飞轮储能首次应用铁路领域-韭研公社

登录注册

飞轮储能首次应用铁路领域

戰无极

超短追板

2021-08-14 13:53:57

我国能源技术革命创新行动计划中的兆瓦级飞轮储能技术应用近期取得重大突破，在邯长铁路上进行应用，这是首次将飞轮储能应用到电气化铁路领域。

在邯长铁路河北新固镇牵引变电站，这个类似集装箱的电气机柜，就是刚刚正式投入运行的兆瓦级飞轮储能装置。

　　飞轮储能，与以往我们熟悉的电池等化学储能不同，它是利用电动机带动飞轮高速旋转来储能，转速提高时，进行充电，转速降低时，就可以放电。
　　飞轮储能系统项目总负责人陈鹰：就像我们陀螺一样，你给它施加外力之后，陀螺一定速度转起来之后，你不再抽它的时候它就不会停下来，要过一段时间能量消耗完了以后再停下来。实际我们的飞轮也是一种大陀螺。

　　有了这套飞轮储能装置，当火车进站刹车时，会产生巨大的电能，可以利用它加速飞轮旋转，就相当于把电能储存起来;当提速出站时，飞轮就可以释放能量给火车。不仅改善了铁路供电系统电能质量，还减少了电能的消耗。仅这一个铁路牵引变电站，每天就可节约3000度电能。

　　中国铁路北京局集团唐山供电段副段长李彦吉：每年大概可以利用110万度的再生制动能量，这些电能的话，可以供500户普通家庭使用一年，减少二氧化碳排放1100吨。

　　据介绍，飞轮储能系统之前已成功应用在城市地铁中，为适应在长距离电气化铁路中的应用，研发团队自主开发了能量管理系统，可以及时准确判定线路工况，并与调度总站实现联动。
就在不久前，国家发展改革委、国家能源局正式发布《关于加快推动新型储能发展的指导意见》，提出将发展新型储能作为提升能源电力系统调节能力和综合效率的重要举措，并提出提升科技创新能力，加快飞轮储能等新型储能技术开展规模化试验示范。据保守估计，如果在全国20%的电气化铁路牵引变电所应用这个技术，每年可以节省超过10亿度电能，减少碳排放超百万吨。

飞轮储能包括三个核心部分：飞轮、电动机-发电机和电力电子变换装置。其中，飞轮是整个产品的核心部件，直接决定着储存能量的多少；电力电子变换装置，决定了输入输出能量的大小。

与电池一样，飞轮储能有三种工作状态，即充电、放电和浮充。飞轮储能的能量状态（0≤SOC≤1）可以用荷电状态（Stateof Charge，SOC）来描述：当SOC=0时，表示飞轮储能系统放电完全，当前可用的能量为0；当SOC=1时，表示飞轮储能系统完全充满，当前可用的能量为1。

在飞轮储能系统充电时，从外部输入的电能通过电力电子变换装置，驱动电动机带动飞轮旋转以储存动能。此时，飞轮从低转速向高转速加速运行，SOC上升；放电时，即当外部负载需要能量时，旋转的飞轮带动发电机发电，从而将动能转化为电能，再通过电力电子变换装置转化成负载所需的各种频率、电压等级的电能，以满足不同的用电需求。此时，飞轮从高转速向低转速减速，SOC下降；浮充时，飞轮处于充满电的待机状态，此时飞轮处于（额定）最高转速，为了维持这一状态，外界需要给飞轮储能系统提供涓流充电，但这个涓流很小，在很多情况下可以忽略不计。

电池的容量与温度和循环次数的关系

失效后果由所存储的能量决定，即存储的能量越大，失效后果则越严重。为了弥补电池可靠性的不足，UPS配置电池使用时通常搭载了冗余技术，使得其能量成倍增加。一般来说，电池的功率密度低，但为了达到一定的放电功率，

（电池的存储能量往往很大，一旦失效很容易引发起火爆炸等风险，非常不安全。）

飞轮储能作为物理（或机械）的储能手段，在安全性和可靠性方面都比电池更具优势。经研究发现，飞轮储能不随时间窗口而退化，也不受外界环境的影响。因此，飞轮储能的可靠性能够得到保证（下图1）。此外，飞轮储能作为一种功率性器件，在同样大小的放电功率下，存储的能量显著地低于电池，其失效后果也比电池要小得多

飞轮储能是一项绿色环保的技术，不含有任何有害的化学物质，也不会产生任何化学反应；其从生产到使用，再到寿命终结后的处理，也不会产生任何污染环境和危害人体的物质。作为一种机械产品，它没有记忆效应，不会随着使用次数和时间而退化，（

使用寿命可达

20 年以上；对外界的温度并不敏感，在一般环境下不需要额外的设备进行制冷或加热；安全性、可靠性高，不需要为安全配置额外的冗余设备，并基本可以实现免维护，同时功率密度大、体积小，还可减少占地面积）

