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本文亮點：1.本文充分考慮并建立了鐵軌重力儲能系統(tǒng)中儲/釋能過程的啟動階段、勻速階段、停止階段的車輛牽引系統(tǒng)的數(shù)學模型及其與風電耦合的系統(tǒng)模型,并以此為基礎進行研究。2.本文研究了基于鐵軌重力儲能系統(tǒng)的風儲耦合系統(tǒng)運行特性及RGES系統(tǒng)關鍵因素配置方案。
大規(guī)模儲能技術對于可再生能源的發(fā)展及電網(wǎng)穩(wěn)定運行具有重要意義。鐵軌重力儲能(rail gravity energy storage，RGES)技術可靈活調(diào)度載重機車進行儲/釋能，有效解決風電場大幅度功率波動問題，在長時大規(guī)模儲能應用技術中前景廣闊。本文開展了RGES系統(tǒng)關鍵影響因素及其與風電場耦合調(diào)度的研究，基于MATLAB軟件搭建了RGES系統(tǒng)模型及其與風電場的耦合系統(tǒng)模型，研究了儲/釋能過程中關鍵參數(shù)對RGES系統(tǒng)的影響規(guī)律，并且以減少風電場的棄風率為目的，選取了四個季節(jié)的典型日，詳細研究了耦合系統(tǒng)的運行特性及RGES系統(tǒng)的配置方案。結(jié)果表明，儲/釋能功率隨載重質(zhì)量增加而增大，隨勻速階段的上/下坡速度增加而增大；儲/釋能效率及系統(tǒng)效率隨載重質(zhì)量的變化極小，隨上/下坡速度增大而減?。籖GES系統(tǒng)與風電場耦合運行時，可根據(jù)功率需求靈活配置各時段的載重車輛數(shù)及上/下坡速度進行儲/釋能，并可在四個季節(jié)典型日的用電高峰期分別實現(xiàn)22 MW、16 MW、27 MW、29 MW的恒定功率并網(wǎng)，且風電利用率平均增長17.1%。
加快化石能源向可再生能源的轉(zhuǎn)型已成為全世界能源發(fā)展新趨勢，電力能源行業(yè)是助力我國“雙碳”目標實現(xiàn)的關鍵領域之一，然而風能等可再生能源用于發(fā)電具有間接性和不穩(wěn)定性，大規(guī)?？稍偕茉唇尤腚娏ο到y(tǒng)會造成消納能力不足、棄風現(xiàn)象突出等問題。大規(guī)模儲能技術對于維持高比例可再生能源電力系統(tǒng)的穩(wěn)定具有重要的意義，其中重力儲能技術應用廣泛、選址靈活、儲能容量大、效率高、響應快、環(huán)保且循環(huán)壽命長，是一種近來廣受關注的新型儲能技術。
重力儲能(gravity energy storage，GES)系統(tǒng)可以根據(jù)儲能介質(zhì)、高度落差實現(xiàn)路徑進行分類：①以水為介質(zhì)的新型抽水儲能系統(tǒng)，例如活塞水泵式儲能系統(tǒng)；②以固體物質(zhì)為介質(zhì)的垂直路徑重力儲能系統(tǒng)，例如依托鉆井平臺的懸掛式儲能系統(tǒng)、依托儲能塔的塔吊式儲能系統(tǒng)；③以固體物質(zhì)為介質(zhì)的傾斜路徑重力儲能系統(tǒng)，例如依托架空索道的纜車式重力儲能系統(tǒng)、依托鐵軌的機車式重力儲能系統(tǒng)。GES系統(tǒng)形式多樣，各種系統(tǒng)的存儲容量、選址條件、發(fā)電時長、安全穩(wěn)定性也存在不同。在各種GES系統(tǒng)中，鐵軌重力儲能(rail gravity energy storage，RGES)系統(tǒng)穩(wěn)定性好、安全系數(shù)高、調(diào)度靈活，在長時大規(guī)模儲能應用技術中具有良好的發(fā)展前景。國內(nèi)外針對鐵軌重力儲能系統(tǒng)的研究主要集中于三個方面：①提出RGES系統(tǒng)結(jié)構改進方案，進行系統(tǒng)優(yōu)化研究；②研究RGES系統(tǒng)運行特性；③研究RGES系統(tǒng)與新能源發(fā)電系統(tǒng)耦合特性。
