城市轨道交通储能系统及其应用进展

胡婧娴，林仕立，宋文吉，张艳辉，冯自平

（1 中国科学院广州能源研究所，广东广州510000；2 中国科学院大学，北京100049）

轨道交通具有运行阻力小、行车速度快、运载能力大等特点，并且轨道交通车辆采用电力驱动，排放污染小，因此轨道交通在城市交通运输中得到越来越广泛的应用。由于城市线路站间距离短、车辆运行密度高，车辆在频繁的启/制动过程中会产生数量可观的制动能量，特别是近年来，新投入使用的车辆不断提速，其制动能量更为可观。据统计，一般情况下，城市轨道交通耗电量10%用于照明、空调等辅助设备，剩余90% 用于牵引供电，而再生制动产生的能量占牵引能量的40%左右，甚至更多。以广州地铁4号线为例，车辆每次在平直轨道上制动时产生的可被利用的平均电功率为1596 kW，回馈至架线电网再生电能2.26 kW·h[1]。制动再生电能只有当线上同时有车辆加速时才能加以应用，否则会引起牵引电网的电压大幅提升，给牵引架线供电系统带来安全隐患，严重时甚至有可能导致再生制动失效。

为保证架线供电安全，将再生电能消耗或转移主要有以下3 种方式。

（1）电阻式，即在线路上设置电阻器将制动能量以热形式耗散掉，这是目前国内应用最广的方式，如深圳地铁2号线、广州地铁4号线、天津地铁1号线均采用了这一系列的电阻吸收装置[2]。

（2）逆变回馈式，即通过四象限整流，将车辆制动时的直流电逆变成交流电，回馈至交流电网实现并网[3]，目前仍处于研究阶段。

（3）储能式，即通过双向变流设备将制动电能反馈至架线电网，在线路上设置储能系统：车辆制动时吸收再生电能，抑制架线电网电压上升；当车辆处于牵引工况或站内负载过大、架线电网供电不足时，将导致架线网电压下降，严重时甚至影响车辆正常运行，储能系统在车辆启动时释放能量为车辆提供电能，提高能量利用率的同时平滑牵引网电压波动，保障电网、车辆安全运行。储能式再生制动已在部分城市轨道交通中获得应用，且许多科研机构都在进一步深入研究。

电阻式将制动电能白白浪费掉，与节能环保的主题相悖，且其产生的热能会使地铁通道内温升严重，为及时降温需增加通风、制冷等设备的投入，增加能耗、投资负担；逆变回馈仅在制动时动作，回馈的制动能量对电网造成冲击，产生谐波问题，且不能在车辆加速启动中提供辅助电能。综上原因，为了减少电力损耗提高能量利用率，同时提高架线电压的稳定性，在轨道交通系统中设置储能系统是实现制动能量回收再利用的最佳方案。

本工作针对轨道交通系统，介绍了飞轮储能、锂电池储能、超级电容储能等几种技术的应用情况及最新进展，探讨储能装置在城市轨道交通供电系统中的经济性应用方案及未来应用与研究趋势。

1 轨道交通车辆再生制动储能方式

轨道交通储能系统基本结构如图1所示，储能媒介通过储能变流器与架线电网两端相连，储能系统根据电网状态在充电、待机、放电之间转换完成储能、待机、释能工作，控制器控制储能系统开、关动作，变流器控制储能媒介的充放电过程。根据储能媒介的不同，目前国际上应用的主要有飞轮储能、超级电容储能、锂电池储能等技术。

图1 轨道交通储能系统Fig.1 Energy storage system in urban rail transit

根据安装方式的不同，储能系统又可分为车载式和地面式。安装在车辆上的称为车载式，需考虑设备体积、重量等问题；安装于地面、隧洞内的，称为地面式，需考虑场地设置等问题。目前，重量、体积均较大的飞轮、超级电容储能设备系统多选择地面式安装方式，随着飞轮装置小型化、超级电容高能量密度化的不断进步，这两种储能方式都在向车载式发展；而能量密度高且体积较适宜的锂电池储能系统在车载式与地面式中均有应用。

