中國儲能網(wǎng)訊：地鐵在給人們的出行帶來便利的同時，也消耗了整個城市約1%-2%的電力供應(yīng)，這個比例看似不起眼，但認(rèn)真算下來卻是一筆巨大的支出。
出品 | 網(wǎng)易新聞
作者 | 陳俊宇，清華大學(xué)機(jī)械系博士研究生
近年來，中國城市軌道交通發(fā)展迅速，作為一種運(yùn)量大、速度快、準(zhǔn)點(diǎn)舒適、安全可靠的現(xiàn)代化的低碳城市公共交通工具，地鐵受到越來越多人的青睞，截至2019年 1 月，中國已開通地鐵的城市達(dá)到了38 個。
地鐵見證了太多早出晚歸、不辭辛勞的平凡身影，見證了太多或困頓、或迷茫、或興奮、或冷漠、或哭泣、或歡笑的臉龐，擁擠不堪的早高峰和晚高峰、背著吉他唱歌的地鐵歌手、互相攙扶站立的夫妻、嘟嘟嘟響起提示音的屏蔽門以及準(zhǔn)時發(fā)車準(zhǔn)點(diǎn)到達(dá)的列車，這些構(gòu)成了城市龐大地下動脈的群像，地鐵也消耗了整個城市約1%-2%的電力供應(yīng)。
（高峰期的北京地鐵站）
今天我們就來說說地鐵的節(jié)能儲能裝置。
（一）地鐵車輛剎車時會變成“發(fā)電機(jī)”，產(chǎn)生再生制動能量
根據(jù)國內(nèi)已建成軌道交通線路運(yùn)營經(jīng)驗，一條20公里長的地鐵線路用電量約為0.6～1億kW·h，電費(fèi)占到城市軌道交通運(yùn)營費(fèi)用的50%，而列車牽引用電更是占到城市軌道交通用電的50%以上，例如，廣州地鐵線網(wǎng)列車牽引能耗占到地鐵系統(tǒng)總能耗的58%。如何把車輛運(yùn)行消耗的能量節(jié)省下來，是實現(xiàn)整個地鐵系統(tǒng)節(jié)能降耗的關(guān)鍵。
（圖：某線路地鐵行駛時速度和消耗的電網(wǎng)功率隨時間變化情況，來源：李燦等，2018）
如上圖所示，車輛在站間運(yùn)行時，先經(jīng)歷牽引階段，車輛由靜止開始加速，電機(jī)消耗較大的功率產(chǎn)生牽引力，車速加速至80km/h左右。之后，車輛進(jìn)入等速巡航階段，此時電網(wǎng)只需要提供較小的功率即可維持車輛的巡航，車輛快到站的時候，電網(wǎng)不再提供功率，車輛開始惰行，車速稍有降低，最后車輛進(jìn)入制動階段，車速迅速減至0。
地鐵車輛采用的剎車方式并不單單是靠自行車一樣加個摩擦片摩擦車輪讓車停下，更主要的是依靠電氣制動（其實質(zhì)是改變車輛所受牽引外力的方向），車輛將會克服電磁力做功，此時原本用于牽引車輛前進(jìn)的電機(jī)變成了發(fā)電機(jī)，將機(jī)車動能轉(zhuǎn)化為電能回饋至直流牽引網(wǎng)，因此直流牽引網(wǎng)網(wǎng)壓升高，表現(xiàn)在上圖中就是產(chǎn)生了負(fù)功率，這就產(chǎn)生了再生制動能量。
（二）軌道車輛運(yùn)行產(chǎn)生的再生制動能量是如何處理的？
我們知道，地鐵每經(jīng)過一站就要經(jīng)歷一次從靜止到加速到勻速行駛再減速直到到站停車的過程，由于軌道交通車輛起制動頻繁，制動能量相當(dāng)可觀，有時候甚至占到牽引能量的40%，若能加以合理利用必能產(chǎn)生良好的經(jīng)濟(jì)效益。
能量守恒定律告訴我們：能量既不會憑空產(chǎn)生，也不會憑空消失，只會從一個物體轉(zhuǎn)移到另一個物體，或者從一種形式轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N形式。
那么，該如何處理地鐵車輛運(yùn)行產(chǎn)生的這部分再生制動能量呢？
（1）談不上利用，直接變成電阻熱耗散掉
面對再生制動能量這個意外的能量來源，傳統(tǒng)的解決方法是設(shè)置電阻制動裝置，如下圖所示，將制動能量消耗在吸收電阻上，該方案控制簡單、工作可靠、應(yīng)用較為普遍，其主要缺點(diǎn)是未能將制動能量加以利用，而電阻散發(fā)的熱量會引起隧道內(nèi)溫度升高，更加重了空調(diào)和通風(fēng)設(shè)施的負(fù)擔(dān)，又會造成能量的二次浪費(fèi)，將造成電能的極大浪費(fèi)。