在系統(tǒng)結(jié)構優(yōu)化改進方面，美國ARES公司提出了斜坡軌道-機車結(jié)構，其中電動發(fā)電機安置于機車內(nèi)部，此外系統(tǒng)中包含電力供應軌道及軌道旁配電系統(tǒng)，可用于高效率電能傳輸。為了節(jié)約成本及實現(xiàn)更高效的電功率頻率控制，ARES公司進一步提出了一種用于電力供電往返列車的動力供應及控制系統(tǒng)，以多個軌道側(cè)功率轉(zhuǎn)換模塊替換車載功率轉(zhuǎn)換設備的功能，允許以電網(wǎng)頻率直接對主軌道區(qū)段提供動力，使系統(tǒng)更降本節(jié)能。為實現(xiàn)對長距離軌道系統(tǒng)的高效率儲能和釋放能量，肖立業(yè)等提出一種永磁同步電機輪軌支撐結(jié)構，實現(xiàn)了系統(tǒng)效率的提升。
在系統(tǒng)運行特性研究方面，諸多研究針對鐵軌重力儲能系統(tǒng)的運行過程開展了理論分析及模型建立。Bottenfield等研究了坡度對鐵軌儲能系統(tǒng)效率的影響，對其上坡運動進行了仿真分析，仿真結(jié)果表明實施先進鐵路儲能系統(tǒng)的理想斜坡應該是中等坡度的，并認證了West Virginia山區(qū)的系統(tǒng)選址可行性。侯慧等分析了RGES系統(tǒng)儲/釋能過程中勻速階段的動力學特性，構建了一種依托山體的重力儲能模型，并以此開展了并網(wǎng)型風光儲聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)容量優(yōu)化規(guī)劃研究。柴源等同樣忽略時長較短的加速階段，研究了RGES系統(tǒng)的機械能損失，研究結(jié)果表明其設計工況下的儲釋能效率分別可達82.8%和82.17%。此外，秦婷婷等深入研究了車輛速度、斜坡坡度、斜坡高度和滾動摩擦系數(shù)等因素對系統(tǒng)效率、能量損耗的影響，結(jié)果表明在設計工況下(載重車輛160 t、車速20 km/h、斜坡高度200 m、坡度7°)系統(tǒng)效率可達76.2%。以上研究大部分針對RGES系統(tǒng)運行過程的勻速階段，忽略了加速等其他階段，且對于系統(tǒng)動態(tài)運行過程中可控因素(載重質(zhì)量、上/下坡速度)間的耦合特性及其對系統(tǒng)功率、效率的影響規(guī)律研究仍不足。
在與新能源發(fā)電系統(tǒng)耦合特性方面，國內(nèi)外學者針對風光儲聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)容量優(yōu)化規(guī)劃進行了一些研究，采用了烏鴉搜索算法、貓群算法等智能優(yōu)化算法，分析了RGES系統(tǒng)與新能源發(fā)電系統(tǒng)耦合的經(jīng)濟性與可行性。盧子敬等采用了改進鯨魚算法，對比了新能源-重力儲能系統(tǒng)并網(wǎng)輸電、電力孤島和無儲能三種模式方案，結(jié)果表明并網(wǎng)模式經(jīng)濟可靠性最優(yōu)，肯定了并網(wǎng)模式適用于新能源配電系統(tǒng)的發(fā)展前景。RGES系統(tǒng)因其結(jié)構特點，可根據(jù)新能源側(cè)及電網(wǎng)側(cè)的功率需求靈活調(diào)控系統(tǒng)的載重質(zhì)量、速度，滿足大規(guī)模大范圍的功率調(diào)度，然而目前大部分針對耦合系統(tǒng)的研究，基本集中于各子系統(tǒng)的出力特性和容量配置的討論，對于RGES系統(tǒng)中的關鍵可控因素在耦合系統(tǒng)中的配置影響尚待開展。