2 飞轮储能技术

2.1 飞轮储能系统

飞轮储能系统中飞轮装置通过双向变流器与架线电网相连，其中飞轮装置结构如图2所示，一般由飞轮转子、轴、轴承、电机、真空容器和功率变换装置等元件组成[4]，飞轮与同步电机通过轴承连接在同一轴上，控制飞轮转速的升高和降低来实现充电和放电过程：充电状态时，储能装置吸收再生电能，内置电机作为电动机给飞轮加速，飞轮转速可以从最小工作转速开始升高，并一直保持到没有更多的再生电能反馈或达到最大工作转速；放电状态，内置电机作为发电机，将飞轮动能转化为电能，向架线电网提供辅助电能，飞轮转速下降直至最低工作转速。

图2 飞轮装置基本结构[5]Fig.2 Basic layout of a flywheel energy storage device[5]

2.2 飞轮储能系统应用现状

飞轮储能技术在国外已进入商业应用阶段，特别是高速飞轮技术已经成熟。

英国尤恩科动力技术公司（UPT）于2001年开发了高速动能储存系统，并与伦敦地铁、保富铁路有限公司及西伯特电力网合作试验成功。此后，纽约公共交通局、里昂地铁和香港城巴都将它作为首选技术。其中纽约公共交通局安装了1 MW 的UPT储能器，未安装储能系统前，当地行车区间在无负荷时平均电压维持在672 V（DC），存在负荷时降至600 V（DC）以下；安装储能系统后，即使在载客列车通过时，电压也不会降到625 V 以下，飞轮储能系统很好平滑了架线电网电压波动[6]。

RWE Piller 公司开发了一种动态储能系统Powerbridge，如图3所示，已有广泛的应用，其中在德国汉诺威的USTRA 城轨交通系统中，安装有4 套Powerbridge 储能器，其中2 套用于直流750 V电网电压的稳定，另2 套用于节能。该系统在变流器与储能器之间接入自耦变压器，其优点是在较低的架线电压下也能全部利用额定功率，同时降低整个系统的电流热损耗[7]。

图3 RWE Piller 公司提供的Powerbridge 飞轮储能系统Fig.3 Flywheel energy storage system of RWE Piller

飞轮储能技术在欧洲轨道交通中已有部分应用，但尚无在DC1500 V 中的应用案例[3]。

传统飞轮储能通过使用真空技术减小飞轮装置的摩擦来提高能量效率。近年来，由于超导磁悬浮技术的迅速发展，真空技术配合超导磁悬浮，可以最大限度地降低飞轮装置的摩擦损失和风阻损失，大大提高飞轮储能效率。但目前超导磁悬浮飞轮储能系统仍处于研究阶段，尚无实际应用。

2.3 飞轮储能技术研究进展

由于飞轮储能系统需要真空设备、调速设备、功率变换设备、磁悬浮设备等诸多装置，能量密度低，只有5~50 W·h/kg，对于轨道交通再生制动的能量等级来说所需建设空间太大，不适合安装于车辆上或狭小隧洞内；另一方面，高速飞轮等技术来源于军事和航天，属于国外受控技术，故轨道交通飞轮储能技术目前在国内仍然处于研究阶段，还没有成熟的商业应用。

传统飞轮储能，采用主动轴承，具有开环不稳定性，需要设计复杂的控制系统实现轴承的稳定悬浮。Talebi 等[8]提出了一种新的飞轮储能系统的小信号分析建模方法，该模型可快速分析整个系统的充放电运行。Huang 等[9]提出永磁无刷直流电机回馈制动新6 拍脉宽调制方式，并将之应用于高速飞轮储能系统，改善了相电流波形，显著减小了无刷直流电机在高速发电机状态下转矩脉动。Dai 等[10]基于500 W·h 储能飞轮系统进行充放电能量测量试验，测得充放电循环效率为41%，电机及其控制损耗为49%，风损及轴承损耗之和为10%，分析指出缩短充放电周期、提高电机功率可显著提高飞轮系统储能效率。Du 等[11]提出采用复矢量电流调节器在弱磁区反向制动发电过程可取得理想的dq 轴电流动态性能，克服传统PI 电流调节器dq 轴电流存在较大超调振荡，在弱磁区会导致负id 电流的误补偿的局限性。

