中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：
本文亮點(diǎn)：1.本文充分考慮并建立了鐵軌重力儲(chǔ)能系統(tǒng)中儲(chǔ)/釋能過(guò)程的啟動(dòng)階段、勻速階段、停止階段的車輛牽引系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型及其與風(fēng)電耦合的系統(tǒng)模型,并以此為基礎(chǔ)進(jìn)行研究。2.本文研究了基于鐵軌重力儲(chǔ)能系統(tǒng)的風(fēng)儲(chǔ)耦合系統(tǒng)運(yùn)行特性及RGES系統(tǒng)關(guān)鍵因素配置方案。
大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)對(duì)于可再生能源的發(fā)展及電網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。鐵軌重力儲(chǔ)能(rail gravity energy storage，RGES)技術(shù)可靈活調(diào)度載重機(jī)車進(jìn)行儲(chǔ)/釋能，有效解決風(fēng)電場(chǎng)大幅度功率波動(dòng)問(wèn)題，在長(zhǎng)時(shí)大規(guī)模儲(chǔ)能應(yīng)用技術(shù)中前景廣闊。本文開展了RGES系統(tǒng)關(guān)鍵影響因素及其與風(fēng)電場(chǎng)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(fēng)電場(chǎng)的耦合系統(tǒng)模型，研究了儲(chǔ)/釋能過(guò)程中關(guān)鍵參數(shù)對(duì)RGES系統(tǒng)的影響規(guī)律，并且以減少風(fēng)電場(chǎng)的棄風(fēng)率為目的，選取了四個(gè)季節(jié)的典型日，詳細(xì)研究了耦合系統(tǒng)的運(yùn)行特性及RGES系統(tǒng)的配置方案。結(jié)果表明，儲(chǔ)/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(chǔ)/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；RGES系統(tǒng)與風(fēng)電場(chǎng)耦合運(yùn)行時(shí)，可根據(jù)功率需求靈活配置各時(shí)段的載重車輛數(shù)及上/下坡速度進(jìn)行儲(chǔ)/釋能，并可在四個(gè)季節(jié)典型日的用電高峰期分別實(shí)現(xiàn)22 MW、16 MW、27 MW、29 MW的恒定功率并網(wǎng)，且風(fēng)電利用率平均增長(zhǎng)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(shì)，電力能源行業(yè)是助力我國(guó)“雙碳”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵領(lǐng)域之一，然而風(fēng)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(huì)造成消納能力不足、棄風(fēng)現(xiàn)象突出等問(wèn)題。大規(guī)模儲(chǔ)能技術(shù)對(duì)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(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用廣泛、選址靈活、儲(chǔ)能容量大、效率高、響應(yīng)快、環(huán)保且循環(huán)壽命長(zhǎng)，是一種近來(lái)廣受關(guān)注的新型儲(chǔ)能技術(shù)。
重力儲(chǔ)能(gravity energy storage，GES)系統(tǒng)可以根據(jù)儲(chǔ)能介質(zhì)、高度落差實(shí)現(xiàn)路徑進(jìn)行分類：①以水為介質(zhì)的新型抽水儲(chǔ)能系統(tǒng)，例如活塞水泵式儲(chǔ)能系統(tǒng)；②以固體物質(zhì)為介質(zhì)的垂直路徑重力儲(chǔ)能系統(tǒng)，例如依托鉆井平臺(tái)的懸掛式儲(chǔ)能系統(tǒng)、依托儲(chǔ)能塔的塔吊式儲(chǔ)能系統(tǒng)；③以固體物質(zhì)為介質(zhì)的傾斜路徑重力儲(chǔ)能系統(tǒng)，例如依托架空索道的纜車式重力儲(chǔ)能系統(tǒng)、依托鐵軌的機(jī)車式重力儲(chǔ)能系統(tǒng)。GES系統(tǒng)形式多樣，各種系統(tǒng)的存儲(chǔ)容量、選址條件、發(fā)電時(shí)長(zhǎng)、安全穩(wěn)定性也存在不同。在各種GES系統(tǒng)中，鐵軌重力儲(chǔ)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(zhǎng)時(shí)大規(guī)模儲(chǔ)能應(yīng)用技術(shù)中具有良好的發(fā)展前景。