城轨地面储存型再生能量利用技术国内外标准解读

胡 斌

（中国铁路设计集团有限公司，天津 300308）

当前，储能技术种类多样、应用广泛。国内外关于储能技术，已经形成了多部标准，对于储能元器件本体、模组，储能系统变流器，电池管理系统(BMS)或电容管理系统(CMS)，运行指标，安全性要求等多个方面进行了系统的阐释和规定，很好地规范了产品生产以及工程设计、建设、运营等各个环节。

在城市轨道交通领域，储能技术主要应用于以下两方面。

1) 列车剩余再生制动能量的存储和再利用。蓄电池储能技术的优势在于蓄电池本身具有很大的能量密度，这是其他储能元件难以企及的，在需要储备较多能量的场合采用蓄电池储能非常合适。但是功率密度相对小、寿命短、废弃蓄电池难以处理是限制蓄电池技术进一步发展的短板，特别是在城市轨道交通领域，车辆的牵引和制动能量多为脉冲型，具有功率大、持续时间短的特点。所以，将蓄电池应用于城市轨道交通显得并不十分适合。相对地，超级电容器具备功率密度高、充放电速度快、循环寿命长、低温性能好等特点。在目前的技术条件下，对于城轨列车这种负荷短时间内变化较大的牵引运控系统，是更契合其能量需求的储能元件。

北京试点应用了超级电容储能、飞轮储能和超级电容+电池混合储能等技术，青岛、广州、深圳等地试点应用了超级电容储能技术，目前尚未有全线采用储能型列车再生制动能量地面利用系统的工程应用先例。

2) 车载储能系统，作为列车牵引动力来源的一种形式，受储能元器件本身的能量密度限制，目前多应用于有轨电车等中低运量的轨道交通形式，储能元器件多采用超级电容或蓄电池，如广州海珠线有轨电车、深圳龙华线有轨电车采用超级电容储能型，南京麒麟线有轨电车采用蓄电池储能型。

住建部于2019年颁布了行业标准CJJ/T295-2019《城市有轨电车工程设计标准》，在其中的车辆篇章，规定了有轨电车的供电方式可采用“车载储能装置无接触网供电”；牵引供电篇章规定，有轨电车牵引供电制式可采用“车载储能装置供电、钢轨或电缆回流方式”；从而为车载储能系统在有轨电车行业的应用，提供了标准依据。文献[1-2]针对车载储能系统对车辆本身和供电系统的影响进行了分析，本文不再详述。

综合成本、安全性、节能效果等方面的考虑，中国尚未在城轨供电系统中大规模应用储能技术，可参考的对口标准，也仅有 GB/T 36287-2018《城市轨道交通列车再生制动能量地面利用系统》[3]，未形成行业内认可度高的行业标准或企业标准；相对地，国际电工委员会 IEC和电气与电子工程师协会 IEEE分别于 2017年颁布了 IEC 62924(2017-01)Railway applications-fixed installations-stationary energy storage system for DC traction systems[4]和IEEE 1887-2017IEEE guide for wayside energy storage system for DC traction applications[5]，用于指导储能型再生制动能量地面利用系统应用的2部国际权威标准。

1 国内外储能标准分类

1.1 按面向对象划分

面向对象，也就是标准的受众，通常可以分为储能元器件制造商、变流设备制造商、系统设备制造商、设计单位、建设单位、施工单位、运营单位等，国内外储能标准按照上述原则可划分为：

1) 面向储能元器件制造商的标准。如 GB⁄T 34870.1-2017《超级电容器 第 1 部分：总则》[6]，GB⁄T 36276-2018《电力储能用锂离子电池》[7]，GB⁄T 22473-2008《储能用铅酸蓄电池》，GB⁄T 32509-2016《全钒液流电池通用技术条件》等。

2) 面向变流设备制造商的标准。如GB⁄T 34120-2017《电化学储能系统储能变流器技术规范》[8]，GB/T 34133-2017《储能变流器检测技术规程》等。

3) 面向系统设备制造商的标准。如GB⁄T 36558-2018《电力系统电化学储能系统通用技术条件》[9]，GB/T 34131-2017《电化学储能电站用锂离子电池管理系统技术规范》等。

4) 面向建设及运营单位的标准。如GB⁄T 36549-2018《电化学储能电站运行指标及评价》[10]，GB⁄T 36547-2018《电化学储能系统接入电网技术规定》等。

