新型储能技术在城市轨道交通行业的应用及展望

黎俊杰

（广州地铁设计研究院股份有限公司，广东广州 510000）

0 引言

截至2022年底，全国55个城市共已开通308条城轨，总里程数超过10 000 km，达10 291.95 km。预计2025年我国城轨交通线网总里程将比2021年新增4 350 km，到2030年线路总里程将比2021年翻一番。“双碳”目标下行业发展与节能降碳的矛盾愈加突出，节能减排将成为行业发展重点方针。

中国城市轨道交通协会结合行业特点和发展态势，统筹碳达峰、碳中和行动和绿色城轨发展，相应发布了《中国城市轨道交通绿色城轨发展行动方案》。方案中提到各地城市应大力发展光伏发电，行业需要发展储能技术，降低储能成本，使其成为光伏发电在城轨交通应用的重要支撑。随着城市轨道交通配套光伏，例如车站建筑光伏、场段建筑光伏逐渐增多，地铁新能源消纳需求提升，电力储能需求涌现[1]。

此外，随着电价改革政策进一步深化实施，城市轨道交通行业将有可能实施峰谷电价，因此在轨道交通行业应用储能技术具有重要意义。

1 城市轨道交通用能特性分析

城市轨道交通以电力为动力，运力大，平均能耗少，人均碳排量少。城轨交通碳排放因子仅为公交车的53%，出租车的11%，高碳出行（私家车等）的11%。全国碳排放量中交通占比在10%左右，城轨交通又是城市交通的耗能大户，2018—2021年期间，全国城轨交通总能耗分别为132.12亿、152.6亿、172.4亿、213.1亿kW·h。电费占城轨交通日常运营成本的10%～25%，车站能耗达100万～270万kW·h/a。

城市轨道交通用电能耗主要用途分布如图1所示，列车牵引能耗占45%～60%，超过总用电能耗一半，车站环控能耗占30%～35%，照明、电梯、办公能耗各占5%左右。列车牵引负荷为波动性较大的尖峰型负荷，如图2所示，车站其余负荷呈现为平稳曲线，全线路电源接入点总负荷则总体呈现为夜间基本无负荷、日间有两段用电峰段的负荷特点，峰谷特征明显，如图3所示。

图1 城市轨道交通各用电负荷能耗占比

图2 某车站单日牵引能耗有功功率统计图

图3 某线路主变电所单日用电负荷有功功率统计图

其中这两个峰段与早晚出行行车高峰有关，主要在07：00—09：00时段和18：00—21：00时段出现，与电价峰谷政策对比，早高峰与电价峰段错开，基本处在平段范围内，晚高峰则和电价峰段基本重叠。

2 目前应用于城市轨道交通行业的新型储能技术

目前，适用于城市轨道交通的储能技术主要包括电化学储能、机械储能、电磁储能（物理），其中可将相关储能技术分为功率型储能及能量型储能。各类储能技术特点如表1所示。

表1 各类储能技术特点

在城市轨道交通行业中，列车制动—启动的场景普遍存在，目前行业普遍通过在牵引网上设置中压再生制动回馈装置，将列车制动产生的能量回收到牵引网，使牵引网上其他启动的列车可以回收利用该能量，代替由列车上的制动电阻发热消耗能量。针对此类场景，可利用超级电容储能、飞轮储能等功率型储能取代再生制动回馈装置[2]，快速存储列车制动能量，避免能量回到牵引网未被利用的情况，提高节能率，优化电能质量。

而从全线路单日的能耗曲线来看，城市轨道交通存在夜间负荷很低、日间负荷较大、负荷需求极不均衡的特点。针对这个特点，可适用能量型储能对用电负荷进行削峰填谷，平缓用电曲线，优化功率因数，减少城市电网压力。

以下介绍几类适用于城市轨道交通行业的新型储能技术。

2.1 飞轮储能技术

飞轮技术属于一种物理储能方式，利用旋转体高速旋转时所具备的动能来存储能量，通过双向高效电机电动或发电模式实现电能和动能的双向变换。主要工作场景是当列车有再生制动电能需要吸收时，飞轮加速转动，储存能量；当列车启动需要用电时，飞轮转速降低，作为发电设备向牵引网反馈电能。

飞轮储能技术具有以下特点：（1）飞轮储能设备功率密度较大，适应列车牵引、制动大功率。（2）适合频繁快速充放电，响应时间为毫秒级，可实现分钟级放电。（3）飞轮本体维护少，循环充放次数可达1 000万次。（4）存在飞轮脱出风险，目前已有厂家通过转子材质创新，结合转子跌落保护等，避免对周围环境、人员产生危害。