國(guó)內(nèi)外針對(duì)鐵軌重力儲(chǔ)能系統(tǒng)的研究主要集中于三個(gè)方面：①提出RGES系統(tǒng)結(jié)構(gòu)改進(jìn)方案，進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化研究；②研究RGES系統(tǒng)運(yùn)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(gòu)優(yōu)化改進(jìn)方面，美國(guó)ARES公司提出了斜坡軌道-機(jī)車結(jié)構(gòu)，其中電動(dòng)發(fā)電機(jī)安置于機(jī)車內(nèi)部，此外系統(tǒng)中包含電力供應(yīng)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(shí)現(xiàn)更高效的電功率頻率控制，ARES公司進(jìn)一步提出了一種用于電力供電往返列車的動(dòng)力供應(yīng)及控制系統(tǒng)，以多個(gè)軌道側(cè)功率轉(zhuǎn)換模塊替換車載功率轉(zhuǎn)換設(shè)備的功能，允許以電網(wǎng)頻率直接對(duì)主軌道區(qū)段提供動(dòng)力，使系統(tǒng)更降本節(jié)能。為實(shí)現(xiàn)對(duì)長(zhǎng)距離軌道系統(tǒng)的高效率儲(chǔ)能和釋放能量，肖立業(yè)等提出一種永磁同步電機(jī)輪軌支撐結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)效率的提升。
在系統(tǒng)運(yùn)行特性研究方面，諸多研究針對(duì)鐵軌重力儲(chǔ)能系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程開展了理論分析及模型建立。Bottenfield等研究了坡度對(duì)鐵軌儲(chǔ)能系統(tǒng)效率的影響，對(duì)其上坡運(yùn)動(dòng)進(jìn)行了仿真分析，仿真結(jié)果表明實(shí)施先進(jìn)鐵路儲(chǔ)能系統(tǒng)的理想斜坡應(yīng)該是中等坡度的，并認(rèn)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(chǔ)/釋能過(guò)程中勻速階段的動(dòng)力學(xué)特性，構(gòu)建了一種依托山體的重力儲(chǔ)能模型，并以此開展了并網(wǎng)型風(fēng)光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)容量?jī)?yōu)化規(guī)劃研究。柴源等同樣忽略時(shí)長(zhǎng)較短的加速階段，研究了RGES系統(tǒng)的機(jī)械能損失，研究結(jié)果表明其設(shè)計(jì)工況下的儲(chǔ)釋能效率分別可達(dá)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(dòng)摩擦系數(shù)等因素對(duì)系統(tǒng)效率、能量損耗的影響，結(jié)果表明在設(shè)計(jì)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(dá)76.2%。以上研究大部分針對(duì)RGES系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程的勻速階段，忽略了加速等其他階段，且對(duì)于系統(tǒng)動(dòng)態(tài)運(yùn)行過(guò)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(duì)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(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)風(fēng)光儲(chǔ)聯(lián)合發(fā)電系統(tǒng)容量?jī)?yōu)化規(guī)劃進(jìn)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(jì)性與可行性。盧子敬等采用了改進(jìn)鯨魚算法，對(duì)比了新能源-重力儲(chǔ)能系統(tǒng)并網(wǎng)輸電、電力孤島和無(wú)儲(chǔ)能三種模式方案，結(jié)果表明并網(wǎng)模式經(jīng)濟(jì)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(gòu)特點(diǎn)，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(duì)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(duì)于RGES系統(tǒng)中的關(guān)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(guān)鍵因素及其與風(fēng)電場(chǎng)耦合的配置方案研究，通過(guò)建立RGES系統(tǒng)各階段過(guò)程及其與風(fēng)電耦合的系統(tǒng)模型，建立評(píng)價(jià)指標(biāo)，研究?jī)?chǔ)/釋能過(guò)程中關(guān)鍵參數(shù)對(duì)RGES系統(tǒng)的影響規(guī)律，并以減少棄風(fēng)率為研究目標(biāo)，研究耦合系統(tǒng)運(yùn)行特性及RGES系統(tǒng)關(guān)鍵因素配置方案，以期為RGES工程的研究和應(yīng)用提供理論指導(dǎo)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(chǔ)/釋能過(guò)程的啟動(dòng)階段、勻速階段、停止階段的車輛牽引系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型及其與風(fēng)電耦合的系統(tǒng)模型，并以風(fēng)電利用率為目標(biāo)函數(shù)制定了規(guī)劃策略，以進(jìn)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(tái)、連接平臺(tái)的鐵軌、電力供應(yīng)軌道、載重車輛、電動(dòng)/發(fā)電機(jī)及包含牽引控制單元(traction control unit，TCU)在內(nèi)的控制系統(tǒng)等。