铁轨重力储能系统效率影响因素研究_秦婷婷.pdf
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1、第 12 卷 第 3 期2023 年 3 月Vol.12 No.3Mar.2023储能科学与技术Energy Storage Science and Technology铁轨重力储能系统效率影响因素研究秦婷婷1,2,周学志1,2,3,郭丁彰1,2,盛勇1,徐玉杰1,2,左志涛1,2,3,李辉1,2,3,陈海生1,2,3(1中国科学院工程热物理研究所,北京 100190;2中国科学院大学,北京 100049;3毕节高新技术产业开发区国家能源大规模物理储能技术研发中心,贵州 毕节 551712)摘要:储能是建设以新能源为主体的新型电力系统的重要支撑技术,对实现“碳达峰碳中和”目标具有重要意义。铁轨
2、重力储能属于物理储能,具有规模大、成本低、效率高、环境友好以及无自放电等优势,应用前景广阔。本工作基于MATLAB/Simulink搭建了铁轨重力储能系统模型,分析了系统各个部件在储能过程和释能过程中的能量损耗情况,研究了载重车辆质量、车辆速度、斜坡坡度、斜坡高度和滚动摩擦系数等因素对系统效率的影响及其变化规律。研究结果表明,车辆速度、斜坡坡度、斜坡高度和滚动摩擦系数对系统效率的影响十分显著,降低速度和滚动摩擦系数以及适当增加坡度和高度,可有效提高系统效率;在设计工况下,载重车辆160 t、车速20 km/h、斜坡高度200 m、斜坡坡度7、滚动摩擦系数0.006,对应系统的输出功率为1.04
3、 MW,系统效率达76.20%。关键词:储能技术;物理储能;重力储能;铁轨重力储能doi:10.19799/ki.2095-4239.2022.0634 中图分类号:TK 02 文献标志码:A 文章编号:2095-4239(2023)03-835-11Study on factors influencing rail gravity energy storage system efficiencyQIN Tingting1,2,ZHOU Xuezhi1,2,3,GUO Dingzhang1,2,SHENG Yong1,XU Yujie1,2,3,ZUO Zhitao1,2,LI Hui1,2,
4、3,CHEN Haisheng1,2,3(1Institute of Engineering Thermophysics,Chinese Academy of Science,Beijing 100190,China;2University of Chinese Academy of Science,Beijing 100049,China;3National Energy Large Scale Physical Energy Storage Technologies R&D Center of Bijie High-tech Industrial Development Zone,Biji
5、e 551712,Guizhou,China.)Abstract:Energy storage is an important supporting technology for constructing a new power system with new energy as the main body,which is of great significance to achieving the goal of carbon peak and carbon neutrality.Rail gravity energy storage belongs to physical energy
6、storage,which has the advantages of large scale,low cost,high efficiency,eco-friendly,and no self-discharge,resulting in broad application prospects.In this study,a rail gravity energy storage system model was built based on MATLAB/Simulink,and the energy loss of each component of the system in the
