世界首套城軌回收能量裝置試驗成功

　　北京地鐵“電老虎”馴服記

　　列車的燈光打在防護欄上制造出一道道閃光，上上下下擁擠的人群匆匆從身邊掠過，無數的指示牌展現著一個城市的地下脈絡……對于很多人來說，地鐵已經成為生活中不可缺少的一部分。

　　然而，很少有人關注到每天地鐵停運后的故事。在北京交通大學，有這樣一個年輕的團隊，他們總在深夜出現在地鐵站，他們要做的，是把地鐵浪費的能源回收起來。這不僅讓地鐵——這個城市中的“電老虎”降耗，還提高了地鐵的安全性，在突發故障時甚至可以利用回收的能量將列車緊急牽引至地鐵站。

　　可使北京地鐵一年節電1億度

　　地鐵可以說是名副其實的“電老虎”。

　　據了解，北京、上海等大城市一年地鐵耗電量均已超過15億度。截至2019年年底，我國已開通城軌交通線路里程達6730公里，在建新線里程超過6000公里，全國總能耗達到152.6億度。而隨著我國每年軌道交通運營總里程的快速增長，城市軌道交通系統用電量也逐年上升，2019年已占到全國總用電量的3‰。

　　近日，北京交通大學科研人員自主研發的地面式超級電容/電池混合儲能裝置，在北京地鐵八通線梨園站進行掛網試驗，該裝置不但可以回收利用列車制動能量，還可以在供電系統突發故障時，利用儲能裝置將列車緊急牽引至地鐵站。

　　據介紹，該項目是北京交通大學電氣工程學院楊中平&林飛實驗室承擔的、國家“十三五”重點研發計劃“軌道交通系統能耗過程解耦與能效提升關鍵技術”的子課題，已于近日通過專家組驗收。專家評審意見認為，該項目搭建了城市軌道交通車輛運行與供電系統的聯合仿真平臺；研制了超級電容/鈦酸鋰電池混合儲能裝置，通過第三方評測，平均節能率超過15%。

　　楊中平教授一直致力于研究軌道交通超級電容儲能和再生制動能量的吸收和利用，他說，高效利用軌道交通車輛的再生能量，將成為城市軌道交通節能的主要手段。

　　試驗結果表明，這套裝置不但可以回收利用列車再生制動能量，還可以在供電系統突發故障停電時，利用儲能裝置將列車緊急牽引至鄰近地鐵站。夜間單車試驗時，每趟節能率均能達到20％；在地鐵正常運行期間，工作日日均節能1500度電，節能率達13％；而周末日均節能900度電，節能率超過17%。

　　“這是關系整個地鐵系統節能減排的關鍵技術之一。”楊中平解釋，列車牽引用電和其他如車站電梯、扶梯、空調等附屬設備的用電量各占50%左右，地鐵運營電費的一半花在了牽引用電上。

　　“地鐵節能的方式有很多，比如減輕車體總重量、合理安排地鐵發車時間等，還有一種更加重要的節能手段，即回收、利用列車在制動時所產生的能量。”楊中平說，采用此方法，在一節列車從時速70公里減速至靜止的過程中，可以產生大約14度的電能。

　　北京市地鐵運營有限公司技術部副部長李宇杰表示，目前，北京市地鐵系統一年的耗電量超過12億度。如果全面使用該技術，即使按照節能率10%計算，一年也能節約用電超過1億度，節省電費幾千萬元。

　　不僅“世界首套”，而且“經濟適用”

　　這套裝置，不僅是世界首套城軌交通混合儲能裝置，在實際應用上，不僅實現了能量回收，還減少了車輛機械制動裝置的磨損，抑制了牽引供電電壓的波動，很具有“性價比”。

　　楊中平帶領團隊師生自2007年開始城軌交通儲能與節能技術研究，獨立研發了國內首套200kw城軌地面式超級電容儲能系統，在北京地鐵八通線完成了試驗驗證；在此基礎上，與中車青島四方車輛研究所合作研發了國內首套MW級城軌地面式超級電容儲能系統，2016年在北京八通線完成運行試驗，該項技術目前在北京、青島、蘇州、無錫等地鐵線路上得到應用，節能效果顯著。

　　而本次試驗成功的混合儲能裝置，是繼2016年研發的超級電容儲能系統的二代產品。團隊師生利用超級電容和鈦酸鋰電池的儲能特性，將列車制動能再生的電能，同時儲存在超級電容和鈦酸鋰電池中。當列車牽引時，再將儲存的能量釋放出來，使再生能量被充分利用。