基于以上背景，本文開展了RGES系統(tǒng)關鍵因素及其與風電場耦合的配置方案研究，通過建立RGES系統(tǒng)各階段過程及其與風電耦合的系統(tǒng)模型，建立評價指標，研究儲/釋能過程中關鍵參數(shù)對RGES系統(tǒng)的影響規(guī)律，并以減少棄風率為研究目標，研究耦合系統(tǒng)運行特性及RGES系統(tǒng)關鍵因素配置方案，以期為RGES工程的研究和應用提供理論指導依據(jù)。
1 系統(tǒng)模型
本文充分考慮并建立了RGES系統(tǒng)中同一儲/釋能過程的啟動階段、勻速階段、停止階段的車輛牽引系統(tǒng)的數(shù)學模型及其與風電耦合的系統(tǒng)模型，并以風電利用率為目標函數(shù)制定了規(guī)劃策略，以進行耦合系統(tǒng)配置方案研究。
1.1 系統(tǒng)概述
圖1是RGES系統(tǒng)原理圖，系統(tǒng)主要包括高低海拔平臺、連接平臺的鐵軌、電力供應軌道、載重車輛、電動/發(fā)電機及包含牽引控制單元(traction control unit，TCU)在內(nèi)的控制系統(tǒng)等。儲能過程中，由新能源發(fā)電站或電網(wǎng)提供電能至電力供應軌道，電能驅(qū)動電機工作并轉(zhuǎn)換為機械能，并在控制系統(tǒng)的命令下驅(qū)動載重車組爬坡，以重力勢能的形式完成存儲；釋能過程中，載重車組在控制系統(tǒng)的命令下沿軌道下坡帶動電機工作，完成重力勢能向電能的轉(zhuǎn)換并實現(xiàn)并網(wǎng)。
圖1 鐵軌重力儲能系統(tǒng)的原理圖
風電場功率波動會導致電網(wǎng)供電瞬時功率不平衡等問題，可配置大規(guī)模RGES系統(tǒng)實現(xiàn)削峰填谷，維持電力系統(tǒng)穩(wěn)定。圖2為RGES系統(tǒng)與風電耦合系統(tǒng)的示意圖，包含電網(wǎng)、風電場，RGES系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等。在用電低谷期，風電場將未并網(wǎng)的過剩風電經(jīng)電力供應軌道傳輸至RGES系統(tǒng)，用于驅(qū)動載重車組爬坡實現(xiàn)儲能；在用電高峰期，載重車組依靠自身重力下坡并帶動電機發(fā)電并網(wǎng)。
圖2 RGES系統(tǒng)與風電耦合系統(tǒng)的示意圖
1.2 系統(tǒng)模型建立
RGES系統(tǒng)根據(jù)控制系統(tǒng)發(fā)出的調(diào)度指令，調(diào)取一定數(shù)量的xi輛車輛(簡稱載重車組)在一定數(shù)量的n條軌道上運行，其過程類似列車運動。列車牽引能耗計算可將列車的牽引過程分為起停、運行、惰行與空轉(zhuǎn)、出入段與調(diào)車及上坡5種情況，依此確定各過程能耗計算公式，其中，進行列車基本阻力計算時一般采用列車各項型號的經(jīng)驗式，而列車基本阻力與車輛行駛阻力構成相似，且結(jié)合RGES系統(tǒng)載重車組結(jié)構的特殊性，本節(jié)假設：①計算基本阻力時可依照車輛理論行駛阻力進行計算；②暫不考慮重物在平臺上的轉(zhuǎn)載、車輛出入段、調(diào)車等過程，僅考慮載重車組在斜坡軌道上聯(lián)合電力供應軌道時的運動過程；③暫時考慮單條軌道運行下的系統(tǒng)動態(tài)過程；④載重車輛的車輪、構架、軸箱和車體視為剛體；忽略電機鐵芯飽和、磁滯及渦流損耗以及永磁體和轉(zhuǎn)子的阻尼作用。