（圖：車載耗能型能量吸收裝置，來源：秦超，2018）
（2）各取所需：給其他的車輛加速用
再生制動有潛力為地鐵網(wǎng)絡(luò)節(jié)省能源并降低成本。當(dāng)列車進(jìn)站制動時，其牽引電機(jī)充當(dāng)發(fā)電機(jī)，產(chǎn)生電能，反饋給第三軌或接觸網(wǎng)系統(tǒng)，該能量可用于牽引助推另一列加速出站的列車，如下圖所示。
然而，除非第一列車制動的同時第二列車加速出站，否則這種再生能量就會通過列車制動電阻以熱能形式耗散。
這種方法需要要求列車嚴(yán)格按照時刻表運(yùn)行，這輛車的制動正好與其他車輛的牽引加速階段在時間上重合才可行，這為車輛調(diào)度提出了嚴(yán)苛的要求，在實際中并不能單獨(dú)運(yùn)用。
實際運(yùn)行的車輛之間并沒有如此嚴(yán)格的時間要求，這樣就會出現(xiàn)大量的時段，直流牽引電網(wǎng)中的電壓出現(xiàn)極大值或極小值，這樣的電壓波動是需要進(jìn)一步平滑的，否則瞬時的高功率就會變成電阻熱耗散掉，達(dá)不到節(jié)能的目的。
那怎么辦呢？有沒有其他將再生制動能量利用起來的辦法？有的，目前，再生制動能量循環(huán)利用的方法主要有逆變回饋和儲能兩種方式。
（3）逆變回饋：把能量送回去
在電力術(shù)語中，交流變成直流的過程被稱為“整流”，將直流變回交流的過程則被稱為“逆變”。目前城市軌道交通直流牽引供電系統(tǒng)采用二極管整流器，電能只能從交流電網(wǎng)向直流牽引網(wǎng)單向流動。
而再生電能逆變回饋設(shè)備，如下圖所示，可將車輛制動時產(chǎn)生能量經(jīng)過逆變變成工頻交流電與車站內(nèi)電網(wǎng)并網(wǎng)，該吸收方式有利于能源的綜合再利用，實現(xiàn)了節(jié)能，是目前日益受到重視并大力推廣的方式。
但是其也存在一些缺點(diǎn)，例如因為機(jī)車制動是非連續(xù)性的，所以逆變產(chǎn)生的交流電電能質(zhì)量較差，有可能會影響城市電網(wǎng)的電能質(zhì)量，此外，列車制動短時間內(nèi)會產(chǎn)生巨大的再生制動能量，如果直接用于車站內(nèi)部供給低壓負(fù)荷使用，一般低壓系統(tǒng)可能無法承受，造成這些系統(tǒng)的損壞。
（圖：用于濟(jì)南地鐵的再生制動能量吸收逆變裝置，來源見水?。?
目前，中國在再生制動能量逆變裝置方面已經(jīng)實現(xiàn)國產(chǎn)化，在廣州地鐵5號線、濟(jì)南地鐵1號線等線路均有兆瓦級的設(shè)備安裝，每臺設(shè)備每年可以實現(xiàn)節(jié)省電力開支約50萬元。
（4）儲能：把能量存起來
相較于前幾種再生能量的利用方式，儲能的技術(shù)方案更具有一般性和在各個行業(yè)領(lǐng)域的推廣價值，儲能的思想也很早便應(yīng)用在軌道交通領(lǐng)域，例如通過把站臺部位修高，使得車輛進(jìn)站時的動能轉(zhuǎn)化為一部分重力勢能實現(xiàn)儲能，出站時再轉(zhuǎn)回為動能，就對列車系統(tǒng)的節(jié)能具有顯著效果。如下圖所示：
（把站臺修的高一點(diǎn)也能實現(xiàn)儲能）
以成都地鐵為例，大多車站都采用了進(jìn)站上坡、出站下坡的設(shè)計，但是坡度為千分之36，一般乘客是難以感受到的。
事實上，目前使用的儲能技術(shù)方案，比起單純地把站臺修高則要復(fù)雜和有效得多，為地鐵系統(tǒng)節(jié)能降耗提供了更多的調(diào)度和使用的靈活性，其能量流轉(zhuǎn)過程如下圖所示，儲能的代表技術(shù)主要有蓄電池儲能、電容儲能、飛輪儲能3種。
就支出和壽命周期的運(yùn)營成本而言，基于電池的系統(tǒng)是最貴的，此外，現(xiàn)在的鋰電池技術(shù)還不能重復(fù)產(chǎn)生滿足地鐵2分鐘及以下典型工作循環(huán)的充放電時間，因此，對于應(yīng)用而言，基于電池的系統(tǒng)通常過于龐大，而且電池也需要更多的空間，必須定期替換和控制環(huán)境。