　　楊中平表示：“我們的項目從立項開始就受到國內外多家科研機構和高校的關注，接連收到許多合作意向，他們認為此次試驗的成功，將推動我國軌道交通領域節能技術的進一步提高，推動我國儲能技術應用進一步發展。”

　　不僅節能，這套裝置為地鐵運營節省的成本，也讓交通運輸部科學研究院專家庫聘任專家、北京市地鐵運營有限公司原副總工程師兼設備部副部長黃旭虹印象深刻。

　　黃旭虹表示，如果沒有地面吸收裝置，多余的能量會變成災害，比如，地鐵制動盤磨損嚴重，每3個月就要換輪子，幾個月就能消耗掉幾年的成本。

　　“國外雖然也有軌道交通的節能技術，如超級電容、飛輪等，但這些都對中國引進有所限制。之前北京地鐵運營方曾考慮過用國外產品，甚至在變電所預留了節能設備的位置，但是光一個站的超級電容設備就要600萬元人民幣，成本畸高。”黃旭虹說。

　　地鐵背后的年輕人“一代更比一代強”

　　研制這樣一套裝置，離不開團隊里年輕人的努力。在試驗設備安裝調試過程中，這群研究生黑白顛倒，與地鐵為伴。

　　從科研立項、理論研究、系統建模與仿真、軟硬件設計、樣機的研發，再到設備的安裝、掛網試驗，都有團隊里同學們深度參與的身影，從項目立項開始，他們就沒有休過寒暑假、國慶等節假日，一直積極投入其中。

　　試驗設備安裝正處在北京的隆冬時節，為了不影響八通線白天的正常運營，所有安裝和使用工作都必須在凌晨12點至3點半進行。而行車和掛網試驗又趕上盛夏，地鐵站配電室內沒有空調和電扇，老師和同學們身上的衣服往往都濕透了幾次。

　　項目組的老師林飛一直駐守在試驗現場。掛網試驗要在每天地鐵運行的早中晚高峰進行，于是他每天凌晨3點從家出發，開車近1個小時到達試驗現場后，就投入到緊張的籌備工作中，準備迎接地鐵運營早高峰的試驗。再利用早中晚高峰中間的間隙，進行試驗數據分析，整個暑假都沒有休息。

　　團隊里的碩士研究生楊浩豐參與了該項目的絕大部分工作。在北京地鐵梨園站掛網試驗期間，需要一直在變壓器室觀察、記錄儲能裝置的試驗數據，他和同學們在設備前一蹲就是一天。變壓器室內設備較多，并且噪音很大，但同學們沒有人喊累，一直堅守崗位。

　　“不能把地鐵弄壞了，所以我不能失敗。”楊浩豐說，真正到了現場，才發現在學校里學習的理論和實際研究的差別很大。“以前我們在學校里做仿真實驗，失敗了也沒什么后果。但是到了要用真實的地鐵列車調試，我最害怕的就是試驗失敗列車出故障了。對于我們來說，一切試驗首先要保證試驗結束后第二天地鐵的安全運營不受影響。”

　　團隊中的博士研究生劉宇嫣表示，自己第一次來到現場做試驗，最大的感觸就是角色轉換。“我學的是電氣專業，但以前都是通過看書獲得理論，提出的一些控制方法也都是通過仿真來驗證的。很多知識和想法都很理想化。現在我認為自己鍛煉得更‘工程’一點了。可以根據現場的突發問題分析原因，也學習、積累到了很多以前看書根本發現不了的問題”。

　　7月27日凌晨4點多，在北京八通線梨園站，團隊順利完成了單車行車試驗。這是儲能裝置第一次在地鐵現場試驗成功。楊中平對圍攏過來的學生說：“你們是了不起的，不要瞧不起自己，世界首套是你們做出來的！你們成功了！”

　　“可以毫不夸張地說，我的學生們發揮了70%的作用。”說起學生的功勞，楊中平這樣說。他表示，在科研過程中，老師只是指引方向，實際上同學們有很強的實踐能力。他們可以很好地執行老師的戰略意圖，雖然平常看上去沒有那么乖，但是遇到問題就能爆發無限的潛力，自己很以他們為驕傲。

　　“一代更比一代強，現在的年輕人早已超過了我們，我也愿意被他們超越。只要給他們足夠的條件和環境，他們就可以擔起來重任。”楊中平說。（記者 葉雨婷）

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責任編輯： 薛濤