5) 面向设计及施工单位的标准。如 GB 51048-2014《电化学储能电站设计规范》[11]，美国标准NFPA 855-2020Standard for the installation of stationary energy storage systems[12]等。

1.2 按功能划分

根据标准的不同功能，大致可以分为制造类标准、使用类标准和安全性标准3类。

1) 制造类标准，主要是对产品生产流程、制造工艺、试验检测等方面的约束，大致可与面向对象分类中的设备及系统供货商相对应。

2) 使用类标准，主要是将出厂设备产品应用于不同行业设计、建设、运营等具体工程中的约束，大致可与面向对象分类中的设计、建设、施工、运营相对应。

3) 安全性标准。储能技术的应用，一个非常重要的内容就是安全性要求。储能系统一旦起火，会造成很大的经济损失和人员伤害，另外给消防救援也带来非常巨大的挑战。针对上述问题，国际上近几年颁布了多部专门针对储能元器件和储能系统安全性的标准，用以强化对其安全性的约束，举例如下：

IEC 62619-2017Safety requirements for secondary lithium cells and batteries，for use in industrial applications；

IEC 63056-2020Safety requirements for secondary lithium cells and batteries，for use in electrical energy storage systems；

IFC 2018International fire code-chapter 12 energy systems；

UL1973-2018Standard for safety batteries for use in stationary；

UL9540-2020Standard for safety energy storage systems and equipment；

UL9540A-2020Standard for safety test method for evaluating themal runaway fire propagation in energy storage systems；

CEC-2018Best practice guide-battery storage equipment-electrical safety requirements。

1.3 按行业领域划分

储能技术在中国的应用领域广泛，特别是电网和电动汽车领域的标准体系最为成熟完善，资料显示，已颁布的标准中国家标准51项，行业标准60项，地方标准48项；全球各主要国家也都在积极探索储能标准体系的建设，国际上常用的储能标准共有14项。

在城市轨道交通储能领域，可查到的国内外标准包括 GB/T 36287-2018《城市轨道交通列车再生制动能量地面利用系统》、IEC 62924(2017-01)Railway applications - fixed installations-stationary energy storage system for DC traction systems、IEEE 1887-2017IEEE guide for wayside energy storage system for DC traction applications等3部。

1.1和1.2节中提到的储能标准，虽然不是针对城市轨道交通领域，但很多技术要求、试验内容及方法、评价标准等内容，值得城市轨道交通领域，特别是再生制动利用系统借鉴。例如GB/T 34131-2017 《电化学储能电站用锂离子电池管理系统技术规范》是电网行业针对储能电站用锂离子电池管理系统(BMS)的技术规范，但其中诸多关于功能要求、检验和试验项目的条款，均可在城轨超级电容储能元件管理系统(CMS)中参考使用。

但是，由于行业特点不同，部分标准的内容并不适用城轨应用工况，例如GB⁄T 34120-2017《电化学储能系统储能变流器技术规范》中储能变流器(PCS)定义为“连接于电池系统与电网(和/或负荷)之间的实现电能双向转换的变流器”，城轨牵引网为DC 1 500 V或DC 750 V电压制式，对于电池或超级电容等储能介质，储能变流器需采用DC/DC变换型，与电网逆变上网+整流下网的使用方式不同。

2 城市轨道交通储能系统的定义及构成

关于储存型再生制动能量地面利用系统的定义，GB/T 36287-2018《城市轨道交通列车再生制动能量地面利用系统》第 3.2条给出，将列车制动时注入直流牵引网中的多余制动能量储存到储能单元中，需要时再将能量释放出来供列车使用的能量处理系统。

根据GB/T 36287-2018中6.3条的规定，城市轨道交通储存型再生制动能量地面利用系统是由直流隔离开关、直流电抗器、双象限变流器、直流接触器、储能单元等部件组成，如图1所示，此外还应包括测控系统、能量管理系统等。

图1 储存型再生制动能量地面利用系统典型拓扑Figure 1 Typical topology for wayside storage system for vehicle braking regenerative energy utilization

