××地鐵運營有限責任公司科研計劃項目建議書

1、 地 鐵 運 營 有 限 責 任 公 司 科研計劃項目建議書 項目名稱：軌道交通車輛再生制動能量回收系統(tǒng) 高速磁浮飛輪儲能系統(tǒng)應用研究 申報單位： 地鐵供電公司 項目負責人： 電 話： 申報日期： 2010 年 10 月 18日 一、 項目的簡要內容、目的和意義 城市軌道交通供電系統(tǒng)負責為電動列車提供牽引電源和為各種運營設備提供動力照明電源，是城市電網的用電大戶。在城市軌道交通的運營成本中，電力消耗成本占了相當大的比例，約占全部運營成本的3048，例如地鐵目前8條線路，年電費5億元。 如何降低電力運行成本，對建設節(jié)約型社會有著現(xiàn)實意義。 城市軌道交通供電系統(tǒng)經濟運行指在保證牽引供電系統(tǒng)安全和優(yōu)

2、質運行的前提下，合理利用現(xiàn)有的能源和設備，采用各種技術和管理手段，使輸配電和牽引供電系統(tǒng)及設備做到經濟運行，從而降低電力消耗，提高供電系統(tǒng)的經濟性。 由于車輛牽引供電系統(tǒng)的電能消耗約占城市軌道交通電能消耗的60%，所以必須重點考慮其節(jié)能問題。 列車再生制動能量吸收裝置的合理選擇和利用是城市軌道交通節(jié)能控制的一個重要方面。把列車再生制動能量充分利用起來會大大節(jié)省電能。 再生制動(regenerative braking)亦稱反饋制動，是一種使用在汽車或鐵路列車上的制動技術。在制動時把車輛的動能轉化及儲存起來；而不是變成無用的熱。 最普通的制動方法會把車的動能，以摩擦直接轉化成熱能。“再生制動”和

3、另一種原理接近，但較為簡單的“動力制動”(dynamic braking)，則是把電動機轉成發(fā)電機使用，把車輛的動能轉成電能。動力制動通常只會把產生的電，經過電阻轉成無用的熱放走。而再生制動則會把電力儲起來或透過電網送走，再生循環(huán)使用。使用再生制動的車輛仍然會有傳統(tǒng)的摩擦制動，提供快速、強力的制動。一般的再生制動只會把約百分之三十的動能再生使用，其余的動能還是成為熱。這效率根據(jù)不同的使用環(huán)境而有所不同。 如果列車的再生制動配合適宜的“能量回收系統(tǒng)”，將大大的提高制動能量回收利用率。 由于城軌運行中需要頻繁的啟動與制動，制動的能量巨大（其中可再生吸收的約占總電量的15%），目前大部分變成熱能白白

4、的消耗掉；熱量的排除還要占用通風空調設備； 如果能夠通過儲能裝置將制動能量儲存起來，在車輛加速時再釋放出來，則節(jié)能效果將非常顯著。通過一吸一放之間，雙倍節(jié)能。 綜上所述，“高速磁浮飛輪儲能系統(tǒng)在城市軌道交通車輛再生制動能量回收方面的應用研究”意義重大。但由于高速磁浮飛輪儲能系統(tǒng)是一個新生事物，地鐵公司接受起來會有一個較長的過程，非常有必要有關各方（地鐵公司、設計單位、生產廠家等）先行進行一個科研項目，明確城市軌道交通這方面的詳細需求，提出對高速磁浮飛輪儲能設備的具體要求，理清與其他系統(tǒng)（牽引供電系統(tǒng)、車輛）之間的配合關系。 建議針對高速磁浮飛輪儲能系統(tǒng)在城市軌道交通車輛再生制動能量回收方面的應

5、用研究進行科研立項。 二、 項目規(guī)模和主要技術指標 本項目將對現(xiàn)有地鐵運營線路進行全面、系統(tǒng)的牽引供電電量消耗調研，研究采用高速磁浮飛輪儲能系統(tǒng)作為通車輛再生制動能量回收系統(tǒng)的可行性。研究飛輪儲能系統(tǒng)的電氣參數(shù)需求，與牽引供電其它設備的配合關系。 研制一臺樣機，爭取掛網運行。 主要技術指標： 研究采用高速磁浮飛輪儲能系統(tǒng)作為車輛再生制動能量回收系統(tǒng)后，能否達到節(jié)約牽引電量30的目標。 三、 研究、試驗方案或主要技術路線 1、 分析車輛制動時的回饋電量情況，確定飛輪儲能的容量指標；2、 分析車輛制動、加速時的功率變化情況，確定飛輪儲能的功率要求指標； 3、 研究飛輪儲能與制動電阻、牽引變電所的配

