城軌地面儲存型再生能量利用技術國內外標準解讀

胡 斌

（中國鐵路設計集團有限公司，天津 300308）

當前，儲能技術種類多樣、應用廣泛。國內外關于儲能技術，已經形成了多部標準，對于儲能元器件本體、模組，儲能系統變流器，電池管理系統(BMS)或電容管理系統(CMS)，運行指標，安全性要求等多個方面進行了系統的闡釋和規定，很好地規范了產品生產以及工程設計、建設、運營等各個環節。

在城市軌道交通領域，儲能技術主要應用于以下兩方面。

1) 列車剩余再生制動能量的存儲和再利用。蓄電池儲能技術的優勢在于蓄電池本身具有很大的能量密度，這是其他儲能元件難以企及的，在需要儲備較多能量的場合采用蓄電池儲能非常合適。但是功率密度相對小、壽命短、廢棄蓄電池難以處理是限制蓄電池技術進一步發展的短板，特別是在城市軌道交通領域，車輛的牽引和制動能量多為脈沖型，具有功率大、持續時間短的特點。所以，將蓄電池應用于城市軌道交通顯得并不十分適合。相對地，超級電容器具備功率密度高、充放電速度快、循環壽命長、低溫性能好等特點。在目前的技術條件下，對于城軌列車這種負荷短時間內變化較大的牽引運控系統，是更契合其能量需求的儲能元件。

北京試點應用了超級電容儲能、飛輪儲能和超級電容+電池混合儲能等技術，青島、廣州、深圳等地試點應用了超級電容儲能技術，目前尚未有全線采用儲能型列車再生制動能量地面利用系統的工程應用先例。

2) 車載儲能系統，作為列車牽引動力來源的一種形式，受儲能元器件本身的能量密度限制，目前多應用于有軌電車等中低運量的軌道交通形式，儲能元器件多采用超級電容或蓄電池，如廣州海珠線有軌電車、深圳龍華線有軌電車采用超級電容儲能型，南京麒麟線有軌電車采用蓄電池儲能型。

住建部于2019年頒布了行業標準CJJ/T295-2019《城市有軌電車工程設計標準》，在其中的車輛篇章，規定了有軌電車的供電方式可采用“車載儲能裝置無接觸網供電”；牽引供電篇章規定，有軌電車牽引供電制式可采用“車載儲能裝置供電、鋼軌或電纜回流方式”；從而為車載儲能系統在有軌電車行業的應用，提供了標準依據。文獻[1-2]針對車載儲能系統對車輛本身和供電系統的影響進行了分析，本文不再詳述。

綜合成本、安全性、節能效果等方面的考慮，中國尚未在城軌供電系統中大規模應用儲能技術，可參考的對口標準，也僅有 GB/T 36287-2018《城市軌道交通列車再生制動能量地面利用系統》[3]，未形成行業內認可度高的行業標準或企業標準；相對地，國際電工委員會 IEC和電氣與電子工程師協會 IEEE分別于 2017年頒布了 IEC 62924(2017-01)Railway applications-fixed installations-stationary energy storage system for DC traction systems[4]和IEEE 1887-2017IEEE guide for wayside energy storage system for DC traction applications[5]，用于指導儲能型再生制動能量地面利用系統應用的2部國際權威標準。

1 國內外儲能標準分類

1.1 按面向對象劃分

面向對象，也就是標準的受眾，通常可以分為儲能元器件制造商、變流設備制造商、系統設備制造商、設計單位、建設單位、施工單位、運營單位等，國內外儲能標準按照上述原則可劃分為：

1) 面向儲能元器件制造商的標準。如 GB?T 34870.1-2017《超級電容器 第 1 部分：總則》[6]，GB?T 36276-2018《電力儲能用鋰離子電池》[7]，GB?T 22473-2008《儲能用鉛酸蓄電池》，GB?T 32509-2016《全釩液流電池通用技術條件》等。

2) 面向變流設備制造商的標準。如GB?T 34120-2017《電化學儲能系統儲能變流器技術規范》[8]，GB/T 34133-2017《儲能變流器檢測技術規程》等。

