飛輪儲(chǔ)能與軌道交通系統(tǒng)技術(shù)融合發(fā)展現(xiàn)狀

齊洪峰

(中車工業(yè)研究院有限公司，北京 100076)

加快建設(shè)交通強(qiáng)國是順應(yīng)高質(zhì)量發(fā)展、搶抓新機(jī)遇、應(yīng)對(duì)新挑戰(zhàn)的客觀需要。軌道交通由于具備運(yùn)行速度快、污染少、安全性高等特點(diǎn)，逐漸成為人們首選的出行方式[1]。由于軌道交通運(yùn)量巨大，列車運(yùn)行過程中的調(diào)速制動(dòng)、停車制動(dòng)以及突發(fā)情況下的緊急制動(dòng)都會(huì)出現(xiàn)能量耗散的情形。新興的儲(chǔ)能裝置為解決這一問題提供了潛在可能性。飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)是最早、最受歡迎的儲(chǔ)能系統(tǒng)之一，它可以通過加速飛輪至極高速度將能量以旋轉(zhuǎn)動(dòng)能的形式儲(chǔ)存于系統(tǒng)[2]。

表1 對(duì)比了幾種常見儲(chǔ)能裝置[3]，飛輪儲(chǔ)能較其他儲(chǔ)能方式而言，具有適應(yīng)性強(qiáng)、儲(chǔ)能密度大、應(yīng)用范圍廣等技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

表1 各類儲(chǔ)能裝置的性能對(duì)比

現(xiàn)有研究表明，國內(nèi)外眾多研究機(jī)構(gòu)及企業(yè)在飛輪儲(chǔ)能領(lǐng)域開展了諸多研究，表2 匯總了國內(nèi)開展飛輪儲(chǔ)能相關(guān)研究機(jī)構(gòu)及其研究方向/領(lǐng)域[4-6]。我國在飛輪儲(chǔ)能應(yīng)用于發(fā)電、石油鉆井、導(dǎo)航等領(lǐng)域方面已取得了諸多實(shí)際應(yīng)用示范的成功經(jīng)驗(yàn)。

表2 國內(nèi)飛輪儲(chǔ)能相關(guān)研究機(jī)構(gòu)

圖1 為飛輪儲(chǔ)能技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)圖，盡管飛輪儲(chǔ)能的理論與應(yīng)用研究在近年取得了迅速發(fā)展，但其在軌道交通領(lǐng)域的應(yīng)用研究才剛剛起步，雖然廣受關(guān)注，但相關(guān)研究尚不充分，遠(yuǎn)遠(yuǎn)難以滿足行業(yè)領(lǐng)域融合發(fā)展的需求。

圖1 飛輪儲(chǔ)能發(fā)展趨勢(shì)圖

本文介紹了飛輪儲(chǔ)能的技術(shù)原理及特點(diǎn)，總結(jié)了飛輪儲(chǔ)能裝置在軌道交通領(lǐng)域的應(yīng)用，分析了飛輪儲(chǔ)能與軌道交通的融合發(fā)展現(xiàn)狀，在分析現(xiàn)有研究的基礎(chǔ)上，探討了飛輪儲(chǔ)能與軌道交通融合發(fā)展的潛在研究方向及發(fā)展趨勢(shì)。

1 飛輪儲(chǔ)能技術(shù)原理與特點(diǎn)

典型的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2 所示[7-8]。飛輪最初在持續(xù)旋轉(zhuǎn)狀態(tài)下維持運(yùn)行，在儲(chǔ)能時(shí)，飛輪通過提升轉(zhuǎn)速的方式儲(chǔ)存機(jī)械能，當(dāng)達(dá)到額定轉(zhuǎn)速后，飛輪則維持轉(zhuǎn)速恒定運(yùn)轉(zhuǎn)，此時(shí)飛輪系統(tǒng)已經(jīng)具備釋能條件；釋能時(shí)，飛輪通過牽引電機(jī)進(jìn)行能量的釋放[7-8]，其原理示意圖如圖3 所示[9]。

圖2 飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖3 飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)原理圖

飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的一系列優(yōu)點(diǎn)與軌道交通系統(tǒng)完美契合。軌道交通系統(tǒng)列車因其質(zhì)量大，在啟停時(shí)將會(huì)產(chǎn)生大量制動(dòng)能量，若引入飛輪儲(chǔ)能技術(shù)，列車制動(dòng)時(shí)，飛輪加速旋轉(zhuǎn)進(jìn)行能量的存儲(chǔ)，列車啟動(dòng)時(shí)，飛輪降低轉(zhuǎn)速完成能量的釋放[10]，從而實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量回收利用，對(duì)節(jié)約能源、減少環(huán)境污染、提高經(jīng)濟(jì)效益有著重大意義。飛輪儲(chǔ)能在軌道交通系統(tǒng)中具有良好的應(yīng)用前景。

2 飛輪儲(chǔ)能在軌道交通系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 飛輪儲(chǔ)能在城市軌道(地鐵)系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀

