儲能技術在地面式再生制動能量吸收和利用裝置中的應用

楊中平，林 飛

（北京交通大學電氣工程學院，北京 100044）

利用地面儲能裝置來吸收城軌列車的再生制動能量，在1988年，2 MW/25 kWh的地面式飛輪儲能裝置便在日本京急電鐵公司逗子線上就已得到成功應用。但進入21世紀后，基于儲能裝置的再生制動能量的吸收和利用卻成為新的研發熱點，筆者以為主要有 3方面的原因：一是超級電容(electric double layer capacitor，EDLC)、二次電池(secondary battery)、飛輪(fly wheel，FW)等儲能元件技術的飛速發展和價格的大幅降低，使其在城軌交通中的推廣應用成為可能；二是節能減排已成為全球共識，作為用電大戶的城軌交通自然責無旁貸；三是城軌交通運營公司對列車運行性能提升的需求，如希望更小的牽引網電壓波動以保證牽引制動性能的發揮，ATO或無人駕駛對精準停車的要求等。

本文圍繞儲能技術在地面式再生制動能量利用系統中的應用，重點介紹其可以實現的功能、國內外的應用現狀以及面臨的研發課題。

1 儲能裝置的功能

不少人把吸收列車再生制動能量的儲能裝置等同視為節能裝置，但除了節能之外，儲能裝置還能夠實現哪些功能？這是我們首先應該弄清楚的問題。國內外地鐵運營公司為了單一功能，通常是節能或穩壓，而研究或應用儲能裝置的案例較多，對本可以實現多種功能的儲能裝置而言，只針對單一功能進行研發或應用是一件遺憾的事情。

吸收列車再生制動能量的儲能裝置有3種設置方式：設置在牽引變電站內或變電站之間的線路旁，稱為地面式儲能裝置(stationary energy storage system，SESS)；設置在車輛上，稱為車載式儲能裝置(on-board energy storage system，OBESS)；車輛和地面均設置(見圖1)，稱為車-地協調式儲能裝置(on-board and stationary coordinated energy storage system)。3種方式中，目前前兩種設置方式都有不少實際應用案例，與車載式相比，地面式對儲能裝置的質量、體積的制約要小得多，是目前應用最多的方式。筆者所在科研團隊和日本東芝公司目前正在獨立開展第三種設置方式的相關研究。

圖1 地面和車輛均設置儲能裝置示意Figure 1 On-board and stationary coordinated energy storage system

儲能裝置能夠實現的主要功能包括：①節能；②抑制牽引網電壓波動；③降低變電站峰值功率；④減少或消除再生失效；⑤提高停車精度；⑥純電制動；⑦降低機械制動系統維護成本；⑧應急牽引；⑨替代變電所。

前述儲能裝置實現功能的①～⑦都容易理解，無需贅述。這里對⑧和⑨稍作進一步說明。

由于我國電網建設已日趨完善，且牽引供電系統在可靠性設計方面有足夠的冗余，因此發生供電系統停電的概率極低，但北京地鐵、上海地鐵和重慶地鐵分別于1996年、2013年和2021年還是發生過因停電導致運營中斷的事故。當電力故障、供電區間故障或地震等原因造成列車斷電時，地面或車載儲能裝置可作為緊急牽引電源，將列車運行至鄰近車站疏散乘客，以保證乘客的安全。近年來，日本加大了應急牽引電源技術的研發和應用。例如，東京地鐵千代田線在綾瀨站的變電所內設置了500 kW/194 kWh鈦酸鋰電池儲能裝置，緊急牽引時可保證列車在站間距為2.4 km的綾瀨站—北千住站之間以15 km/h的速度救援運行。此外，東京地鐵銀座線1000系列車的車載552 V/22.1 kWh鈦酸鋰電池儲能裝置也可用作緊急牽引電源。2020年，由北京交通大學和北京地鐵運營公司聯合研發的1 MW地面式混合儲能裝置在北京地鐵八通線上成功地完成了供電系統停電時的緊急牽引試驗。

當相鄰變電所之間距離較長，變電所與列車之間能量傳輸過程中將產生較大的線路壓降，進而導致接觸網電壓的大幅波動，影響列車運行性能。為了解決這個問題，東京的東武線將鋰離子電池儲能裝置安裝于“野田(Noda)”和“豐四季(Toyoshiki)”變電所之間(見圖2)，使其兼具牽引變電站和再生能量吸收利用的功能，并有效補償了網壓跌落。