7、energy storage and energy release processes were analyzed.The influence of factors such as the mass of the vehicle,the speed of the vehicle,the inclination of the slope,the height of the slope,and the rolling friction coefficient on the system efficiency and their variation rules were studied.These
8、factors significantly reduce the speed 储能系统与工程收稿日期:2022-10-31;修改稿日期:2022-11-14。基金项目:大规模储能技术研发与示范国际合作计划(182211KYSB20170029);黔科合支撑2020(2Y064);黔科合基础2020(1Y240)。第一作者:秦婷婷(1996),女,硕士研究生,研究方向为铁轨重力储能总体设计及并网控制,E-mail:;通讯作者:陈海生,研究员,博士,研究方向为新型大规模储能技术、传热与储热(冷)特性等,E-mail:chen_。2023 年第 12 卷储能科学与技术and rolling fric
9、tion coefficient,and increase the slope and height appropriately,resulting in an efficient system.Under these design conditions,the load vehicle of 160 t the speed of 20 km/h,the slope of 200 m,the slope of 7,and the rolling friction coefficient of 0.006 was achieved.The corresponding system output
10、power and efficiency are 1.04 MW and 76.20%,respectively.Keywords:energy storage technology;physical energy storage;gravity energy storage;rail gravity energy storage随着“碳达峰碳中和”目标的提出,建设以新能源为主体的新型电力系统成为我国能源结构转型的主要方向1。然而,风能、太阳能等新能源发电系统具有间歇性、不稳定性等特点,因此需要配置储能系统以实现“源-网-荷-储”动态平衡2。诸多储能技术中,重力储能备受人们关注,其具有成本低、
11、效率高、环境友好、场景适应性强、储能时间长且无自放电等优势3。重力储能系统的原理是通过固体或液体介质的势能差实现能量的储存与释放,发展迅速且形式多样,包括活塞式、悬重式、塔吊式、缆车式和铁轨机车式等。活塞式4和悬重式5重力储能系统分别利用水泵水轮机和缆绳在竖井中提升和下放重物块,其系统存储容量受竖井尺寸和重物块质量的限制难以自由调节;塔吊式6重力储能系统利用塔吊控制重物块的提升和下放,积成塔状建筑,稳定性较差且存在安全隐患;缆车式7重力储能系统利用缆车作为重物块的运输设备,并通过挂载装置与架空索道相结合,实现重物在不同地势间的提升和下降,该系统对架空索道和挂载装置的承重要求较高,而且重物在空中
12、易摇摆,安全系数较低。相比之下,铁轨重力储能系统8-9以载重车辆作为重物块的运载设备,依托地势和铁轨实现重物块在高低海拔平台间往复移动,技术风险低、稳定性好、安全系数高,且可以通过调整载重车辆的数量和速度灵活调节储能系统的容量和响应速度,具有良好的发展前景。国内外对铁轨重力储能的研究尚处于起步阶段,曾蓉等10-15对铁轨重力储能的运行原理及能量转换过程进行了理论研究,并开展了经济性对比分析,证实了发展铁轨重力储能系统的技术和经济可行性。美国ARES公司16于2011年提出利用轨道-机车实现重物块势能存储的方案,理论分析认为该系统效率可达75%86%。为了提高系统效率,肖立业等17提出采用永磁同
