摘 要: 随着超级电容、锂离子电池、飞轮等储能元件技术的飞速发展，储能技术在城市轨道交通中得到日益广泛的应用。针对地面存储式再生制动能量利用装置，首先总结了储能装置可实现的功能，然后介绍储能技术在地面式再生制动能量吸收和利用装置中的应用现状，最后从储能装置的系统设计与评价方法、充放电控制策略、储能装置设计的角度分析了需要进一步深入研发的课题。
关键词: 城市轨道交通;储能技术;超级电容;充放电策略;储能装置;再生制动能量
利用地面储能装置来吸收城轨列车的再生制动能量，在 1988 年，2 MW/25 kWh 的地面式飞轮储能装置便在日本京急电铁公司逗子线上就已得到成功应用。但进入 21 世纪后，基于储能装置的再生制动能量的吸收和利用却成为新的研发热点，笔者以为主要有 3 方面的原因：一是超级电容(electric double layer capacitor， EDLC)、二次电池(secondary battery)、飞轮(fly wheel， FW)等储能元件技术的飞速发展和价格的大幅降低，使其在城轨交通中的推广应用成为可能;二是节能减排已成为全球共识，作为用电大户的城轨交通自然责无旁贷;三是城轨交通运营公司对列车运行性能提升的需求，如希望更小的牵引网电压波动以保证牵引制动性能的发挥，ATO 或无人驾驶对精准停车的要求等。
本文围绕储能技术在地面式再生制动能量利用系统中的应用，重点介绍其可以实现的功能、国内外的应用现状以及面临的研发课题。
1 储能装置的功能
不少人把吸收列车再生制动能量的储能装置等同视为节能装置，但除了节能之外，储能装置还能够实现哪些功能?这是我们首先应该弄清楚的问题。国内外地铁运营公司为了单一功能，通常是节能或稳压，而研究或应用储能装置的案例较多，对本可以实现多种功能的储能装置而言，只针对单一功能进行研发或应用是一件遗憾的事情。
吸收列车再生制动能量的储能装置有 3 种设置方式：设置在牵引变电站内或变电站之间的线路旁，称为地面式储能装置(stationary energy storage system， SESS);设置在车辆上，称为车载式储能装置(on-board energy storage system，OBESS);车辆和地面均设置(见图 1)，称为车-地协调式储能装置(on-board and stationary coordinated energy storage system)。3 种方式中，目前前两种设置方式都有不少实际应用案例，与车载式相比，地面式对储能装置的质量、体积的制约要小得多，是目前应用最多的方式。笔者所在科研团队和日本东芝公司目前正在独立开展第三种设置方式的相关研究。
储能装置能够实现的主要功能包括：①节能; ②抑制牵引网电压波动;③降低变电站峰值功率; ④减少或消除再生失效;⑤提高停车精度;⑥纯电制动;⑦降低机械制动系统维护成本;⑧应急牵引; ⑨替代变电所。
前述储能装置实现功能的①～⑦都容易理解，无需赘述。这里对⑧和⑨稍作进一步说明。
由于我国电网建设已日趋完善，且牵引供电系统在可靠性设计方面有足够的冗余，因此发生供电系统停电的概率极低，但北京地铁、上海地铁和重庆地铁分别于 1996 年、2013 年和 2021 年还是发生过因停电导致运营中断的事故。当电力故障、供电区间故障或地震等原因造成列车断电时，地面或车载储能装置可作为紧急牵引电源，将列车运行至邻近车站疏散乘客，以保证乘客的安全。近年来，日本加大了应急牵引电源技术的研发和应用。例如，东京地铁千代田线在绫濑站的变电所内设置了 500 kW/194 kWh 钛酸锂电池储能装置，紧急牵引时可保证列车在站间距为 2.4 km 的绫濑站—北千住站之间以 15 km/h 的速度救援运行。此外，东京地铁银座线 1000 系列车的车载 552 V/22.1 kWh 钛酸锂电池储能装置也可用作紧急牵引电源。2020 年，由北京交通大学和北京地铁运营公司联合研发的 1 MW 地面式混合储能装置在北京地铁八通线上成功地完成了供电系统停电时的紧急牵引试验。
