飛輪儲能軌道交通系統技術融合發展現狀

文 / 鄭州電力職業技術學院 孟朧

飛輪儲能技術原理與其他儲能裝置對比

飛輪儲能分為飛輪裝置和儲能設備兩部分，由飛輪、真空室、安全防護外殼、機械輔助軸承、徑向電磁軸承、電機構成，具體飛輪儲能系統結構圖如圖1所示。

圖1 飛輪儲能系統結構圖

在實際運行中，飛輪儲能系統分為儲能過程和釋放過程兩部分，飛輪裝置持續旋轉，儲存機械能，當機械能達到釋放標準后，通過牽引電機將機械能釋放，以此實現對電力電子設備的電能輸出，具體飛輪儲能系統原理圖如圖2所示。

圖2 飛輪儲能系統原理圖

飛輪儲能系統相比于其他儲能裝置具有機械控制、使用壽命較長、無污染、對工作溫度要求低、儲能密度大、維護周期長等優勢，能夠更好地實現與軌道交通系統耦合，將飛輪儲能技術應用于軌道交通系統，可以實現將列車制動時產生的大量制動能量進行儲存，在列車啟動、運行時將儲存的能量進行釋放，實現列車對能量的重復使用和最大化開發，同時可以實現節能減排、減少列車運行成本，符合可持續性發展的觀念。

飛輪儲能在軌道交通系統的應用現狀

飛輪儲能在城市軌道交通系統的應用現狀

隨著城市化的深入建設，人們對城市的便利性、舒適性要求越來越高。為滿足社會需求，在城市規劃設計中，城市軌道交通系統是城市交通網絡布置的重要部分。城市軌道交通在運行過程中制動和啟動頻次較高，所產生的制動能量較大，正適合應用飛輪儲能系統，早在2000年，英國倫敦地鐵首次裝載飛輪儲能系統，后在美國、法國、日本等多個國家普及應用，我國最早使用飛輪儲能系統的是北京地鐵房山線，經過實際應用證明，飛輪儲能系統能夠減少電壓波動、穩定牽引電網、增強城市軌道交通運行穩定性、減少城市軌道交通運行能源，不僅提高了地鐵、輕軌、單軌等交通工具的運行可靠性，還提升了城市軌道交通公司的整體經濟效益。

飛輪儲能在高速鐵路系統的應用現狀

我國高速鐵路建設規模和高速列車運行速度處于世界前列，實現高速鐵路系統運行規模廣、速度快等優勢的同時，對高速鐵路列車牽引負荷、電能質量、電網穩定程度造成壓力。將飛輪儲能技術應用在高速鐵路系統中，能夠利用飛輪儲能將高速鐵路列車的制動能量轉化為輔助電能，在高速鐵路列車啟動時進行釋放，減輕牽引負荷、增強電能質量、進一步穩定電網系統。應用飛輪儲能技術可以在保證較高利用率和安全性的同時，實現再生能量的靈活分配，并已經在日本京濱高速鐵路、西班牙馬德里地區高速鐵路等多條線路中得到證明。

飛輪儲能與軌道交通系統的融合發展分析

潛在的技術方向研究

飛輪儲能是現代先進的儲能技術，與軌道交通系統的深入融合需要相關專家學者進一步研究探索。基于當前的研究可以分析出飛輪儲能與軌道交通系統的潛在研究方向主要分為兩種，具體是：1.飛輪儲能系統具有放電速度較快的特點，與動車組相結合，可以進一步增強動車組混合能量供給能力、提升動車組啟動、運行速度、增強動車組用電設備的反應速度。2.根據我國經濟、地形等因素進行鐵路網絡規劃設計，我國鐵路分布東部較密集、中西部較分散，在應用飛輪儲能技術時應結合實際鐵路情況，針對性的與軌道交通系統展開融合。

潛在應用模式融合場景

總結飛輪儲能與軌道交通系統融合應用模式后，可以通過牽引方式、儲能單元位置、列車密度總結潛在應用模式的融合場景。其中牽引方式分配電氣化和非電氣化；儲能單元位置分為車載和軌道旁；列車密度分為高密度和低密度。

可以總結出飛輪儲能技術在具體軌道交通系統融合場景中實現的功能和運行需求，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。

1.牽引方式與儲能單元位置融合場景

牽引方式與儲能單元位置融合場景可分為電氣化+軌道旁、電氣化+車載、非電氣化+軌道旁、非電氣化+車載四個場景，具體融合場景和飛輪儲能功能分析如表1所示。

表1 牽引方式與儲能單元位置融合場景和飛輪儲能功能分析

2.儲能單元位置與列車密度融合場景

儲能單元位置與列車密度融合場景可分為軌道旁+高頻次、軌道旁+低頻次、車載+高頻次、車載+低頻次四個場景，具體融合場景和飛輪儲能運行需求分析如表2所示。

表2 儲能單元位置與列車密度融合場景和飛輪儲能功能分析

結語

綜上所述，飛輪儲能技術能夠秉持可持續發展理念，實現對軌道交通車輛運行能源的重復利用、保護運行安全、較少用電成本，對軌道交通系統具有巨大的幫助。目前我國飛輪儲能與軌道交通系統的融合還有待進一步開發，本文針對目前實際應用和理論研究，提出當前飛輪儲能應用情況和潛在的研究融合方向，希望能為飛輪儲能的加速應用進行賦能，促進軌道交通系統的發展。