3) 面向系統設備制造商的標準。如GB?T 36558-2018《電力系統電化學儲能系統通用技術條件》[9]，GB/T 34131-2017《電化學儲能電站用鋰離子電池管理系統技術規范》等。

4) 面向建設及運營單位的標準。如GB?T 36549-2018《電化學儲能電站運行指標及評價》[10]，GB?T 36547-2018《電化學儲能系統接入電網技術規定》等。

5) 面向設計及施工單位的標準。如 GB 51048-2014《電化學儲能電站設計規范》[11]，美國標準NFPA 855-2020Standard for the installation of stationary energy storage systems[12]等。

1.2 按功能劃分

根據標準的不同功能，大致可以分為制造類標準、使用類標準和安全性標準3類。

1) 制造類標準，主要是對產品生產流程、制造工藝、試驗檢測等方面的約束，大致可與面向對象分類中的設備及系統供貨商相對應。

2) 使用類標準，主要是將出廠設備產品應用于不同行業設計、建設、運營等具體工程中的約束，大致可與面向對象分類中的設計、建設、施工、運營相對應。

3) 安全性標準。儲能技術的應用，一個非常重要的內容就是安全性要求。儲能系統一旦起火，會造成很大的經濟損失和人員傷害，另外給消防救援也帶來非常巨大的挑戰。針對上述問題，國際上近幾年頒布了多部專門針對儲能元器件和儲能系統安全性的標準，用以強化對其安全性的約束，舉例如下：

IEC 62619-2017Safety requirements for secondary lithium cells and batteries，for use in industrial applications；

IEC 63056-2020Safety requirements for secondary lithium cells and batteries，for use in electrical energy storage systems；

IFC 2018International fire code-chapter 12 energy systems；

UL1973-2018Standard for safety batteries for use in stationary；

UL9540-2020Standard for safety energy storage systems and equipment；

UL9540A-2020Standard for safety test method for evaluating themal runaway fire propagation in energy storage systems；

CEC-2018Best practice guide-battery storage equipment-electrical safety requirements。

1.3 按行業領域劃分

儲能技術在中國的應用領域廣泛，特別是電網和電動汽車領域的標準體系最為成熟完善，資料顯示，已頒布的標準中國家標準51項，行業標準60項，地方標準48項；全球各主要國家也都在積極探索儲能標準體系的建設，國際上常用的儲能標準共有14項。

在城市軌道交通儲能領域，可查到的國內外標準包括 GB/T 36287-2018《城市軌道交通列車再生制動能量地面利用系統》、IEC 62924(2017-01)Railway applications - fixed installations-stationary energy storage system for DC traction systems、IEEE 1887-2017IEEE guide for wayside energy storage system for DC traction applications等3部。

1.1和1.2節中提到的儲能標準，雖然不是針對城市軌道交通領域，但很多技術要求、試驗內容及方法、評價標準等內容，值得城市軌道交通領域，特別是再生制動利用系統借鑒。例如GB/T 34131-2017 《電化學儲能電站用鋰離子電池管理系統技術規范》是電網行業針對儲能電站用鋰離子電池管理系統(BMS)的技術規范，但其中諸多關于功能要求、檢驗和試驗項目的條款，均可在城軌超級電容儲能元件管理系統(CMS)中參考使用。

但是，由于行業特點不同，部分標準的內容并不適用城軌應用工況，例如GB?T 34120-2017《電化學儲能系統儲能變流器技術規范》中儲能變流器(PCS)定義為“連接于電池系統與電網(和/或負荷)之間的實現電能雙向轉換的變流器”，城軌牽引網為DC 1 500 V或DC 750 V電壓制式，對于電池或超級電容等儲能介質，儲能變流器需采用DC/DC變換型，與電網逆變上網+整流下網的使用方式不同。

2 城市軌道交通儲能系統的定義及構成

關于儲存型再生制動能量地面利用系統的定義，GB/T 36287-2018《城市軌道交通列車再生制動能量地面利用系統》第 3.2條給出，將列車制動時注入直流牽引網中的多余制動能量儲存到儲能單元中，需要時再將能量釋放出來供列車使用的能量處理系統。