然而，传统飞轮技术改造困难且成本高昂，使得国内外学者将研究重点转向被动磁力轴承，主要研究高温超导磁悬浮轴承[12]。包括美国、日本、德国的科研工作者都对基于超导磁悬浮的飞轮储能系统进行了大量的研究工作。其中，Araki 等[13]提出利用GdBCO 超导体的迈斯纳效应支撑飞轮转子，实验证实可以提高转子悬浮力，减小损耗。目前，国内在超导磁悬浮技术方面主要进行的是理论分析和方案设计，与发达国家相比还存在着一定的差距[14]。

3 超级电容储能技术

3.1 超级电容储能系统

超级电容是从20世纪七八十年代发展起来的通过极化电解质来储能的一种电化学元件。主要依靠双电层和氧化还原电容电荷储存电能，其储能的过程并不发生化学反应，因此超级电容拥有长寿命、快速充放电的特点。

超级电容储能系统主要由超级电容器、控制器、双向DC/DC 变换器组成，超级电容器通过双向DC/DC 变换器与架线电网相连，通过控制器控制双向DC/DC 变换器开关元件的导通率控制超级电容的充放电过程。超级电容单体工作电压、容量等均小于轨道交通牵引供电系统要求的值，需将超级电容单体串并联组成参数相匹配的超级电容组使用。

3.2 超级电容储能应用进展

国外超级电容器研究起步早，许多公司已有成型产品的规模应用。西门子公司开发出安装于地面的超级电容储能系统SITRAS SES，由连接单元、变换器超级电容器组成，如图4、图5所示。该系统于2001年在德国科隆轨道交通系统运行试验，额定电压为DC600/750 V（按EN50163 标准），总容量为64 F，储电容量为2.3 kW·h，最大节能量为65 kW·h/h，峰值功率为1 MW，电阻器组的效率为0.95。实测试验变电所年消耗电量较无储能系统时减少15000 kW·h；2002年于西班牙马德里地铁系统（DC500 V）实测，安装储能系统前架线网电压低于490 V 的情况不再出现，杜绝了架线网电压过低导致的车辆停运的现象。同时架线电压高于530 V 的情况明显减少。发展至今，该系统在全球许多交通系统中得到正式运行使用，如马德里、科隆、德累斯顿、鹿特丹、纽伦堡等轨道交通中。

图4 马德里地铁的地面式SITRAS SES 系统Fig.4 SITRAS SES at Metro De Madrid

上述储能系统安装在地面或者隧洞中的专用机房内，称为地面式。除地面式储能系统外，国外研究机构还试验了可以安装在车辆上随车辆一起运动的车载式超级电容储能系统，现在也有少量应用。

德国曼海姆轨道交通公司2003年在一辆轻轨上试验运行车载式超级电容储能系统，该系统最大功率为300 kW，容量为850 W·h，重量为477 kg。加拿大庞巴迪公司在2003年试验了车载式超级电容储能系统，于Mannheim 城市的轻轨车的车顶装载了两套MITRAC 超级电容储能系统，列车的配置是两动两拖，自2003年9月运行以来还没有出现任何运营故障[15]。

图5 SIEMENS 公司提供的超级电容储能系统Fig.5 Super capacitor energy storage system of SIEMENS

欧美城市轨道交通系统大多采用DC600 V 或DC750 V 较低的架线电压。在架线供电末端，很可能出现网压过低的情况，其所采用储能系统多用于维持架线电网电压稳定，这类型的超级电容储能系统在国外已进入成熟商业应用阶段。发展至今，研究主要集中在改善储能系统性能上。如西门子公司的超级电容静态储能系统，开发了两种运行模式：稳压运行模式、节能运行模式。在稳压模式下，系统目标定位于抑制再生制动时电压激升、在低电压时提供辅助电力支持，吸收负载波动引起的电压冲击，提高电网供电质量；节能运行模式下，系统目标定位于最高效节能，系统充放电效率设置最高。

