齐洪峰

(中车工业研究院有限公司，北京 100076)

加快建设交通强国是顺应高质量发展、抢抓新机遇、应对新挑战的客观需要。轨道交通由于具备运行速度快、污染少、安全性高等特点，逐渐成为人们首选的出行方式[1]。由于轨道交通运量巨大，列车运行过程中的调速制动、停车制动以及突发情况下的紧急制动都会出现能量耗散的情形。新兴的储能装置为解决这一问题提供了潜在可能性。飞轮储能系统是最早、最受欢迎的储能系统之一，它可以通过加速飞轮至极高速度将能量以旋转动能的形式储存于系统[2]。

表1 对比了几种常见储能装置[3]，飞轮储能较其他储能方式而言，具有适应性强、储能密度大、应用范围广等技术优势。

表1 各类储能装置的性能对比

现有研究表明，国内外众多研究机构及企业在飞轮储能领域开展了诸多研究，表2 汇总了国内开展飞轮储能相关研究机构及其研究方向/领域[4-6]。我国在飞轮储能应用于发电、石油钻井、导航等领域方面已取得了诸多实际应用示范的成功经验。

表2 国内飞轮储能相关研究机构

图1 为飞轮储能技术的发展趋势图，尽管飞轮储能的理论与应用研究在近年取得了迅速发展，但其在轨道交通领域的应用研究才刚刚起步，虽然广受关注，但相关研究尚不充分，远远难以满足行业领域融合发展的需求。

图1 飞轮储能发展趋势图

本文介绍了飞轮储能的技术原理及特点，总结了飞轮储能装置在轨道交通领域的应用，分析了飞轮储能与轨道交通的融合发展现状，在分析现有研究的基础上，探讨了飞轮储能与轨道交通融合发展的潜在研究方向及发展趋势。

1 飞轮储能技术原理与特点

典型的飞轮储能系统结构如图2 所示[7-8]。飞轮最初在持续旋转状态下维持运行，在储能时，飞轮通过提升转速的方式储存机械能，当达到额定转速后，飞轮则维持转速恒定运转，此时飞轮系统已经具备释能条件；释能时，飞轮通过牵引电机进行能量的释放[7-8]，其原理示意图如图3 所示[9]。

图2 飞轮储能系统结构图

图3 飞轮储能系统原理图

飞轮储能系统的一系列优点与轨道交通系统完美契合。轨道交通系统列车因其质量大，在启停时将会产生大量制动能量，若引入飞轮储能技术，列车制动时，飞轮加速旋转进行能量的存储，列车启动时，飞轮降低转速完成能量的释放[10]，从而实现制动能量回收利用，对节约能源、减少环境污染、提高经济效益有着重大意义。飞轮储能在轨道交通系统中具有良好的应用前景。

2 飞轮储能在轨道交通系统的应用现状

2.1 飞轮储能在城市轨道(地铁)系统的应用现状

飞轮储能可迅速储存列车再生制动能量，并在启动时提供高功率输出与电压支撑，其与城市轨道交通中压环网系统隔离，能降低牵引网压波动，稳定直流牵引网压，因此不会对系统稳定性和可靠性产生较大影响[11]。

由于飞轮储能系统能够有效提高铁路运行质量并利用再生制动能源[12]，飞轮储能装置从很早开始就应用于地铁。2000年，英国伦敦地铁皮卡迪利线安装了功率300 kW 的飞轮储能系统[13]；2001 年，美国纽约地铁Far Rockaway 线安装了功率1 MW 的飞轮储能系统[14]；2003 年，法国里昂地铁安装了功率200 kW、可储能1.44 kWh 的飞轮储能系统[15]；2010 年，伦敦地铁在Piccadilly线路上进行过飞轮储能再生制动试验[16]。

北京地铁房山线是国内首个应用GTR 型号的飞轮储能系统线路，该系统实物如图4 所示，其可有效平抑电压波动、稳定牵引网压，为供电安全提供良好保障[17]。

图4 北京房山线飞轮储能装置

2.2 飞轮储能在高速铁路系统的应用现状

高速铁路列车具有较高运行速度，其牵引负荷对电力系统影响范围更加广泛，容易引发电能质量问题及供电故障；同时，高速动车组相较于普通列车运行速度更快、质量更大，制动能量更大。因此，再生制动能的回收利用对电力设备安全运行及减少能耗具有十分重要的意义[18]。

目前高速铁路再生制动能利用方式通常有两种：一种是通过优化列车运行状态，使同一供电臂下制动列车产生的再生制动能供给牵引列车使用，另一种是通过回馈装置将再生制动能反馈至铁路内部配电系统。但这两种方法都存在不足，前者利用率低且灵活性差，后者容易干扰用电设备[19]。基于此，可采用储能装置对再生制动能进行存储。

