儲能式輕軌交通系統技術應用前景分析

摘 要 針對當前軌道交通面臨的節能重大課題，本文介紹了一種適應于中小運量的低成本、高效、綠色、智能的新型儲能式輕軌交通模式，并闡述了該系統的構成、特點及核心技術。從技術和經濟方面分析，探討儲能式輕軌交通系統在城市軌道交通中的應用前景。

關鍵詞 儲能式 軌道交通 高效 能耗

中圖分類號：U29 文獻標識碼：A

1 應用背景

隨著我國城市化進程的不斷推進，城市規模迅速擴張，城市交通擁堵成為制約城市發展的突出問題。軌道交通由于具備能耗低、污染小、時刻準、速度快等諸多特點，已成為解決城市交通擁擠最有效的方式。

與傳統有軌電車相比，儲能式現代有軌電車采用超級電容作為儲能元件，能夠無接觸網運行。以超級電容作為儲能元件的目的是實現能量的高效利用和循環利用，在車輛制動時可以將80%以上的制動能量即時回收，達到綠色節能的雙重目標。另外，地鐵因其造價高昂，需要有雄厚的財政實力做支撐，基本局限在省會城市。相比而言，儲能式輕軌交通系統更適合在全國中小城市范圍內推廣，具有更廣闊的產業空間。

2 儲能式輕軌交通系統功能定位

按照我國城市軌道交通工程項目建設標準《建標104-2008》①規定，每小時單向客流量在1～3萬人次為中運量，適用于城市城區人口規模不低于150萬人；3萬人次以上為大運量，適用于城市城區人口規模不低于300萬人。目前，中小運量軌道交通系統一般采用輕軌車輛或有軌電車。隨著超級電容技術的不斷發展進步，超級電容在城市軌道交通中的應用越趨成熟，儲能式輕軌交通系統已成為城市軌道交通未來發展的一種趨勢。它適用于中心城市中小運量輕軌交通；可實現全線無供電網高效運行；可實現能量高效、循環利用；全面改善城市景觀與交通安全。

3 儲能式輕軌交通系統的特點和核心技術

3.1 儲能式輕軌交通系統三大特點

3.1.1 最高效的能源利用

3.2 儲能式輕軌交通系統五大核心技術

3.2.1 大容量、高比功率、高比能量超級電容器件

超級電容是與電解電容相似的電物理過程，沒有化學反應過程，不會像電池那樣內部產生氣體，更安全可靠；功率容量為電池容量的20倍，并比蓄電池具有更高的功率密度（可達18KW/kg數量級）。

3.2.3高效、低噪永磁同步電機驅動

永磁同步驅動技術可以大大提高驅動系統的效率，在整個調速范圍內都可以保持較高的效率和功率因數。在整個速度范圍內，相比異步驅動系統效率提高3～5個百分點，④實際使用工況下可節能10%以上。未來如采用直接驅動永磁同步電機技術，可進一步提高傳動效率2～3個百分點，并能顯著降低車輛重量和減少機械維護成本，同時提高減振降噪性能。

3.2.4 機、電、磁軌式智能控制復合制動系統

（1）常用制動。采用電制動優先、電制動不足時由機械制動補足的智能控制的混合制動方式。

（2）速度低于5km/h時，平穩的施加機械制動取代電制動。

3.2.5 基于能量最優運營模式的自動駕駛控制系統

4 經濟效益和社會效益分析

4.1 初步經濟效益分析

4.1.1 建設成本低

由于取消了接觸網或第三軌的供電線路，且無需考慮鋼軌雜散回流電流的處理措施，可大大降低線路和供電系統的初期投資。目前國內地鐵架空接觸網供電系統的初期建設成本大約在3 850萬/公里⑤以上，儲能式輕軌交通系統的成本，根據列車編組的不同大約在600～1000萬元/公里之間，每公里初略測算至少可降低3 000萬元以上。線路允許彎道較小（50 m<地鐵250 m），設計選線容易、拆遷工作量小，因此無論是地面還是高架的土建投資都會顯著降低，每公里估算可望降低數千萬元。

4.1.2 維護成本低

無論采用接觸網還是接觸軌，由于接觸線/接觸軌存在磨耗，每列車按2個受電弓核算30年壽命周期內需要更換數十萬元的滑板；每列車按20個三軌受流器核算30年壽命周期內需要更換上百萬元的滑塊。同時，還需要定期維護受電弓和三軌受流器，對供電網實施定期維護、調整和保養。而儲能式輕軌供電系統由于車輛進站停車時受電，基本無集電器電磨耗和機械磨耗，理論上可以做到全壽命周期免維護。

4.1.3 運營成本低

儲能式現代有軌電車是以儲能電源為主動力源，并設計有制動能量回饋系統，采用“制動即充電”模式，使得車輛一次能夠回收80%以上的制動減速能量，實現能量的循環利用和高效利用，節能效果非常明顯。與既有城軌車輛相比，牽引能耗有望降低30%左右。

4.2 初步社會效益分析

4.2.1 完善我國城市軌道交通運輸方式

傳統的輪軌交通運量大、速度快，已經成為城市公共軌道交通的主要模式。但在環境要求高的地方，需建設隔音墻降低對周邊居民的噪音，使傳統輪軌交通方式受到一定限制。

儲能式現代有軌電車采用彈性輪，有效降低車輛運行的噪音。可作為獨立交通系統，適用于中小客流城市和城郊的大眾交通線、大城市中心城區對噪音和選線具有特殊要求的交通線以及風景名勝區的旅游交通線。

4.2.2 提升我國在國際合作計劃項目中的競爭力

近年，我國軌道交通的建設，用短短數年的時間，走過了發達國家幾十年的道路，形成了巨大的影響（下轉第204頁）（上接第179頁）力。同樣，我國軌道交通裝備制造業也得到了世界認可。

儲能現代有軌電車技術建立在已有軌道交通裝備基礎上并加入個性專有化技術，因此，若在其個性專有化技術上取得完全突破，無疑可提升我國在該行業的整體實力，進一步增強國際影響。

4.2.3 促進我國節能減排及和諧社會的建設

與傳統軌道交通方式不同，儲能現代有軌電車具有環境友好、適用性強、安全可靠、可維護性和可用性高、成本低等優勢。因此，儲能現代有軌電車對促進我國節能減排及和諧社會的建設具有非凡意義。

綜上所述，由于儲能式輕軌交通系統投資成本較低，初步測算每公里僅為1～2億元，建設周期短（2～3年），環境友好，運營成本低，較適合中小運量的城市和郊區運營。據統計資料，我國人口在100～300萬之間的中小城市近百個，推廣應用前景將非常廣泛，將成為建設兩型社會的主流交通模式之一。

注釋

① 沈景炎，秦國棟等.建標104-2008《城市軌道交通工程項目建設標準》[S].北京：中國計劃出版社，2008.

② 楊穎，陳中杰.儲能式電力牽引輕軌交通的研發[J].電力機車與城軌車輛，2012（5）.

③ 桂長清.新型貯能元件超級電容器[J].船電技術，2003（1）.

④ 馮江華.軌道交通永磁同步牽引系統的發展概況及應用挑戰[J].大功率變流技術，2012（3）.

⑤ 陳進杰，陳鋒等.城市軌道交通全壽命周期成本分析[J].交通運輸工程學報，2010（2）.