国内的超级电容在轨道交通储能中应用较少且基本依赖进口。我国北京地铁5号线于2007年也引入了4 套德国西门子公司SITRAS SES 电容储能式再生电能吸收装置，这是我国第一条设置储能系统的轨道交通线路，最高电压为515.2 V，总容量为69.64 F，最大存储能量为2.57 kW·h，设计寿命为10年，从实际运行情况看，在改善牵引电网供电质量、提高车辆舒适性方面效果良好[16]。

3.3 超级电容储能研究进展

近年来，城市轨道交通不断向高速度、低能耗发展，同时材料、化工、测试、控制等技术不断进步，对储能系统的性能提出了更高要求。结合轨道交通供电网络和超级电容器本身的特点，超级电容储能系统更追求更高的单位装机容量，经济性方面则要求其具有更高的性价比，研究重点主要集中在研制大能量密度、低成本的超级电容器上。

超级电容器能量密度低主要是由其内部双电层结构性能决定的，电极材料的成本占到目前超级电容器产品总成本的近30%[17]，故目前研究热点主要集中在超级电容器正负极材料的选择与制备上。

Hatozak[18]提出一种混合型锂离子电容器，以一片特殊处理过的嵌锂石墨材料为负极，电压为3.8 V，能量密度提高到30 W·h/kg。Xu 等[19]提出的正极采用嵌锂化合物、负极采用活性炭AC 电极组装成的水系超级电容电池，最高充电电压为1.8 V、能量密度为35 W·h/kg。Wang 等[20]提出将碳纳米管和LiNi0.8Co0.2O2组成复合电极材料，最大比电容为271.6 F/g，能量密度为39.5 W·h/kg，性能优于纯碳纳米管电容器。Khomenko 等[21]采用活性炭作正极，石墨作负极，普通锂离子电池用有机电解液（LiPF6/EC+DMC）作为电解液，组装成电容器，能量密度达到103.8 W·h/kg，10000 次循环后容量保持率为85%。Wang 等[22]采用石墨作为正极，活性炭作为负极，超级电容器用系列胺盐有机电解液（TEMABF4/PC 等）作为电解液，组装成非对称电容器，能量密度从对称电容器的87.2 J/g 提高到179.9 J/g，比电容为43.6 F/g，并且保持了很好的倍率性能，即使在100 C 放电下也能保持大部分电容。

我国从20世纪90年代开始研制超级电容，但由于超级电容储能系统在国内线路上实际应用不多，研究主要集中在生产高性能的超级电容器上，有的科研机构和电容制造商正积极进行欧洲方式的研究，但其电容的充放电寿命仅达到30 万次，与欧洲的300 万次尚有较大差距。近年来以中国南方机车为代表的企业在超级电容的结构设计、材料制备、器件加工、系统集成等领域取得了一系列突破，2013年9月，中国南车株机公司旗下宁波南车新能源科技有限公司自主研制的世界最大功率超级电容单体（7500 F）成功实现了批量生产，为超级电容储能系统应用奠定了基础。

4 锂离子电池储能技术

4.1 锂电池储能系统结构

与超级电容储能系统类似，锂电池储能系统一般由锂电池、双向DC/DC 变换器、控制器组成，锂电池通过双向DC/DC 变换器与架线两极相连，通过控制器控制双向DC/DC 变换器开关元件的导通率控制锂电池的充放电过程。由于锂电池具有能量密度大、充放电过程稳定、维护简单、造价低等优点，锂离子电池储能系统是近年来国内外研究与应用的热点。

4.2 锂电池储能应用进展

国外，锂离子电池储能系统的商业应用主要在日本。由于日本国土面积狭小，其线路上地面线路与地下线路交错、有架线与无架线区间共用、不同架线电压区间共用，造成线路坡度大、供电模式需要切换等复杂情况，其采用储能系统多偏向于能量密度大的车载式锂电池储能系统，目的在于能够在无架线区间给车辆供电。