13、步电机轮轨支撑结构实现无接触式供电,结果表明,该改进方案储能自耗散小,可实现长距离轨道的高效率储能。罗振军等18、Peitzke 等19提出了加装缆绳-绞盘组或缆索-绞盘组等方式提升机构扩大适用坡度范围,结果表明,该改进方案减少了地理条件约束,系统效率可达90%。此外,柴源20采用MATLAB构建了缆绳-绞盘组式铁轨重力储能稳态模型,结果表明,当忽略系统运行时的加速过程后,系统在30坡度时 的 储 释 能 效 率 分 别 达 92.0%和 91.3%。Bottenfield等21论证了在West Virginia州山区开展铁轨重力储能系统应用的可行性,并采用MATLAB构建了铁轨重力储能动态模
14、型,探究了系统功率随坡度变化关系,结果表明,100 t重物在4.5斜坡轨道运行的输入输出功率分别为 232.43 kW 和216.45 kW。综上可知,铁轨重力储能技术及其理论研究已经得到了国内外学者的广泛关注,然而,关于系统效率影响因素的研究仍不完善,不同因素对系统性能影响规律的研究亟待开展。因此,本工作基于MATLAB/Simulink软件,搭建了铁轨重力储能动态模型,分析了系统各个环节的损耗特性及其变化规律,研究了载重车辆质量、速度、斜坡坡度、斜坡高度和轮轨间滚动摩擦系数等关键因素对系统效率的影响规律,旨在为铁轨重力储能工程应用提供理论指导依据。1 系统模型建立1.1工作原理铁轨重力储能
15、系统主要包括载重车辆、斜坡轨道、高低海拔平台以及永磁同步电机等部件。载重车辆作为移动载体,基于斜坡轨道实现重物块在高低海拔平台间的转移,从而实现储释能过程,并通过永磁同步电机完成机械能和电能之间的相互转化,其工作原理如图1所示。系统运行过程分为储能阶段和释能阶段。储能836第 3 期秦婷婷等:铁轨重力储能系统效率影响因素研究时,电机消耗电能,经传动系统与载重车辆轮轴连接,驱动载重车辆从低海拔平台运动到高海拔平台,将电能以重力势能的形式存储;释能时,载重车辆沿斜坡轨道运动,自身重力作用下带动电机转动,将重力势能转换为幅值、频率都随车速变化的变流电,并通过双向变流器装置及控制系统实现并网。1.2模
16、型建立MATLAB/Simulink常用于实现工程问题的模块化及动态仿真22,集成了大量经实验验证的电力系统和车辆传动系统模型,而且能够实现控制策略编写,因此本工作基于MATLAB/Simulink进行铁轨重力储能系统模型建立。系统模型主要由部件模型与控制策略模型组成,部件模型包括载重车辆模型与永磁同步电机模型,控制策略模型包括载重车辆速度控制模型、电机控制模型以及网侧变换器控制模型。1.2.1假设条件由于铁轨重力储能系统结构较复杂,为降低模型复杂程度并提高计算效率,在保证模型可靠性的前提下做如下假设:暂不考虑车辆在高低海拔平台的运动过程,即忽略重物在平台上的转载过程。载重车辆的车轮、构架、轴
17、箱和车体考虑为刚体。忽略电机铁芯饱和、磁滞及涡流损耗、永磁体和转子的阻尼作用及电气传输线路损耗的影响。1.2.2部件模型载重车辆在储能过程中由电动机通过传动系统提供驱动力Ft,运行过程中需要实时克服车辆与轨道间的滚动阻力Ff、空气阻力Fw、自身重力Fi及加速阻力Fj23。载重车辆上坡过程主要经历短暂加速和匀速上升两个阶段,动力学约束方程可描述为:Ft+Ff+Fw+Fi+Fj=0(1)其中,Ft=TEiGTR,Ff=mgfcos,Fw=CDAu221.15,Fi=mgsin,Fj=mdu3.6dt。式中,TE为电机输出转矩,iG为传动系统传动比,T为传动系统机械效率,f为滚动摩擦系数,为坡度角,
18、CD为空气阻力系数,u为车速,为旋转质量换算系数,Ft、Ff、Fw、Fi及Fj均为矢量,车辆前进的方向为正方向。载重车辆在释能过程中能量来源于重力做功,车辆受力包括自身重力Fi、轨道摩擦阻力Ff、空气阻力Fw、加速阻力Fj和发电机牵引力Ft,运动方程同样可由式(1)表示。下坡过程同样需经历短暂加速和匀速下降阶段。电动发电机采用永磁同步电机,其结构简单、功率密度高、过载能力强,尤其在车辆起步和爬坡时具有低速高扭矩的输出特性,适合载重车辆起动加速和正常运行需要24。永磁同步电机在d-q坐标下的数学模型通常由电压方程、定子磁链方程、电磁转矩方程、机械运动方程组成,具体见式(2)(6):电压方程:ud
19、=pd-q+Rsid(2)uq=pq+d+Rsiq定子磁链方程:d=Ldid+r(3)q=Lqiq电磁转矩方程:Te=p(iqd-idq)(4)机械运动方程:Jpddt=Te-TL(5)其中,车速与电机转速方程为:u=0.377nriG(6)式中,ud、uq为定子电压dq轴分量,id、iq为定子电流dq轴分量,d、q为定子磁链dq轴分量,Ld、Lq为定子绕组dq轴电感,Rs为定子电阻,r为转子永磁体产生的磁链,Te为电机电磁转矩,TL为负载转矩,J为转动惯量,p为电机转子极对数,为转子电角速度,n为电机转速,r为车轮半径。1.2.3控制策略模型铁轨储能控制系统主要由速度控制系统、电机控制器系统
