飞轮储能制动能量回收装置在地铁行业的应用

近年来，地铁作为大容量、高效率的城市客运系统，因其便捷准时、安全可靠、节能环保的优势，在我国发展十分迅速，那么问题也随之而来，巨大的电力消耗不容忽视。

地铁再生制动能量回收的意义

地铁车辆运行需要依靠电力牵引，列车牵引动力占地铁总电力成本的45-60%，其中17%为可回收的再生制动能量，如果将这部分能量回收利用，可节省地铁总运营成本的3%，具有很大的节能空间。通过采用在牵引变电所的直流母线上设置再生能量吸收装置以提升再生制动能量利用率，符合城市轨道交通发展的方向，对节能减排、提高能量利用率和可持续发展具有重要的意义。

再生制动能量吸收装置类型

目前，再生制动能量吸收装置主要分为电阻耗能型、逆变回馈型(能馈型)和储能型。电阻耗能型通过制动电阻来消耗列车减速或制动时的再生能量，由于列车制动能量仍以热能形式消耗，并没有做到回收利用，因此电阻耗能型不再是制动能量回收的发展方向。逆变回馈型采用大功率三相逆变器，当列车再生制动导致直流母线电压超过规定值时，通过逆变器将列车再生制动能量从直流母线逆变成工频交流电，回馈至10 kV(中压逆变)中压电网或者0.4 kV(低压逆变)交流电网。储能型主要是利用储能装置，当列车制动能量引起牵引网电压升高超过阈值时，装置采用IGBT将制动能量吸收到储能元件中，当牵引网内有列车启动、加速需要取电时，装置将存储在储能元件中的能量通过IGBT释放到牵引网中，实现节能和稳定牵引网电压的作用。目前主要的储能型再生制动能量回收装置包括超级电容及飞轮。其中飞轮储能型制动能量回收装置凭借其高功率密度、高可靠性、使用寿命长、绿色环保等特点，在提升地铁再生制动能量利用率、降低运营成本、改善直流供电系统质量等方面具有独特的优势。

飞轮储能型制动能量回收的工作原理

飞轮储能系统是以飞轮本体高速旋转的形式存储动能，并通过与飞轮本体同轴的电动/发电机完成动能与电能之间的转换。

当列车制动时，制动过程中产生的制动电流驱动飞轮转子由低速旋转到高速旋转，将列车制动产生的电能转化为飞轮转动的动能存储起来，当列车启动或加速时，飞轮系统的电动机转变为发电机模式，利用飞轮转速下降的惯性将动能转化为电能输出，从而实现了再生制动能量的回收再利用。

美国VYCON REGEN飞轮储能系统

美国VYCON是全球领先的飞轮储能型轨道交通制动能量回收利用解决方案的提供商。VYCON REGEN系列产品专门针对轨道交通应用场景而设计，通过磁悬浮飞轮及五轴主动控制系统、高速永磁电动发电机系统等核心技术的使用，可以在18秒完成充电/放电过程，每天可进行超过1000次循环充放电，使用寿命长达20年。

VYCON REGEN飞轮储能的优势

1、降低运营成本，高投资回报率：通过再生制动电能的回收利用可节省15%的牵引电力，系统的使用寿命长达20年，使其具有显著的经济效益;

2、系统部署简单，对交流电网无冲击：系统部署在牵引站直流总线侧实现能量回收利用，对交流电网无冲击，不影响牵引系统的正常运行;

3、改善直流供电系统质量：在低电位时提供电压支持，平衡负载的起伏、吸收冲击，控制和降低因大范围负载波动而引起的供电母线电压的变化;

4、系统安装简便：设备占地面积小、噪音低，设备运行对周围环境温度无要求;

5、设备安全可靠：设备通过美国UL安全认证、OSHPD抗震认证，在美国洛杉矶等地震多发地区实际稳定运行超过4年，系统运行安全可靠。

6、模块化设计，可根据实际运行数据优化：可根据地铁的实际需求通过并联实现0.5-2MW灵活配置，可动态调整系统阈值，根据不同运营条件对系统进行优化。

成功应用案例

VYCON REGEN在飞轮储能系统方面有丰富的实际经验，在美国洛杉矶、瑞士巴塞尔、巴西里约热内卢等地均有大规模部署。其中在美国洛杉矶红线(Red Line)地铁部署的2MW系统于2014年8月投入使用，至今已稳定运行超过2万小时，系统循环充放电次数超过100万次，每天在可节约1.6-1.8兆瓦能量，节省了大量的运营费用。