北京交通大学成功研发出世界首套城轨地面式混合储能装置

地铁是名副其实的“电老虎”，北京、上海等大城市一年地铁耗电量均已超过15亿度。截至2019年底，我国内陆已开通城轨交通线路里程达6730公里，在建新线里程超过6000公里，全国城轨总电耗达到152.6亿度。随着城轨交通的快速发展，未来的年耗电量还将是个惊人数字。如何降低城轨交通的供电能耗，是实现整个城轨交通系统节能降耗的关键。

今年9月25日，北京交通大学自主研发的世界首套城轨交通地面式超级电容/电池混合储能装置，在北京地铁八通线梨园站挂网试验成功。该装置能回收利用列车再生制动能量，从而降低城轨变电站输出电量10%—15%。

收集利用地铁被浪费的“能量”

该装置的研发团队是电气工程学院的杨&林实验室，负责人是杨中平教授和林飞教授。他们预测，高效利用轨道交通车辆的再生能量，将成为城市轨道交通节能的主要手段。

什么是牵引用电？什么是再生制动能量？杨中平说，地铁在站间运行，先经历牵引阶段，车辆由静止开始加速，电机消耗大功率从而产生牵引力，车辆加速到如70公里/小时的限速；之后进入等速巡航阶段或惰行阶段，电网只需要小功率即可维持巡航；车辆快到站时，进入制动阶段，车速降为0。

能量守恒定律告诉我们：能量既不会凭空产生，也不会凭空消失，只会转移或者改变形式。“经测算，6节车厢的八通线地铁列车一次制动，从70公里/小时降到0，产生的再生制动能量大约是14度电，因为无法返回公共电网的大池子，怎样把这部分能量储存起来并有效释放利用起来？”这个问题可以简要解释杨&林实验室的工作。

这对整个地铁系统的节能减排意义有多大？要想搞明白这项研发的价值，得先弄明白一个“50%”。杨中平解释说，列车牵引用电和其他如车站电梯、扶梯、空调等附属设备的用电量各占50%左右，地铁运营电费的一半花在了牵引用电上！这是关系整个地铁系统节能减排的关键技术之一。

交通运输部科学研究院专家库聘任专家、北京市地铁运营有限公司原副总工程师兼设备部副部长黄旭虹十分熟悉轨道交通，“如果没有地面吸收装置，多余的能量会变成灾害，比如，地铁制动盘磨损严重，每3个月就要换轮子，几个月就能消耗掉几年的成本”。她回忆起十几年前找到杨中平时，两人对地铁节能挖潜一拍即合。

最好的办法是“自产自销”。2007年，杨&林实验室开始做小功率的储能装置，慢慢地，10千瓦、200千瓦，随之自主研发我国首套一兆瓦的地面超级电容储能装置，2016年在八通线试验成功。该储能装置已在青岛、广州等地多条地铁线路投运，节能效果显著。

本次试验成功的混合储能装置，是继2016年研发的超级电容储能系统的第二代产品，相较第一代纯超级电容储能系统，平均每天可多节电150度。当列车牵引时，再将储存的能量释放出来，使再生能量被充分利用起来。此外，该装置可减少列车基础制动磨损，提高城市轨道交通运营安全性和可靠性，降低运营维护成本，延长车辆设备使用寿命。

凌晨才能进行的试验，成果摆脱了国外限制

这套装置从交大实验室里走出来，到了实地接受检验，到底能节约多少电？

研发团队在北京八通线梨园站试验的结果表明，夜间单车运行时，每趟节能率均能达到20％；在地铁正常运行期间，工作日日均节能1500度电，节能率达13％；而周末日均节能900度电，节能率超过17%。

“可以说，我们的成果降低地铁能耗的10％—15％是没有问题的。”林飞说。这意味着什么？就拿北京地铁来说，总里程600多公里，2019年耗电量为16亿度电，能节约1亿多度电，一度工业用电按0.8元来算，折合人民币1亿元左右。

北京市地铁运营有限公司技术部副部长李宇杰说，节能是北京“智慧地铁”的一项重要需求，杨中平和林飞的团队面向行业需求开展研究下一代储能装置，效果显著，是国际上真正的第一个兆瓦级混合型储能装置，有很强的推广价值。

黄旭虹说，国外并非没有轨道交通的节能技术，如超级电容、飞轮等技术，但这些都对中国引进有所限制。之前北京地铁运营方曾经考虑过用国外的产品，甚至在变电所预留了节能设备的位置，但是光一个站的超级电容设备就要600万元，价格让人咋舌。

从科研立项、理论研究、系统建模与仿真、软硬件设计、样机的研发，再到设备的安装、挂网试验，从第一代产品到第二代，凝聚了师生无数心血，团队的孙湖和方晓春两位老师，事无巨细，参与了全程的研发和调试工作。

当时试验设备安装正处在北京隆冬时节，为了不影响八通线白天的正常运营，所有安装和使用工作都必须在凌晨12点至3点半进行。这个昼伏夜出的团队，见证了北京无数个凌晨。

从2017年研究被纳入国家“十三五”重点研发计划，到2018年方案设计、样机研制，到2019年采购、组装、调试，在北京交大长三角研究院几个月的试验，林飞说，研究碰到了数不清的困难，“所幸我们带着一茬茬的学生挺过来了”。

青春正当时，一代更比一代强

7月27日，凌晨4点多，从北京八通线梨园站爬到地面的交大师生，在星空之下喜不自禁，因为团队刚顺利完成了单车行车试验。这是储能装置第一次在地铁现场试验成功。杨中平对围拢过来的学生说：“你们是了不起的，不要瞧不起自己，世界首套！你们做成功了！”

“从工作量来说，我做了10％的工作，林老师20％，学生们做了70％。”杨中平说，这些学生平时看起来没有那么乖，但是有超出他想象的爆发能力、挑战困难的勇气和决心，遇到问题能淡定解决。

在日本留学10年，并在东京大学获得工学博士学位的杨中平“最怕学生不如自己”。在他看来，我国轨道交通的快速发展，为国内高校学生科研提供了比国外大学生更多的工程实践机会。

在众多学生中，秦强强、艾明成、杨浩丰、陶孝涛、刘宇嫣、赵亚杰、兰笠夫、刘耀文、诸斐琴、信月、宋美玉、钟志宏、赵紫薇、米佳雨等人作为主力参与了项目。

硕士研究生杨浩丰参与了项目的全过程。在北京地铁梨园站挂网试验期间，需要一直在变压器室观察、记录储能装置的试验数据，他和同学们在设备前一蹲就是一天。变压器室内设备较多，噪音很大，而且北京地铁管理严格，大门不能打开，他们在接近40摄氏度的燥热环境里，苦苦熬着。

网压问题、信号干扰、不明原因跳闸……面对学校电脑里永远碰不到的难题，学生们在老师的指导下，挨个排除故障，找出方案。研二学生兰笠夫，数不清自己接了多少根线。“就是接线，也跟实验室不一样，在地铁里空间狭小，怎么接线都是学问。”

“一代更比一代强，他们比我读书时的眼界宽多了。只要给他们足够的条件和环境，这些90后的科研后备军就能担负重任，这是我最欣慰的地方，感觉人生没有白活一场。”杨中平说。