超級電容器（雙電層電容器）可以進(jìn)行更快的重復(fù)充放電循環(huán)，而且比電池便宜，且不需要過大尺寸即可滿足鐵路再生能量應(yīng)用需要，但其也有局限性。
超級電容器壽命較短，而且效率隨時間衰減，因此每隔幾年就得更換一次。目前國內(nèi)技術(shù)剛剛起步，依舊處于實驗階段，并沒有實現(xiàn)國產(chǎn)化，而且電容器組成本較高，國內(nèi)僅有少量應(yīng)用，如北京5號線地鐵就安裝有超級電容儲能設(shè)備。
而第三種——飛輪儲能屬于一種物理儲能方式，它利用的是旋轉(zhuǎn)體高速旋轉(zhuǎn)時所具備的動能來存儲能量，通過實時監(jiān)測直流牽引網(wǎng)上的電壓與母線電壓，判斷飛輪是進(jìn)行加速儲能或者減速反饋能量。
當(dāng)對裝置發(fā)出儲能指令時，飛輪加速轉(zhuǎn)動，進(jìn)行儲能工作，隨著制動過程減弱，制動產(chǎn)生的能量在逐漸下降，飛輪系統(tǒng)停止儲能，當(dāng)傳感器發(fā)現(xiàn)直流網(wǎng)網(wǎng)壓降低時，發(fā)出指令，飛輪減速，向直流牽引網(wǎng)回饋能量。
用飛輪儲能，除了可以吸收過剩的再生能量，還能減小牽引網(wǎng)電壓的波動。基于飛輪的能量存儲技術(shù)是經(jīng)過驗證的成熟技術(shù)，提供了一種低風(fēng)險、低成本的解決方案。飛輪具有高可靠性、高耐久性和高可用性，可以以2分鐘的間隔時間持續(xù)工作而不危害產(chǎn)品壽命。
（飛輪模型，一個在磁浮環(huán)境中不斷旋轉(zhuǎn)的物體）
（實際用于儲能的飛輪裝置的三維模型）
（三）國產(chǎn)兆瓦級飛輪儲能裝置，一臺一年省電50萬元
2019年7月9日，中國能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動計劃中的兆瓦級飛輪儲能技術(shù)研究實現(xiàn)突破，國產(chǎn)GTR飛輪儲能裝置于8日在北京地鐵房山線廣陽城站正式實現(xiàn)商用，填補(bǔ)了國內(nèi)應(yīng)用飛輪儲能裝置解決城市軌道交通再生制動能量回收方式的空白。
這樣的兆瓦級設(shè)備，每天可以實現(xiàn)節(jié)省電能約1500千瓦時，一年下來可以節(jié)省用電成本50萬元。
飛輪儲能型裝置結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，并且對裝置的轉(zhuǎn)動軸的技術(shù)要求很高。
（國產(chǎn)GTR飛輪儲能裝備結(jié)構(gòu)圖及其在國外的某個安裝現(xiàn)場，來源：唐英偉，2018）
GTR飛輪核心技術(shù)主要包括以下幾部分：
1）被動磁軸承技術(shù)：無需電控單元、非接觸、無磨損、免維護(hù)、簡單可靠。
2）碳纖維復(fù)合轉(zhuǎn)子：采用高強(qiáng)度、抗拉伸碳纖維材料與軟磁嵌入工藝、轉(zhuǎn)子無銅無鐵、損耗低、轉(zhuǎn)動慣量小、響應(yīng)速度快。
3）高速永磁電機(jī)：結(jié)構(gòu)緊湊體積小、效率高、具備更高的頻繁充放次數(shù)。
突破了這些關(guān)鍵核心技術(shù)，國產(chǎn)飛輪儲能裝置成功實現(xiàn)在軌道交通領(lǐng)域的商業(yè)應(yīng)用，此外，這種儲能裝置還在航母艦載彈射裝置中有著應(yīng)用。
結(jié)語
城市軌道交通系統(tǒng)電能消耗巨大，這也是國內(nèi)的大多數(shù)地鐵站無法實現(xiàn)自負(fù)盈虧的重要原因，所以，節(jié)能降耗是實現(xiàn)節(jié)省開支的重要手段。
國產(chǎn)儲能裝置的使用使得動力能耗大幅降低，有效地節(jié)省了開支，我們每天出行享受的高效又廉價的城市軌道交通系統(tǒng)，這些節(jié)能裝置功不可沒。
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