)的排放，如今全球污染問題嚴(yán)重，超級(jí)電容器值得研究。作為發(fā)展趨勢.除了上述優(yōu)點(diǎn)外，超級(jí)電容器還有一些不可忽視的缺點(diǎn)。超級(jí)電容器的能量密度很小。所以使用同樣的容量需要超級(jí)電容，需要更大的空間、更重的重量和更高的成本，這就是端電壓波動(dòng)的問題。超級(jí)電容器的端電壓變化，在儲(chǔ)能過程中需要額外的電力電子器件來保持整個(gè)充放電過程中輸出電壓的穩(wěn)定，這是電壓平衡的問題。超級(jí)電容器的電壓單體比較小，通常采用串聯(lián)和并聯(lián)的方式來滿足應(yīng)用的高電壓和大容量條件。然而，電容器組內(nèi)部存在電壓不平衡問題，影響其效率，縮短其使用壽命，因此有必要對(duì)其電壓平衡控制進(jìn)行研究。由于交流列車高鐵的制動(dòng)功率較高，對(duì)容量和功率等級(jí)的需求高于地鐵等直流網(wǎng)絡(luò)。牽引網(wǎng)在這方面存在一些缺陷，所以沒有選擇這個(gè)話題。三、鐵路儲(chǔ)能系統(tǒng)分析（一）背靠背混合儲(chǔ)能系統(tǒng)分析背靠背混合儲(chǔ)能系統(tǒng)接入牽引供電系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖所示。其中，背靠背混合儲(chǔ)能系統(tǒng)主要由混合儲(chǔ)能單元、背靠背變流器及降壓變壓器構(gòu)成?；旌蟽?chǔ)能系統(tǒng)中蓄電池與超級(jí)電容通過雙向DC/DC變流器并行接至公用直流電容，實(shí)現(xiàn)電量的余缺調(diào)劑;所示背靠背變流器借鑒鐵路功率調(diào)節(jié)器基本原理，通過采用2臺(tái)單相四象限變流器，直流側(cè)共同接于公用電容，交流側(cè)經(jīng)濾波后通過降壓變壓器分別跨接于兩側(cè)27.5kV牽引饋線上，形成結(jié)構(gòu)對(duì)稱的背靠背結(jié)構(gòu)，通過控制兩側(cè)變流器輸出功率，實(shí)現(xiàn)α,β相間再生制動(dòng)能量的優(yōu)化利用及無功負(fù)序動(dòng)態(tài)補(bǔ)償。整個(gè)系統(tǒng)的能量分配關(guān)系如圖所示。其中:尸二、尸。分別為a,p相牽引負(fù)荷的有功功率;為牽引負(fù)荷總有功功率，即p=pa+pR;pac"p(3。分別為a,p相變流器輸出有功;psystem為電力系統(tǒng)輸出功率;pESref為混合儲(chǔ)能系統(tǒng)參與調(diào)劑的功率;pabd為未利用電量(通過制動(dòng)電阻耗散);pba，為蓄電池輸出功率;Ps。為超級(jí)電容輸出功率;ptr。為牽引工況判定閡值;尸reg為制動(dòng)工況判定閡值。通過判定閡值Ptra"P_reg及檢測的實(shí)時(shí)功率P,將牽引側(cè)運(yùn)行狀態(tài)劃分為牽引狀態(tài)、空載、制動(dòng)狀態(tài)。其中，牽引及制動(dòng)狀態(tài)下各單元之間的功率關(guān)系如下:空載狀態(tài)下，兩電臂的空載損耗由電力系統(tǒng)提供p-psystem;同時(shí)，為保證下一次動(dòng)作高效執(zhí)行，蓄電池依據(jù)其荷電狀態(tài)進(jìn)行充電/待機(jī)控制，SC進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。為改善牽引供電系統(tǒng)電能質(zhì)量，利用背靠背變流器四象限運(yùn)行能力:一方面通過輸出無功電流進(jìn)行一定的無功補(bǔ)償;另一方面，通過對(duì)兩供電臂的有功電流進(jìn)行動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)移，混合儲(chǔ)能系統(tǒng)參與余缺調(diào)劑的方式，降低負(fù)序電流，減小三相電壓不平衡度，以實(shí)現(xiàn)對(duì)牽引供電系統(tǒng)無功負(fù)序的綜合補(bǔ)償。為簡化說明，以兩臂均為牽引工況為例，則補(bǔ)償后系統(tǒng)伽1丫相申流午量圖。（二）飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)與前兩種儲(chǔ)能技術(shù)相比，飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)（FESS）是一種超越常規(guī)化學(xué)電池范圍的新型機(jī)械儲(chǔ)能技術(shù)。