图6 西日本铁道公司提供的锂电池柜地面式锂电池储能系统Fig.6 Lithium battery boxes of West Japan Railway Company

锂离子电池储能系统在日本的DC1500 V、DC600 V 架线电网线路中都有应用。西日本旅客铁道公司湖西线·北陆本线的新定田变电站设置地面式锂电池储能装置作为电力辅助设备，如图6所示，装置采用耐高压IGBT 制成双向DC/DC 变换器控制能量的存储和释放，该线路架线电压标准DC1500 V，使用储能装置后，电压波动范围DC900~1850 V[23]。日本鹿儿岛市交通局于鹿儿岛谷山线设置锂电池储能系统，该线路架线电压标准值为DC600 V，引入储能系统后，架线电网最低电压由385 V 上升至460 V，稳定了架线网电压范围[24]。根据各变电站反馈的数据，应用锂电池储能系统后，架线电压波动范围得到有效控制。除作为再生电能存储设备外，锂电池储能系统还向多用途发展。如东日本旅客铁道公司2009年10月在NE 列车（New Energy train）上搭载储能装置，如图7所示，使车辆在架线区间与无架线区间之间运行试验，在架线区间，由架线为车辆行驶供电，储能装置仅作为再生制动能量存储设备；在无架线区间，由储能系统为车辆行驶供能。试验验证车辆在各区间通行顺畅，验证锂电池储能系统可以作为车辆动力源。

图7 日本东旅客铁道公司NE train 上的车载式锂电池储能系统Fig.7 Lithium battery energy storage system of NE train，manufactured by East of Japan Railway Company

东菱、东洋电机等公司都研制了可以单独使用蓄电池供电的车辆，保障轨道交通车辆能够在重大自然灾害或突然断电等无架线供电情况下安全运行。东洋电机开发出E3 储能系统，由DC/DC 变流器与锂离子电池组成，先后应用于日本西日本旅客铁道公司小滨线美滨站内（DC1500 V，920 kW）、东武铁道公司东武东上线上福冈站内（DC1500 V，1800 kW）。该系统不仅适用于车辆再生能量的回收，还可应用于无架线行车区间的电源辅助系统、用电量的削峰填谷。

由于国内大规模电池成组、接口转换、能量仿真等技术的不成熟，目前尚无锂电池储能系统在轨道交通中的实际应用。

4.3 锂离子电池储能研究进展

与储能系统中其它通用设备相比，锂离子电池寿命短、充放电倍率低的特点是制约锂电池储能系统应用与发展的重要因素，因此国内外研究人员将研究重点放在超长电池寿命、大充放电倍率的锂电池研制上。

锂离子电池制备方面，具有较好安全性的磷酸铁锂正极材料和具有较高倍率特性和较好循环性能的纳米电极材料依然是研究热点；同时可以看到，富锂锰基材料、钛酸锂材料、5V 尖晶石材料和纳米硅负极材料成为新的研究热点[25]。

Huang等[26]制备了TiO2与碳纳米管（CNT） 的复合物，首次充电能量密度为168 mA·h/g ，多次循环后比容量几乎保持不变。Wang 等[27]使用2%AlPO4+3%Al2O3，对Li(Li0.2Mn0.54Ni0.13Co0.13)O2进行了双层包覆，获得的材料在低倍率下的能量密度为295 mA·h/g，在2 C 时为215 mA·h/g。Chen 等[28]制备的网状硅纳米球，首次充电能量密度达3952 mA·h/g，50 次循环之后仍保持在1000 mA·h/g 以上。

锂电池轨道交通储能系统需要高电压、大功率的特点，必需将大量电池单体串并联使用，由于电池单体本身的微小差异，导致大功率充放电过程中产生不均衡及发热现象，严重地影响电池寿命，产生燃烧甚至爆炸等事故，因此需要对大容量的电池包使用电池管理系统（BMS，battery management system），对电池组以及单体的状态（包括电压、充放电电流、温度、荷电状态等）进行监控和评估，保障系统安全运行。国内外学者和机构从电池组热管理系统、均衡系统等系统监控方面进行了深入研究，取得了一系列进展与突破。