当相邻变电所之间距离较长，变电所与列车之间能量传输过程中将产生较大的线路压降，进而导致接触网电压的大幅波动，影响列车运行性能。为了解决这个问题，东京的东武线将锂离子电池储能装置安装于“野田(Noda)”和“豐四季(Toyoshiki)”变电所之间 (见图 2)，使其兼具牵引变电站和再生能量吸收利用的功能，并有效补偿了网压跌落。
在设计储能装置时，是以实现节能或抑制网压波动的单一功能来设计，还是兼顾 2 个以上的功能来设计是值得重视的问题。例如，以①为功能设计的储能装置容量、设置位置及能量管理策略显然与同时考虑功能①和②设计时的结果不同，设计者只有在充分了解供电、车辆、运营的真实需求的基础上，从系统的角度考虑才可能合理地设计储能装置。此外，随着我国 ATO 及无人驾驶线路的逐渐增多，实现④～⑥的功能也变得日益重要。
2 再生制动能量吸收和利用的涵义
储能装置通常吸收的只是列车再生制动能量的一部分。当探讨储能装置的容量配置、基于车辆和变电所特性以及列车运行图的充放电优化控制策略时，讨论的出发点必须基于“剩余再生制动能量”来进行，即储能装置吸收和利用的实质是牵引列车吸收后的剩余再生制动能量。
图 3 是典型的城轨交通车辆牵引与再生制动特性曲线示意图。从充分发挥电(再生)制动作用以及降低牵引传动系统 RMS 电流的角度出发，制动特性曲线通常由恒转矩区和自然特性区组成，即没有牵引特性曲线的恒功区间。图 3 中的点划线为牵引与制动时的速度—电功率/轮周功率曲线，可以看出，恒转矩区间和特性区间转折速度 V2对应的是最大再生制动功率。众所周知，电能等于电功率对时间的积分，从图 3 即可得到列车从最高速度制动至停止时的再生制动能量。由于牵引变电所通常采用二极管整流，能量只能从交流侧向直流侧流动，因此再生制动能量不能通过牵引变电所返送回交流侧，而只能由邻近的处于牵引状态的其他列车吸收(包括牵引网电阻吸收的能量)，而不能被牵引列车吸收的再生制动能量就称为剩余再生制动能量。剩余再生制动能量的存在会导致制动列车受电弓处的电压很快超过限值，从而导致主电路断路器断开，再生制动无法继续实施，即发生再生失效的现象。因此，我们希望通过储能装置来吸收存储剩余再生制动能量，以避免再生失效的发生。显然，从系统节能的角度，我们希望制动列车和牵引列车之间有尽可能多的能量交互，牵引网电阻消耗的能量越少越好。要特别注意的是，牵引网电阻的大小直接影响再生制动能量的传输距离，即影响制动列车和牵引列车之间的能量交互，也会直接影响地面储能装置对剩余再生制动能量的吸收利用。
3 地面式储能装置的应用现状
城轨交通地面式储能装置通常采用超级电容、锂离子电池(lithium ion battery，LIB)或镍氢电池(nickel metal hydride battery，NiMH)等二次电池和飞轮作为储能元件。评价储能元件的性能指标包括能量密度 (Wh/kg 或 Wh/L)、功率密度(W/kg 或 W/L)、充放电效率、价格、寿命、维护性等。表 1 是几种储能元件的主要性能指标，可以看出，目前还没有一种储能元件在这些性能指标中处于一种绝对优势的地位。超级电容的功率密度高、能量密度低，锂离子电池的特性正好与之相反，能否将两者的优点结合在一种储能元件上?近年，兼顾了功率密度和能量密度平衡的新型储能元件锂离子电容(lithium capacitor，LiC)和钛酸锂电池(lithium titanate oxide battery，LTO)也逐步得到应用和关注。
