黎俊杰

（廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，廣東廣州 510000）

0 引言

截至2022年底，全國(guó)55個(gè)城市共已開通308條城軌，總里程數(shù)超過10 000 km，達(dá)10 291.95 km。預(yù)計(jì)2025年我國(guó)城軌交通線網(wǎng)總里程將比2021年新增4 350 km，到2030年線路總里程將比2021年翻一番?！半p碳”目標(biāo)下行業(yè)發(fā)展與節(jié)能降碳的矛盾愈加突出，節(jié)能減排將成為行業(yè)發(fā)展重點(diǎn)方針。

中國(guó)城市軌道交通協(xié)會(huì)結(jié)合行業(yè)特點(diǎn)和發(fā)展態(tài)勢(shì)，統(tǒng)籌碳達(dá)峰、碳中和行動(dòng)和綠色城軌發(fā)展，相應(yīng)發(fā)布了《中國(guó)城市軌道交通綠色城軌發(fā)展行動(dòng)方案》。方案中提到各地城市應(yīng)大力發(fā)展光伏發(fā)電，行業(yè)需要發(fā)展儲(chǔ)能技術(shù)，降低儲(chǔ)能成本，使其成為光伏發(fā)電在城軌交通應(yīng)用的重要支撐。隨著城市軌道交通配套光伏，例如車站建筑光伏、場(chǎng)段建筑光伏逐漸增多，地鐵新能源消納需求提升，電力儲(chǔ)能需求涌現(xiàn)[1]。

此外，隨著電價(jià)改革政策進(jìn)一步深化實(shí)施，城市軌道交通行業(yè)將有可能實(shí)施峰谷電價(jià)，因此在軌道交通行業(yè)應(yīng)用儲(chǔ)能技術(shù)具有重要意義。

1 城市軌道交通用能特性分析

城市軌道交通以電力為動(dòng)力，運(yùn)力大，平均能耗少，人均碳排量少。城軌交通碳排放因子僅為公交車的53%，出租車的11%，高碳出行（私家車等）的11%。全國(guó)碳排放量中交通占比在10%左右，城軌交通又是城市交通的耗能大戶，2018—2021年期間，全國(guó)城軌交通總能耗分別為132.12億、152.6億、172.4億、213.1億kW·h。電費(fèi)占城軌交通日常運(yùn)營(yíng)成本的10%～25%，車站能耗達(dá)100萬(wàn)～270萬(wàn)kW·h/a。

城市軌道交通用電能耗主要用途分布如圖1所示，列車牽引能耗占45%～60%，超過總用電能耗一半，車站環(huán)控能耗占30%～35%，照明、電梯、辦公能耗各占5%左右。列車牽引負(fù)荷為波動(dòng)性較大的尖峰型負(fù)荷，如圖2所示，車站其余負(fù)荷呈現(xiàn)為平穩(wěn)曲線，全線路電源接入點(diǎn)總負(fù)荷則總體呈現(xiàn)為夜間基本無(wú)負(fù)荷、日間有兩段用電峰段的負(fù)荷特點(diǎn)，峰谷特征明顯，如圖3所示。

圖1 城市軌道交通各用電負(fù)荷能耗占比

圖2 某車站單日牽引能耗有功功率統(tǒng)計(jì)圖

圖3 某線路主變電所單日用電負(fù)荷有功功率統(tǒng)計(jì)圖

其中這兩個(gè)峰段與早晚出行行車高峰有關(guān)，主要在07：00—09：00時(shí)段和18：00—21：00時(shí)段出現(xiàn)，與電價(jià)峰谷政策對(duì)比，早高峰與電價(jià)峰段錯(cuò)開，基本處在平段范圍內(nèi)，晚高峰則和電價(jià)峰段基本重疊。

2 目前應(yīng)用于城市軌道交通行業(yè)的新型儲(chǔ)能技術(shù)

目前，適用于城市軌道交通的儲(chǔ)能技術(shù)主要包括電化學(xué)儲(chǔ)能、機(jī)械儲(chǔ)能、電磁儲(chǔ)能（物理），其中可將相關(guān)儲(chǔ)能技術(shù)分為功率型儲(chǔ)能及能量型儲(chǔ)能。各類儲(chǔ)能技術(shù)特點(diǎn)如表1所示。

表1 各類儲(chǔ)能技術(shù)特點(diǎn)

在城市軌道交通行業(yè)中，列車制動(dòng)—啟動(dòng)的場(chǎng)景普遍存在，目前行業(yè)普遍通過在牽引網(wǎng)上設(shè)置中壓再生制動(dòng)回饋裝置，將列車制動(dòng)產(chǎn)生的能量回收到牽引網(wǎng)，使?fàn)恳W(wǎng)上其他啟動(dòng)的列車可以回收利用該能量，代替由列車上的制動(dòng)電阻發(fā)熱消耗能量。針對(duì)此類場(chǎng)景，可利用超級(jí)電容儲(chǔ)能、飛輪儲(chǔ)能等功率型儲(chǔ)能取代再生制動(dòng)回饋裝置[2]，快速存儲(chǔ)列車制動(dòng)能量，避免能量回到牽引網(wǎng)未被利用的情況，提高節(jié)能率，優(yōu)化電能質(zhì)量。