（1）啟動加速階段
（2）勻速階段
（3）停止階段
載重車組達到坡頂/底后，電機停止工作，載重車組依靠自身滾動阻力或者減速帶進行減速停止，其能耗不計入評價指標運算，其動力約束方程如下：
（4）功率與效率
系統(tǒng)在單條軌道與多條軌道下儲存/釋放的重力勢能分別為：
系統(tǒng)運行時，產(chǎn)生的損耗包含因載重車組受運動阻力所產(chǎn)生的車輛行駛損耗、變流器損耗，電機損耗、傳動系統(tǒng)損耗。因此，則儲能過程中消納電網(wǎng)的電能及釋能過程中的實際發(fā)電量為：
（5）目標函數(shù)
（6）約束條件
1.3 計算邏輯
圖4 耦合系統(tǒng)模擬計算流程圖
2 結(jié)果與討論
根據(jù)RGES系統(tǒng)模型分析可知，系統(tǒng)功率和效率主要由儲/釋能過程載重車組的載重質(zhì)量和上/下坡速度決定。本文針對單次儲/釋能過程，研究了單條軌道下不同輸入變量的耦合特性及其對輸出功率、儲/釋能效率的影響。此外，將風電場數(shù)據(jù)導入所建立的風儲耦合系統(tǒng)模型，以提高風電利用率為目標，研究風儲系統(tǒng)運行特性及各時段RGES系統(tǒng)關鍵影響因素方案布置。RGES系統(tǒng)中基本參數(shù)選取如表1所示。
表1 系統(tǒng)基本參數(shù)
2.1 儲能過程功率及儲能效率變化
圖5為一組載重車組在單條軌道的儲能過程中，儲能功率、儲能效率隨勻速階段上坡速度、載重車組的載重質(zhì)量的變化規(guī)律，勻速階段上坡速度變化范圍為0～50 km/h，載重車輛數(shù)量范圍為1～10輛。
圖5 儲能過程功率和儲能效率變化規(guī)律
由圖5可知，儲能功率隨載重質(zhì)量增加而增大，隨勻速階段上坡速度的增加而增大。當系統(tǒng)載重車組的質(zhì)量分別為92 t和920 t時，上坡速度由0 km/h增加至50 km/h時的儲能功率分別由0 MW上升至3.3 MW和由0 MW增至33 MW?？梢钥闯觯d重質(zhì)量越小，儲能功率隨上坡速度的變化率越??；上坡速度越小，儲能功率隨載重質(zhì)量增加的增幅越小。
此外，儲能效率隨載重質(zhì)量的變化極小，隨勻速階段上坡速度的增大而快速減小，當上坡速度由1 km/h增加至50 km/h時，儲能效率由87.4%降至73.2%，降幅達14.2%。原因在于系統(tǒng)運行時產(chǎn)生的各項損耗里，速度損耗和風阻損耗隨速度的增加而明顯增大，由式(14)分析可知，系統(tǒng)總損耗變大，進一步導致儲能效率降低。
綜上，在滿足系統(tǒng)調(diào)度響應的前提條件下，高載重低速有利于提高系統(tǒng)儲能功率和儲能效率。
2.2 釋能過程功率及釋能效率變化
圖6為一組載重車輛在單條軌道的釋能過程中，釋能功率、釋能效率隨勻速階段下坡速度、載重車組的載重質(zhì)量的變化規(guī)律。勻速階段下坡速度范圍為0~50 km/h，載重車輛數(shù)量范圍為1~10輛。
圖6 釋能過程功率和釋能效率變化規(guī)律