欧美等发达国家对电池管理系统的研究起步较早，取得了一系列研究成果，部分成果已在汽车上成功应用，但还没有在轨道交通中应用。近年来，特别是2005年国家“863”计划首批研究课题立项后，国内关于电池管理系统的研究取得了很大进步，许多研究机构或电池厂商共同展开研究，成果颇丰，也有部分产品已经在实车上应用。Gao[29]开发的“带故障诊断功能的电池管理系统”采用分布式拓扑结构，实现了SOC 估算、绝缘监测、接口状态检测等功能，并嵌入故障管理相关程序，通过故障诊断、故障管理等手段提高了电池管理系统的自诊断能力和可靠性。Lv[30]开发的纯电动汽车电池管理系统，解决了高低压部分的混合信号处理问题，实现了子控制板高低压部分的信号隔离通信，提高通信的抗干扰能力，实现了对每个电池包的分布式多点温度监控，温度传感器可方便地扩充，能够在1 s 内完成所有温度点的测量。中国科学院广州能源研究所[31]、北京交通大学等[32]研究机构也在该方面做了大量工作并取得良好效果。

5 储能系统仿真技术

随着城市轨道交通的发展以及节能环保要求的提高，储能系统在城市轨道交通中将具有广阔的应用前景。在其目前的应用中，轨道交通储能系统仍存在系统容量、元件选型标准不明确，再生电能利用率较低，稳压控制效果无法满足系统需求等亟待解决的问题；另一方面，使用实际车辆进行运行试验不易且具有一定危险性，因此需要使用数值模拟方法来测算储能系统运行情况、分析节能效果。

5.1 储能系统仿真软件应用进展

国外提供储能系统的公司大多具有自己的模拟仿真平台，供产品的研发与测试，有的已是成熟应用的商业软件，并且可以参与实际的设计开发工作。三菱电机开发了储能系统的仿真计算软件，用于最佳系统配置的计算与设计；借助该系统设计的蓄电池储能系统已在小田急电铁线路上进行了车辆行驶试验，验证性能可靠。西门子也开发了牵引供电仿真软件，借助这种智能仿真工具，可以帮助选择合适安装SITRAS SES 储能装置的最佳位置，达到最佳应用效果。

国内在系统仿真方面有一些实验性研究，如南方电网利用实时数字仿真装置（real time digital simulator，RTDS）构建测试平台，对电池储能系统的逻辑保护功能的配合及控制策略进行验证测试[33]。但是，目前还没有成熟应用的储能系统商业软件。

5.2 储能系统仿真研究进展

现在已经应用的基础仿真平台仍存在计算模型不精确、控制策略效率低等问题。国内外学者和机构根据不同的城市轨道交通系统，从直流牵引系统及车辆建模、系统仿真运行分析、储能系统优化控制等方面对轨道交通储能系统展开了相关研究，取得了一定的研究成果。

5.2.1 直流牵引系统及车辆建模

轨道交通系统及制动能量的分析是储能系统设计及应用的前提，轨道车辆制动是一个多因素影响且非线性的过程，精确的系统及制动能量模型是合理选择储能系统参数、保障其安全节能应用的关键。Li 等[1]通过考虑地铁车辆制动过程的速度、转动惯量、旋转角速度、电机效率等多种参数与制动能量之间的关系，结合车辆制动特性曲线，得到制动过程再生电能功率、能量的变化曲线。Xie[34]以能量约束法和功率约束法为基础，通过可靠性、电容分散度的优化方式，分析了轨道交通超级电容储能系统的定容及储能元件的优化阵列问题。Chang[35]提出了以通过计算再生能量均方根值、变电所输出功率的削减量来设计线路上储能系统数量及容量的方法，为储能系统的选址、安装提供依据。Yang 等[36]建立了多质点牵引计算模型，开发了一套可用于不同线路条件的牵引仿真软件，基于三角函数法设计节能线路纵断面竖曲线的方法，通过对线路坡度、坡长等参数进行优化，改变了列车的受力条件，实现势能和动能的合理转化，同时和列车的运行操纵相匹配，达到了优化节能的目的。

