新型儲能技術(shù)在城市軌道交通行業(yè)的應(yīng)用及展望

黎俊杰

（廣州地鐵設(shè)計研究院股份有限公司，廣東廣州 510000）

0 引言

截至2022年底，全國55個城市共已開通308條城軌，總里程數(shù)超過10 000 km，達(dá)10 291.95 km。預(yù)計2025年我國城軌交通線網(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。“雙碳”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)展重點方針。

中國城市軌道交通協(xié)會結(jié)合行業(yè)特點和發(fā)展態(tài)勢，統(tǒng)籌碳達(dá)峰、碳中和行動和綠色城軌發(fā)展，相應(yīng)發(fā)布了《中國城市軌道交通綠色城軌發(fā)展行動方案》。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)展儲能技術(shù)，降低儲能成本，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、場段建筑光伏逐漸增多，地鐵新能源消納需求提升，電力儲能需求涌現(xiàn)[1]。

此外，隨著電價改革政策進(jìn)一步深化實施，城市軌道交通行業(yè)將有可能實施峰谷電價，因此在軌道交通行業(yè)應(yīng)用儲能技術(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力，運力大，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。電費占城軌交通日常運營成本的10%～25%，車站能耗達(dá)100萬～270萬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，全線路電源接入點總負(fù)荷則總體呈現(xiàn)為夜間基本無負(fù)荷、日間有兩段用電峰段的負(fù)荷特點，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)計圖

圖3 某線路主變電所單日用電負(fù)荷有功功率統(tǒng)計圖

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

2 目前應(yīng)用于城市軌道交通行業(yè)的新型儲能技術(shù)

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

表1 各類儲能技術(shù)特點

在城市軌道交通行業(yè)中，列車制動—啟動的場景普遍存在，目前行業(yè)普遍通過在牽引網(wǎng)上設(shè)置中壓再生制動回饋裝置，將列車制動產(chǎn)生的能量回收到牽引網(wǎng)，使?fàn)恳W(wǎng)上其他啟動的列車可以回收利用該能量，代替由列車上的制動電阻發(fā)熱消耗能量。針對此類場景，可利用超級電容儲能、飛輪儲能等功率型儲能取代再生制動回饋裝置[2]，快速存儲列車制動能量，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。針對這個特點，可適用能量型儲能對用電負(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)的新型儲能技術(shù)。

2.1 飛輪儲能技術(shù)

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

飛輪儲能技術(shù)具有以下特點：（1）飛輪儲能設(shè)備功率密度較大，適應(yīng)列車牽引、制動大功率。（2）適合頻繁快速充放電，響應(yīng)時間為毫秒級，可實現(xiàn)分鐘級放電。（3）飛輪本體維護(hù)少，循環(huán)充放次數(shù)可達(dá)1 000萬次。（4）存在飛輪脫出風(fēng)險，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)試點應(yīng)用[3]，如青島3號線萬年泉路站掛網(wǎng)應(yīng)用、北京房山線廣陽城站掛網(wǎng)應(yīng)用，以及在建北京6號線花園橋站、車公莊西站試點應(yīng)用等。

2.2 超級電容儲能技術(shù)

超級電容器儲能屬于電儲能，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貯存電能。主要工作場景是當(dāng)列車有再生制動電能需要吸收時，將列車的再生制動能量吸收到大容量電容器組中；列車啟動需要用電時，該裝置將所儲存的電能釋放再利用。

超級電容儲能具有以下特點：（1）超級電容儲能設(shè)備功率密度較大，適應(yīng)列車負(fù)荷特點，屬于物理儲能。（2）節(jié)能效益好，可設(shè)置千瓦級儲能功率，實現(xiàn)分鐘級放電。（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)試點應(yīng)用[4]，如在廣州地鐵6號線潯峰崗站、青島地鐵4號線張村站等掛網(wǎng)應(yīng)用。

2.3 鋰離子電化學(xué)儲能

鋰離子電池儲能屬于電化學(xué)儲能，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)儲能適宜進(jìn)行長時削峰填谷，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)儲能具有以下特點：（1）屬于能量型儲能，能量密度高，可實現(xiàn)小時級放電，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)儲能設(shè)計及消防規(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]，而中型儲能電池（MW級）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，各地軌道公司繳納電費多享受優(yōu)惠的固定價格政策，未實施峰谷電價政策。

2.4 混合型儲能技術(shù)

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

目前該混合儲能產(chǎn)品在北京地鐵八通線多站點設(shè)置示范應(yīng)用，示范項目設(shè)置了儲能相關(guān)的能源管理策略，可對全線儲能設(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)用場景對新型儲能技術(shù)應(yīng)用情況進(jìn)行了總結(jié)。目前，超級電容儲能與飛輪儲能已經(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，超級電容、飛輪儲能及相關(guān)混合儲能技術(shù)有望進(jìn)一步代替現(xiàn)階段成熟的再生制動回饋裝置。

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)與電價政策的挑戰(zhàn)。目前該儲能技術(shù)最合適的設(shè)置場地為無物業(yè)開發(fā)的車輛段及停車場、地上車站附近空地，可配合消納場段、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)電價政策的進(jìn)一步深化改革（峰谷電價實施范圍擴(kuò)大、峰谷差拉大）以及新型儲能參與電力市場交易方式的進(jìn)一步明晰，電化學(xué)儲能的技術(shù)經(jīng)濟(jì)可行性將會提高，小中型電化學(xué)儲能項目有望在城市軌道交通行業(yè)落地應(yīng)用。