飛輪儲能與軌道交通系統技術融合發展現狀

齊洪峰

(中車工業研究院有限公司，北京 100076)

加快建設交通強國是順應高質量發展、搶抓新機遇、應對新挑戰的客觀需要。軌道交通由于具備運行速度快、污染少、安全性高等特點，逐漸成為人們首選的出行方式[1]。由于軌道交通運量巨大，列車運行過程中的調速制動、停車制動以及突發情況下的緊急制動都會出現能量耗散的情形。新興的儲能裝置為解決這一問題提供了潛在可能性。飛輪儲能系統是最早、最受歡迎的儲能系統之一，它可以通過加速飛輪至極高速度將能量以旋轉動能的形式儲存于系統[2]。

表1 對比了幾種常見儲能裝置[3]，飛輪儲能較其他儲能方式而言，具有適應性強、儲能密度大、應用范圍廣等技術優勢。

表1 各類儲能裝置的性能對比

現有研究表明，國內外眾多研究機構及企業在飛輪儲能領域開展了諸多研究，表2 匯總了國內開展飛輪儲能相關研究機構及其研究方向/領域[4-6]。我國在飛輪儲能應用于發電、石油鉆井、導航等領域方面已取得了諸多實際應用示范的成功經驗。

表2 國內飛輪儲能相關研究機構

圖1 為飛輪儲能技術的發展趨勢圖，盡管飛輪儲能的理論與應用研究在近年取得了迅速發展，但其在軌道交通領域的應用研究才剛剛起步，雖然廣受關注，但相關研究尚不充分，遠遠難以滿足行業領域融合發展的需求。

圖1 飛輪儲能發展趨勢圖

本文介紹了飛輪儲能的技術原理及特點，總結了飛輪儲能裝置在軌道交通領域的應用，分析了飛輪儲能與軌道交通的融合發展現狀，在分析現有研究的基礎上，探討了飛輪儲能與軌道交通融合發展的潛在研究方向及發展趨勢。

1 飛輪儲能技術原理與特點

典型的飛輪儲能系統結構如圖2 所示[7-8]。飛輪最初在持續旋轉狀態下維持運行，在儲能時，飛輪通過提升轉速的方式儲存機械能，當達到額定轉速后，飛輪則維持轉速恒定運轉，此時飛輪系統已經具備釋能條件；釋能時，飛輪通過牽引電機進行能量的釋放[7-8]，其原理示意圖如圖3 所示[9]。

圖2 飛輪儲能系統結構圖

圖3 飛輪儲能系統原理圖

飛輪儲能系統的一系列優點與軌道交通系統完美契合。軌道交通系統列車因其質量大，在啟停時將會產生大量制動能量，若引入飛輪儲能技術，列車制動時，飛輪加速旋轉進行能量的存儲，列車啟動時，飛輪降低轉速完成能量的釋放[10]，從而實現制動能量回收利用，對節約能源、減少環境污染、提高經濟效益有著重大意義。飛輪儲能在軌道交通系統中具有良好的應用前景。

2 飛輪儲能在軌道交通系統的應用現狀

2.1 飛輪儲能在城市軌道(地鐵)系統的應用現狀

飛輪儲能可迅速儲存列車再生制動能量，并在啟動時提供高功率輸出與電壓支撐，其與城市軌道交通中壓環網系統隔離，能降低牽引網壓波動，穩定直流牽引網壓，因此不會對系統穩定性和可靠性產生較大影響[11]。

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

北京地鐵房山線是國內首個應用GTR 型號的飛輪儲能系統線路，該系統實物如圖4 所示，其可有效平抑電壓波動、穩定牽引網壓，為供電安全提供良好保障[17]。

圖4 北京房山線飛輪儲能裝置

2.2 飛輪儲能在高速鐵路系統的應用現狀

高速鐵路列車具有較高運行速度，其牽引負荷對電力系統影響范圍更加廣泛，容易引發電能質量問題及供電故障；同時，高速動車組相較于普通列車運行速度更快、質量更大，制動能量更大。因此，再生制動能的回收利用對電力設備安全運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能利用方式通常有兩種：一種是通過優化列車運行狀態，使同一供電臂下制動列車產生的再生制動能供給牽引列車使用，另一種是通過回饋裝置將再生制動能反饋至鐵路內部配電系統。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備[19]。基于此，可采用儲能裝置對再生制動能進行存儲。