而從全線路單日的能耗曲線來(lái)看，城市軌道交通存在夜間負(fù)荷很低、日間負(fù)荷較大、負(fù)荷需求極不均衡的特點(diǎn)。針對(duì)這個(gè)特點(diǎn)，可適用能量型儲(chǔ)能對(duì)用電負(fù)荷進(jìn)行削峰填谷，平緩用電曲線，優(yōu)化功率因數(shù)，減少城市電網(wǎng)壓力。

以下介紹幾類適用于城市軌道交通行業(yè)的新型儲(chǔ)能技術(shù)。

2.1 飛輪儲(chǔ)能技術(shù)

飛輪技術(shù)屬于一種物理儲(chǔ)能方式，利用旋轉(zhuǎn)體高速旋轉(zhuǎn)時(shí)所具備的動(dòng)能來(lái)存儲(chǔ)能量，通過雙向高效電機(jī)電動(dòng)或發(fā)電模式實(shí)現(xiàn)電能和動(dòng)能的雙向變換。主要工作場(chǎng)景是當(dāng)列車有再生制動(dòng)電能需要吸收時(shí)，飛輪加速轉(zhuǎn)動(dòng)，儲(chǔ)存能量；當(dāng)列車啟動(dòng)需要用電時(shí)，飛輪轉(zhuǎn)速降低，作為發(fā)電設(shè)備向牽引網(wǎng)反饋電能。

飛輪儲(chǔ)能技術(shù)具有以下特點(diǎn)：（1）飛輪儲(chǔ)能設(shè)備功率密度較大，適應(yīng)列車牽引、制動(dòng)大功率。（2）適合頻繁快速充放電，響應(yīng)時(shí)間為毫秒級(jí)，可實(shí)現(xiàn)分鐘級(jí)放電。（3）飛輪本體維護(hù)少，循環(huán)充放次數(shù)可達(dá)1 000萬(wàn)次。（4）存在飛輪脫出風(fēng)險(xiǎn)，目前已有廠家通過轉(zhuǎn)子材質(zhì)創(chuàng)新，結(jié)合轉(zhuǎn)子跌落保護(hù)等，避免對(duì)周圍環(huán)境、人員產(chǎn)生危害。

目前在城市軌道交通行業(yè)內(nèi)已有相關(guān)試點(diǎn)應(yīng)用[3]，如青島3號(hào)線萬(wàn)年泉路站掛網(wǎng)應(yīng)用、北京房山線廣陽(yáng)城站掛網(wǎng)應(yīng)用，以及在建北京6號(hào)線花園橋站、車公莊西站試點(diǎn)應(yīng)用等。

2.2 超級(jí)電容儲(chǔ)能技術(shù)

超級(jí)電容器儲(chǔ)能屬于電儲(chǔ)能，基本原理是通過電極板和電解液之間界面上電荷分離形成的雙電層電容來(lái)貯存電能。主要工作場(chǎng)景是當(dāng)列車有再生制動(dòng)電能需要吸收時(shí)，將列車的再生制動(dòng)能量吸收到大容量電容器組中；列車啟動(dòng)需要用電時(shí)，該裝置將所儲(chǔ)存的電能釋放再利用。

超級(jí)電容儲(chǔ)能具有以下特點(diǎn)：（1）超級(jí)電容儲(chǔ)能設(shè)備功率密度較大，適應(yīng)列車負(fù)荷特點(diǎn)，屬于物理儲(chǔ)能。（2）節(jié)能效益好，可設(shè)置千瓦級(jí)儲(chǔ)能功率，實(shí)現(xiàn)分鐘級(jí)放電。（3）不存在過充可能，維護(hù)和元器件更換較為方便。（4）循環(huán)使用壽命約100萬(wàn)次。（5）電解液具有乙腈毒性，目前生產(chǎn)工藝基本能保障超級(jí)電容不發(fā)生漏液情況。

目前在城市軌道交通行業(yè)已有相關(guān)試點(diǎn)應(yīng)用[4]，如在廣州地鐵6號(hào)線潯峰崗站、青島地鐵4號(hào)線張村站等掛網(wǎng)應(yīng)用。

2.3 鋰離子電化學(xué)儲(chǔ)能

鋰離子電池儲(chǔ)能屬于電化學(xué)儲(chǔ)能，工作原理是基于鋰離子在電極材料和電解質(zhì)中的遷移和嵌入/脫嵌過程。當(dāng)前，隨著新能源汽車行業(yè)快速發(fā)展，鋰離子電池性能大幅提升，成本迅速下降，循環(huán)壽命提升，因而具備較好的應(yīng)用前景。鋰離子電化學(xué)儲(chǔ)能適宜進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)削峰填谷，平滑供電系統(tǒng)的負(fù)荷曲線，或作為備用電源使用。