儲(chǔ)能過(guò)程中，由新能源發(fā)電站或電網(wǎng)提供電能至電力供應(yīng)軌道，電能驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作并轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，并在控制系統(tǒng)的命令下驅(qū)動(dòng)載重車組爬坡，以重力勢(shì)能的形式完成存儲(chǔ)；釋能過(guò)程中，載重車組在控制系統(tǒng)的命令下沿軌道下坡帶動(dòng)電機(jī)工作，完成重力勢(shì)能向電能的轉(zhuǎn)換并實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)。
圖1 鐵軌重力儲(chǔ)能系統(tǒng)的原理圖
風(fēng)電場(chǎng)功率波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致電網(wǎng)供電瞬時(shí)功率不平衡等問(wèn)題，可配置大規(guī)模RGES系統(tǒng)實(shí)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(fēng)電耦合系統(tǒng)的示意圖，包含電網(wǎng)、風(fēng)電場(chǎng)，RGES系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等。在用電低谷期，風(fēng)電場(chǎng)將未并網(wǎng)的過(guò)剩風(fēng)電經(jīng)電力供應(yīng)軌道傳輸至RGES系統(tǒng)，用于驅(qū)動(dòng)載重車組爬坡實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能；在用電高峰期，載重車組依靠自身重力下坡并帶動(dòng)電機(jī)發(fā)電并網(wǎng)。
圖2 RGES系統(tǒng)與風(fēng)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(jiǎn)稱載重車組)在一定數(shù)量的n條軌道上運(yùn)行，其過(guò)程類似列車運(yùn)動(dòng)。列車牽引能耗計(jì)算可將列車的牽引過(guò)程分為起停、運(yùn)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(guò)程能耗計(jì)算公式，其中，進(jìn)行列車基本阻力計(jì)算時(shí)一般采用列車各項(xiàng)型號(hào)的經(jīng)驗(yàn)式，而列車基本阻力與車輛行駛阻力構(gòu)成相似，且結(jié)合RGES系統(tǒng)載重車組結(jié)構(gòu)的特殊性，本節(jié)假設(shè)：①計(jì)算基本阻力時(shí)可依照車輛理論行駛阻力進(jìn)行計(jì)算；②暫不考慮重物在平臺(tái)上的轉(zhuǎn)載、車輛出入段、調(diào)車等過(guò)程，僅考慮載重車組在斜坡軌道上聯(lián)合電力供應(yīng)軌道時(shí)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程；③暫時(shí)考慮單條軌道運(yùn)行下的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)過(guò)程；④載重車輛的車輪、構(gòu)架、軸箱和車體視為剛體；忽略電機(jī)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(dòng)加速階段
（2）勻速階段
（3）停止階段
載重車組達(dá)到坡頂/底后，電機(jī)停止工作，載重車組依靠自身滾動(dòng)阻力或者減速帶進(jìn)行減速停止，其能耗不計(jì)入評(píng)價(jià)指標(biāo)運(yùn)算，其動(dòng)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(chǔ)存/釋放的重力勢(shì)能分別為：
系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，產(chǎn)生的損耗包含因載重車組受運(yùn)動(dòng)阻力所產(chǎn)生的車輛行駛損耗、變流器損耗，電機(jī)損耗、傳動(dòng)系統(tǒng)損耗。因此，則儲(chǔ)能過(guò)程中消納電網(wǎng)的電能及釋能過(guò)程中的實(shí)際發(fā)電量為：
（5）目標(biāo)函數(shù)
（6）約束條件
1.3 計(jì)算邏輯
圖4 耦合系統(tǒng)模擬計(jì)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(chǔ)/釋能過(guò)程載重車組的載重質(zhì)量和上/下坡速度決定。本文針對(duì)單次儲(chǔ)/釋能過(guò)程，研究了單條軌道下不同輸入變量的耦合特性及其對(duì)輸出功率、儲(chǔ)/釋能效率的影響。此外，將風(fēng)電場(chǎng)數(shù)據(jù)導(dǎo)入所建立的風(fēng)儲(chǔ)耦合系統(tǒng)模型，以提高風(fēng)電利用率為目標(biāo)，研究風(fēng)儲(chǔ)系統(tǒng)運(yùn)行特性及各時(shí)段RGES系統(tǒng)關(guān)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(chǔ)能過(guò)程功率及儲(chǔ)能效率變化
