飞轮储能轨道交通系统技术融合发展现状

文 / 郑州电力职业技术学院 孟胧

飞轮储能技术原理与其他储能装置对比

飞轮储能分为飞轮装置和储能设备两部分，由飞轮、真空室、安全防护外壳、机械辅助轴承、径向电磁轴承、电机构成，具体飞轮储能系统结构图如图1所示。

图1 飞轮储能系统结构图

在实际运行中，飞轮储能系统分为储能过程和释放过程两部分，飞轮装置持续旋转，储存机械能，当机械能达到释放标准后，通过牵引电机将机械能释放，以此实现对电力电子设备的电能输出，具体飞轮储能系统原理图如图2所示。

图2 飞轮储能系统原理图

飞轮储能系统相比于其他储能装置具有机械控制、使用寿命较长、无污染、对工作温度要求低、储能密度大、维护周期长等优势，能够更好地实现与轨道交通系统耦合，将飞轮储能技术应用于轨道交通系统，可以实现将列车制动时产生的大量制动能量进行储存，在列车启动、运行时将储存的能量进行释放，实现列车对能量的重复使用和最大化开发，同时可以实现节能减排、减少列车运行成本，符合可持续性发展的观念。

飞轮储能在轨道交通系统的应用现状

飞轮储能在城市轨道交通系统的应用现状

随着城市化的深入建设，人们对城市的便利性、舒适性要求越来越高。为满足社会需求，在城市规划设计中，城市轨道交通系统是城市交通网络布置的重要部分。城市轨道交通在运行过程中制动和启动频次较高，所产生的制动能量较大，正适合应用飞轮储能系统，早在2000年，英国伦敦地铁首次装载飞轮储能系统，后在美国、法国、日本等多个国家普及应用，我国最早使用飞轮储能系统的是北京地铁房山线，经过实际应用证明，飞轮储能系统能够减少电压波动、稳定牵引电网、增强城市轨道交通运行稳定性、减少城市轨道交通运行能源，不仅提高了地铁、轻轨、单轨等交通工具的运行可靠性，还提升了城市轨道交通公司的整体经济效益。

飞轮储能在高速铁路系统的应用现状

我国高速铁路建设规模和高速列车运行速度处于世界前列，实现高速铁路系统运行规模广、速度快等优势的同时，对高速铁路列车牵引负荷、电能质量、电网稳定程度造成压力。将飞轮储能技术应用在高速铁路系统中，能够利用飞轮储能将高速铁路列车的制动能量转化为辅助电能，在高速铁路列车启动时进行释放，减轻牵引负荷、增强电能质量、进一步稳定电网系统。应用飞轮储能技术可以在保证较高利用率和安全性的同时，实现再生能量的灵活分配，并已经在日本京滨高速铁路、西班牙马德里地区高速铁路等多条线路中得到证明。

飞轮储能与轨道交通系统的融合发展分析

潜在的技术方向研究

飞轮储能是现代先进的储能技术，与轨道交通系统的深入融合需要相关专家学者进一步研究探索。基于当前的研究可以分析出飞轮储能与轨道交通系统的潜在研究方向主要分为两种，具体是：1.飞轮储能系统具有放电速度较快的特点，与动车组相结合，可以进一步增强动车组混合能量供给能力、提升动车组启动、运行速度、增强动车组用电设备的反应速度。2.根据我国经济、地形等因素进行铁路网络规划设计，我国铁路分布东部较密集、中西部较分散，在应用飞轮储能技术时应结合实际铁路情况，针对性的与轨道交通系统展开融合。

潜在应用模式融合场景

总结飞轮储能与轨道交通系统融合应用模式后，可以通过牵引方式、储能单元位置、列车密度总结潜在应用模式的融合场景。其中牵引方式分配电气化和非电气化；储能单元位置分为车载和轨道旁；列车密度分为高密度和低密度。

可以总结出飞轮储能技术在具体轨道交通系统融合场景中实现的功能和运行需求，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。

1.牵引方式与储能单元位置融合场景

牵引方式与储能单元位置融合场景可分为电气化+轨道旁、电气化+车载、非电气化+轨道旁、非电气化+车载四个场景，具体融合场景和飞轮储能功能分析如表1所示。

表1 牵引方式与储能单元位置融合场景和飞轮储能功能分析

2.储能单元位置与列车密度融合场景

储能单元位置与列车密度融合场景可分为轨道旁+高频次、轨道旁+低频次、车载+高频次、车载+低频次四个场景，具体融合场景和飞轮储能运行需求分析如表2所示。

表2 储能单元位置与列车密度融合场景和飞轮储能功能分析

结语

综上所述，飞轮储能技术能够秉持可持续发展理念，实现对轨道交通车辆运行能源的重复利用、保护运行安全、较少用电成本，对轨道交通系统具有巨大的帮助。目前我国飞轮储能与轨道交通系统的融合还有待进一步开发，本文针对目前实际应用和理论研究，提出当前飞轮储能应用情况和潜在的研究融合方向，希望能为飞轮储能的加速应用进行赋能，促进轨道交通系统的发展。