圖2 鋰離子電池儲能裝置替代變電所Figure 2 Example of Li-ion battery energy storage device replacing substations

在設計儲能裝置時，是以實現節能或抑制網壓波動的單一功能來設計，還是兼顧2個以上的功能來設計是值得重視的問題。例如，以①為功能設計的儲能裝置容量、設置位置及能量管理策略顯然與同時考慮功能①和②設計時的結果不同，設計者只有在充分了解供電、車輛、運營的真實需求的基礎上，從系統的角度考慮才可能合理地設計儲能裝置。此外，隨著我國ATO及無人駕駛線路的逐漸增多，實現④～⑥的功能也變得日益重要。

2 再生制動能量吸收和利用的涵義

儲能裝置通常吸收的只是列車再生制動能量的一部分。當探討儲能裝置的容量配置、基于車輛和變電所特性以及列車運行圖的充放電優化控制策略時，討論的出發點必須基于“剩余再生制動能量”來進行，即儲能裝置吸收和利用的實質是牽引列車吸收后的剩余再生制動能量。

圖3是典型的城軌交通車輛牽引與再生制動特性曲線示意圖。從充分發揮電(再生)制動作用以及降低牽引傳動系統 RMS電流的角度出發，制動特性曲線通常由恒轉矩區和自然特性區組成，即沒有牽引特性曲線的恒功區間。圖3中的點劃線為牽引與制動時的速度—電功率/輪周功率曲線，可以看出，恒轉矩區間和特性區間轉折速度V2對應的是最大再生制動功率。眾所周知，電能等于電功率對時間的積分，從圖3即可得到列車從最高速度制動至停止時的再生制動能量。由于牽引變電所通常采用二極管整流，能量只能從交流側向直流側流動，因此再生制動能量不能通過牽引變電所返送回交流側，而只能由鄰近的處于牽引狀態的其他列車吸收(包括牽引網電阻吸收的能量)，而不能被牽引列車吸收的再生制動能量就稱為剩余再生制動能量。剩余再生制動能量的存在會導致制動列車受電弓處的電壓很快超過限值，從而導致主電路斷路器斷開，再生制動無法繼續實施，即發生再生失效的現象。因此，我們希望通過儲能裝置來吸收存儲剩余再生制動能量，以避免再生失效的發生。顯然，從系統節能的角度，我們希望制動列車和牽引列車之間有盡可能多的能量交互，牽引網電阻消耗的能量越少越好。要特別注意的是，牽引網電阻的大小直接影響再生制動能量的傳輸距離，即影響制動列車和牽引列車之間的能量交互，也會直接影響地面儲能裝置對剩余再生制動能量的吸收利用。

圖3 牽引與再生制動特性曲線Figure 3 Traction and regenerative braking characteristic curves

3 地面式儲能裝置的應用現狀

城軌交通地面式儲能裝置通常采用超級電容、鋰離子電池(lithium ion battery，LIB)或鎳氫電池(nickel metal hydride battery，NiMH)等二次電池和飛輪作為儲能元件。評價儲能元件的性能指標包括能量密度(Wh/kg或Wh/L)、功率密度(W/kg或W/L)、充放電效率、價格、壽命、維護性等。表1是幾種儲能元件的主要性能指標，可以看出，目前還沒有一種儲能元件在這些性能指標中處于一種絕對優勢的地位。超級電容的功率密度高、能量密度低，鋰離子電池的特性正好與之相反，能否將兩者的優點結合在一種儲能元件上？近年，兼顧了功率密度和能量密度平衡的新型儲能元件鋰離子電容(lithium capacitor，LiC)和鈦酸鋰電池(lithium titanate oxide battery，LTO)也逐步得到應用和關注。