飞轮储能的应用

飞轮储能具有安全可靠、经济环保的优点，是最有发展前景的储能技术之一。飞轮储能技术在发达国家已有几十年的发展历史，并在诸多领域获得了应用，如

F1

赛车能量回收、轨道牵引能量回收、微电网调压及并网，超低温余热回收利用、应急

UPS

电源、高速离心风机等。目前，飞轮储能技术正广泛应用于国内外的数据中心、精密制造生产线、

UPS

后备铅酸电池的替代、电网储能调频等领域。

大规模储能调频市场

目前抽水蓄能是全球电力系统中主要储能形式，超过

90%

的比例，其次是电化学储能。虽然抽水蓄能规模大、寿命长、技术成熟，但只有具备特定自然地形条件的地区才能建设；而电化学储能技术虽然在储能技术和经济性上取得一定突破，但近年来由于抽放电次数受限和爆炸事件频发的安全隐患使得市场对其也顾虑重重。因此，具有使用安全、全生命周期无污染，残值高，工作温度范围宽，

20 年超长使用寿命等绿色环保特点的飞轮储能技术被广泛关注和逐步使用，有效填补并支持了现有储能技术的应用场景空白和技术缺憾。

2021年3月11日，十三届全国人大四次会议表决通过了关于国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要的决议，其中提出在电力系统调节方面要推动飞轮储能等储能示范项目。

商业模式决定发展经济性，从飞轮储能现有的商业模式看，其价值创造路径包括参与调峰调频、

UPS

、能量回收、特种电源、电动汽车等应用场景，其中以电网调频市场最具潜力和想象空间。基于对行业的观察以及飞轮企业的调研，当前站上万亿储能风口，物理储能技术飞轮储能将迎来超过

300 亿市场空间。

以城市轨道交通为代表的能量回收市场

根据国内已建成轨道交通线路运营经验，一条20公里长的地铁线路一年的用电量约为0.6～1亿kW·h，电费占到城市轨道交通运营费用的50%，而列车牵引用电更是占到城市轨道交通用电的50%以上。例如，广州地铁线网列车牵引能耗占到地铁系统总能耗的58%。城市轨道交通系统电能消耗巨大，这也是国内的大多数地铁站无法实现自负盈亏的重要原因，所以，节能降耗是实现节省开支的重要手段。

图：某线路地铁行驶时速度和消耗的电网功率随时间变化情况

地铁车辆采用的刹车方式并不单单是靠自行车一样加个摩擦片摩擦车轮让车停下，更主要的是依靠电气制动（其实质是改变车辆所受牵引外力的方向），车辆将会克服电磁力做功，此时原本用于牵引车辆前进的电机变成了发电机，将机车动能转化为电能回馈至直流牵引网，因此直流牵引网网压升高，表现在上图中就是产生了负功率，这就产生了再生制动能量。

地铁得再生制动能量存储是一种大功率、高频次（每天列车进出站200次左右）的应用场景，目前，地铁列车进站回收的电能或通过电阻放热方式消耗，存在资源浪费；或通过逆变回馈装置回馈电网，但存在干扰电网的问题；或通过超级电容回收，但存在寿命短和应用衰减问题。

飞轮储能比较完美的解决这些问题，发挥节能和友好电网的作用。美国多个地铁站已经对飞轮储能进行了示范，能够实现20~30%的节能效果，具备极佳的经济效益。

不同类型再生制动能量吸收装置节电量对比

据了解，北京地铁再生制动能量吸收装置经过电阻耗能型、回馈型、储型能3代产品的迭代更新，在节能及稳压方面均发挥了各自作用。从年均节约电费占年度牵引用电电费来看，低压逆变回馈型装置约占4.1%，中压逆变回馈型装置约占 5.2%，电容储能型装置约占18.5%，飞轮储能型装置在挂网试运行期间约占 31.5%。飞轮储能型装置在挂网试运行期间具有比较显著的节能效果。

截至

2020

年底，国内地铁总里程

7773

公里，按照每

2 公里一个地铁站估算，地铁站有大约

3880

个，按照每个地铁站配备

0.5MW

飞轮储能设备来计算，目前拥有

1.9GW

的存量市场。到

2035

年，国内地铁总里程将超过

3 万公里，预测将新增

1 万个地铁站，具备

5GW

的增量需求。我们测算潜在的市场规模约为

150 亿。

飞轮UPS市场

数据中心、医院或制造工厂的大部分电力都通过UPS传输。UPS可以调节输入电源，并在电源受干扰或停电时为关键性的工作负载提供备用电源。UPS设备和能源存储的选择至关重要，因为这不仅会影响到企业的资本和运营支出，还会影响相关设施的总体碳排放。节能的UPS在支持可持续发展工作和降低总体功耗和碳排放方面发挥着关键作用。