北京地铁“电老虎”驯服记

北京交通大学师生在调试设备参数。杨中平供图

　　列车的灯光打在防护栏上制造出一道道闪光，上上下下拥挤的人群匆匆从身边掠过，无数的指示牌展现着一个城市的地下脉络……对于很多人来说，地铁已经成为生活中不可缺少的一部分。

　　然而，很少有人关注到每天地铁停运后的故事。在北京交通大学，有这样一个年轻的团队，他们总在深夜出现在地铁站，他们要做的，是把地铁浪费的能源回收起来。这不仅让地铁——这个城市中的“电老虎”降耗，还提高了地铁的安全性，在突发故障时甚至可以利用回收的能量将列车紧急牵引至地铁站。

　　可使北京地铁一年节电1亿度

　　地铁可以说是名副其实的“电老虎”。

　　据了解，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年年底，我国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，全国总能耗达到152.6亿度。而随着我国每年轨道交通运营总里程的快速增长，城市轨道交通系统用电量也逐年上升，2019年已占到全国总用电量的3‰。

　　近日，北京交通大学科研人员自主研发的地面式超级电容/电池混合储能装置，在北京地铁八通线梨园站进行挂网试验，该装置不但可以回收利用列车制动能量，还可以在供电系统突发故障时，利用储能装置将列车紧急牵引至地铁站。

　　据介绍，该项目是北京交通大学电气工程学院杨中平&林飞实验室承担的、国家“十三五”重点研发计划“轨道交通系统能耗过程解耦与能效提升关键技术”的子课题，已于近日通过专家组验收。专家评审意见认为，该项目搭建了城市轨道交通车辆运行与供电系统的联合仿真平台；研制了超级电容/钛酸锂电池混合储能装置，通过第三方评测，平均节能率超过15%。

　　杨中平教授一直致力于研究轨道交通超级电容储能和再生制动能量的吸收和利用，他说，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。

　　试验结果表明，这套装置不但可以回收利用列车再生制动能量，还可以在供电系统突发故障停电时，利用储能装置将列车紧急牵引至邻近地铁站。夜间单车试验时，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%。

　　“这是关系整个地铁系统节能减排的关键技术之一。”杨中平解释，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。

　　“地铁节能的方式有很多，比如减轻车体总重量、合理安排地铁发车时间等，还有一种更加重要的节能手段，即回收、利用列车在制动时所产生的能量。”杨中平说，采用此方法，在一节列车从时速70公里减速至静止的过程中，可以产生大约14度的电能。

　　北京市地铁运营有限公司技术部副部长李宇杰表示，目前，北京市地铁系统一年的耗电量超过12亿度。如果全面使用该技术，即使按照节能率10%计算，一年也能节约用电超过1亿度，节省电费几千万元。

　　不仅“世界首套”，而且“经济适用”

　　这套装置，不仅是世界首套城轨交通混合储能装置，在实际应用上，不仅实现了能量回收，还减少了车辆机械制动装置的磨损，抑制了牵引供电电压的波动，很具有“性价比”。

　　杨中平带领团队师生自2007年开始城轨交通储能与节能技术研究，独立研发了国内首套200kw城轨地面式超级电容储能系统，在北京地铁八通线完成了试验验证；在此基础上，与中车青岛四方车辆研究所合作研发了国内首套MW级城轨地面式超级电容储能系统，2016年在北京八通线完成运行试验，该项技术目前在北京、青岛、苏州、无锡等地铁线路上得到应用，节能效果显著。

　　而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二代产品。团队师生利用超级电容和钛酸锂电池的储能特性，将列车制动能再生的电能，同时储存在超级电容和钛酸锂电池中。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。

　　杨中平表示：“我们的项目从立项开始就受到国内外多家科研机构和高校的关注，接连收到许多合作意向，他们认为此次试验的成功，将推动我国轨道交通领域节能技术的进一步提高，推动我国储能技术应用进一步发展。”

　　不仅节能，这套装置为地铁运营节省的成本，也让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印象深刻。

　　黄旭虹表示，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。

　　“国外虽然也有轨道交通的节能技术，如超级电容、飞轮等，但这些都对中国引进有所限制。之前北京地铁运营方曾考虑过用国外产品，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600万元人民币，成本畸高。”黄旭虹说。

　　地铁背后的年轻人“一代更比一代强”

　　研制这样一套装置，离不开团队里年轻人的努力。在试验设备安装调试过程中，这群研究生黑白颠倒，与地铁为伴。

　　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，都有团队里同学们深度参与的身影，从项目立项开始，他们就没有休过寒暑假、国庆等节假日，一直积极投入其中。

　　试验设备安装正处在北京的隆冬时节，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。而行车和挂网试验又赶上盛夏，地铁站配电室内没有空调和电扇，老师和同学们身上的衣服往往都湿透了几次。

　　项目组的老师林飞一直驻守在试验现场。挂网试验要在每天地铁运行的早中晚高峰进行，于是他每天凌晨3点从家出发，开车近1个小时到达试验现场后，就投入到紧张的筹备工作中，准备迎接地铁运营早高峰的试验。再利用早中晚高峰中间的间隙，进行试验数据分析，整个暑假都没有休息。

　　团队里的硕士研究生杨浩丰参与了该项目的绝大部分工作。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，并且噪音很大，但同学们没有人喊累，一直坚守岗位。

　　“不能把地铁弄坏了，所以我不能失败。”杨浩丰说，真正到了现场，才发现在学校里学习的理论和实际研究的差别很大。“以前我们在学校里做仿真实验，失败了也没什么后果。但是到了要用真实的地铁列车调试，我最害怕的就是试验失败列车出故障了。对于我们来说，一切试验首先要保证试验结束后第二天地铁的安全运营不受影响。”

　　团队中的博士研究生刘宇嫣表示，自己第一次来到现场做试验，最大的感触就是角色转换。“我学的是电气专业，但以前都是通过看书获得理论，提出的一些控制方法也都是通过仿真来验证的。很多知识和想法都很理想化。现在我认为自己锻炼得更‘工程’一点了。可以根据现场的突发问题分析原因，也学习、积累到了很多以前看书根本发现不了的问题”。

　　7月27日凌晨4点多，在北京八通线梨园站，团队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，世界首套是你们做出来的！你们成功了！”

　　“可以毫不夸张地说，我的学生们发挥了70%的作用。”说起学生的功劳，杨中平这样说。他表示，在科研过程中，老师只是指引方向，实际上同学们有很强的实践能力。他们可以很好地执行老师的战略意图，虽然平常看上去没有那么乖，但是遇到问题就能爆发无限的潜力，自己很以他们为骄傲。

　　“一代更比一代强，现在的年轻人早已超过了我们，我也愿意被他们超越。只要给他们足够的条件和环境，他们就可以担起来重任。”杨中平说。

　　中青报·中青网记者 叶雨婷 来源：中国青年报