6、合關系； 4、 研究飛輪儲能的最佳設置位置，設置數(shù)量； 5、 根據(jù)以上研究成果研制飛輪儲能的樣機； 6、 飛輪儲能樣機的掛網運行。 四、 項目研究的技術關鍵點及創(chuàng)新點 技術關鍵： 新型高速磁懸浮飛輪儲能系統(tǒng)突出優(yōu)點： 能量密度高、短時功率大、可靠性高、使用壽命長、無環(huán)境污染；由于其工作原理的優(yōu)勢，非常適合完成城軌完全再生制動儲能的重任！ 按照其設計壽命20年計算，可進行一百五十萬次的充放電，一百五十萬次的能量呼吸！ 高速磁浮飛輪儲能的安裝方式有兩種：牽引變電站內安裝、城軌車輛上安裝； 在地鐵中具有兩大作用：再生制動儲能和穩(wěn)定供電線路末端電壓。 初步測算，安裝有飛輪儲能的車輛比常規(guī)再生制動車輛節(jié)

7、電30%以上，比未安裝再生制動的普通車輛節(jié)電45%以上。 安裝在牽引變電站中，節(jié)電效果相當。 本項目的創(chuàng)新之處在于： 采用高速磁浮飛輪儲能系統(tǒng)，作為城市軌道交通車輛再生制動能量回收的主要儲能系統(tǒng)。 五、經濟社會效益分析和推廣前景 城市軌道交通（rail transit）包括地鐵、輕軌、磁浮等運輸方式，是城市公共交通模式的一種 ，是城市公共交通的骨干。 它具有節(jié)能、省地、運量大、全天候、無污染（或少污染）又安全等特點，屬綠色環(huán)保交通體系，符合可持續(xù)發(fā)展的原則，特別適應于大中城市。城市軌道交通種類繁多，按照用途可分為城市鐵路、市郊鐵路、地下鐵道、輕軌交通、城市有軌電車、獨軌交通、磁懸浮線路、機場聯(lián)

8、絡鐵路、新交通系統(tǒng)等。 中國城市軌道交通發(fā)展迅猛，已經建成或正在興建的城市軌道交通幾乎包括了上述各種類型，已有30多座城市建成了或正在新建、或擬就了建設規(guī)劃。除北京、天津、上海、廣州、武漢、長春、大連、深圳、重慶、南京等10個城市外，尚有杭州、沈陽、成都、哈爾濱、西安、廈門、蘇州、青島、東莞、寧波、佛山、石家莊、鄭州、長沙、蘭州等33個城市正在建設、籌建、或規(guī)劃中。 作為中國城市軌道交通建設的特點，不僅是需要建設的城市多、勢頭猛，還在于建設的類型多元化。中國正在形成以地下鐵道為骨干、多種類型并存的城市軌道交通體系。北京、上海、武漢、天津、大連等城市建成了快速輕軌交通系統(tǒng)；長春、大連進行了有軌電

9、車改造，鞍山也準備對現(xiàn)有有軌電車改造，上海正在醞釀新建有軌電車線路；重慶建成了我國第一條跨座式的單軌交通系統(tǒng)；上海浦東龍陽路至浦東國際機場開通了磁懸浮高速線；廣州和已建成或正在建設直線電機驅動的城軌車輛交通線路；首都機場內正在建設全自動化的新交通系統(tǒng)（apm）等。這些情況表明，中國的城市軌道交通類型正在呈現(xiàn)出的多元化發(fā)展趨勢。 截至2005年底，中國大陸已經建成通車的城市軌道交通線路共有474.503公里，若把上海磁懸浮交通30公里計算在內，城市軌道總里程已超過500公里。正在建設的地鐵、輕軌等城軌線路共12座城市765公里。 據(jù)中國城市軌道交通年度報告2009介紹： 目前，我國已成為世界上城

10、市軌道交通發(fā)展最迅速的國家。截至2009年底，僅在中國內地，已有10個城市擁有34條運營線路，總里程接近1000 km；另有19個城市，總計70余條、1800余km的線路正在建設中；目前和城市軌道交通相關的城市已經接近50個，全部規(guī)劃線路超過300條、10000km。 從2005年到2009年，短短4年時間，我國的城市軌道交通運營里程已經翻倍了！ 新型高速磁懸浮飛輪儲能系統(tǒng)在城市軌道交通車輛再生制動能量回收系統(tǒng)中的應用，必將對國家的節(jié)能減排做出重要貢獻，為地鐵節(jié)約大量電力，推廣前景十分廣闊。 六、國內外的現(xiàn)狀、水平和發(fā)展趨勢 飛輪儲能是指在用電低谷利用電動機帶動飛輪高速旋轉，將電能轉化成機械能