根據GB/T 36287-2018中6.3條的規定，城市軌道交通儲存型再生制動能量地面利用系統是由直流隔離開關、直流電抗器、雙象限變流器、直流接觸器、儲能單元等部件組成，如圖1所示，此外還應包括測控系統、能量管理系統等。

圖1 儲存型再生制動能量地面利用系統典型拓撲Figure 1 Typical topology for wayside storage system for vehicle braking regenerative energy utilization

直流隔離開關實現雙象限變流器與直流負極母線的隔離；直流電抗器完成與直流母線的濾波及限流功能；雙象限變流器實現直流電能的雙向流動，從而實現直流電壓升壓或降壓變換功能；直流接觸器實現雙象限變流器與儲能單元間的隔斷、保護功能；儲能單元是直流電能的儲存部分(儲能介質有超級電容、電池、飛輪等)。測控系統和能量管理系統完成對整套系統的測量、保護、控制及能量管理等。

需要說明的是，GB/T 36287-2018標準中儲能介質特指超級電容器，其他儲能介質如飛輪與上述拓撲不同。

3 城軌儲能標準解讀

3.1 GB/T 36287-2018《城市軌道交通列車再生制動能量地面利用系統》解讀

GB/T 36287-2018《城市軌道交通列車再生制動能量地面利用系統》于2018年6月7日發布，2019年1月1日開始執行，該標準由國家鐵路局提出，全國牽引電氣設備與系統標準化委員會歸口；規定了城市軌道交通列車再生制動能量利用系統的環境條件、供電條件、系統構成、技術要求、檢驗辦法、檢驗規則等內容，適用于回饋型、儲存型和混合型再生制動能量地面利用系統。

按照第1部分的標準分類原則，該標準應屬于城市軌道交通領域面向系統設備制造商的制造類標準。

標準提出的系統環境條件見表1。

表1 再生制動能量地面利用系統使用環境條件Table 1 Environmental conditions for wayside system for vehicle braking regenerative energy utilization

表1中的環境條件可滿足中國大部分地區的城軌實際使用工況，且與變電所其他供電設備的環境要求保持一致。

技術要求部分是本標準的核心內容，該部分分為7.1功能要求和7.2性能要求，性能要求中又可分為通用性能要求和儲能系統的特殊性能要求。

在功能要求中，包括了回收電能功能、穩定直流網壓功能、通信功能、數據采集、事件記錄及存儲顯示功能、熱待機功能、與車輛配合功能、保護功能、安全聯鎖功能、調試功能和計量功能。其中回收電能功能、穩定直流網壓功能、熱待機功能、與車輛配合功能屬于整個裝置接入城軌供電系統后的整體功能，其他屬于裝置本身應具備的功能。

在功能要求中，對部分功能的實現描述不太具體，例如與車輛配合功能在標準中描述為：“再生制動能量地面利用系統不應影響列車正常制動工作，如車輛配置有車載電阻制動系統，應考慮與車輛車載電阻制動系統的配合。”但是車—地之間應該如何配合才能達到系統功能，特別是回收電能和穩定直流網壓的最優，沒有說明條款；再如，計量功能在標準中描述為：“再生制動能量地面利用裝置應能在交流側或直流側對回收電能進行計量。”但是，并沒有對計量點設置位置、具體的計量內容和計量精度要求等作出明確規定。

在性能要求中，標準對整個裝置的電氣性能指標要求做了比較詳細的規定，能夠較好地指導設備制造和采購環節，主要的電氣性能指標見表2。

表2 再生制動能量地面利用系統主要電氣性能指標Table 2 Main electrical performance index of wayside system for vehicle braking regenerative energy utilization

此外，本標準儲能介質特指超級電容器，不含電池、飛輪等。標準中規定了電容量、等效串聯內阻、高低溫性能、電壓保持能力等超級電容特殊性能要求。但是，標準對裝置的防火及安全性能，僅有對使用材料的定性規定和儲能元件放電以保證人身安全的要求，缺乏對整個系統特別是儲能元器件安全性的具體描述；對系統整體和內部各部分的設計使用壽命，也沒有條文規定，這些是標準后續修訂版本建議更新完善的地方。

