為了地鐵節(jié)能我們耗盡了能

編者按：

一套名為“地面式超級電容/電池混合儲能裝置”的設備，日前已在北京地鐵通過了掛網(wǎng)試驗。在北京地鐵的試驗表明，夜間單車運行時，每趟節(jié)能率均能達到20%。該裝置工作日每日節(jié)能約1500度電，周末每日節(jié)能約900度電。

這套由北京交通大學自主研發(fā)的世界首套城軌交通地面式混合儲能裝置，能夠回收利用列車制動能量，還能夠在供電系統(tǒng)突發(fā)故障時，利用儲能將列車緊急牽引至地鐵站。

從科研立項、理論研究、系統(tǒng)建模與仿真、軟硬件設計、樣機的研發(fā)，再到設備的安裝、掛網(wǎng)試驗，都有北京交通大學學生的深度參與，北交大碩士研究生楊浩豐及博士研究生劉宇嫣參與了該項目的全過程。

故事要從在鎮(zhèn)江調(diào)試的時候說起。2019年9月，完成了前期的一些設計工作后，混合儲能系統(tǒng)從仿真和設計的圖紙，變成具象化的實物——那五個兩米多高幾噸重的裝置占據(jù)了大半個實驗區(qū)。

接下來，要完成從仿真階段到實物調(diào)試的切換，并完成實驗室情況下模擬真實地鐵列車運行工況，完成所有裝置軟件的開發(fā)工作。想著這些，站在實驗區(qū)的我和另外幾位同學略顯手足無措，不知從何下手。

那段時間，熬夜成了家常便飯，通常完成當天的測試已經(jīng)是夜里12點。印象最為深刻的是2020年1月，按計劃春節(jié)前要將裝置運往北京地鐵八通線梨園站，但當時我們還沒有進行系統(tǒng)的聯(lián)合調(diào)試，這是非常重要的一環(huán)，如果聯(lián)合調(diào)試沒有成功，儲能裝置就不具備在地鐵正線運營的能力。

1月8日，系統(tǒng)的調(diào)試仍然存在一些問題，為了解決一個又一個問題，當天晚上我們熬了整個通宵。第二天早上，也就是1月9日7點，調(diào)試仍在繼續(xù)。我不經(jīng)意間望著窗外，竟不知何時這個南方小鎮(zhèn)下起了雪，沒想到第一次看到南方的雪是在這樣的情境之下。終于，趕在9日晚上18點完成了所有的測試，此時運輸工人已經(jīng)在實驗室外等待兩個多小時了。之后就是將裝置打包、裝車運往北京。我們隨后也坐上火車，按計劃前往北京地鐵進行裝置的現(xiàn)場安裝。

那是我第一次進入地鐵站的變電所，儲能系統(tǒng)雖然已經(jīng)運到地鐵的變電所中，但是在混合儲能系統(tǒng)投入地鐵運行之前還有很多事情要做。比如與安裝工人一起下到變電所的地下電纜溝中，用電纜將儲能系統(tǒng)接入到地鐵的供電系統(tǒng)中。第一次下到電纜溝中，映入眼簾的是錯綜復雜數(shù)量龐大的電纜，沒想到地上變電所整整齊齊的供電設備下竟會是這般景象。電纜溝下滿是灰塵，即使戴著口罩也能聞到空氣中刺鼻的味道，后來問了變電所值班員才知道，為了防止老鼠咬食電纜在電纜溝中撒了老鼠藥。除了與地鐵供電系統(tǒng)的電纜連接外，還需要鋪設儲能系統(tǒng)間控制回路的接線。一個師弟回憶起這段經(jīng)歷，他說數(shù)不清接了多少根線，核驗了多少次。因為哪怕有一根線接錯，整個儲能系統(tǒng)都將無法正常運行。

春節(jié)前，我們把之前規(guī)劃的事情基本完成后，便放假回家了。突如其來的疫情打亂了我們的計劃，原計劃春節(jié)后回京繼續(xù)儲能裝置的恢復和調(diào)試工作，只能一拖再拖。我們當時心急如焚。只能通過線上視頻會議，盡可能完善測試和試驗方案，為回京調(diào)試做準備。

6月份，疫情情況有所好轉(zhuǎn)，在向北京地鐵方面申請了調(diào)試計劃后，于6月20日我和三位師兄弟各自從家回到北京。

當時正值入夏，但是按照地鐵的安全規(guī)程，我們進入地鐵做調(diào)試時必須要穿勞保服和絕緣鞋。長袖和長褲的勞保服，比普通夏裝還要厚一些，同時因為防疫還要佩戴口罩。變電所沒有空調(diào)，里面的設備運行散發(fā)著巨大的熱量，身上的衣服是濕了又干，干了又濕。為了保證調(diào)試的順利進行，兩位2020年畢業(yè)的師兄，一直堅守到入職的前一天，才從北京趕去各自的工作地點入職。

為了保證地鐵運行安全，一些調(diào)試只能放在夜間變電所停運之后才能進行。整座城市寂靜下來以后，我們與老師在夜色下一起趕往梨園變電所。23：30到達變電所，00：30待最后一班列車入庫，變電所停運后，才進入到我們的主場，開始進行調(diào)試，凌晨3：30調(diào)試工作結(jié)束?；厝ズ唵涡菡?，第二天一早九十點鐘起床立即對夜間做的試驗進行分析。