目前在城市轨道交通行业内已有相关试点应用[3]，如青岛3号线万年泉路站挂网应用、北京房山线广阳城站挂网应用，以及在建北京6号线花园桥站、车公庄西站试点应用等。

2.2 超级电容储能技术

超级电容器储能属于电储能，基本原理是通过电极板和电解液之间界面上电荷分离形成的双电层电容来贮存电能。主要工作场景是当列车有再生制动电能需要吸收时，将列车的再生制动能量吸收到大容量电容器组中；列车启动需要用电时，该装置将所储存的电能释放再利用。

超级电容储能具有以下特点：（1）超级电容储能设备功率密度较大，适应列车负荷特点，属于物理储能。（2）节能效益好，可设置千瓦级储能功率，实现分钟级放电。（3）不存在过充可能，维护和元器件更换较为方便。（4）循环使用寿命约100万次。（5）电解液具有乙腈毒性，目前生产工艺基本能保障超级电容不发生漏液情况。

目前在城市轨道交通行业已有相关试点应用[4]，如在广州地铁6号线浔峰岗站、青岛地铁4号线张村站等挂网应用。

2.3 锂离子电化学储能

锂离子电池储能属于电化学储能，工作原理是基于锂离子在电极材料和电解质中的迁移和嵌入/脱嵌过程。当前，随着新能源汽车行业快速发展，锂离子电池性能大幅提升，成本迅速下降，循环寿命提升，因而具备较好的应用前景。锂离子电化学储能适宜进行长时削峰填谷，平滑供电系统的负荷曲线，或作为备用电源使用。

锂离子电化学储能具有以下特点：（1）属于能量型储能，能量密度高，可实现小时级放电，维护少。（2）成本较高，但技术发展快速，成本逐年下降。（3）消防要求高，电池内使用有机电解液，加热后有燃烧或爆炸的隐患存在。（4）深度循环使用寿命5 000～8 000次。（5）有占地需求，需满足相关储能设计及消防规范要求。

目前，在城市轨道交通行业有磷酸铁锂电池应用在UPS系统的案例[5]，而中型储能电池（MW级）仍很罕见，主要受限于车站多设置在地下且人流密集，安全要求较高。此外，城市轨道交通行业具有公益性特点，各地轨道公司缴纳电费多享受优惠的固定价格政策，未实施峰谷电价政策。

2.4 混合型储能技术

除使用单一技术的储能系统外，还可根据各类储能技术特点组合成混合储能系统，使得工程应用效果进一步提升，如已有产品试点应用的超级电容-钛酸锂电池混合储能回馈系统。该系统通过电路结合超级电容及钛酸锂电池[6]，从而既具备超级电容功率大、吸收能量快的特点，又兼备钛酸锂电池安全性高、储能持续的优点。该系统与原超级电容储能回馈系统对比，吸收的总制动能量与节能率都有所提高，避免了超级电容快速充满后制动能量无法吸收的情况，并有更好的牵引网压平抑效果。

目前该混合储能产品在北京地铁八通线多站点设置示范应用，示范项目设置了储能相关的能源管理策略，可对全线储能设备进行优化管理，提升节能效果。

3 结论及展望

本文介绍了城市轨道交通行业的绿色发展背景，并对城市轨道交通行业能耗情况进行了分析，结合相关的应用场景对新型储能技术应用情况进行了总结。目前，超级电容储能与飞轮储能已经在行业内有比较多的示范应用，总体应用效果良好，随着设备成本的进一步下降，超级电容、飞轮储能及相关混合储能技术有望进一步代替现阶段成熟的再生制动回馈装置。

而短期内最为理想的锂离子电化学电池，如磷酸铁锂电池、钛酸锂电池等高安全性能电化学电池，面临着消防标准与电价政策的挑战。目前该储能技术最合适的设置场地为无物业开发的车辆段及停车场、地上车站附近空地，可配合消纳场段、车站的光伏设备，也可进行全线范围供电网的削峰填谷或作为后备电源。随着电网电价政策的进一步深化改革（峰谷电价实施范围扩大、峰谷差拉大）以及新型储能参与电力市场交易方式的进一步明晰，电化学储能的技术经济可行性将会提高，小中型电化学储能项目有望在城市轨道交通行业落地应用。