圖5為一組載重車組在單條軌道的儲(chǔ)能過(guò)程中，儲(chǔ)能功率、儲(chǔ)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(chǔ)能過(guò)程功率和儲(chǔ)能效率變化規(guī)律
由圖5可知，儲(chǔ)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(dāng)系統(tǒng)載重車組的質(zhì)量分別為92 t和920 t時(shí)，上坡速度由0 km/h增加至50 km/h時(shí)的儲(chǔ)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(chǔ)能功率隨上坡速度的變化率越小；上坡速度越小，儲(chǔ)能功率隨載重質(zhì)量增加的增幅越小。
此外，儲(chǔ)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(dāng)上坡速度由1 km/h增加至50 km/h時(shí)，儲(chǔ)能效率由87.4%降至73.2%，降幅達(dá)14.2%。原因在于系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的各項(xiàng)損耗里，速度損耗和風(fēng)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(jìn)一步導(dǎo)致儲(chǔ)能效率降低。
綜上，在滿足系統(tǒng)調(diào)度響應(yīng)的前提條件下，高載重低速有利于提高系統(tǒng)儲(chǔ)能功率和儲(chǔ)能效率。
2.2 釋能過(guò)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(guò)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(guò)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(dāng)系統(tǒng)載重車組的質(zhì)量分別為92 t和920 t時(shí)，下坡速度由0 km/h上升至50 km/h時(shí)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小；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(dāng)下坡速度由1 km/h升至50 km/h時(shí)，釋能效率由87.4%降至85.0%，降幅達(dá)2.4%，降幅遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于儲(chǔ)能過(guò)程，其原因在于為保證并網(wǎng)功率穩(wěn)定，釋能過(guò)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(shí)產(chǎn)生的各項(xiàng)損耗里，僅是風(fēng)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(chǔ)能過(guò)程總損耗增值較小，因而釋能效率的降幅遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于儲(chǔ)能效率降幅。
綜上，在滿足系統(tǒng)調(diào)度響應(yīng)的前提條件下，與儲(chǔ)能過(guò)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(duì)系統(tǒng)效率的影響，假設(shè)RGES系統(tǒng)在發(fā)電過(guò)程中將儲(chǔ)能過(guò)程中運(yùn)行到坡頂?shù)妮d重車輛全部釋放，得到關(guān)鍵參數(shù)對(duì)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(guān)鍵參數(shù)對(duì)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(dāng)上/下坡速度均由1 km/h升至50 km/h時(shí)，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(shí)系統(tǒng)效率由74.1%降至72.1%，降幅達(dá)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(shí)系統(tǒng)效率由76.0%降至63.6%，降幅達(dá)12.4%，原因是在儲(chǔ)能過(guò)程中加速階段及勻速階段均進(jìn)行儲(chǔ)能工作，而釋能過(guò)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(duì)系統(tǒng)效率的影響幅度更大。
2.4 耦合系統(tǒng)運(yùn)行特性及配置方案
本文選取我國(guó)河北張家口某一容量為49.5 MW(33×1.5 MW)的風(fēng)電場(chǎng)作為研究對(duì)象。圖8為選取該風(fēng)電場(chǎng)的春、夏、秋、冬四個(gè)典型日的功率負(fù)荷曲線，包含該風(fēng)電場(chǎng)的可利用風(fēng)電功率和并網(wǎng)功率。
圖8 張家口某風(fēng)電場(chǎng)四季典型日功率負(fù)荷曲線