夜間調(diào)試的時間其實是非常有限的。即使在實驗室中盡可能模擬地鐵的運行工況并多次進行實驗，調(diào)試中總會出現(xiàn)各種意想不到的問題。有一次調(diào)試出現(xiàn)問題實驗被迫終止，所有人的目光都投向我，問怎么回事，當時我倍感壓力，甚至能感覺到臉在發(fā)燙。我清楚地記得7月27日夜里，第一次行車試驗，利用一班地鐵列車模擬日間的運行工況，這也是儲能系統(tǒng)能否進行日間掛網(wǎng)的關(guān)鍵前提。當時我身著勞保服在高溫變壓器室中進行試驗，高度緊張的我居然一滴汗都沒出。直到凌晨3點多，第一趟試驗列車走完，我才如釋重負，激動地問：這就成功了？是成功了嗎？

夜間的行車成功，證明儲能系統(tǒng)已經(jīng)具備日間掛網(wǎng)的能力。在日間掛網(wǎng)試驗前，還需要去采集梨園變電所及其相鄰變電所全天的電壓電流數(shù)據(jù)。有一次在土橋變電所考取數(shù)據(jù)，看著空蕩蕩的地鐵站和忙碌的地鐵站工作人員，望著這城市我不曾見過的另外一面，不禁感嘆我們享受著的便利交通的背后竟有這樣一群人在默默付出，這也是我之前從未知曉的。

8月底，日間掛網(wǎng)試驗迎來了最終的考驗，能否完成科技部的要求在此一搏。那段時間，我們每天要在凌晨4：30前與變電所一起投入運行，同時一直在變壓器室觀察、記錄儲能裝置的試驗數(shù)據(jù)。雖然期間多有波折，但是最后結(jié)果還是令人滿意的。（楊浩豐）

楊浩豐

以前覺得列車跑起來全靠司機操控，從來沒想過列車為什么能動起來，怎樣才能動起來？現(xiàn)在再乘坐地鐵，看著列車經(jīng)過一站又一站，眼里不再只有列車和站臺，還有地下為列車供電的變電站、列車夜間休息和檢修的車輛段，這些變化還得從我們開始試驗用于城軌交通節(jié)能的地面混合儲能說起。

列車在每站間的運行都是由牽引、惰行和制動組成的。列車的牽引，就是我們平常說的加速運動，制動就是列車剎車的過程。列車牽引的時候需要很大一部分電能，這部分電能轉(zhuǎn)換為列車向前運動需要的能量。根據(jù)能量守恒，當列車制動停站的時候動能可以轉(zhuǎn)換為電能，這部分能量相當可觀，如果合理利用好這部分能量能大大減少列車的運行能耗。地面混合儲能系統(tǒng)可以充當中轉(zhuǎn)站的角色，收集起這部分能量待需要時再釋放，可以達到節(jié)能的效果。

2020年7月17日晚上10：30，我和同實驗室的師妹一起到達土橋車輛段，準備配合變電站的同學進行第一次地面混合儲能系統(tǒng)掛網(wǎng)試驗。我們比預定的時間早到了半小時，先和配合我們試驗的司機討論駕駛方案。夜里12點，我們上車準備開始試驗。到達庫里的時候看著眼前停著一排排的列車，很壯觀也很新奇，這是我們第一次見到列車晚上“休息”的地方。

大伙坐在車里等待著12：30的到來，既緊張又興奮。我和師妹總是互問實驗會順利吧，然后再互相打氣說肯定沒問題的！那天晚上我們共設計了三圈土橋到果園的往返實驗。我拿著手臺與變電站的同學保持溝通，詢問他們的設備投入情況。第一次投入時發(fā)生了故障，老師讓我們繼續(xù)待命。司機說：“這都1點了，三圈估計跑不完了，不管實驗做沒做完，3點鐘我們都得返回車輛段了?！蔽液蛶熋孟嗷σ暳讼?，焦急卻使不上力。又過了一會兒，地面上的同學說設備投入成功了，可以跑車了。司機按照我的指令開始加速，然后減速到達臨河里站。我問站里做測試的同學有效果嗎？她說：“師姐，儲能系統(tǒng)可以放電，但是充不了電，你們再等一下，我們調(diào)整下參數(shù)?！庇谑?，又是難熬地等待設備調(diào)整。就這樣反復調(diào)試、試驗、調(diào)試再試驗，在第二圈梨園到臨河里的時候，終于看到了我們想要的效果。此時已近凌晨3點，3小時的實驗時間過得遠比想象中快得多，為了保證第二天地鐵的正常運營，我們不得不中斷實驗，返回庫里。我和師妹十分開心，凌晨3點仍毫無困意。

經(jīng)歷了5天的夜間調(diào)試，我們的設備終于能正常運行了。8月25日開始正式投入使用。白天在列車正常運營的時候，讓儲能裝置工作，驗證它實際的節(jié)能效果。白天的試驗為期5天，從每天早上4點半開始到晚上7點收工。設備房里的噪聲很大，師弟總是開玩笑說，每次結(jié)束實驗感覺整個世界都安靜了。沒有能坐的地方，也顧不了形象，累了就直接坐在地上。導師也很辛苦，每天一大早從西直門趕到梨園陪我們實驗，大部分時間他都是站著。第二天來的時候我們都能聞到他身上的膏藥味。

在大家的共同努力下，最終的節(jié)能效果達到了我們的預期。（劉宇嫣）

責任編輯：陳思