中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：地鐵在給人們的出行帶來(lái)便利的同時(shí)，也消耗了整個(gè)城市約1%-2%的電力供應(yīng)，這個(gè)比例看似不起眼，但認(rèn)真算下來(lái)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(lái)，中國(guó)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(lái)越多人的青睞，截至2019年 1 月，中國(guó)已開通地鐵的城市達(dá)到了38 個(gè)。
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(shí)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(dòng)脈的群像，地鐵也消耗了整個(gè)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(lái)說(shuō)說(shuō)地鐵的節(jié)能儲(chǔ)能裝置。
（一）地鐵車輛剎車時(shí)會(huì)變成“發(fā)電機(jī)”，產(chǎn)生再生制動(dòng)能量
根據(jù)國(guó)內(nèi)已建成軌道交通線路運(yùn)營(yíng)經(jīng)驗(yàn)，一條20公里長(zhǎng)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(yíng)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(lái)，是實(shí)現(xiàn)整個(gè)地鐵系統(tǒng)節(jié)能降耗的關(guān)鍵。
（圖：某線路地鐵行駛時(shí)速度和消耗的電網(wǎng)功率隨時(shí)間變化情況，來(lái)源：李燦等，2018）
如上圖所示，車輛在站間運(yùn)行時(shí)，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(shí)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(shí)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(dòng)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(gè)摩擦片摩擦車輪讓車停下，更主要的是依靠電氣制動(dòng)（其實(shí)質(zhì)是改變車輛所受牽引外力的方向），車輛將會(huì)克服電磁力做功，此時(shí)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(dòng)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(dòng)能量。
（二）軌道車輛運(yùn)行產(chǎn)生的再生制動(dòng)能量是如何處理的？
我們知道，地鐵每經(jīng)過(guò)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(guò)程，由于軌道交通車輛起制動(dòng)頻繁，制動(dòng)能量相當(dāng)可觀，有時(shí)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(huì)憑空產(chǎn)生，也不會(huì)憑空消失，只會(huì)從一個(gè)物體轉(zhuǎn)移到另一個(gè)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(dòng)能量呢？
（1）談不上利用，直接變成電阻熱耗散掉
面對(duì)再生制動(dòng)能量這個(gè)意外的能量來(lái)源，傳統(tǒng)的解決方法是設(shè)置電阻制動(dòng)裝置，如下圖所示，將制動(dòng)能量消耗在吸收電阻上，該方案控制簡(jiǎn)單、工作可靠、應(yīng)用較為普遍，其主要缺點(diǎn)是未能將制動(dòng)能量加以利用，而電阻散發(fā)的熱量會(huì)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(huì)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(lái)源：秦超，2018）
（2）各取所需：給其他的車輛加速用
再生制動(dòng)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(dòng)時(shí)，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(dòng)的同時(shí)第二列車加速出站，否則這種再生能量就會(huì)通過(guò)列車制動(dòng)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(shí)刻表運(yùn)行，這輛車的制動(dòng)正好與其他車輛的牽引加速階段在時(shí)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(shí)際中并不能單獨(dú)運(yùn)用。
實(shí)際運(yùn)行的車輛之間并沒有如此嚴(yán)格的時(shí)間要求，這樣就會(huì)出現(xiàn)大量的時(shí)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(dòng)是需要進(jìn)一步平滑的，否則瞬時(shí)的高功率就會(huì)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(dòng)能量利用起來(lái)的辦法？有的，目前，再生制動(dòng)能量循環(huán)利用的方法主要有逆變回饋和儲(chǔ)能兩種方式。
（3）逆變回饋：把能量送回去
在電力術(shù)語(yǔ)中，交流變成直流的過(guò)程被稱為“整流”，將直流變回交流的過(guò)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(dòng)。
而再生電能逆變回饋設(shè)備，如下圖所示，可將車輛制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生能量經(jīng)過(guò)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(shí)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?yàn)闄C(jī)車制動(dòng)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(huì)影響城市電網(wǎng)的電能質(zhì)量，此外，列車制動(dòng)短時(shí)間內(nèi)會(huì)產(chǎn)生巨大的再生制動(dòng)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(wú)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(dòng)能量吸收逆變裝置，來(lái)源見水?。?