表1 儲能元件的性能指標Table 1 Characteristics of energy storage elements

列車再生制動能量的吸收在國內外都經歷了從車載電阻到地面裝置吸收方式的發展歷程，其中地面吸收方式又分為地面電阻能量消耗型、能量回饋型和能量存儲型3種。由于本文主要討論儲能技術在地面式再生制動能量吸收和利用系統中的應用，表2～4分別列舉了國內外地面式超級電容、鋰離子/鎳氫電池及飛輪儲能裝置的部分應用案例，由表可知：①中國、日本、德國等國家采用了兩種以上的儲能元件。例如我國采用了超級電容、鈦酸鋰電池、飛輪，日本采用了飛輪、超級電容和二次電池，德國采用了超級電容、飛輪作為儲能元件。一條線路到底采用哪種儲能元件合適，除考慮儲能元件本身特性和希望儲能裝置實現的功能外，價格、本國儲能元件技術等也是必須考慮的因素；②二次電池在日本、飛輪在美國的應用較多，這和兩國自身的電池和飛輪技術發達相關。以日本為例，由于其二次電池技術先進，且在日本價格較之超級電容和飛輪要低，因此近年多條線路都采用了二次電池作為儲能元件。通常，儲能裝置通過雙向DC-DC變流器和牽引網直流母線相連接，由日本川崎重工公司提供的名為“GIGACELL”的鎳氫電池儲能裝置直接和牽引網直流母線連接，也是值得關注的一個技術特點；③地面式儲能裝置容量在500 kW～3.3 MW之間，其中日本運量較小的單軌線路的儲能裝置容量只有500 kW，容量最大的是波蘭華沙地鐵2號線的超級電容儲能裝置，容量達到 3.3 MW；④北京地鐵八通線梨園站采用了200 kW超級電容和800 kW鈦酸鋰電池的混合儲能方式，除實現節能、穩壓等功能外，還成功開展了緊急牽引救援試驗。

表2 地面式超級電容儲能裝置的應用案例Table 2 Stationary storage systems based on supercapacitors in urban rail transit

續表

表3 地面式鋰離子/鎳氫電池的應用案例Table 3 Stationary storage systems based on Li-ion/NiH batteries in urban rail transit

續表

表4 地面式飛輪儲能裝置的應用案例Table 4 Stationary storage systems based on flywheels in urban rail transit

4 研發課題

在現有的技術條件下，研發一套“能用”的地面式儲能裝置難度不大，但要研發一套“好用”的儲能裝置，則需要解決好系統設計與效果評價、充放電控制策略以及儲能裝置本體設計等3方面的課題。

4.1 系統設計與效果評價

系統設計主要解決的是儲能裝置的設置位置和容量的問題。如第2節所述，儲能裝置本質上吸收的是列車的剩余再生制動能量，顯然，如果能準確把握剩余再生制動能量和功率，也就能夠解決儲能裝置設置位置和容量的問題。但牽引供電系統中列車位置與牽引/制動功率的實時變化，導致牽引供電系統的網絡參數與拓撲具有時變性，使牽引供電系統成為一個復雜的非線性時變系統。由于列車、儲能裝置、變電所之間存在著復雜的能量交互，因此需要研發包括列車運行仿真、潮流解析等功能在內的綜合仿真平臺，以提取再生能量流動特征，并綜合考慮投資成本、節能效益等優化目標以及地面容量配置的空間、重量等約束條件，合理設置儲能裝置的位置和容量[25]。目前，國內外多采用每個變電所都設置儲能裝置，且儲能裝置的容量相同的方式，從節能、穩壓的效果或全壽命周期成本的角度來看，這種設置方式顯然還有很大的優化空間。

一條線路設置儲能裝置的效果評價涉及評價指標和評價方法兩個問題。評價指標包括節能率、穩壓率、全壽命周期成本、再生失效率等，這些評價指標如何準確定義還需要深入探討。例如，再生失效率既可以從再生失效時間的長短來評價，也可以從再生失效導致的能量損失的大小來評價。此外，節能率與穩壓率、節能率與全壽命周期成本等指標之間的內在相互影響關系也是值得研究的課題。儲能裝置的效果評價，可分為設計階段的基于仿真的效果評價和儲能裝置投入運營后的基于實測的效果評價，但無論仿真評價還是實測評價，都需要明確統一的仿真及測試前提條件，否則就無法客觀反映設置儲能裝置的效果。

4.2 充放電控制策略

儲能裝置的充放電控制策略也是能量管理策略，其實質就是如何合理設定充放電閾值的問題。儲能裝置的充放電控制，定性地講，即當儲能裝置與牽引網母線連接點的電壓高于某值時，儲能裝置充電；低于某值時，儲能裝置放電。但這個看似簡單的問題，其實是個難題，其原因為：含儲能裝置的牽引供電系統是一個復雜的非線性時變系統，復雜非線性意味著充放電控制難以用純數學的方法優化，系統時變的特性則要求充放電閾值必須實時優化。

毫無疑問，儲能裝置的充放電控制應該圍繞達到節能或穩壓或二者兼具的目的來進行。因此，首先應該明確儲能裝置希望達到的目的。目前以節能為目的的研究居多，對于發車間隔小、早晚高峰時牽引網電壓跌落較大的線路來說，以穩壓或穩壓與節能兼具目的的充放電控制也是重要的研究課題。