自20 世纪50 年代以来[20]，再生制动技术便被广泛应用于铁路再生制动能的利用中。由于高速铁路的再生制动过程具有制动功率小、制动时间较长等特点，非常适合采用基于飞轮储能的再生制动技术进行再生制动能量利用[21]。目前已有部分国家将该技术应用于高速铁路。1988 年，日本京滨高速铁路安装了功率2 000 kW、可储能25 kWh 的飞轮储能系统，该系统目前仍在运行[22]；2000 年，美国德克萨斯大学奥斯汀机电中心测试了8.6 吨重、可储能100 kWh 的高铁用飞轮储能系统[23]；2003 年，西班牙马德里地区的高铁线路安装了功率350 kW、可储能55.6 kWh 的飞轮储能系统ACE2[24]。

2.3 技术发展成熟度

尽管飞轮储能技术历经多年发展，但其在轨道交通领域的应用尚处于初期阶段。近年来，飞轮储能技术在国内外城市轨道交通领域进行了初步应用，具备了一定的技术成熟度，典型应用方案涉及3 个方面[17]。

(1)制动能量回收：基于飞轮储能的列车制动能量回收方案如图5 所示，该方案可减少总牵引电能消耗量并降低列车制动造成的机械磨损。

图5 列车制动能量回收示意图

(2)牵引网支撑：当列车经过特殊区段时，其运量的提升会导致牵引网压发生较大波动，会对列车运行安全产生较大威胁，在此处安装飞轮储能装置，可有效维持牵引网压，降低成本，其方案如图6 所示。

图6 加装飞轮储能系统的牵引网示意图

(3)应急电源：当牵引供电系统出现故障时，飞轮储能系统根据需要向牵引网释放能量，其方案如图7 所示。

图7 含应急电源和飞轮储能的牵引网示意图

综上所述，飞轮储能技术在轨道交通领域的应用日趋成熟，随着相关技术不断发展，飞轮储能技术在轨道交通领域将获得更加广泛的应用。

3 飞轮储能与轨道交通系统的融合发展分析

3.1 潜在的技术方向研究

根据上述分析可以看出，未来飞轮储能与轨道交通融合的潜在方向包括且不限于：

(1)飞轮电池充放电迅速，非常适用于混合能量推动的车辆，其在动车组制动方面的应用将会是极具潜力的研究方向[25]；

(2)虽然飞轮储能技术已得到初步应用[26]，但少有电气化铁路削峰填谷的应用，因此，将其应用于电气化铁路的能量管理是一个潜在研究方向；

(3)由于我国铁路区域发展不均衡，东部铁路网密集度高，中西部地区路网密度较低，因此开展因地制宜的飞轮储能技术与轨道交通结合应用也是一个潜在的研究方向。

3.2 潜在的应用模式研究

根据我国的列车运营密集度、牵引方式以及储能单元安装位置特性，主要包括8 种飞轮储能与轨道交通融合模式，如图8 所示。

图8 8种飞轮储能与轨道交通融合应用模式

飞轮储能与轨道交通融合场景主要由牵引方式(T)、储能单元位置(P)以及运营频次(F)决定，将三者两两组合，牵引方式和储能单元位置可以共同定义实现方案，运行频次和储能单元位置共同定义需求特性，运行频次和牵引方式共同定义经济性。由于经济性与本文相关性不紧密，因此本文重点探讨牵引方式与储能单元位置(T+P)组合及储能单元位置与运营频次(P+F)组合对应的飞轮储能与轨道交通融合的发展场景。

牵引方式分为电气化(E)及非电气化(N)；储能单元位置分为车载(O)及轨道旁(S)；运营频次分为高频次(H)及低频次(L)。

3.2.1 T+P 融合场景

T+P 可以定义融合发展场景的实现方案，具体可分为电气化+轨道旁(ES)、电气化+车载(EO)、非电气化+轨道旁(NS)和非电气化+车载(NO)四个场景，如表3 所示。

表3 T+P 融合发展场景分析

3.2.2 P+F 融合场景

P+F 可以定义融合发展场景的需求特性，具体可分为轨道旁+高频次(SH)、轨道旁+低频次(SL)、车载+高频次(OH)、车载+低频次(OL)四个场景，如表4 所示。

表4 P+F 融合发展场景分析

由此，可得出飞轮储能与轨道交通融合场景的实现方案及需求特性，从而为未来飞轮储能在轨道交通领域的融合发展提供应用场景及指导。

4 结语

本文对现有飞轮储能在轨道交通系统的应用情况进行了梳理，介绍了飞轮储能的技术原理，分析总结了目前飞轮储能在城市轨道(地铁)及高速铁路的应用现状，并基于现有研究，探索分析了飞轮储能与轨道交通融合的发展趋势。由于飞轮储能在轨道交通领域有着极大的优势，因此研究其与轨道交通的融合发展有着重大意义。