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1、 地 铁 运 营 有 限 责 任 公 司 科研计划项目建议书 项目名称：轨道交通车辆再生制动能量回收系统 高速磁浮飞轮储能系统应用研究 申报单位： 地铁供电公司 项目负责人： 电 话： 申报日期： 2010 年 10 月 18日 一、 项目的简要内容、目的和意义 城市轨道交通供电系统负责为电动列车提供牵引电源和为各种运营设备提供动力照明电源，是城市电网的用电大户。在城市轨道交通的运营成本中，电力消耗成本占了相当大的比例，约占全部运营成本的3048，例如地铁目前8条线路，年电费5亿元。 如何降低电力运行成本，对建设节约型社会有着现实意义。 城市轨道交通供电系统经济运行指在保证牵引供电系统安全和优
2、质运行的前提下，合理利用现有的能源和设备，采用各种技术和管理手段，使输配电和牵引供电系统及设备做到经济运行，从而降低电力消耗，提高供电系统的经济性。 由于车辆牵引供电系统的电能消耗约占城市轨道交通电能消耗的60%，所以必须重点考虑其节能问题。 列车再生制动能量吸收装置的合理选择和利用是城市轨道交通节能控制的一个重要方面。把列车再生制动能量充分利用起来会大大节省电能。 再生制动(Regenerative braking)亦称反馈制动，是一种使用在汽车或铁路列车上的制动技术。在制动时把车辆的动能转化及储存起来；而不是变成无用的热。 最普通的制动方法会把车的动能，以摩擦直接转化成热能。“再生制动”和
3、另一种原理接近，但较为简单的“动力制动”(Dynamic Braking)，则是把电动机转成发电机使用，把车辆的动能转成电能。动力制动通常只会把产生的电，经过电阻转成无用的热放走。而再生制动则会把电力储起来或透过电网送走，再生循环使用。使用再生制动的车辆仍然会有传统的摩擦制动，提供快速、强力的制动。一般的再生制动只会把约百分之三十的动能再生使用，其余的动能还是成为热。这效率根据不同的使用环境而有所不同。 如果列车的再生制动配合适宜的“能量回收系统”，将大大的提高制动能量回收利用率。 由于城轨运行中需要频繁的启动与制动，制动的能量巨大（其中可再生吸收的约占总电量的15%），目前大部分变成热能白白
4、的消耗掉；热量的排除还要占用通风空调设备； 如果能够通过储能装置将制动能量储存起来，在车辆加速时再释放出来，则节能效果将非常显著。通过一吸一放之间，双倍节能。 综上所述，“高速磁浮飞轮储能系统在城市轨道交通车辆再生制动能量回收方面的应用研究”意义重大。但由于高速磁浮飞轮储能系统是一个新生事物，地铁公司接受起来会有一个较长的过程，非常有必要有关各方（地铁公司、设计单位、生产厂家等）先行进行一个科研项目，明确城市轨道交通这方面的详细需求，提出对高速磁浮飞轮储能设备的具体要求，理清与其他系统（牵引供电系统、车辆）之间的配合关系。 建议针对高速磁浮飞轮储能系统在城市轨道交通车辆再生制动能量回收方面的应
5、用研究进行科研立项。 二、 项目规模和主要技术指标 本项目将对现有地铁运营线路进行全面、系统的牵引供电电量消耗调研，研究采用高速磁浮飞轮储能系统作为通车辆再生制动能量回收系统的可行性。研究飞轮储能系统的电气参数需求，与牵引供电其它设备的配合关系。 研制一台样机，争取挂网运行。 主要技术指标： 研究采用高速磁浮飞轮储能系统作为车辆再生制动能量回收系统后，能否达到节约牵引电量30的目标。 三、 研究、试验方案或主要技术路线 1、 分析车辆制动时的回馈电量情况，确定飞轮储能的容量指标；2、 分析车辆制动、加速时的功率变化情况，确定飞轮储能的功率要求指标； 3、 研究飞轮储能与制动电阻、牵引变电所的配