標準的第8部分檢驗方法和第9部分檢驗規則，是對儲能系統型式試驗、出廠試驗和現場試驗相關方法和內容的規定，標準中對不同儲能系統的試驗項目、檢驗分類、技術要求和檢驗方法等采用表格的形式一一列出，層次清晰，使讀者一目了然，例如，儲能單元試驗項目見表3。

從表3可見，儲能單元僅在產品的型式檢驗中有4個試驗項目，出廠檢驗和現場檢驗不做要求，并且沒有儲能單元的安全性試驗?？紤]到城軌的實際應用環境，建議在型式檢驗和出廠檢驗部分，參照 GB?T 34870.1-2017《超級電容器 第1部分：總則》補充如短路放電試驗、循環壽命試驗、過放電試驗、過充電試驗、穿刺試驗、擠壓試驗、振動試驗、加熱試驗、溫度循環試驗等試驗項目，其中出廠檢驗可根據用戶需求做部分試驗內容。

表3 儲能單元試驗項目Table 3 Energy storage unit experiments

另外，有資料顯示，之前有發生過變流器運行時，其噪聲電壓造成電池管理系統 BMS的損壞，進而造成整個儲能系統起火的案例。而本標準中缺少針對儲能元件管理系統(CMS)的試驗項目，這也是后續標準更新建議考慮納入的內容。

3.2 IEC 62924(2017-01) Railway applicationsfixed installations-Stationary energy storage system for DC traction systems解讀

IEC 62924是國際電工委員會(軌道電氣化設備及系統)于2017年針對直流牽引系統地面儲能裝置頒布的標準，這是國際電工委員會在該領域的首部標準，面向的對象是用戶及設備制造商。

標準的架構與GB/T 36287-2018類似，由基本定義、系統構成、使用條件、技術要求、檢驗辦法及檢驗規則等部分組成。但與國家標準不同的是，IEC 62924專門設置了第6章“Investigation before the installation of stationary ESS”，要求在實際采用之前通過仿真或樣機掛網實測的方式，確定儲能系統的安裝容量、安裝位置，并對節能效果、與其他系統的配合等做出評估，并且在附錄A中對仿真方法和線路實測內容進行了詳盡的規定；可見，該標準對地面儲能系統的理論分析要求較高，值得借鑒。

該標準在系統構成方面，給出了通用的電路拓撲，如圖2所示。

圖2中，ESU表示儲能單元(energy storage unit)，可以是電池、電容或者飛輪；ACTB表示連接儲能單元和直流母線的裝置，ESU和ACTB共同組成儲能系統ESS。與國家標準不同的是，本標準將ACTB分為兩種。

圖2 地面儲能系統通用電路拓撲Figure 2 Common system configuration of stationary ESS

1) 采用儲能變流器作為ACTB，通過對電力電子器件的控制，實現充放電電流、電壓、功率、時間的可控；

2) 不設置儲能變流器，整個儲能系統的充放電過程不可控，僅靠直流母線和儲能單元之間的壓差實現充放電過程的轉換，充放電電流的大小與整個系統的阻抗參數相關，且在正負極分別設置斷路器保證回路安全。

在中國城市軌道交通應用工況中，供電系統阻抗參數復雜，安全要求高，且需根據列車運行情況及直流網壓等決定儲能裝置的充放電狀態；所以，不論從安全可靠性還是從智能化程度考慮，僅設置斷路器作為ACTB都是無法滿足使用要求的，儲能變流器不可或缺。

在本標準的技術要求部分，第7.1.1.7條要求儲能系統的充放電過程應遵照執行附錄C中的周期循環工作制，并對典型應用給出了示例和圖示。相對而言，GB/T 36287-2018中僅對斷續周期工作制和周期峰值功率做出了規定，詳盡程度不及IEC 62924，表4給出了附錄C中周期循環工作制儲能系統充放電要求和典型應用。

表4 周期循環工作制儲能系統充放電要求和典型應用Table 4 ESS duty cycle charge/discharge requirement and typical application

