20公里一年便耗电1亿度，地铁要节能可能得靠它

　　出品 | 网易新闻

　　作者 | 规圆矩方，清华大学机械系博士研究生

　　近年来，中国城市轨道交通发展迅速，作为一种运量大、速度快、准点舒适、安全可靠的现代化的低碳城市公共交通工具，地铁受到越来越多人的青睐，截至2019年 1 月，中国已开通地铁的城市达到了38 个。

　　地铁见证了太多早出晚归、不辞辛劳的平凡身影，见证了太多或困顿、或迷茫、或兴奋、或冷漠、或哭泣、或欢笑的脸庞，拥挤不堪的早高峰和晚高峰、背着吉他唱歌的地铁歌手、互相搀扶站立的夫妻、嘟嘟嘟响起提示音的屏蔽门以及准时发车准点到达的列车，这些构成了城市庞大地下动脉的群像，地铁也消耗了整个城市约1%-2%的电力供应。

　　（高峰期的北京地铁站）

　　今天我们就来说说地铁的节能储能装置。

　　（一）地铁车辆刹车时会变成“发电机”，产生再生制动能量

　　根据国内已建成轨道交通线路运营经验，一条20公里长的地铁线路用电量约为0.6～1亿kW·h，电费占到城市轨道交通运营费用的50%，而列车牵引用电更是占到城市轨道交通用电的50%以上，例如，广州地铁线网列车牵引能耗占到地铁系统总能耗的58%。如何把车辆运行消耗的能量节省下来，是实现整个地铁系统节能降耗的关键。

　　（图：某线路地铁行驶时速度和消耗的电网功率随时间变化情况，来源：李灿等，2018）

　　如上图所示，车辆在站间运行时，先经历牵引阶段，车辆由静止开始加速，电机消耗较大的功率产生牵引力，车速加速至80km/h左右。之后，车辆进入等速巡航阶段，此时电网只需要提供较小的功率即可维持车辆的巡航，车辆快到站的时候，电网不再提供功率，车辆开始惰行，车速稍有降低，最后车辆进入制动阶段，车速迅速减至0。

　　地铁车辆采用的刹车方式并不单单是靠自行车一样加个摩擦片摩擦车轮让车停下，更主要的是依靠电气制动（其实质是改变车辆所受牵引外力的方向），车辆将会克服电磁力做功，此时原本用于牵引车辆前进的电机变成了发电机，将机车动能转化为电能回馈至直流牵引网，因此直流牵引网网压升高，表现在上图中就是产生了负功率，这就产生了再生制动能量。

　　（二）轨道车辆运行产生的再生制动能量是如何处理的？

　　我们知道，地铁每经过一站就要经历一次从静止到加速到匀速行驶再减速直到到站停车的过程，由于轨道交通车辆起制动频繁，制动能量相当可观，有时候甚至占到牵引能量的40%，若能加以合理利用必能产生良好的经济效益。

　　能量守恒定律告诉我们：能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，只会从一个物体转移到另一个物体，或者从一种形式转变为另一种形式。

　　那么，该如何处理地铁车辆运行产生的这部分再生制动能量呢？

　　（1）谈不上利用，直接变成电阻热耗散掉

　　面对再生制动能量这个意外的能量来源，传统的解决方法是设置电阻制动装置，如下图所示，将制动能量消耗在吸收电阻上，该方案控制简单、工作可靠、应用较为普遍，其主要缺点是未能将制动能量加以利用，而电阻散发的热量会引起隧道内温度升高，更加重了空调和通风设施的负担，又会造成能量的二次浪费，将造成电能的极大浪费。

　　（图：车载耗能型能量吸收装置，来源：秦超，2018）

　　（2）各取所需：给其他的车辆加速用

　　再生制动有潜力为地铁网络节省能源并降低成本。当列车进站制动时，其牵引电机充当发电机，产生电能，反馈给第三轨或接触网系统，该能量可用于牵引助推另一列加速出站的列车，如下图所示。

　　然而，除非第一列车制动的同时第二列车加速出站，否则这种再生能量就会通过列车制动电阻以热能形式耗散。

　　这种方法需要要求列车严格按照时刻表运行，这辆车的制动正好与其他车辆的牵引加速阶段在时间上重合才可行，这为车辆调度提出了严苛的要求，在实际中并不能单独运用。

　　实际运行的车辆之间并没有如此严格的时间要求，这样就会出现大量的时段，直流牵引电网中的电压出现极大值或极小值，这样的电压波动是需要进一步平滑的，否则瞬时的高功率就会变成电阻热耗散掉，达不到节能的目的。

　　那怎么办呢？有没有其他将再生制动能量利用起来的办法？有的，目前，再生制动能量循环利用的方法主要有逆变回馈和储能两种方式。

　　（3）逆变回馈：把能量送回去

　　在电力术语中，交流变成直流的过程被称为“整流”，将直流变回交流的过程则被称为“逆变”。目前城市轨道交通直流牵引供电系统采用二极管整流器，电能只能从交流电网向直流牵引网单向流动。

