储能式轻轨交通系统技术应用前景分析
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摘 要 针对当前轨道交通面临的节能重大课题，本文介绍了一种适应于中小运量的低成本、高效、绿色、智能的新型储能式轻轨交通模式，并阐述了该系统的构成、特点及核心技术。从技术和经济方面分析，探讨储能式轻轨交通系统在城市轨道交通中的应用前景。
关键词 储能式 轨道交通 高效 能耗
中图分类号：U29 文献标识码：A
1 应用背景
随着我国城市化进程的不断推进，城市规模迅速扩张，城市交通拥堵成为制约城市发展的突出问题。轨道交通由于具备能耗低、污染小、时刻准、速度快等诸多特点，已成为解决城市交通拥挤最有效的方式。
与传统有轨电车相比，储能式现代有轨电车采用超级电容作为储能元件，能够无接触网运行。以超级电容作为储能元件的目的是实现能量的高效利用和循环利用，在车辆制动时可以将80%以上的制动能量即时回收，达到绿色节能的双重目标。另外，地铁因其造价高昂，需要有雄厚的财政实力做支撑，基本局限在省会城市。相比而言，储能式轻轨交通系统更适合在全国中小城市范围内推广，具有更广阔的产业空间。
2 储能式轻轨交通系统功能定位
按照我国城市轨道交通工程项目建设标准《建标104-2008》①规定，每小时单向客流量在1～3万人次为中运量，适用于城市城区人口规模不低于150万人；3万人次以上为大运量，适用于城市城区人口规模不低于300万人。目前，中小运量轨道交通系统一般采用轻轨车辆或有轨电车。随着超级电容技术的不断发展进步，超级电容在城市轨道交通中的应用越趋成熟，储能式轻轨交通系统已成为城市轨道交通未来发展的一种趋势。它适用于中心城市中小运量轻轨交通；可实现全线无供电网高效运行；可实现能量高效、循环利用；全面改善城市景观与交通安全。
3 储能式轻轨交通系统的特点和核心技术
3.1 储能式轻轨交通系统三大特点
3.1.1 最高效的能源利用
3.2 储能式轻轨交通系统五大核心技术
3.2.1 大容量、高比功率、高比能量超级电容器件
超级电容是与电解电容相似的电物理过程，没有化学反应过程，不会像电池那样内部产生气体，更安全可靠；功率容量为电池容量的20倍，并比蓄电池具有更高的功率密度（可达18KW/kg数量级）。
3.2.3高效、低噪永磁同步电机驱动
永磁同步驱动技术可以大大提高驱动系统的效率，在整个调速范围内都可以保持较高的效率和功率因数。在整个速度范围内，相比异步驱动系统效率提高3～5个百分点，④实际使用工况下可节能10%以上。未来如采用直接驱动永磁同步电机技术，可进一步提高传动效率2～3个百分点，并能显著降低车辆重量和减少机械维护成本，同时提高减振降噪性能。
3.2.4 机、电、磁轨式智能控制复合制动系统
（1）常用制动。采用电制动优先、电制动不足时由机械制动补足的智能控制的混合制动方式。
（2）速度低于5km/h时，平稳的施加机械制动取代电制动。
3.2.5 基于能量最优运营模式的自动驾驶控制系统
4 经济效益和社会效益分析
4.1 初步经济效益分析
4.1.1 建设成本低
由于取消了接触网或第三轨的供电线路，且无需考虑钢轨杂散回流电流的处理措施，可大大降低线路和供电系统的初期投资。目前国内地铁架空接触网供电系统的初期建设成本大约在3 850万/公里⑤以上，储能式轻轨交通系统的成本，根据列车编组的不同大约在600～1000万元/公里之间，每公里初略测算至少可降低3 000万元以上。线路允许弯道较小（50 m
4.1.2 维护成本低
无论采用接触网还是接触轨，由于接触线/接触轨存在磨耗，每列车按2个受电弓核算30年寿命周期内需要更换数十万元的滑板；每列车按20个三轨受流器核算30年寿命周期内需要更换上百万元的滑块。同时，还需要定期维护受电弓和三轨受流器，对供电网实施定期维护、调整和保养。而储能式轻轨供电系统由于车辆进站停车时受电，基本无集电器电磨耗和机械磨耗，理论上可以做到全寿命周期免维护。
4.1.3 运营成本低
储能式现代有轨电车是以储能电源为主动力源，并设计有制动能量回馈系统，采用“制动即充电”模式，使得车辆一次能够回收80%以上的制动减速能量，实现能量的循环利用和高效利用，节能效果非常明显。与既有城轨车辆相比，牵引能耗有望降低30%左右。
4.2 初步社会效益分析
4.2.1 完善我国城市轨道交通运输方式
传统的轮轨交通运量大、速度快，已经成为城市公共轨道交通的主要模式。但在环境要求高的地方，需建设隔音墙降低对周边居民的噪音，使传统轮轨交通方式受到一定限制。
储能式现代有轨电车采用弹性轮，有效降低车辆运行的噪音。可作为独立交通系统，适用于中小客流城市和城郊的大众交通线、大城市中心城区对噪音和选线具有特殊要求的交通线以及风景名胜区的旅游交通线。
4.2.2 提升我国在国际合作计划项目中的竞争力
近年，我国轨道交通的建设，用短短数年的时间，走过了发达国家几十年的道路，形成了巨大的影响（下转第204页）（上接第179页）力。同样，我国轨道交通装备制造业也得到了世界认可。
储能现代有轨电车技术建立在已有轨道交通装备基础上并加入个性专有化技术，因此，若在其个性专有化技术上取得完全突破，无疑可提升我国在该行业的整体实力，进一步增强国际影响。
4.2.3 促进我国节能减排及和谐社会的建设
与传统轨道交通方式不同，储能现代有轨电车具有环境友好、适用性强、安全可靠、可维护性和可用性高、成本低等优势。因此，储能现代有轨电车对促进我国节能减排及和谐社会的建设具有非凡意义。
综上所述，由于储能式轻轨交通系统投资成本较低，初步测算每公里仅为1～2亿元，建设周期短（2～3年），环境友好，运营成本低，较适合中小运量的城市和郊区运营。据统计资料，我国人口在100～300万之间的中小城市近百个，推广应用前景将非常广泛，将成为建设两型社会的主流交通模式之一。
注释
① 沈景炎，秦国栋等.建标104-2008《城市轨道交通工程项目建设标准》[S].北京：中国计划出版社，2008.
② 杨颖，陈中杰.储能式电力牵引轻轨交通的研发[J].电力机车与城轨车辆，2012（5）.
③ 桂长清.新型贮能元件超级电容器[J].船电技术，2003（1）.
④ 冯江华.轨道交通永磁同步牵引系统的发展概况及应用挑战[J].大功率变流技术，2012（3）.
⑤ 陈进杰，陈锋等.城市轨道交通全寿命周期成本分析[J].交通运输工程学报，2010（2）.