5.2.2 系统仿真运行分析

建立能反映真实运行情况的城市轨道交通储能系统仿真平台，全面考虑储能系统与车辆运行、牵引供电系统等线路条件之间的关系，可以指导设计更合理的列车运行图，验证储能设备的性能和制定合理的节能控制策略。

近年来，拥有电力系统库与强大计算功能的MATLAB/Simulink、PSCAD 等大型动态仿真软件也逐渐用于轨道交通系统的仿真中，对变电站、机车、电网进行建模或对系统的动态特性进行仿真计算。Yu 等[37]和Koseki[38]使用MATLAB/Simulink 建立直流供电系统和多车的仿真模型，适用于多车、多变电站运行下的联合仿真。Zhang 等[39]将PSCAD用于牵引供电系统和车辆模型的仿真中，实现了普通铁路和高速铁路牵引供电系统在直供带回流和AT 供电方式下的数字仿真。

随着计算机仿真技术的发展，系统模型的建立更为精确，出现了一批与实际轨道交通系统高度贴近的商业仿真软件，如美国SYSTRA 公司的RAILSIM 与TPC（train performance calculator）系统；欧洲ORTHSTAR 公司的Train Star 系统；日本UTRAS（universal train simulator）系统等[40]。

Hirotaka 等[41]研究了日立再生电力吸收装置B-CHOP 锂电池系统投入铁道使用后的情况，对牵引网电压下降起抑制作用。提出了再生电力吸收装置实际运用时，需考虑装置位置、装置容量以及与周边设备协作的具体情况进行设置，以达到最佳经济性效果。Li 等[42]分析了轻轨车辆在制动过程中再生制动能量的产生和吸收过程，并建立了车辆启动及制动的仿真模型。实验结果表明，该系统可以准确地预测能量吸收设备参数调节的趋势，能够详细地模拟列车制动时，再生制动能量对轨道电压的影响和能量吸收装置的工作状态。Shi 等[43]通过分析车辆在电气制动过程中发生再生制动及电阻制动的条件，并且根据车辆的编组、线路、载重、运行策略、运行图、牵引供电等基本因素，建立了车辆电气制动能量分布模型，实例仿真计算结果表明，在相同的线路及车辆条件下，随着发车间隔的增大，再生制动能量占总电气制动能量的比例逐渐减小。

5.2.3 储能系统优化控制

储能系统的充放电状态需要通过控制器发出控制指令来完成，控制策略的好坏直接影响充放电过程的响应时间及效率等性能，反映到架线电网上就决定了架线电网供电质量以及再生回收率。

锂电池/超级电容轨道交通储能系统的基本运行控制策略如图8所示，记架线电网基准电压为U0，允许的最高电压为Umax，最低电压为Umin。当监测到架线电压高于设置的高压阈值U1时，储能系统进入充电状态，吸收电能，抑制电网电压继续上升，充电状态极限为达到锂电池/超级电容允许的最大充电电压；当监测到架线电压低于设置的高压阈值U2时，储能系统进入放电状态，释放电能向电网供电，抑制电网电压继续下降，放电状态极限为达到锂电池/超级电容允许的最小放电电压；当检测到U1＜U0＜U2时，储能系统处于待机状态。通过上述过程调控，使架线电压始终保持在Umin~Umax之间。

图8 储能系统的基本运行控制策略Fig.8 Basic control strategy of energy storage system in urban rail transit

Hu 等[44]对轻轨车辆使用超级电容储能系统提出一种新的控制方法，使轻轨车在车辆常规制动工况下再生制动均能得以实现，并且使再生制动实现率由20%~80%提高到接近100%。Liu 等[45]提出了采用飞渡电容均压控制和偏置电流均压控制分别实现对储能模块内和储能模块间电压的均衡，采用恒流反馈和飞渡电容均压控制策略，实现高效稳定的储能模块设计。Feng 等[46]提出了一种可以根据直流母线电压和电池电压情况自动进行充/放电切换的一端稳压一端限压稳流的控制策略，并通过CAN通信实现了与BMC（电池控制器）、液晶显示控制器的数据传输。