鋰離子電化學(xué)儲(chǔ)能具有以下特點(diǎn)：（1）屬于能量型儲(chǔ)能，能量密度高，可實(shí)現(xiàn)小時(shí)級(jí)放電，維護(hù)少。（2）成本較高，但技術(shù)發(fā)展快速，成本逐年下降。（3）消防要求高，電池內(nèi)使用有機(jī)電解液，加熱后有燃燒或爆炸的隱患存在。（4）深度循環(huán)使用壽命5 000～8 000次。（5）有占地需求，需滿足相關(guān)儲(chǔ)能設(shè)計(jì)及消防規(guī)范要求。

目前，在城市軌道交通行業(yè)有磷酸鐵鋰電池應(yīng)用在UPS系統(tǒng)的案例[5]，而中型儲(chǔ)能電池（MW級(jí)）仍很罕見，主要受限于車站多設(shè)置在地下且人流密集，安全要求較高。此外，城市軌道交通行業(yè)具有公益性特點(diǎn)，各地軌道公司繳納電費(fèi)多享受優(yōu)惠的固定價(jià)格政策，未實(shí)施峰谷電價(jià)政策。

2.4 混合型儲(chǔ)能技術(shù)

除使用單一技術(shù)的儲(chǔ)能系統(tǒng)外，還可根據(jù)各類儲(chǔ)能技術(shù)特點(diǎn)組合成混合儲(chǔ)能系統(tǒng)，使得工程應(yīng)用效果進(jìn)一步提升，如已有產(chǎn)品試點(diǎn)應(yīng)用的超級(jí)電容-鈦酸鋰電池混合儲(chǔ)能回饋系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過電路結(jié)合超級(jí)電容及鈦酸鋰電池[6]，從而既具備超級(jí)電容功率大、吸收能量快的特點(diǎn)，又兼?zhèn)溻佀徜囯姵匕踩愿摺?chǔ)能持續(xù)的優(yōu)點(diǎn)。該系統(tǒng)與原超級(jí)電容儲(chǔ)能回饋系統(tǒng)對(duì)比，吸收的總制動(dòng)能量與節(jié)能率都有所提高，避免了超級(jí)電容快速充滿后制動(dòng)能量無(wú)法吸收的情況，并有更好的牽引網(wǎng)壓平抑效果。

目前該混合儲(chǔ)能產(chǎn)品在北京地鐵八通線多站點(diǎn)設(shè)置示范應(yīng)用，示范項(xiàng)目設(shè)置了儲(chǔ)能相關(guān)的能源管理策略，可對(duì)全線儲(chǔ)能設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化管理，提升節(jié)能效果。

3 結(jié)論及展望

本文介紹了城市軌道交通行業(yè)的綠色發(fā)展背景，并對(duì)城市軌道交通行業(yè)能耗情況進(jìn)行了分析，結(jié)合相關(guān)的應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)新型儲(chǔ)能技術(shù)應(yīng)用情況進(jìn)行了總結(jié)。目前，超級(jí)電容儲(chǔ)能與飛輪儲(chǔ)能已經(jīng)在行業(yè)內(nèi)有比較多的示范應(yīng)用，總體應(yīng)用效果良好，隨著設(shè)備成本的進(jìn)一步下降，超級(jí)電容、飛輪儲(chǔ)能及相關(guān)混合儲(chǔ)能技術(shù)有望進(jìn)一步代替現(xiàn)階段成熟的再生制動(dòng)回饋裝置。

而短期內(nèi)最為理想的鋰離子電化學(xué)電池，如磷酸鐵鋰電池、鈦酸鋰電池等高安全性能電化學(xué)電池，面臨著消防標(biāo)準(zhǔn)與電價(jià)政策的挑戰(zhàn)。目前該儲(chǔ)能技術(shù)最合適的設(shè)置場(chǎng)地為無(wú)物業(yè)開發(fā)的車輛段及停車場(chǎng)、地上車站附近空地，可配合消納場(chǎng)段、車站的光伏設(shè)備，也可進(jìn)行全線范圍供電網(wǎng)的削峰填谷或作為后備電源。隨著電網(wǎng)電價(jià)政策的進(jìn)一步深化改革（峰谷電價(jià)實(shí)施范圍擴(kuò)大、峰谷差拉大）以及新型儲(chǔ)能參與電力市場(chǎng)交易方式的進(jìn)一步明晰，電化學(xué)儲(chǔ)能的技術(shù)經(jīng)濟(jì)可行性將會(huì)提高，小中型電化學(xué)儲(chǔ)能項(xiàng)目有望在城市軌道交通行業(yè)落地應(yīng)用。