6、合关系； 4、 研究飞轮储能的最佳设置位置，设置数量； 5、 根据以上研究成果研制飞轮储能的样机； 6、 飞轮储能样机的挂网运行。 四、 项目研究的技术关键点及创新点 技术关键： 新型高速磁悬浮飞轮储能系统突出优点： 能量密度高、短时功率大、可靠性高、使用寿命长、无环境污染；由于其工作原理的优势，非常适合完成城轨完全再生制动储能的重任！ 按照其设计寿命20年计算，可进行一百五十万次的充放电，一百五十万次的能量呼吸！ 高速磁浮飞轮储能的安装方式有两种：牵引变电站内安装、城轨车辆上安装； 在地铁中具有两大作用：再生制动储能和稳定供电线路末端电压。 初步测算，安装有飞轮储能的车辆比常规再生制动车辆节
7、电30%以上，比未安装再生制动的普通车辆节电45%以上。 安装在牵引变电站中，节电效果相当。 本项目的创新之处在于： 采用高速磁浮飞轮储能系统，作为城市轨道交通车辆再生制动能量回收的主要储能系统。 五、经济社会效益分析和推广前景 城市轨道交通（Rail Transit）包括地铁、轻轨、磁浮等运输方式，是城市公共交通模式的一种 ，是城市公共交通的骨干。 它具有节能、省地、运量大、全天候、无污染（或少污染）又安全等特点，属绿色环保交通体系，符合可持续发展的原则，特别适应于大中城市。城市轨道交通种类繁多，按照用途可分为城市铁路、市郊铁路、地下铁道、轻轨交通、城市有轨电车、独轨交通、磁悬浮线路、机场联
8、络铁路、新交通系统等。 中国城市轨道交通发展迅猛，已经建成或正在兴建的城市轨道交通几乎包括了上述各种类型，已有30多座城市建成了或正在新建、或拟就了建设规划。除北京、天津、上海、广州、武汉、长春、大连、深圳、重庆、南京等10个城市外，尚有杭州、沈阳、成都、哈尔滨、西安、厦门、苏州、青岛、东莞、宁波、佛山、石家庄、郑州、长沙、兰州等33个城市正在建设、筹建、或规划中。 作为中国城市轨道交通建设的特点，不仅是需要建设的城市多、势头猛，还在于建设的类型多元化。中国正在形成以地下铁道为骨干、多种类型并存的城市轨道交通体系。北京、上海、武汉、天津、大连等城市建成了快速轻轨交通系统；长春、大连进行了有轨电
9、车改造，鞍山也准备对现有有轨电车改造，上海正在酝酿新建有轨电车线路；重庆建成了我国第一条跨座式的单轨交通系统；上海浦东龙阳路至浦东国际机场开通了磁悬浮高速线；广州和已建成或正在建设直线电机驱动的城轨车辆交通线路；首都机场内正在建设全自动化的新交通系统（APM）等。这些情况表明，中国的城市轨道交通类型正在呈现出的多元化发展趋势。 截至2005年底，中国大陆已经建成通车的城市轨道交通线路共有474.503公里，若把上海磁悬浮交通30公里计算在内，城市轨道总里程已超过500公里。正在建设的地铁、轻轨等城轨线路共12座城市765公里。 据中国城市轨道交通年度报告2009介绍： 目前，我国已成为世界上城
10、市轨道交通发展最迅速的国家。截至2009年底，仅在中国内地，已有10个城市拥有34条运营线路，总里程接近1000 km；另有19个城市，总计70余条、1800余km的线路正在建设中；目前和城市轨道交通相关的城市已经接近50个，全部规划线路超过300条、10000km。 从2005年到2009年，短短4年时间，我国的城市轨道交通运营里程已经翻倍了！ 新型高速磁悬浮飞轮储能系统在城市轨道交通车辆再生制动能量回收系统中的应用，必将对国家的节能减排做出重要贡献，为地铁节约大量电力，推广前景十分广阔。 六、国内外的现状、水平和发展趋势 飞轮储能是指在用电低谷利用电动机带动飞轮高速旋转，将电能转化成机械能