由圖6可知，釋能功率隨載重質(zhì)量增加而增大，隨勻速階段下坡速度的增加而增大。當系統(tǒng)載重車組的質(zhì)量分別為92 t和920 t時，下坡速度由0 km/h上升至50 km/h時釋能功率分別由0 MW上升至3.2 MW和0 MW上升至32 MW。可以看出，載重質(zhì)量越小，釋能功率隨下坡速度的變化率越??；下坡速度越小，釋能功率隨載重質(zhì)量增加的增幅也越小。
此外，釋能效率隨載重質(zhì)量的變化極小，隨勻速階段下坡速度增大而減小，當下坡速度由1 km/h升至50 km/h時，釋能效率由87.4%降至85.0%，降幅達2.4%，降幅遠遠小于儲能過程，其原因在于為保證并網(wǎng)功率穩(wěn)定，釋能過程僅考慮在勻速階段發(fā)電并網(wǎng)，未考慮加速階段，因此在系統(tǒng)發(fā)電并網(wǎng)時產(chǎn)生的各項損耗里，僅是風阻損耗隨速度增加而明顯增大，由式(16)分析可知，系統(tǒng)總損耗增加，但增值相比儲能過程總損耗增值較小，因而釋能效率的降幅遠遠小于儲能效率降幅。
綜上，在滿足系統(tǒng)調(diào)度響應的前提條件下，與儲能過程相同，高載重低速載重有利于提高系統(tǒng)釋能功率和釋能效率。
2.3 系統(tǒng)效率變化
為研究勻速階段上/下坡速度及載重質(zhì)量對系統(tǒng)效率的影響，假設RGES系統(tǒng)在發(fā)電過程中將儲能過程中運行到坡頂?shù)妮d重車輛全部釋放，得到關鍵參數(shù)對系統(tǒng)效率的影響規(guī)律，如圖7所示。勻速階段上/下坡速度范圍為0~50 km/h，載重車輛數(shù)量范圍為1~10輛。
圖7 關鍵參數(shù)對系統(tǒng)效率的影響
由圖7可知，系統(tǒng)效率隨載重質(zhì)量的變化極小，隨勻速階段上/下坡速度增大而減小。當上/下坡速度均由1 km/h升至50 km/h時，系統(tǒng)效率由76.4%降至62.3%，降低了14.1%，其中，系統(tǒng)效率變化幅度隨上坡速度的變化更加明顯，若上坡速度為20 km/h，下坡速度由1 km/h升至50 km/h時系統(tǒng)效率由74.1%降至72.1%，降幅達2%；反之，若下坡速度為20 km/h，上坡速度由1 km/h升至50 km/h時系統(tǒng)效率由76.0%降至63.6%，降幅達12.4%，原因是在儲能過程中加速階段及勻速階段均進行儲能工作，而釋能過程僅考慮在勻速階段恒定功率并網(wǎng)，因此，上坡速度變化對系統(tǒng)效率的影響幅度更大。
2.4 耦合系統(tǒng)運行特性及配置方案
本文選取我國河北張家口某一容量為49.5 MW(33×1.5 MW)的風電場作為研究對象。圖8為選取該風電場的春、夏、秋、冬四個典型日的功率負荷曲線，包含該風電場的可利用風電功率和并網(wǎng)功率。
圖8 張家口某風電場四季典型日功率負荷曲線
用電時間劃分為高峰、低谷時段，具體為：峰段8:00－22:00，谷段22:00－次日8:00。由圖8分析，在用電低谷期，風電場并網(wǎng)功率較小，因此風電場可利用風電過剩，造成棄風；然而在用電高峰期，風電場可利用風電較小，并網(wǎng)功率也較小，無法滿足電網(wǎng)的并網(wǎng)要求。經(jīng)計算，該風電場春夏秋冬的風電利用率分別為69.2%、74.3%、70.9%、57.4%，棄風現(xiàn)象比較嚴重。
（1）耦合運行特性
依據(jù)規(guī)劃策略對耦合系統(tǒng)的運行狀態(tài)進行模擬，得到四個季節(jié)典型日耦合系統(tǒng)的出力曲線圖，如圖9。根據(jù)規(guī)劃策略，RGES系統(tǒng)在用電低谷期儲能，在用電高峰期釋能并與風電場共同輸出恒定功率并入電網(wǎng)。