直流隔离开关实现双象限变流器与直流负极母线的隔离；直流电抗器完成与直流母线的滤波及限流功能；双象限变流器实现直流电能的双向流动，从而实现直流电压升压或降压变换功能；直流接触器实现双象限变流器与储能单元间的隔断、保护功能；储能单元是直流电能的储存部分(储能介质有超级电容、电池、飞轮等)。测控系统和能量管理系统完成对整套系统的测量、保护、控制及能量管理等。

需要说明的是，GB/T 36287-2018标准中储能介质特指超级电容器，其他储能介质如飞轮与上述拓扑不同。

3 城轨储能标准解读

3.1 GB/T 36287-2018《城市轨道交通列车再生制动能量地面利用系统》解读

GB/T 36287-2018《城市轨道交通列车再生制动能量地面利用系统》于2018年6月7日发布，2019年1月1日开始执行，该标准由国家铁路局提出，全国牵引电气设备与系统标准化委员会归口；规定了城市轨道交通列车再生制动能量利用系统的环境条件、供电条件、系统构成、技术要求、检验办法、检验规则等内容，适用于回馈型、储存型和混合型再生制动能量地面利用系统。

按照第1部分的标准分类原则，该标准应属于城市轨道交通领域面向系统设备制造商的制造类标准。

标准提出的系统环境条件见表1。

表1 再生制动能量地面利用系统使用环境条件Table 1 Environmental conditions for wayside system for vehicle braking regenerative energy utilization

表1中的环境条件可满足中国大部分地区的城轨实际使用工况，且与变电所其他供电设备的环境要求保持一致。

技术要求部分是本标准的核心内容，该部分分为7.1功能要求和7.2性能要求，性能要求中又可分为通用性能要求和储能系统的特殊性能要求。

在功能要求中，包括了回收电能功能、稳定直流网压功能、通信功能、数据采集、事件记录及存储显示功能、热待机功能、与车辆配合功能、保护功能、安全联锁功能、调试功能和计量功能。其中回收电能功能、稳定直流网压功能、热待机功能、与车辆配合功能属于整个装置接入城轨供电系统后的整体功能，其他属于装置本身应具备的功能。

在功能要求中，对部分功能的实现描述不太具体，例如与车辆配合功能在标准中描述为：“再生制动能量地面利用系统不应影响列车正常制动工作，如车辆配置有车载电阻制动系统，应考虑与车辆车载电阻制动系统的配合。”但是车—地之间应该如何配合才能达到系统功能，特别是回收电能和稳定直流网压的最优，没有说明条款；再如，计量功能在标准中描述为：“再生制动能量地面利用装置应能在交流侧或直流侧对回收电能进行计量。”但是，并没有对计量点设置位置、具体的计量内容和计量精度要求等作出明确规定。

在性能要求中，标准对整个装置的电气性能指标要求做了比较详细的规定，能够较好地指导设备制造和采购环节，主要的电气性能指标见表2。

表2 再生制动能量地面利用系统主要电气性能指标Table 2 Main electrical performance index of wayside system for vehicle braking regenerative energy utilization

此外，本标准储能介质特指超级电容器，不含电池、飞轮等。标准中规定了电容量、等效串联内阻、高低温性能、电压保持能力等超级电容特殊性能要求。但是，标准对装置的防火及安全性能，仅有对使用材料的定性规定和储能元件放电以保证人身安全的要求，缺乏对整个系统特别是储能元器件安全性的具体描述；对系统整体和内部各部分的设计使用寿命，也没有条文规定，这些是标准后续修订版本建议更新完善的地方。

标准的第8部分检验方法和第9部分检验规则，是对储能系统型式试验、出厂试验和现场试验相关方法和内容的规定，标准中对不同储能系统的试验项目、检验分类、技术要求和检验方法等采用表格的形式一一列出，层次清晰，使读者一目了然，例如，储能单元试验项目见表3。

从表3可见，储能单元仅在产品的型式检验中有4个试验项目，出厂检验和现场检验不做要求，并且没有储能单元的安全性试验。考虑到城轨的实际应用环境，建议在型式检验和出厂检验部分，参照 GB⁄T 34870.1-2017《超级电容器 第1部分：总则》补充如短路放电试验、循环寿命试验、过放电试验、过充电试验、穿刺试验、挤压试验、振动试验、加热试验、温度循环试验等试验项目，其中出厂检验可根据用户需求做部分试验内容。