11、储存起来，在需要时飞轮带动发电机发电，对外输出能量。飞轮储能是最典型的动能储能系统，此系统可视为一机械式的电池。近十多年来随着高强度复合材料、磁悬浮技术、高速电机以及电力电子技术的迅猛发展，飞轮储能呈现出巨大的发展潜力，受到了国内外学术界和企业界的高度关注。 飞轮储能具有以下显著特点： (a) 储能密度高 采用复合材料、磁悬浮轴承和抽真空等技术的飞轮储能模块，其质量能量和质量功率密度分别可以达到1kWh/kg 和 10kW/kg 级； (b) 功率覆盖范围广 功率等级覆盖 kW 至 GW 范围，充放电过程可控，充放电?奔涓哺呛撩氲郊甘种臃段梢越谐贝芤部梢杂糜诙淌贝埽蚨嗷榛罟鳎?(c) 使用寿命
12、长 充放电次数与充放电深度无关，寿命长，可达20年以上； (d) 能量转换效率高 一般可达 85%-95%； (e) 可靠性高、维护费用低、环保 可靠性高、维护工作量小、维护费用低、对环境无特殊要求、不会污染环境等。 因此飞轮储能系统除了在应急电源、电力系统调峰、混合动力机车等上应用外，还在一些军事设备，如卫星姿态控制、航空母舰弹射、电磁炮、电信中继站、核聚变实验装置等场合使用。 目前，在欧洲已有飞轮储能在轨道交通领域示范性的应用。 RWE Piller公司在2000年初开发了一种动态储能系统，取名为POWERBRIDGE，装在德国汉诺威的USTRA城轨交通系统中，已运行了4年。共装有4套PO
13、WERBRIDGE储能器，其中2套用于直流750 V电网电压的稳定，另2套用于节能。 西欧与北美的城轨交通系统，大部分采用直流600 V或750 V网压。在客流高峰期，或在架线电网的供电末端，网压往往很低，储能器能起到稳定网压的作用。在该工作类型，储能器的基本充电状态是最大工作转速。此时不能继续接收能量，但处于发出能量的准备状态。当客流高峰时，车辆大量吸收能量，使网压大大降低，储能器通过能量输出以保持网压的稳定。在变流器与储能器之间接入自耦变压器，其优点是在低的架线电压下也能全部利用额定功率，同时使整个系统的电流一热损耗下降。自耦电路能在静止状态起动电机。该储能系统可进行遥控、遥测，全自动化运
14、行。 在德国科隆的城轨线上安装了节能类型的储能器这种特殊的调节功能保证了在架线电网内最大可能的能量交换，也就是说，在各种情况下，制动车辆产生的能量优先用于正在加速的车辆。仅在不能直接用于其他车辆时，制动能量才在储能器中进行中间存储，并作为一个附加的能源在适当的时候用于加速的车辆。 飞轮储能在国内地铁尚无应用，飞轮储能技术在国内电力系统、大型工厂后备电源系统有成熟的商业应用。 七、成果形式： 制定新型高速磁悬浮飞轮储能系统在城市轨道交通车辆再生制动能量回收系统中的应用的技术规范； 研制飞轮储能产品样机； 争取样机在地铁试验线上挂网运行，积累试验数据，编写挂网运行报告。 八、前期准备情况及实施方案
15、 已有863项目的飞轮储能系统研究成果作为基础。 对地铁牵引供电系统的再生制动初步进行了研究分析。 计划在2011年展开飞轮储能在地铁应用的研究。 九、项目组织管理和承担单位、协作单位及人员简况 项目组织管理和承担单位：地铁供电公司 工程师 项目组织管理 高工 方案论证 工程师 现场试验方案设计、组织 高工 现场试验方案设计、组织 协作单位：北京龙星瑞达电子设备有限公司 杜 宏 高工 系统设计 祝长生 教授 样机制作 安林杰 高工 调试配合 十、 进度安排（每季度为一进度期） 2011年： 第一季度 应用需求调研 第二季度 样机制作 第三季度 样机工厂测试 第四季度 样机挂网运行 十一、项目经费详细概算包括仪器设备费（同时报固定资产购置）、材料费、 试验、合作外协费、租赁费、调研费、资料费、验收及鉴定费等，列出总计划费用和本年度使用计划。 仪器设备费： 50万元 材料费： 100万元 试验费： 50万元 合作外协费： 25万元 调研费： 3万元 资料费： 2万元 验收及鉴定费 5万元 合计： 235万元 各 级 审 批 意 见 表 申报单位意见： （ 盖章 ） 年 月 日 有关专业部（室）意见： （ 盖章 ） 年 月 日 技术部意见 （ 盖章 ） 年 月 日 备注