圖9 四個季節(jié)典型日耦合系統(tǒng)出力曲線圖
用電低谷期，RGES系統(tǒng)可最大程度存儲棄風。以夏季和冬季為例，圖9(b)顯示，RGES系統(tǒng)在用電低谷期以5.6 MW~10.6 MW的儲能功率最大程度存儲棄風，并與風場在用電高峰期輸出16 MW的恒定功率，風電利用率由原來的74.3%提高至89.7%；圖9(d)顯示，RGES系統(tǒng)在用電低谷期以13.9 MW~32.1 MW的高功率存儲棄風，并與風場在用電高峰期輸出29 MW的恒定功率，風電利用率由原來的57.4%提高至82.4%。
此外，發(fā)電并網(wǎng)階段，圖9(a)顯示，風電場在用電高峰期08:00—15:00時段存在5.6 MW~21.2 MW范圍內(nèi)的高頻率功率波動，RGES系統(tǒng)可配合風電場及時調(diào)整各時段的輸出功率，在用電高峰期與其聯(lián)合輸出22 MW的恒定功率，且風電利用率提高至84.4%；圖9(c)中的秋季典型日，在用電高峰期17:00—19:00時段風電場并網(wǎng)功率大幅度下降，由25.6 MW降至9.2 MW，加入RGES系統(tǒng)后，風儲系統(tǒng)可在用電高峰期輸出27 MW的恒定功率，增大了用電高峰期的風電場并網(wǎng)功率，風電利用率提高至83.8%。
綜上，RGES系統(tǒng)可有效減少風電場的棄風率，起到削峰填谷作用，并可在用電高峰期與風電場耦合，共同輸出穩(wěn)定的功率并入電網(wǎng)。
（2）配置計劃
RGES系統(tǒng)在運行過程中可通過改變車組的載重質(zhì)量與勻速階段的上/下坡速度兩個關鍵因素的配置方案而改變功率，如表2為春季某典型日配置計劃。
表2 春季某典型日的日配置計劃
結(jié)合圖8及表2，在用電低谷期2:00時刻，風電場的并網(wǎng)功率很小，存在大量棄風，因此，通過增加RGES系統(tǒng)在該時段的車速及車輛數(shù)，可將儲能功率由3.58 MW提升至30.62 MW，從而提高風能利用效率。此外，在用電高峰期8:00—10:00時刻，所需風電場并網(wǎng)功率波動較大，急速增加后減少，同樣可通過改變RGES系統(tǒng)對應時段車速和車輛數(shù)的配置實現(xiàn)穩(wěn)定功率并網(wǎng)。
3 結(jié) 論
（1）在滿足系統(tǒng)調(diào)度響應的前提條件下，高載重低速有利于提高鐵軌重力儲能系統(tǒng)的儲能和釋能功率以及儲能和釋能效率。
（2）儲/釋能功率隨載重質(zhì)量增加而增大，隨勻速階段的上/下坡速度增加而增大；儲/釋能效率及系統(tǒng)效率隨載重質(zhì)量的變化極小，隨上/下坡速度增大而減小。當載重質(zhì)量為920 t時，上/下坡速度由0 km/h上升至50 km/h時，儲/釋能功率分別由0 MW上升至33 MW和32 MW；當上/下坡速度由1 km/h上升至50 km/h時，儲/釋能效率分別下降了14.2%和2.4%，系統(tǒng)效率下降了14.1%。
（3）鐵軌重力儲能系統(tǒng)與風電場耦合運行時，可通過靈活配置各時段的載重車輛數(shù)及上/下坡速度滿足功率需求，取春夏秋冬四個季節(jié)的典型日進行研究得出，增加鐵軌重力儲能系統(tǒng)后，風電利用率由原來的69.2%、74.3%、70.9%、57.4%增加至84.4%、89.7%、83.8%、82.4%。
圖3 勻速階段載重車組受力分析圖