自20 世紀50 年代以來[20]，再生制動技術便被廣泛應用于鐵路再生制動能的利用中。由于高速鐵路的再生制動過程具有制動功率小、制動時間較長等特點，非常適合采用基于飛輪儲能的再生制動技術進行再生制動能量利用[21]。目前已有部分國家將該技術應用于高速鐵路。1988 年，日本京濱高速鐵路安裝了功率2 000 kW、可儲能25 kWh 的飛輪儲能系統，該系統目前仍在運行[22]；2000 年，美國德克薩斯大學奧斯汀機電中心測試了8.6 噸重、可儲能100 kWh 的高鐵用飛輪儲能系統[23]；2003 年，西班牙馬德里地區的高鐵線路安裝了功率350 kW、可儲能55.6 kWh 的飛輪儲能系統ACE2[24]。

2.3 技術發展成熟度

盡管飛輪儲能技術歷經多年發展，但其在軌道交通領域的應用尚處于初期階段。近年來，飛輪儲能技術在國內外城市軌道交通領域進行了初步應用，具備了一定的技術成熟度，典型應用方案涉及3 個方面[17]。

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

圖5 列車制動能量回收示意圖

(2)牽引網支撐：當列車經過特殊區段時，其運量的提升會導致牽引網壓發生較大波動，會對列車運行安全產生較大威脅，在此處安裝飛輪儲能裝置，可有效維持牽引網壓，降低成本，其方案如圖6 所示。

圖6 加裝飛輪儲能系統的牽引網示意圖

(3)應急電源：當牽引供電系統出現故障時，飛輪儲能系統根據需要向牽引網釋放能量，其方案如圖7 所示。

圖7 含應急電源和飛輪儲能的牽引網示意圖

綜上所述，飛輪儲能技術在軌道交通領域的應用日趨成熟，隨著相關技術不斷發展，飛輪儲能技術在軌道交通領域將獲得更加廣泛的應用。

3 飛輪儲能與軌道交通系統的融合發展分析

3.1 潛在的技術方向研究

根據上述分析可以看出，未來飛輪儲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的車輛，其在動車組制動方面的應用將會是極具潛力的研究方向[25]；

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

(3)由于我國鐵路區域發展不均衡，東部鐵路網密集度高，中西部地區路網密度較低，因此開展因地制宜的飛輪儲能技術與軌道交通結合應用也是一個潛在的研究方向。

3.2 潛在的應用模式研究

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

圖8 8種飛輪儲能與軌道交通融合應用模式

飛輪儲能與軌道交通融合場景主要由牽引方式(T)、儲能單元位置(P)以及運營頻次(F)決定，將三者兩兩組合，牽引方式和儲能單元位置可以共同定義實現方案，運行頻次和儲能單元位置共同定義需求特性，運行頻次和牽引方式共同定義經濟性。由于經濟性與本文相關性不緊密，因此本文重點探討牽引方式與儲能單元位置(T+P)組合及儲能單元位置與運營頻次(P+F)組合對應的飛輪儲能與軌道交通融合的發展場景。

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

3.2.1 T+P 融合場景

T+P 可以定義融合發展場景的實現方案，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)四個場景，如表3 所示。

表3 T+P 融合發展場景分析

3.2.2 P+F 融合場景

P+F 可以定義融合發展場景的需求特性，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)四個場景，如表4 所示。

表4 P+F 融合發展場景分析

由此，可得出飛輪儲能與軌道交通融合場景的實現方案及需求特性，從而為未來飛輪儲能在軌道交通領域的融合發展提供應用場景及指導。

4 結語

本文對現有飛輪儲能在軌道交通系統的應用情況進行了梳理，介紹了飛輪儲能的技術原理，分析總結了目前飛輪儲能在城市軌道(地鐵)及高速鐵路的應用現狀，并基于現有研究，探索分析了飛輪儲能與軌道交通融合的發展趨勢。由于飛輪儲能在軌道交通領域有著極大的優勢，因此研究其與軌道交通的融合發展有著重大意義。