高轉(zhuǎn)速飛輪用于儲(chǔ)能，通過與飛輪相連的電動(dòng)機(jī)/發(fā)電機(jī)實(shí)現(xiàn)電能和動(dòng)能的相互轉(zhuǎn)換。1970年代，國外首次對(duì)飛輪儲(chǔ)能進(jìn)行了研究，其中美國在該領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位，其次是日本和德國。我國在飛輪儲(chǔ)能領(lǐng)域起步晚于歐美，其中中科院電機(jī)所在飛輪儲(chǔ)能領(lǐng)域處于領(lǐng)先地位。科學(xué)院牽頭研究它。1990年代以后，一些高校逐漸開始探索相關(guān)領(lǐng)域?？偟膩碚f，韓國對(duì)飛輪儲(chǔ)能技術(shù)的研究大多集中在高校和科研院所，大多處于理論研究階段，相關(guān)實(shí)驗(yàn)和實(shí)際工程應(yīng)用較少。飛輪儲(chǔ)能技術(shù)主要由三部分組成：存儲(chǔ)能量的飛輪轉(zhuǎn)子，負(fù)責(zé)能量轉(zhuǎn)換的發(fā)電機(jī)或電動(dòng)機(jī)，以及支撐轉(zhuǎn)子的提取系統(tǒng)。還有一些支撐系統(tǒng)，如真空室、外殼等。飛輪儲(chǔ)能是通過飛輪轉(zhuǎn)子實(shí)現(xiàn)的。儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率密度和能量密度受轉(zhuǎn)子的質(zhì)量、形狀和旋轉(zhuǎn)的影響，是影響儲(chǔ)能容量的最重要因素之一。由于最大旋轉(zhuǎn)與發(fā)展息息相關(guān)，因此材料工業(yè)中復(fù)合材料飛輪的大規(guī)模研發(fā)是未來飛輪轉(zhuǎn)子發(fā)展的關(guān)鍵。軸承的作用是支撐飛輪轉(zhuǎn)子和電機(jī)，針對(duì)飛輪轉(zhuǎn)子高轉(zhuǎn)速、高負(fù)載、低損耗的要求，開發(fā)了常規(guī)軸承、超導(dǎo)磁懸浮、永磁懸浮和電磁懸浮技術(shù)。特別是高溫超導(dǎo)磁力軸承具有更高的旋轉(zhuǎn)、更長的使用壽命和無機(jī)械磨損的優(yōu)點(diǎn)。受到了許多國家的高度重視，這也是未來克服大型飛輪軸承技術(shù)難點(diǎn)的主要方向。飛輪電機(jī)是實(shí)現(xiàn)電能和機(jī)械能轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵，電機(jī)可以通過發(fā)電機(jī)和電機(jī)兩種方式工作，而且由于飛輪轉(zhuǎn)速非?？欤姍C(jī)通常使用功率更大的高端電機(jī)。功能。永磁電機(jī)、磁阻電機(jī)、感應(yīng)電機(jī)等結(jié)構(gòu)復(fù)雜。其中永磁電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、磁密度高、無勵(lì)磁損耗、效率高，適用于中小型高發(fā)電機(jī)。供電系統(tǒng)與電動(dòng)機(jī)之間的橋梁是系統(tǒng)的電能轉(zhuǎn)換電路，主要用于控制電動(dòng)機(jī)（或發(fā)電機(jī)）實(shí)現(xiàn)電能和動(dòng)能的相互轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)雙向.能量流。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，IGBT、工業(yè)GCT等新型功率器件的應(yīng)用越來越廣泛和完善，可以進(jìn)一步提高功率轉(zhuǎn)換電路的能量轉(zhuǎn)換效率和器件的開關(guān)頻率。減少傳導(dǎo)損耗。飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的工作原理是通過飛輪的高速旋轉(zhuǎn)將傳入的電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能存儲(chǔ)。