20、和网侧变换器系统三部分组成,控制模型如图2所示,其中速度控制系统采用基于电磁转高海拔平台永磁同步电机机侧变换器 网侧变换器载重车辆变压器电网低海拔平台重物块控制系统图1系统工作原理示意图Fig.1Schematic diagram of the working principle of the system8372023 年第 12 卷储能科学与技术矩调节的转速闭环控制25,即通过控制电磁转矩,载重车辆主动变速以趋近于参考转速。由电机电磁转矩方程(4)可知对电磁转矩的控制实质上是对定子电流isd和isq的控制。电机控制器系统与机组直接相连,最常用的矢量控制策略是isd=0控制策略26。其具体方
21、式为:令纵轴电流isd=0,定子上的电流仅有横轴上的分量isq,经PI控制器得到相应的电压矢量usd和usq,由定子电压方程式(2)可知dq间存在耦合项,利用前馈补偿消除耦合项,得到控制电压u*sd和u*sq,经坐标变换模块及PWM模块产生电机控制器控制信号,从而实现机械能与电能的转换。网侧变换器系统采用的控制策略为基于电网电压定向的矢量控制,其作用是在保持直流电压udc稳定的基础上,使电网侧达到给定的功率因数27。并网发电时,网侧变换器一般工作在单位功率逆变状态,无功指令值Q*为0;储能模式运行时,可修改无功指令对电网进行无功补偿,用于实现机侧电能和电网高品质电能的双向流动。1.2.4参数设
22、置铁轨重力储能系统储释能过程中,载重车辆均从静止状态开始运动,达到指定的速度后进入匀速运动阶段,系统参数设置见表1。1.2.5评价指标系统效率是评价系统整体性能的重要指标,可以全面反映储能系统性能的优劣。铁轨重力储能系统将过剩电能转化为载重车辆重力势能,在需要时再将重力势能转化为电能,因此系统效率为做功产生的电量Eele_re与储能消耗的电量Eele_st之比,也可表示为储能效率与释能效率之积:=Eele_reEele_st=stre(7)对于储能阶段,系统动力源为过剩电能,经双向变流器、电机及传动系统的变换和传递,驱动载重车辆上坡,上坡过程中,载重车辆需克服风阻引起的风阻损耗、轮轨摩擦引起的
23、滚动损耗及加速时克服其质量加速运动时的惯性力引起的速度损耗,最终能量以重力势能的形式存储,能量流如图3(a)所示,储能效率可表示为:st=EhEele_st(8)其中,Eh=mgh,Eele_st=320tegdigddt,PWMdq/abcPIPIu*s_abcusd*usq*isq*isdisq-weLsisqwe(Lsisd+fd)isd*=0udc*udcigdugcdegd+wgLgigqugd*-wgLgigdusqusdigqQQ*PIuupudownwmwm*um*速度控制系统电机控制器系统网侧变换器系统udcGridPMSGPWMdq/abcPIPIu*g_abcigd*ug
24、q*ugcqPIPIigq*图2铁轨重力储能系统控制模型Fig.2Control model of rail gravity energy storage system838第 3 期秦婷婷等:铁轨重力储能系统效率影响因素研究EL_i+EL_m+EL_t=Eele_st(1-imt),EL_w=0tCDAu321.15dt,EL_r=0tmgfcosudt,EL_v=0t1mdu3.6dtudt0式中,Eele_st为电网消耗的电能,Eh为系统重力势能,EL_i为双向变流器损耗,EL_m为电机损耗,EL_t为传动系统损耗,EL_w为风阻损耗,EL_r为滚动损耗,EL_v为速度损耗,i、m、t分
25、别为变流器效率、电机效率及传动系统效率,t1为加速阶段所用时间。对于释能阶段,系统动力源为车辆重力势能,车辆下坡运动过程中克服风阻引起的风阻损耗、轮轨摩擦引起的滚动损耗,实现重力势能向动能的转化,其中小部分动能用于载重车辆加速时克服其固有惯性力,该部分损耗为速度损耗,剩余绝大部分动能通过传动系统驱动发电机转动实现动能向电能的转化,后经双向变流器并入电网,能量流如图3(b)所示,释能效率可表示为:re=Eele_reEh(9)其中,Eele_re=|320tegdigddt|,Eh=mghEL_w=EL_w,EL_r=EL_r,EL_v=EL_v,EL_t+EL_m+EL_i=Eele_re(1
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