通过国内外学者的不断探索，获得了一系列可以提高再生电能利用率的方法：考虑线路路况影响、车辆实际运行图，优化控制策略中U1、U2等参数，改变锂电池/超级电容的充放电方式等。日立公司甚至提出在电网中构建通讯网络，让装有储能系统的各个车辆之间可以通过发请求的方式智能调控储能系统的储能量，并申请了专利[47]。

6 三种储能系统性能的比较

飞轮储能系统在轨道交通中应用较少，超级电容储能以及锂电池储能在实际的轨道交通应用中已得到广泛应用，但如何更加有效以及经济地利用这些储能装置，科研工作者投入了大量的精力，但仍未得到广泛的认同。本工作拟从储能装置本身性能和经济性能比较三种储能装置的优缺点以及未来可能的发展趋势，见表1。

由表1 可知，飞轮储能在能量密度、功率密度方面均无突出表现，且设备技术复杂、国内技术受限，不便于在轨道交通系统特别是隧洞式地铁内应用，不符合我国国情。

超级电容功率密度大、使用寿命长，但是能量密度低；与之相对，锂电池能量密度大、相同装机容量下拥有更小的体积和更轻的重量，还有充放电电压稳定的特点，更适合应用在对安装空间、承载重量有要求的储能方案中。国外的应用经验也反映了这个规律：日本轨道交通列车由于存在较多无架线行车区间，区间内仅靠车载电池提供动力，故使用较多的为能量密度高、质量轻、体积小的车载式锂电池储能系统；欧洲轨道交通系统多依靠架线供电，故线路上设置功率密度大的地面式超级电容储能系统。

另一方面，由于制造工艺、成本等因素，目前超级电容和锂电池之间的单位能量价格存在很大差距，超级电容约为91407元/(kW·h)，是锂电池3047元/(kW·h)的30倍[49]，相比之下锂电池拥有巨大的成本优势，超级电容储能和锂电池储能性能与经济性比较汇总见表2。

由表2 可知，两者各有优势，又性能互补，可见锂电池储能和超级电容储能串并联组合的混合储能方式似乎更加适合我国情况。混合储能系统如图9所示，大功率密度的超级电容器与大能量密度的锂电池并联于架线网上，利用超级电容器吸收线路上瞬时变化的大电流冲击，保护锂电池组；利用锂电池扩充储能系统的存储容量，弥补超级电容器能量密度小的缺点，提升储能系统的寿命与动态响应性能的同时降低投资成本，提高储能经济性。已有一些学者进行了混和储能研究，但主要集中在分布式新能源并网[50]、微网[51]等领域，目前还没有在轨道交通系统中的应用研究。

图9 储混合能系统Fig.9 Hybrid energy storage system in urban rail transit

7 结 论

（1）轨道交通储能系统在国外已是成熟应用的技术，飞轮储能、锂电池储能、超级电容储能都有许多成功的商业应用，但在国内尚处起步探索阶段，仅北京地铁5号线引进了超级电容储能系统。通过分析上述3 种储能装置在轨道交通中的实际应用和经济性比较以及储能系统本身性能方面的分析，超级电容＋锂电池的混合储能方案优点突出，满足我国轨道交通系统节能技术的要求。

表1 飞轮、超级电容、锂电池储能的性能参数[48]Table 1 Performance parameter of flywheel,super capacitor and lithium batteries energy storage systems[48]

表2 超级电容与锂电池储能系统应用比较Table 2 Advantages and disadvantages of super capacitor and lithium batteries energy storage systems

（2）为改善储能装置在轨道交通领域的应用现状，未来对储能系统的研究焦点主要集中在两个方面：一是储能媒介性能的提高，如超级电容、锂电池向高充放电倍率、大容量、超长寿命发展以及研制低损耗的超导飞轮储能系统等；二是对储能系统运行策略的优化，从而提高系统效率，如优化控制参数、开发轨道交通相应的智能电网等。

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