用電時(shí)間劃分為高峰、低谷時(shí)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(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)功率較小，因此風(fēng)電場(chǎng)可利用風(fēng)電過(guò)剩，造成棄風(fēng)；然而在用電高峰期，風(fēng)電場(chǎng)可利用風(fēng)電較小，并網(wǎng)功率也較小，無(wú)法滿足電網(wǎng)的并網(wǎng)要求。經(jīng)計(jì)算，該風(fēng)電場(chǎng)春夏秋冬的風(fēng)電利用率分別為69.2%、74.3%、70.9%、57.4%，棄風(fēng)現(xiàn)象比較嚴(yán)重。
（1）耦合運(yùn)行特性
依據(jù)規(guī)劃策略對(duì)耦合系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行模擬，得到四個(gè)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(chǔ)能，在用電高峰期釋能并與風(fēng)電場(chǎng)共同輸出恒定功率并入電網(wǎng)。
圖9 四個(gè)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(chǔ)棄風(fēng)。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(chǔ)能功率最大程度存儲(chǔ)棄風(fēng)，并與風(fēng)場(chǎng)在用電高峰期輸出16 MW的恒定功率，風(fēng)電利用率由原來(lái)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(chǔ)棄風(fēng)，并與風(fēng)場(chǎng)在用電高峰期輸出29 MW的恒定功率，風(fēng)電利用率由原來(lái)的57.4%提高至82.4%。
此外，發(fā)電并網(wǎng)階段，圖9(a)顯示，風(fēng)電場(chǎng)在用電高峰期08:00—15:00時(shí)段存在5.6 MW~21.2 MW范圍內(nèi)的高頻率功率波動(dòng)，RGES系統(tǒng)可配合風(fēng)電場(chǎng)及時(shí)調(diào)整各時(shí)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(fēng)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(shí)段風(fēng)電場(chǎng)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(fēng)儲(chǔ)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(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)功率，風(fēng)電利用率提高至83.8%。
綜上，RGES系統(tǒng)可有效減少風(fēng)電場(chǎng)的棄風(fēng)率，起到削峰填谷作用，并可在用電高峰期與風(fēng)電場(chǎng)耦合，共同輸出穩(wěn)定的功率并入電網(wǎng)。
（2）配置計(jì)劃
RGES系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中可通過(guò)改變車組的載重質(zhì)量與勻速階段的上/下坡速度兩個(gè)關(guān)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(jì)劃。
表2 春季某典型日的日配置計(jì)劃
結(jié)合圖8及表2，在用電低谷期2:00時(shí)刻，風(fēng)電場(chǎng)的并網(wǎng)功率很小，存在大量棄風(fēng)，因此，通過(guò)增加RGES系統(tǒng)在該時(shí)段的車速及車輛數(shù)，可將儲(chǔ)能功率由3.58 MW提升至30.62 MW，從而提高風(fēng)能利用效率。此外，在用電高峰期8:00—10:00時(shí)刻，所需風(fēng)電場(chǎng)并網(wǎng)功率波動(dòng)較大，急速增加后減少，同樣可通過(guò)改變RGES系統(tǒng)對(duì)應(yīng)時(shí)段車速和車輛數(shù)的配置實(shí)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(yīng)的前提條件下，高載重低速有利于提高鐵軌重力儲(chǔ)能系統(tǒng)的儲(chǔ)能和釋能功率以及儲(chǔ)能和釋能效率。
（2）儲(chǔ)/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(chǔ)/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(dāng)載重質(zhì)量為920 t時(shí)，上/下坡速度由0 km/h上升至50 km/h時(shí)，儲(chǔ)/釋能功率分別由0 MW上升至33 MW和32 MW；當(dāng)上/下坡速度由1 km/h上升至50 km/h時(shí)，儲(chǔ)/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(chǔ)能系統(tǒng)與風(fēng)電場(chǎng)耦合運(yùn)行時(shí)，可通過(guò)靈活配置各時(shí)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(gè)季節(jié)的典型日進(jìn)行研究得出，增加鐵軌重力儲(chǔ)能系統(tǒng)后，風(fēng)電利用率由原來(lái)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