　　而再生电能逆变回馈设备，如下图所示，可将车辆制动时产生能量经过逆变变成工频交流电与车站内电网并网，该吸收方式有利于能源的综合再利用，实现了节能，是目前日益受到重视并大力推广的方式。

　　但是其也存在一些缺点，例如因为机车制动是非连续性的，所以逆变产生的交流电电能质量较差，有可能会影响城市电网的电能质量，此外，列车制动短时间内会产生巨大的再生制动能量，如果直接用于车站内部供给低压负荷使用，一般低压系统可能无法承受，造成这些系统的损坏。

　　（图：用于济南地铁的再生制动能量吸收逆变装置，来源见水印）

　　目前，中国在再生制动能量逆变装置方面已经实现国产化，在广州地铁5号线、济南地铁1号线等线路均有兆瓦级的设备安装，每台设备每年可以实现节省电力开支约50万元。

　　（4）储能：把能量存起来

　　相较于前几种再生能量的利用方式，储能的技术方案更具有一般性和在各个行业领域的推广价值，储能的思想也很早便应用在轨道交通领域，例如通过把站台部位修高，使得车辆进站时的动能转化为一部分重力势能实现储能，出站时再转回为动能，就对列车系统的节能具有显著效果。如下图所示：

　　（把站台修的高一点也能实现储能）

　　以成都地铁为例，大多车站都采用了进站上坡、出站下坡的设计，但是坡度为千分之36，一般乘客是难以感受到的。

　　事实上，目前使用的储能技术方案，比起单纯地把站台修高则要复杂和有效得多，为地铁系统节能降耗提供了更多的调度和使用的灵活性，其能量流转过程如下图所示，储能的代表技术主要有蓄电池储能、电容储能、飞轮储能3种。

　　就支出和寿命周期的运营成本而言，基于电池的系统是最贵的，此外，现在的锂电池技术还不能重复产生满足地铁2分钟及以下典型工作循环的充放电时间，因此，对于应用而言，基于电池的系统通常过于庞大，而且电池也需要更多的空间，必须定期替换和控制环境。

　　超级电容器（双电层电容器）可以进行更快的重复充放电循环，而且比电池便宜，且不需要过大尺寸即可满足铁路再生能量应用需要，但其也有局限性。

　　超级电容器寿命较短，而且效率随时间衰减，因此每隔几年就得更换一次。目前国内技术刚刚起步，依旧处于实验阶段，并没有实现国产化，而且电容器组成本较高，国内仅有少量应用，如北京5号线地铁就安装有超级电容储能设备。

　　而第三种——飞轮储能属于一种物理储能方式，它利用的是旋转体高速旋转时所具备的动能来存储能量，通过实时监测直流牵引网上的电压与母线电压，判断飞轮是进行加速储能或者减速反馈能量。

　　当对装置发出储能指令时，飞轮加速转动，进行储能工作，随着制动过程减弱，制动产生的能量在逐渐下降，飞轮系统停止储能，当传感器发现直流网网压降低时，发出指令，飞轮减速，向直流牵引网回馈能量。

　　用飞轮储能，除了可以吸收过剩的再生能量，还能减小牵引网电压的波动。基于飞轮的能量存储技术是经过验证的成熟技术，提供了一种低风险、低成本的解决方案。飞轮具有高可靠性、高耐久性和高可用性，可以以2分钟的间隔时间持续工作而不危害产品寿命。

　　（飞轮模型，一个在磁浮环境中不断旋转的物体）

　　（实际用于储能的飞轮装置的三维模型）

　　（三）国产兆瓦级飞轮储能装置，一台一年省电50万元

　　2019年7月9日，中国能源技术革命创新行动计划中的兆瓦级飞轮储能技术研究实现突破，国产GTR飞轮储能装置于8日在北京地铁房山线广阳城站正式实现商用，填补了国内应用飞轮储能装置解决城市轨道交通再生制动能量回收方式的空白。

　　这样的兆瓦级设备，每天可以实现节省电能约1500千瓦时，一年下来可以节省用电成本50万元。

　　飞轮储能型装置结构较为复杂，并且对装置的转动轴的技术要求很高。

　　（国产GTR飞轮储能装备结构图及其在国外的某个安装现场，来源：唐英伟，2018）

　　GTR飞轮核心技术主要包括以下几部分：

　　1）被动磁轴承技术：无需电控单元、非接触、无磨损、免维护、简单可靠。

　　2）碳纤维复合转子：采用高强度、抗拉伸碳纤维材料与软磁嵌入工艺、转子无铜无铁、损耗低、转动惯量小、响应速度快。

　　3）高速永磁电机：结构紧凑体积小、效率高、具备更高的频繁充放次数。

　　突破了这些关键核心技术，国产飞轮储能装置成功实现在轨道交通领域的商业应用，此外，这种储能装置还在航母舰载弹射装置中有着应用。

　　结语

　　城市轨道交通系统电能消耗巨大，这也是国内的大多数地铁站无法实现自负盈亏的重要原因，所以，节能降耗是实现节省开支的重要手段。

　　国产储能装置的使用使得动力能耗大幅降低，有效地节省了开支，我们每天出行享受的高效又廉价的城市轨道交通系统，这些节能装置功不可没。

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　　编辑| 史文慧