飛輪儲(chǔ)能可迅速儲(chǔ)存列車再生制動(dòng)能量，并在啟動(dòng)時(shí)提供高功率輸出與電壓支撐，其與城市軌道交通中壓環(huán)網(wǎng)系統(tǒng)隔離，能降低牽引網(wǎng)壓波動(dòng)，穩(wěn)定直流牽引網(wǎng)壓，因此不會(huì)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性產(chǎn)生較大影響[11]。

由于飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)能夠有效提高鐵路運(yùn)行質(zhì)量并利用再生制動(dòng)能源[12]，飛輪儲(chǔ)能裝置從很早開始就應(yīng)用于地鐵。2000年，英國倫敦地鐵皮卡迪利線安裝了功率300 kW 的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)[13]；2001 年，美國紐約地鐵Far Rockaway 線安裝了功率1 MW 的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)[14]；2003 年，法國里昂地鐵安裝了功率200 kW、可儲(chǔ)能1.44 kWh 的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)[15]；2010 年，倫敦地鐵在Piccadilly線路上進(jìn)行過飛輪儲(chǔ)能再生制動(dòng)試驗(yàn)[16]。

北京地鐵房山線是國內(nèi)首個(gè)應(yīng)用GTR 型號(hào)的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)線路，該系統(tǒng)實(shí)物如圖4 所示，其可有效平抑電壓波動(dòng)、穩(wěn)定牽引網(wǎng)壓，為供電安全提供良好保障[17]。

圖4 北京房山線飛輪儲(chǔ)能裝置

2.2 飛輪儲(chǔ)能在高速鐵路系統(tǒng)的應(yīng)用現(xiàn)狀

高速鐵路列車具有較高運(yùn)行速度，其牽引負(fù)荷對(duì)電力系統(tǒng)影響范圍更加廣泛，容易引發(fā)電能質(zhì)量問題及供電故障；同時(shí)，高速動(dòng)車組相較于普通列車運(yùn)行速度更快、質(zhì)量更大，制動(dòng)能量更大。因此，再生制動(dòng)能的回收利用對(duì)電力設(shè)備安全運(yùn)行及減少能耗具有十分重要的意義[18]。

目前高速鐵路再生制動(dòng)能利用方式通常有兩種：一種是通過優(yōu)化列車運(yùn)行狀態(tài)，使同一供電臂下制動(dòng)列車產(chǎn)生的再生制動(dòng)能供給牽引列車使用，另一種是通過回饋裝置將再生制動(dòng)能反饋至鐵路內(nèi)部配電系統(tǒng)。但這兩種方法都存在不足，前者利用率低且靈活性差，后者容易干擾用電設(shè)備[19]?；诖?，可采用儲(chǔ)能裝置對(duì)再生制動(dòng)能進(jìn)行存儲(chǔ)。

自20 世紀(jì)50 年代以來[20]，再生制動(dòng)技術(shù)便被廣泛應(yīng)用于鐵路再生制動(dòng)能的利用中。由于高速鐵路的再生制動(dòng)過程具有制動(dòng)功率小、制動(dòng)時(shí)間較長等特點(diǎn)，非常適合采用基于飛輪儲(chǔ)能的再生制動(dòng)技術(shù)進(jìn)行再生制動(dòng)能量利用[21]。目前已有部分國家將該技術(shù)應(yīng)用于高速鐵路。1988 年，日本京濱高速鐵路安裝了功率2 000 kW、可儲(chǔ)能25 kWh 的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)，該系統(tǒng)目前仍在運(yùn)行[22]；2000 年，美國德克薩斯大學(xué)奧斯汀機(jī)電中心測(cè)試了8.6 噸重、可儲(chǔ)能100 kWh 的高鐵用飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)[23]；2003 年，西班牙馬德里地區(qū)的高鐵線路安裝了功率350 kW、可儲(chǔ)能55.6 kWh 的飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)ACE2[24]。

2.3 技術(shù)發(fā)展成熟度

盡管飛輪儲(chǔ)能技術(shù)歷經(jīng)多年發(fā)展，但其在軌道交通領(lǐng)域的應(yīng)用尚處于初期階段。近年來，飛輪儲(chǔ)能技術(shù)在國內(nèi)外城市軌道交通領(lǐng)域進(jìn)行了初步應(yīng)用，具備了一定的技術(shù)成熟度，典型應(yīng)用方案涉及3 個(gè)方面[17]。

(1)制動(dòng)能量回收：基于飛輪儲(chǔ)能的列車制動(dòng)能量回收方案如圖5 所示，該方案可減少總牽引電能消耗量并降低列車制動(dòng)造成的機(jī)械磨損。

圖5 列車制動(dòng)能量回收示意圖

(2)牽引網(wǎng)支撐：當(dāng)列車經(jīng)過特殊區(qū)段時(shí)，其運(yùn)量的提升會(huì)導(dǎo)致牽引網(wǎng)壓發(fā)生較大波動(dòng)，會(huì)對(duì)列車運(yùn)行安全產(chǎn)生較大威脅，在此處安裝飛輪儲(chǔ)能裝置，可有效維持牽引網(wǎng)壓，降低成本，其方案如圖6 所示。