列车再生制动能量的吸收在国内外都经历了从车载电阻到地面装置吸收方式的发展历程，其中地面吸收方式又分为地面电阻能量消耗型、能量回馈型和能量存储型 3 种。由于本文主要讨论储能技术在地面式再生制动能量吸收和利用系统中的应用，表 2～4 分别列举了国内外地面式超级电容、锂离子/镍氢电池及飞轮储能装置的部分应用案例，由表可知：①中国、日本、德国等国家采用了两种以上的储能元件。例如我国采用了超级电容、钛酸锂电池、飞轮，日本采用了飞轮、超级电容和二次电池，德国采用了超级电容、飞轮作为储能元件。一条线路到底采用哪种储能元件合适，除考虑储能元件本身特性和希望储能装置实现的功能外，价格、本国储能元件技术等也是必须考虑的因素;②二次电池在日本、飞轮在美国的应用较多，这和两国自身的电池和飞轮技术发达相关。以日本为例，由于其二次电池技术先进，且在日本价格较之超级电容和飞轮要低，因此近年多条线路都采用了二次电池作为储能元件。通常，储能装置通过双向 DC-DC 变流器和牵引网直流母线相连接，由日本川崎重工公司提供的名为“GIGACELL”的镍氢电池储能装置直接和牵引网直流母线连接，也是值得关注的一个技术特点;③地面式储能装置容量在500 kW～3.3 MW之间，其中日本运量较小的单轨线路的储能装置容量只有 500 kW，容量最大的是波兰华沙地铁 2 号线的超级电容储能装置，容量达到 3.3 MW;④北京地铁八通线梨园站采用了200 kW超级电容和800 kW钛酸锂电池的混合储能方式，除实现节能、稳压等功能外，还成功开展了紧急牵引救援试验。
4 研发课题
在现有的技术条件下，研发一套“能用”的地面式储能装置难度不大，但要研发一套“好用”的储能装置，则需要解决好系统设计与效果评价、充放电控制策略以及储能装置本体设计等 3 方面的课题。
4.1 系统设计与效果评价
系统设计主要解决的是储能装置的设置位置和容量的问题。如第 2 节所述，储能装置本质上吸收的是列车的剩余再生制动能量，显然，如果能准确把握剩余再生制动能量和功率，也就能够解决储能装置设置位置和容量的问题。但牵引供电系统中列车位置与牵引/制动功率的实时变化，导致牵引供电系统的网络参数与拓扑具有时变性，使牵引供电系统成为一个复杂的非线性时变系统。由于列车、储能装置、变电所之间存在着复杂的能量交互，因此需要研发包括列车运行仿真、潮流解析等功能在内的综合仿真平台，以提取再生能量流动特征，并综合考虑投资成本、节能效益等优化目标以及地面容量配置的空间、重量等约束条件，合理设置储能装置的位置和容量[25]。目前，国内外多采用每个变电所都设置储能装置，且储能装置的容量相同的方式，从节能、稳压的效果或全寿命周期成本的角度来看，这种设置方式显然还有很大的优化空间。
一条线路设置储能装置的效果评价涉及评价指标和评价方法两个问题。评价指标包括节能率、稳压率、全寿命周期成本、再生失效率等，这些评价指标如何准确定义还需要深入探讨。例如，再生失效率既可以从再生失效时间的长短来评价，也可以从再生失效导致的能量损失的大小来评价。此外，节能率与稳压率、节能率与全寿命周期成本等指标之间的内在相互影响关系也是值得研究的课题。储能装置的效果评价，可分为设计阶段的基于仿真的效果评价和储能装置投入运营后的基于实测的效果评价，但无论仿真评价还是实测评价，都需要明确统一的仿真及测试前提条件，否则就无法客观反映设置储能装置的效果。
4.2 充放电控制策略
储能装置的充放电控制策略也是能量管理策略，其实质就是如何合理设定充放电阈值的问题。储能装置的充放电控制，定性地讲，即当储能装置与牵引网母线连接点的电压高于某值时，储能装置充电;低于某值时，储能装置放电。但这个看似简单的问题，其实是个难题，其原因为：含储能装置的牵引供电系统是一个复杂的非线性时变系统，复杂非线性意味着充放电控制难以用纯数学的方法优化，系统时变的特性则要求充放电阈值必须实时优化。
毫无疑问，储能装置的充放电控制应该围绕达到节能或稳压或二者兼具的目的来进行。因此，首先应该明确储能装置希望达到的目的。目前以节能为目的的研究居多，对于发车间隔小、早晚高峰时牵引网电压跌落较大的线路来说，以稳压或稳压与节能兼具目的的充放电控制也是重要的研究课题。