具體流程為：當(dāng)飛輪儲(chǔ)能裝置處于充電儲(chǔ)能模式時(shí)，此時(shí)飛輪電機(jī)作為電機(jī)，引入電能后，由三相變流器驅(qū)動(dòng)電機(jī)。通過連接轉(zhuǎn)子形成扇形，將電能轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能。當(dāng)飛輪增加到最高轉(zhuǎn)速時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)從儲(chǔ)能模式切換到儲(chǔ)能模式（待機(jī)狀態(tài)），在此期間飛輪的轉(zhuǎn)子速度保持恒定。直到控制系統(tǒng)發(fā)出信號(hào)飛輪進(jìn)入能量釋放模式（放電狀態(tài)），此時(shí)電機(jī)工作在發(fā)電機(jī)模式，飛輪轉(zhuǎn)子驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，電能流入電網(wǎng)?；蛘?，它通過傳感器施加負(fù)載將動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能。飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，能量轉(zhuǎn)換過程是由電機(jī)完成的，因此選擇合適的電機(jī)類型對(duì)飛輪儲(chǔ)能性能影響很大。飛輪電機(jī)轉(zhuǎn)速高，轉(zhuǎn)動(dòng)范圍大，對(duì)電機(jī)提出了更高的要求，在選擇電機(jī)型號(hào)時(shí)，必須滿足以下要求：(1)基本條件：電機(jī)必須是可逆的。即必須能夠同時(shí)滿足發(fā)電模式和電力模式的運(yùn)行，發(fā)電/發(fā)電效率必須高。(2)應(yīng)用條件：電機(jī)可以高速旋轉(zhuǎn)，適應(yīng)大范圍的風(fēng)度變化。(3)穩(wěn)定條件：為了保證整個(gè)儲(chǔ)能系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，飛輪電機(jī)應(yīng)具有快速的充放電切換響應(yīng)和更好的調(diào)諧性能。(4)功能條件：電機(jī)必須有更大的輸出和輸出扭矩，并且必須有更低的空載損耗。(5)經(jīng)濟(jì)條件：是電機(jī)的壽命和空載損耗。為了最大限度地提高儲(chǔ)能的經(jīng)濟(jì)性，飛輪電機(jī)必須具有較長的使用壽命和較低的空載損耗。(6)實(shí)用性：電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，堅(jiān)固耐用，運(yùn)行穩(wěn)定，易于維護(hù)。按照以上要求，可選的電機(jī)包括感應(yīng)電機(jī)、永磁電機(jī)和磁阻電機(jī)，永磁飛輪儲(chǔ)能裝置依靠電機(jī)的狀態(tài)變化來實(shí)現(xiàn)各種工況的運(yùn)行，通常以充電來區(qū)分。工作條件和連續(xù)工作條件。1.系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)該系統(tǒng)安裝在變電站內(nèi)，系統(tǒng)由現(xiàn)有鐵組成，采用高鐵常用的VW型變壓器連接方式設(shè)計(jì)。在連接開關(guān)閉合的情況下，兩個(gè)供電臂分別為左右上下線供電，飛輪儲(chǔ)能單元通過后部與供電臂相連。用于儲(chǔ)能和釋放的背對(duì)背轉(zhuǎn)換器和降壓變壓器。兩個(gè)電源臂通過背靠背轉(zhuǎn)換器連接在一起，中間直流環(huán)節(jié)安裝了飛輪儲(chǔ)能裝置，這種安裝方式是一套飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)可以同時(shí)為兩個(gè)電源供電。補(bǔ)償T1和T2臂可以顯著降低變壓器的峰值功率概率，同時(shí)吸收和再利用兩個(gè)功率臂產(chǎn)生的再生電能，有效減少變壓器的損壞2.變流器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)背靠背轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)通過降壓變壓器連接到兩個(gè)電源臂中的每一個(gè)。