目前，儲能裝置的充放電控制多是基于儲能裝置與牽引網母線連接點電壓值來進行。當電壓值高于充電閾值時，即推定有列車已經或即將發生再生制動失效，但這樣的推定和控制顯然欠精準。由于儲能裝置與列車、供電系統、線路、運行圖等子系統之間有較強的耦合關系，除母線電壓之外，列車運行狀態(位置、電壓、電流、牽引/制動狀態)、線路坡度、牽引變電所空載電壓等信息也應是充放電優化控制的重要依據[26-27]。目前的通信技術完全可以使儲能裝置獲取這些信息，從而實現基于動態數據實時交換的充放電優化控制。即使不能獲得列車運行狀態等實時信息，也可以基于列車運行圖、線路信息、車輛牽引與制動特性、變電所V-I特性等確定信息來改善裝置的充放電效果。

舉例如下。圖4是1 MW超級電容儲能裝置在某一固定充放電閾值時，超級電容的電壓變化圖，可以看出，由于放電閾值設置不當，出現了裝置“儲而不用”的現象，嚴重影響了裝置功能的發揮。圖5是基于運行圖、線路信息、車輛再生制動限流曲線、車載制動電阻啟動電壓、變電所空載電壓等信息，利用離線優化與在線調整相結合的自適應充放電控制后，得到了儲能裝置接近滿充滿放的效果，較之圖4，顯然后者更充分地發揮了儲能裝置的作用[28]。

圖4 放電閾值低導致儲能裝置出現“儲而不用”的現象Figure 4 An extremely low threshold leads to the phenomenon of “storage without use”

圖5 充放電閾值合理設置后儲能裝置接近滿充滿放的狀態Figure 5 A proper threshold results in full charge and discharge of energy storage system

除對單一的儲能裝置進行充放電控制外，地面儲能裝置之間，地面與車載儲能裝置之間的充放電協調控制也是需要深入開展的研究課題，感興趣的讀者可參考本期《城軌交通地面儲能系統的能量管理策略》一文。此外，隨著使用時間的延長或環境溫度的變化等引起的儲能元件內阻、容值等特性參數的變化與充放電控制策略之間的關系也值得深入探討。

4.3 儲能裝置的設計

儲能裝置設計面臨的第一個問題就是儲能元件單體和模組的選擇問題。由于軌道交通儲能技術的應用和發展主要得益于儲能技術在電動汽車、風力發電等領域中的應用成果，因此，軌道交通可以直接選用在其他領域已得到成熟應用的儲能元件和模組，這是有利的一面。但我們也應該看到不利的一面，也就是為其他領域量身定做的儲能元件單體和模組的功率密度、能量密度等特性未必與軌道交通的需要能很好地契合。因此，基于城軌交通地面或車載儲能裝置對功率、能量、重量和體積等實際需求，提出期望的功率密度、能量密度、SOC工作范圍、工作溫度范圍、內阻等技術參數，并與儲能元件生產廠家協同研發適用于軌道交通的儲能元件和模組是當前的一個重要課題。

由于不同線路、不同應用場景對再生制動能量吸收和利用的需求也不同，儲能裝置應能在容量、安裝位置等方面靈活應對用戶需求。因此，儲能裝置應該通過高度模塊化設計，適應多種組合方式，滿足在不同的變電站配置不同功率等級的儲能裝置、適配不同類型儲能元件的需求；或將儲能裝置安裝在變電站之間而不是變電站內，以更有效地防止牽引網電壓跌落等。此外，儲能裝置的主動安全和被動安全防護、裝置的智能管理和運維、關鍵部件及系統的健康管理等也是儲能裝置設計需要關注的問題。

5 結語

隨著我國城軌交通線網規模的快速擴大，其能耗問題也日益突出，2020 年全國的城軌交通電能消耗高達 172.4 億kWh，同比增長12.9%，其中北京地鐵和上海地鐵的電能消耗均超過20億kWh。在儲能元件技術仍在快速進步，價格不斷降低的背景下，自吸納式的地面式儲能裝置將在城軌交通節能減排中發揮重要作用。但如第1節所述，我們不應把儲能裝置僅視為一個節能裝置，它還可以實現更多的功能。為了充分發揮儲能裝置的作用，在研發儲能裝置過程中，尤其應重視儲能裝置與線路、車輛、供電、運行圖等系統的耦合關系的分析。此外，加入儲能裝置后，牽引供電系統和車輛的設計應該相應作哪些改變等都是需要我們深入研究的問題。