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目前，储能装置的充放电控制多是基于储能装置与牵引网母线连接点电压值来进行。当电压值高于充电阈值时，即推定有列车已经或即将发生再生制动失效，但这样的推定和控制显然欠精准。由于储能装置与列车、供电系统、线路、运行图等子系统之间有较强的耦合关系，除母线电压之外，列车运行状态(位置、电压、电流、牵引/制动状态)、线路坡度、牵引变电所空载电压等信息也应是充放电优化控制的重要依据[26-27]。目前的通信技术完全可以使储能装置获取这些信息，从而实现基于动态数据实时交换的充放电优化控制。即使不能获得列车运行状态等实时信息，也可以基于列车运行图、线路信息、车辆牵引与制动特性、变电所 V-I 特性等确定信息来改善装置的充放电效果。
举例如下。图 4 是 1 MW 超级电容储能装置在某一固定充放电阈值时，超级电容的电压变化图，可以看出，由于放电阈值设置不当，出现了装置“储而不用”的现象，严重影响了装置功能的发挥。图 5 是基于运行图、线路信息、车辆再生制动限流曲线、车载制动电阻启动电压、变电所空载电压等信息，利用离线优化与在线调整相结合的自适应充放电控制后，得到了储能装置接近满充满放的效果，较之图 4，显然后者更充分地发挥了储能装置的作用[28]。
除对单一的储能装置进行充放电控制外，地面储能装置之间，地面与车载储能装置之间的充放电协调控制也是需要深入开展的研究课题，感兴趣的读者可参考本期《城轨交通地面储能系统的能量管理策略》一文。此外，随着使用时间的延长或环境温度的变化等引起的储能元件内阻、容值等特性参数的变化与充放电控制策略之间的关系也值得深入探讨。
4.3 储能装置的设计
储能装置设计面临的第一个问题就是储能元件单体和模组的选择问题。由于轨道交通储能技术的应用和发展主要得益于储能技术在电动汽车、风力发电等领域中的应用成果，因此，轨道交通可以直接选用在其他领域已得到成熟应用的储能元件和模组，这是有利的一面。但我们也应该看到不利的一面，也就是为其他领域量身定做的储能元件单体和模组的功率密度、能量密度等特性未必与轨道交通的需要能很好地契合。因此，基于城轨交通地面或车载储能装置对功率、能量、重量和体积等实际需求，提出期望的功率密度、能量密度、SOC 工作范围、工作温度范围、内阻等技术参数，并与储能元件生产厂家协同研发适用于轨道交通的储能元件和模组是当前的一个重要课题。
由于不同线路、不同应用场景对再生制动能量吸收和利用的需求也不同，储能装置应能在容量、安装位置等方面灵活应对用户需求。因此，储能装置应该通过高度模块化设计，适应多种组合方式，满足在不同的变电站配置不同功率等级的储能装置、适配不同类型储能元件的需求;或将储能装置安装在变电站之间而不是变电站内，以更有效地防止牵引网电压跌落等。此外，储能装置的主动安全和被动安全防护、装置的智能管理和运维、关键部件及系统的健康管理等也是储能装置设计需要关注的问题。
5 结语
随着我国城轨交通线网规模的快速扩大，其能耗问题也日益突出，2020 年全国的城轨交通电能消耗高达 172.4 亿 kWh，同比增长 12.9%，其中北京地铁和上海地铁的电能消耗均超过 20 亿 kWh。在储能元件技术仍在快速进步，价格不断降低的背景下，自吸纳式的地面式储能装置将在城轨交通节能减排中发挥重要作用。但如第 1 节所述，我们不应把储能装置仅视为一个节能装置，它还可以实现更多的功能。为了充分发挥储能装置的作用，在研发储能装置过程中，尤其应重视储能装置与线路、车辆、供电、运行图等系统的耦合关系的分析。此外，加入储能装置后，牵引供电系统和车辆的设计应该相应作哪些改变等都是需要我们深入研究的问题。——论文作者：杨中平，林 飞
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