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摘要：现如今，我国城市建设在不断加快，为了最大限度实现供电系统节能，文章在分析对比了电阻能耗技术、电容/电池储能技术、飞轮储能技术等几种制动能量处理技术的基础上，着重对飞轮储能技术进行了研究。
地铁列车的制动能量是一种未被开发利用的能量，目前多采用制动电阻消耗制动或将减速过程中的能量转化为热能而浪费。在分析传统的能量消耗和能量回馈方式的基础上，提出一种对供电系统无影响、改善供电品质、降低系统峰值功率要求的能量储存方式，磁浮飞轮储能装置，对大容量磁悬浮飞轮储能装置在地铁系统中的应用进行了研究，指出了飞轮储能系统的关键技术和发展方向。
关键词：轨道交通；再生制动；飞轮储能
引言
城市轨道交通车辆运行的特点为载客量大、启动和制动频繁，车辆的常规制动过程以电制动方式优先，由于车辆运行图编排及接触网电压限制等原因，大量再生电能不能回馈电网，而是通过电阻制动以热能的方式释放，形成了电能浪费与环境污染，并增加了制动系统相关回路的不安全隐患，关于城市轨道交通再生制动能量的回收利用问题，国内外学者提出了许多方法，主要包含三种：一是再生能量向交流电网实时回馈的方法；二是将再生能量存入储能器，在车辆启动或加速时弥补直流网压下降的方法；三是两种方法的结合，即储能与回馈并用的方法。针对其中的功率变换方案，也提出过多种方案，但总体特点为：一是能量回馈的谐波治理负担重，二是对牵引变电所或车辆牵引系统更改大，并引入了新的影响运营安全的因素。笔者研究了城市轨道车辆的制动能量产生特性，提出了针对再生制动条件不能满足情况下的基于车载本身的脱离电网的能量回收方法及利用方式，并进行了实验研究。
地铁列车在制动时，多数采用制动电阻来消耗列车减速或制动时的再生能量，采用这种方法，列车制动能量以热能形式白白浪费掉，电力消耗巨大不容忽视，列车牵引电力占地铁运营总电力的45-60﹪，其中17﹪为可回收的再生制动能量，将这部分能量回收利用，可节省地铁总运营成本的3﹪，飞轮储能装置可以将列车制动产生的制动电能转化为飞轮转动的动能储存，当列车起动或加速时，再将飞轮的动能转化为电能输出，从而实现了再生制动能量的回收利用。
1、研究背景及目的
随着科技的发展，城市轨道交通逐渐成为了中国各大城市的重要出行方式。城市轨道交通采取直流供电方式，因其速度快、运量大等特点，被广泛认作是一种节能环保的出行方式。通常，城市轨道交通采取集中供电方式。轨道交通公司从电网获取110kV/220kV交流电，利用地铁内部主变电所降压至35kV（或10kV）并输送至中压环网。中压环网下，每个车站配一座牵引变电所，利用整流机组将交流35kV（或10kV）电变为直流1500V（或750V），供列车牵引使用。列车制动通常有两种方式：机械制动和电制动。机械制动即使用列车转向架上配备的闸瓦制动，利用摩擦力做功消耗动能。机械制动会让列车动能直接消耗掉，并造成闸瓦的磨损，以及因摩擦产生的金属碎屑污染和噪音污染。电制动将列车的动能转化为电能，反送到直流接触网上。如果线路上有其它列车恰好处于牵引状态，电制动会起到节能的效果；如果没有其他列车，电制动会造成网压升高，危及设备安全。传统方式为在网压允许条件下尽可能使用电制动，网压过高时使用机械制动。
2、几种可能的解决方案
2.1逆变回馈装置的设置
车辆再生制动能量大小与行车密度、线路条件密切相关，设置车辆再生制动能量逆变回馈装置应满足如下两个基本原则：（１）最大程度吸收车辆再生制动能量，逆变回馈至城市轨道交通供电网络，实现电能的二次利用，实现牵引供电系统节能运行。（２）平衡再生制动能量吸收装置的节能效果与投资成本之间关系，在提高节能效果的同时，满足经济性要求。
2.2 飞轮储能技术
飞轮储能技术的构成具有较高的复杂性，是由多个子模块共同组成的一个综合性储能系统，主要包含有飞轮、磁悬浮轴承支撑系统、发电机和电机、功能转换器、电子控制系统、真空泵、应急备用轴承等。对于飞轮储能技术而言，其运作原理主要如下：首先，飞轮储能系统会对动能进行一定程度上的吸收，在这一过程之中外部的电网会给予电力提供支持，在受到外部电网电力的作用之下，飞轮会以很高的速度进行旋转，旋转中不断产生动能并将之有效存储。这样一来，会促使电力进入机械能源，然后在飞轮储能系统之中对电能进行有效的释放，通过功率转换器对电流和电压进行一定程度上的输出，从而实现机械能向着电能的有效转变。对于飞轮储能技术而言，优势主要表现在两个方面：一方面，飞轮储能技术的电能转化效率高，在特定的条件之下可以将机械能转化为电能，其转化率可以达到百分之九十以上；另一方面，飞轮储能技术具有高使用年限、无污染、无噪音等方面的优势。
2.3电容/电池储能技术
超级电容/电池储能技术在列车制动时将产生电能储存到超级电容或电池中，在列车牵引时将存储的电能送回接触网供列车使用。但其也存在着设备容量小、体积大、价格昂贵等缺点。
飞轮在地铁领域的主要运用方向：制动能量回收，牵引网压支撑和应急支撑电源。
因为目前轨道列车都是采用电制动，制动能量都是返回到电网，飞轮可以保证列车进行稳定的电制动，同时将制动能量回收再利用，达到节能效果，节约牵引电费，同时飞轮也是取代了集成上的电阻，降低了损耗。
牵引网压支撑，在地形比较复杂的地方，随着后期地铁运量的提升，造成牵引网压跌落比较严重，此时在线路中断加装飞轮储能装置，在列车经过的时候飞轮可以辅助牵引系统对外进行放电，从而有效的支撑牵引网压，减少在建变电所的投资和后期运营的高额支出。
结语
随着城市轨道交通系统的日趋普及和逐渐完善，城市轨道车辆制动能量的回收利用逐渐成为人们关注的焦点。城市轨道交通车辆在制动过程中会产生数量可观的制动能量，具有回收价值。电力电子器件制造工艺的飞速发展使得制动能量回收系统越来越多样化和集成化，为研发过程提供了可选择性。飞轮储能技术拥有非常可喜的研究现状和广阔的应用前景。在制动能量回收系统研发和应用过程当中还存在一些技术因素的制约与认识上的障碍，但随着制动能量回收技术的完善和商业化应用的推广，飞轮储能技术逐渐会显现出显著的经济效益和环境效益，逐步在不同类型的轨道交通车辆上推广应用，实现制动能量回收的良好经济效益和社会效益。
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