該系統(tǒng)包括兩個(gè)背靠背電壓源變流器，在變流器直流側(cè)安裝一個(gè)電容器，直流電容器用于穩(wěn)定直流側(cè)電壓，附加一個(gè)飛輪儲(chǔ)能裝置，兩者之間采用協(xié)調(diào)控制。兩臺(tái)單臂換流變壓器，一臺(tái)逆變器控制無功功率和直流側(cè)電網(wǎng)電壓，另一臺(tái)逆變器負(fù)責(zé)能量分配，變壓器對(duì)外放電時(shí)飛輪儲(chǔ)能裝置對(duì)外放電。達(dá)到批準(zhǔn)的負(fù)載以降低變壓器的峰值需求。當(dāng)線路中有制動(dòng)能量時(shí)執(zhí)行能量回收。背靠背變流器通過電抗器和單相降壓變壓器與牽引變壓器的二次側(cè)供電臂相連，使兩個(gè)供電臂進(jìn)行功率融合，使兩個(gè)供電臂負(fù)載相同，因此是負(fù)序的，由于電流的影響，兩個(gè)轉(zhuǎn)換器都可以抑制諧波。飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)可以通過背靠背變流器實(shí)現(xiàn)能量傳輸，降低變壓器的高峰需求，降低高峰需求收費(fèi)，避免供電部門的罰款，同時(shí)減少投資。（三）混合儲(chǔ)能系統(tǒng)1.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)混合儲(chǔ)能系統(tǒng)主要由鐵路功率調(diào)節(jié)器（RPC）、雙向DC-DC轉(zhuǎn)換器、電池和超級(jí)電容器組成，RPC由兩個(gè)電壓源轉(zhuǎn)換器組成，形成對(duì)稱的背靠背結(jié)構(gòu)。變流器的工作狀態(tài)實(shí)現(xiàn)了牽引變電所左右供電臂之間有功功率的雙向傳輸，電池和超級(jí)電容分別通過雙向DC-DC變流器接入直流母線，形成混合動(dòng)力。儲(chǔ)能系統(tǒng)功率充放電由兩個(gè)控制器獨(dú)立控制，便于不同儲(chǔ)能元件之間的能量調(diào)度和功率分配，并可以實(shí)現(xiàn)充放電狀態(tài)的靈活切換，存儲(chǔ)和釋放列車再生制動(dòng)。2.系統(tǒng)工作原理電氣化鐵路混合儲(chǔ)能系統(tǒng)忽略了系統(tǒng)的傳輸損耗，通過背靠背變流器有效回收列車制動(dòng)產(chǎn)生的再生能量，按照?qǐng)D1規(guī)定的正方向顯示功率關(guān)系。在上述系統(tǒng)中，您可以分別得到左右轉(zhuǎn)換器的輸出功率。pHESS為混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的輸出功率，pbat為電池的輸出功率，Ps。超級(jí)電容器的輸出。當(dāng)列車產(chǎn)生再生制動(dòng)能量時(shí)，在牽引供電系統(tǒng)中優(yōu)先用于同一臂或不同臂。定義牽引網(wǎng)左右動(dòng)力臂負(fù)載有功功率之和為pLoad，即pLoad-pLa+pL，并將混合儲(chǔ)能系統(tǒng)的充放電閾值設(shè)置為pN'。這里，當(dāng)pLoadpN時(shí)，多余的再生制動(dòng)能量被混合儲(chǔ)能系統(tǒng)吸收，當(dāng)pLoadPP時(shí)，混合動(dòng)力儲(chǔ)能系統(tǒng)釋放回收的再生制動(dòng)能量以減輕鐵路負(fù)荷。因此，為了平衡左右電源臂的負(fù)載，混合儲(chǔ)能裝置的目標(biāo)功率可以表示如下。文獻(xiàn)的方法，即在系統(tǒng)運(yùn)行過程中，需要限制混合儲(chǔ)能系統(tǒng)和變流器的最大輸出功率，儲(chǔ)能介質(zhì)的功率和荷電狀態(tài)（SOC）必須在一定范圍內(nèi)運(yùn)行。參考文獻(xiàn)[1]耿安琪,胡海濤,張育維,等.基于階梯能量管理的電氣化鐵路混合儲(chǔ)能系統(tǒng)控制策略[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào),2021,36(23):10.[2]鄔明亮,戴朝華.電氣化鐵路自發(fā)自用型光伏儲(chǔ)能系統(tǒng)及其控制策略[J].供用電,2018,35(12):7.[3]鄔明亮,王世彥.面向電氣化鐵路的