此外，本標準技術要求的7.1.6條，對儲能單元的壽命做出了明確的規定，認為對壽命的建模，首先需要明確儲能系統的周期循環工作制；對于儲能元器件的壽命，可用容量下降、內阻上升或循環充放電次數作為判定依據，但具體的數值標準中沒有明確給出，而是由用戶和制造商協商確定。

標準的檢驗辦法及檢驗規則部分和 GB/T 36287-2018基本保持一致，不再贅述。

3.3 IEEE 1887-2017 IEEE guide for wayside energy storage system for DC traction applications解讀

IEEE 1887是國際電氣與電子工程師協會軌道交通標準委員會于 2017年頒布的標準，用以指導工程師設計出技術經濟性最優的儲能系統方案。標準共分為13章，主要從應用、技術、經濟性、建模仿真、性能、安全性、安裝集成、試驗驗證等方面對地面儲能系統進行了闡釋。不同于GB/T 36287-2018和IEC 62924(2017-01)，IEEE 1887中更多是定性語句的描述，沒有定量的數值規定，標準的整體架構也與國標和IEC標準有很大區別，在實際的工程應用中，僅可用于參考。

標準的第4章介紹了城軌儲能系統的應用工況，包括了能量回收，電壓、負荷、頻率調節，應急牽引電源，峰值功率抑制等；并且對各種應用條件進行了詳細的定義和說明，例如，能量回收(energy recovery)就是利用儲能系統吸收掉本應車載或地面電阻耗散的能量，且在牽引時釋放這部分儲存的能量。由此可以得出，再生制動能量應優先由臨近的牽引車輛吸收，僅在線路其他車輛無法吸收時儲能系統才應介入，不應出現儲能系統“搶能量”的情況。

標準中關于裝置的經濟性專門設置了獨立的篇章介紹，即標準的第8章“Economic consideration”。該章著重進行了成本—效益分析，即采用“凈現值”(NPV)等方法，考慮通貨膨脹和能源成本上升等因素，在同一時間段范圍內(15～30年)對不采用儲能系統和采用進行比較，涵蓋以下內容：

1) 建設期：設備費；安裝費；接口許可費。

2) 運營期：節能效益；運行能耗；維保成本。

3) 資產利舊。

4) 報廢費用：設備退役；設備回收和處置。

此外，該章還專門針對儲能對牽引站擴容改造、車載或地面電阻的影響進行了分析。儲能系統全壽命周期的經濟性分析是一個復雜的問題，結合中國城軌的實際情況，建議還應增加裝置對車站和隧道通風系統的影響、對列車機械制動系統的影響以及對牽引供電系統的影響等方面的綜合分析。

4 結論及建議

通過對國內外標準的分類，以及對城軌儲能標準的解讀，可以得到以下結論：

1) 中國電化學電池儲能元器件、儲能系統及應用等全產業鏈的標準體系完善，而超級電容相關的標準尚未形成完整的標準體系。

2) 國際標準對于儲能系統的安全性標準更為豐富和嚴苛，且集中在近5年內頒布，反映出對儲能系統安全性要求越來越高，中國各標準中雖然對儲能系統的安全性有要求，但仍需強化。

3) 中國電網及電動汽車領域的儲能技術標準體系成熟完善，城市軌道交通領域的國內外標準均較少，應加強標準體系建設，當前可借鑒其他行業成熟標準體系的要求，指導城市軌道交通領域儲能系統的工程應用。

4) GB/T 36287-2018《城市軌道交通列車再生制動能量地面利用系統》是城市軌道交通領域地面儲能系統的國標，整個標準思路清晰完整，可以作為工程指導，但部分細節的要求不夠具體，超級電容的安全性要求不充分，建議在后續標準版本中完善。

5) IEC 62924(2017-01)Railway applications-fixed installations-stationary energy storage system for DC traction systems中對于理論分析的要求較高，標準中仿真方法和線路實測內容、周期循環工作制的定義以及儲能單元壽命的評價均值得借鑒。

6) IEEE 1887-2017IEEE guide for wayside energy storage system for DC traction applications中應用工況、經濟性考慮方面有一定的借鑒價值，其他內容定性描述較多，工程可參考性不強。