圖6 加裝飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)的牽引網(wǎng)示意圖

(3)應(yīng)急電源：當(dāng)牽引供電系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)，飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)根據(jù)需要向牽引網(wǎng)釋放能量，其方案如圖7 所示。

圖7 含應(yīng)急電源和飛輪儲(chǔ)能的牽引網(wǎng)示意圖

綜上所述，飛輪儲(chǔ)能技術(shù)在軌道交通領(lǐng)域的應(yīng)用日趨成熟，隨著相關(guān)技術(shù)不斷發(fā)展，飛輪儲(chǔ)能技術(shù)在軌道交通領(lǐng)域?qū)@得更加廣泛的應(yīng)用。

3 飛輪儲(chǔ)能與軌道交通系統(tǒng)的融合發(fā)展分析

3.1 潛在的技術(shù)方向研究

根據(jù)上述分析可以看出，未來飛輪儲(chǔ)能與軌道交通融合的潛在方向包括且不限于：

(1)飛輪電池充放電迅速，非常適用于混合能量推動(dòng)的車輛，其在動(dòng)車組制動(dòng)方面的應(yīng)用將會(huì)是極具潛力的研究方向[25]；

(2)雖然飛輪儲(chǔ)能技術(shù)已得到初步應(yīng)用[26]，但少有電氣化鐵路削峰填谷的應(yīng)用，因此，將其應(yīng)用于電氣化鐵路的能量管理是一個(gè)潛在研究方向；

(3)由于我國鐵路區(qū)域發(fā)展不均衡，東部鐵路網(wǎng)密集度高，中西部地區(qū)路網(wǎng)密度較低，因此開展因地制宜的飛輪儲(chǔ)能技術(shù)與軌道交通結(jié)合應(yīng)用也是一個(gè)潛在的研究方向。

3.2 潛在的應(yīng)用模式研究

根據(jù)我國的列車運(yùn)營密集度、牽引方式以及儲(chǔ)能單元安裝位置特性，主要包括8 種飛輪儲(chǔ)能與軌道交通融合模式，如圖8 所示。

圖8 8種飛輪儲(chǔ)能與軌道交通融合應(yīng)用模式

飛輪儲(chǔ)能與軌道交通融合場(chǎng)景主要由牽引方式(T)、儲(chǔ)能單元位置(P)以及運(yùn)營頻次(F)決定，將三者兩兩組合，牽引方式和儲(chǔ)能單元位置可以共同定義實(shí)現(xiàn)方案，運(yùn)行頻次和儲(chǔ)能單元位置共同定義需求特性，運(yùn)行頻次和牽引方式共同定義經(jīng)濟(jì)性。由于經(jīng)濟(jì)性與本文相關(guān)性不緊密，因此本文重點(diǎn)探討牽引方式與儲(chǔ)能單元位置(T+P)組合及儲(chǔ)能單元位置與運(yùn)營頻次(P+F)組合對(duì)應(yīng)的飛輪儲(chǔ)能與軌道交通融合的發(fā)展場(chǎng)景。

牽引方式分為電氣化(E)及非電氣化(N)；儲(chǔ)能單元位置分為車載(O)及軌道旁(S)；運(yùn)營頻次分為高頻次(H)及低頻次(L)。

3.2.1 T+P 融合場(chǎng)景

T+P 可以定義融合發(fā)展場(chǎng)景的實(shí)現(xiàn)方案，具體可分為電氣化+軌道旁(ES)、電氣化+車載(EO)、非電氣化+軌道旁(NS)和非電氣化+車載(NO)四個(gè)場(chǎng)景，如表3 所示。

表3 T+P 融合發(fā)展場(chǎng)景分析

3.2.2 P+F 融合場(chǎng)景

P+F 可以定義融合發(fā)展場(chǎng)景的需求特性，具體可分為軌道旁+高頻次(SH)、軌道旁+低頻次(SL)、車載+高頻次(OH)、車載+低頻次(OL)四個(gè)場(chǎng)景，如表4 所示。

表4 P+F 融合發(fā)展場(chǎng)景分析

由此，可得出飛輪儲(chǔ)能與軌道交通融合場(chǎng)景的實(shí)現(xiàn)方案及需求特性，從而為未來飛輪儲(chǔ)能在軌道交通領(lǐng)域的融合發(fā)展提供應(yīng)用場(chǎng)景及指導(dǎo)。

4 結(jié)語

本文對(duì)現(xiàn)有飛輪儲(chǔ)能在軌道交通系統(tǒng)的應(yīng)用情況進(jìn)行了梳理，介紹了飛輪儲(chǔ)能的技術(shù)原理，分析總結(jié)了目前飛輪儲(chǔ)能在城市軌道(地鐵)及高速鐵路的應(yīng)用現(xiàn)狀，并基于現(xiàn)有研究，探索分析了飛輪儲(chǔ)能與軌道交通融合的發(fā)展趨勢(shì)。由于飛輪儲(chǔ)能在軌道交通領(lǐng)域有著極大的優(yōu)勢(shì)，因此研究其與軌道交通的融合發(fā)展有著重大意義。