目前，中國(guó)在再生制動(dòng)能量逆變裝置方面已經(jīng)實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，在廣州地鐵5號(hào)線、濟(jì)南地鐵1號(hào)線等線路均有兆瓦級(jí)的設(shè)備安裝，每臺(tái)設(shè)備每年可以實(shí)現(xiàn)節(jié)省電力開支約50萬(wàn)元。
（4）儲(chǔ)能：把能量存起來(lái)
相較于前幾種再生能量的利用方式，儲(chǔ)能的技術(shù)方案更具有一般性和在各個(gè)行業(yè)領(lǐng)域的推廣價(jià)值，儲(chǔ)能的思想也很早便應(yīng)用在軌道交通領(lǐng)域，例如通過(guò)把站臺(tái)部位修高，使得車輛進(jìn)站時(shí)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為一部分重力勢(shì)能實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)能，出站時(shí)再轉(zhuǎn)回為動(dòng)能，就對(duì)列車系統(tǒng)的節(jié)能具有顯著效果。如下圖所示：
（把站臺(tái)修的高一點(diǎn)也能實(shí)現(xiàn)儲(chǔ)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(jì)，但是坡度為千分之36，一般乘客是難以感受到的。
事實(shí)上，目前使用的儲(chǔ)能技術(shù)方案，比起單純地把站臺(tái)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(guò)程如下圖所示，儲(chǔ)能的代表技術(shù)主要有蓄電池儲(chǔ)能、電容儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能3種。
就支出和壽命周期的運(yùn)營(yíng)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(shí)間，因此，對(duì)于應(yīng)用而言，基于電池的系統(tǒng)通常過(guò)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(jí)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(guò)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(jí)電容器壽命較短，而且效率隨時(shí)間衰減，因此每隔幾年就得更換一次。目前國(guó)內(nèi)技術(shù)剛剛起步，依舊處于實(shí)驗(yàn)階段，并沒有實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化，而且電容器組成本較高，國(guó)內(nèi)僅有少量應(yīng)用，如北京5號(hào)線地鐵就安裝有超級(jí)電容儲(chǔ)能設(shè)備。
而第三種——飛輪儲(chǔ)能屬于一種物理儲(chǔ)能方式，它利用的是旋轉(zhuǎn)體高速旋轉(zhuǎn)時(shí)所具備的動(dòng)能來(lái)存儲(chǔ)能量，通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(chǔ)能或者減速反饋能量。
當(dāng)對(duì)裝置發(fā)出儲(chǔ)能指令時(shí)，飛輪加速轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)行儲(chǔ)能工作，隨著制動(dòng)過(guò)程減弱，制動(dòng)產(chǎn)生的能量在逐漸下降，飛輪系統(tǒng)停止儲(chǔ)能，當(dāng)傳感器發(fā)現(xiàn)直流網(wǎng)網(wǎng)壓降低時(shí)，發(fā)出指令，飛輪減速，向直流牽引網(wǎng)回饋能量。
用飛輪儲(chǔ)能，除了可以吸收過(guò)剩的再生能量，還能減小牽引網(wǎng)電壓的波動(dòng)?；陲w輪的能量存儲(chǔ)技術(shù)是經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的成熟技術(shù)，提供了一種低風(fēng)險(xiǎn)、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(shí)間持續(xù)工作而不危害產(chǎn)品壽命。
（飛輪模型，一個(gè)在磁浮環(huán)境中不斷旋轉(zhuǎn)的物體）
（實(shí)際用于儲(chǔ)能的飛輪裝置的三維模型）
（三）國(guó)產(chǎn)兆瓦級(jí)飛輪儲(chǔ)能裝置，一臺(tái)一年省電50萬(wàn)元
2019年7月9日，中國(guó)能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動(dòng)計(jì)劃中的兆瓦級(jí)飛輪儲(chǔ)能技術(shù)研究實(shí)現(xiàn)突破，國(guó)產(chǎn)GTR飛輪儲(chǔ)能裝置于8日在北京地鐵房山線廣陽(yáng)城站正式實(shí)現(xiàn)商用，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)應(yīng)用飛輪儲(chǔ)能裝置解決城市軌道交通再生制動(dòng)能量回收方式的空白。
這樣的兆瓦級(jí)設(shè)備，每天可以實(shí)現(xiàn)節(jié)省電能約1500千瓦時(shí)，一年下來(lái)可以節(jié)省用電成本50萬(wàn)元。
飛輪儲(chǔ)能型裝置結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，并且對(duì)裝置的轉(zhuǎn)動(dòng)軸的技術(shù)要求很高。
（國(guó)產(chǎn)GTR飛輪儲(chǔ)能裝備結(jié)構(gòu)圖及其在國(guó)外的某個(gè)安裝現(xiàn)場(chǎng)，來(lái)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(dòng)磁軸承技術(shù)：無(wú)需電控單元、非接觸、無(wú)磨損、免維護(hù)、簡(jiǎn)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(wú)銅無(wú)鐵、損耗低、轉(zhuǎn)動(dòng)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(guó)產(chǎn)飛輪儲(chǔ)能裝置成功實(shí)現(xiàn)在軌道交通領(lǐng)域的商業(yè)應(yīng)用，此外，這種儲(chǔ)能裝置還在航母艦載彈射裝置中有著應(yīng)用。
結(jié)語(yǔ)
城市軌道交通系統(tǒng)電能消耗巨大，這也是國(guó)內(nèi)的大多數(shù)地鐵站無(wú)法實(shí)現(xiàn)自負(fù)盈虧的重要原因，所以，節(jié)能降耗是實(shí)現(xiàn)節(jié)省開支的重要手段。
國(guó)產(chǎn)儲(chǔ)能裝置的使用使得動(dòng)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(jià)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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