11、儲存起來，在需要時飛輪帶動發(fā)電機發(fā)電，對外輸出能量。飛輪儲能是最典型的動能儲能系統(tǒng)，此系統(tǒng)可視為一機械式的電池。近十多年來隨著高強度復合材料、磁懸浮技術、高速電機以及電力電子技術的迅猛發(fā)展，飛輪儲能呈現(xiàn)出巨大的發(fā)展?jié)摿Γ艿搅藝鴥韧鈱W術界和企業(yè)界的高度關注。 飛輪儲能具有以下顯著特點： (a) 儲能密度高 采用復合材料、磁懸浮軸承和抽真空等技術的飛輪儲能模塊，其質量能量和質量功率密度分別可以達到1kwh/kg 和 10kw/kg 級； (b) 功率覆蓋范圍廣 功率等級覆蓋 kw 至 gw 范圍，充放電過程可控，充放電?奔涓哺嗆撩氳郊甘種臃段梢越諧貝芤部梢雜糜詼淌貝埽蚨嗷榛罟鰨?(c) 使用壽命

12、長 充放電次數(shù)與充放電深度無關，壽命長，可達20年以上； (d) 能量轉換效率高 一般可達 85%-95%； (e) 可靠性高、維護費用低、環(huán)保 可靠性高、維護工作量小、維護費用低、對環(huán)境無特殊要求、不會污染環(huán)境等。 因此飛輪儲能系統(tǒng)除了在應急電源、電力系統(tǒng)調峰、混合動力機車等上應用外，還在一些軍事設備，如衛(wèi)星姿態(tài)控制、航空母艦彈射、電磁炮、電信中繼站、核聚變實驗裝置等場合使用。 目前，在歐洲已有飛輪儲能在軌道交通領域示范性的應用。 rwe piller公司在2000年初開發(fā)了一種動態(tài)儲能系統(tǒng)，取名為powerbridge，裝在德國漢諾威的ustra城軌交通系統(tǒng)中，已運行了4年。共裝有4套po

13、werbridge儲能器，其中2套用于直流750 v電網電壓的穩(wěn)定，另2套用于節(jié)能。 西歐與北美的城軌交通系統(tǒng)，大部分采用直流600 v或750 v網壓。在客流高峰期，或在架線電網的供電末端，網壓往往很低，儲能器能起到穩(wěn)定網壓的作用。在該工作類型，儲能器的基本充電狀態(tài)是最大工作轉速。此時不能繼續(xù)接收能量，但處于發(fā)出能量的準備狀態(tài)。當客流高峰時，車輛大量吸收能量，使網壓大大降低，儲能器通過能量輸出以保持網壓的穩(wěn)定。在變流器與儲能器之間接入自耦變壓器，其優(yōu)點是在低的架線電壓下也能全部利用額定功率，同時使整個系統(tǒng)的電流一熱損耗下降。自耦電路能在靜止狀態(tài)起動電機。該儲能系統(tǒng)可進行遙控、遙測，全自動化運

14、行。 在德國科隆的城軌線上安裝了節(jié)能類型的儲能器這種特殊的調節(jié)功能保證了在架線電網內最大可能的能量交換，也就是說，在各種情況下，制動車輛產生的能量優(yōu)先用于正在加速的車輛。僅在不能直接用于其他車輛時，制動能量才在儲能器中進行中間存儲，并作為一個附加的能源在適當?shù)臅r候用于加速的車輛。 飛輪儲能在國內地鐵尚無應用，飛輪儲能技術在國內電力系統(tǒng)、大型工廠后備電源系統(tǒng)有成熟的商業(yè)應用。 七、成果形式： 制定新型高速磁懸浮飛輪儲能系統(tǒng)在城市軌道交通車輛再生制動能量回收系統(tǒng)中的應用的技術規(guī)范； 研制飛輪儲能產品樣機； 爭取樣機在地鐵試驗線上掛網運行，積累試驗數(shù)據(jù)，編寫掛網運行報告。 八、前期準備情況及實施方案

15、 已有863項目的飛輪儲能系統(tǒng)研究成果作為基礎。 對地鐵牽引供電系統(tǒng)的再生制動初步進行了研究分析。 計劃在2011年展開飛輪儲能在地鐵應用的研究。 九、項目組織管理和承擔單位、協(xié)作單位及人員簡況 項目組織管理和承擔單位：地鐵供電公司 工程師 項目組織管理 高工 方案論證 工程師 現(xiàn)場試驗方案設計、組織 高工 現(xiàn)場試驗方案設計、組織 協(xié)作單位：北京龍星瑞達電子設備有限公司 杜 宏 高工 系統(tǒng)設計 祝長生 教授 樣機制作 安林杰 高工 調試配合 十、 進度安排（每季度為一進度期） 2011年： 第一季度 應用需求調研 第二季度 樣機制作 第三季度 樣機工廠測試 第四季度 樣機掛網運行 十一、項目經費詳細