表3 储能单元试验项目Table 3 Energy storage unit experiments

另外，有资料显示，之前有发生过变流器运行时，其噪声电压造成电池管理系统 BMS的损坏，进而造成整个储能系统起火的案例。而本标准中缺少针对储能元件管理系统(CMS)的试验项目，这也是后续标准更新建议考虑纳入的内容。

3.2 IEC 62924(2017-01) Railway applicationsfixed installations-Stationary energy storage system for DC traction systems解读

IEC 62924是国际电工委员会(轨道电气化设备及系统)于2017年针对直流牵引系统地面储能装置颁布的标准，这是国际电工委员会在该领域的首部标准，面向的对象是用户及设备制造商。

标准的架构与GB/T 36287-2018类似，由基本定义、系统构成、使用条件、技术要求、检验办法及检验规则等部分组成。但与国家标准不同的是，IEC 62924专门设置了第6章“Investigation before the installation of stationary ESS”，要求在实际采用之前通过仿真或样机挂网实测的方式，确定储能系统的安装容量、安装位置，并对节能效果、与其他系统的配合等做出评估，并且在附录A中对仿真方法和线路实测内容进行了详尽的规定；可见，该标准对地面储能系统的理论分析要求较高，值得借鉴。

该标准在系统构成方面，给出了通用的电路拓扑，如图2所示。

图2中，ESU表示储能单元(energy storage unit)，可以是电池、电容或者飞轮；ACTB表示连接储能单元和直流母线的装置，ESU和ACTB共同组成储能系统ESS。与国家标准不同的是，本标准将ACTB分为两种。

图2 地面储能系统通用电路拓扑Figure 2 Common system configuration of stationary ESS

1) 采用储能变流器作为ACTB，通过对电力电子器件的控制，实现充放电电流、电压、功率、时间的可控；

2) 不设置储能变流器，整个储能系统的充放电过程不可控，仅靠直流母线和储能单元之间的压差实现充放电过程的转换，充放电电流的大小与整个系统的阻抗参数相关，且在正负极分别设置断路器保证回路安全。

在中国城市轨道交通应用工况中，供电系统阻抗参数复杂，安全要求高，且需根据列车运行情况及直流网压等决定储能装置的充放电状态；所以，不论从安全可靠性还是从智能化程度考虑，仅设置断路器作为ACTB都是无法满足使用要求的，储能变流器不可或缺。

在本标准的技术要求部分，第7.1.1.7条要求储能系统的充放电过程应遵照执行附录C中的周期循环工作制，并对典型应用给出了示例和图示。相对而言，GB/T 36287-2018中仅对断续周期工作制和周期峰值功率做出了规定，详尽程度不及IEC 62924，表4给出了附录C中周期循环工作制储能系统充放电要求和典型应用。

表4 周期循环工作制储能系统充放电要求和典型应用Table 4 ESS duty cycle charge/discharge requirement and typical application

此外，本标准技术要求的7.1.6条，对储能单元的寿命做出了明确的规定，认为对寿命的建模，首先需要明确储能系统的周期循环工作制；对于储能元器件的寿命，可用容量下降、内阻上升或循环充放电次数作为判定依据，但具体的数值标准中没有明确给出，而是由用户和制造商协商确定。

标准的检验办法及检验规则部分和 GB/T 36287-2018基本保持一致，不再赘述。

3.3 IEEE 1887-2017 IEEE guide for wayside energy storage system for DC traction applications解读

IEEE 1887是国际电气与电子工程师协会轨道交通标准委员会于 2017年颁布的标准，用以指导工程师设计出技术经济性最优的储能系统方案。标准共分为13章，主要从应用、技术、经济性、建模仿真、性能、安全性、安装集成、试验验证等方面对地面储能系统进行了阐释。不同于GB/T 36287-2018和IEC 62924(2017-01)，IEEE 1887中更多是定性语句的描述，没有定量的数值规定，标准的整体架构也与国标和IEC标准有很大区别，在实际的工程应用中，仅可用于参考。

标准的第4章介绍了城轨储能系统的应用工况，包括了能量回收，电压、负荷、频率调节，应急牵引电源，峰值功率抑制等；并且对各种应用条件进行了详细的定义和说明，例如，能量回收(energy recovery)就是利用储能系统吸收掉本应车载或地面电阻耗散的能量，且在牵引时释放这部分储存的能量。由此可以得出，再生制动能量应优先由临近的牵引车辆吸收，仅在线路其他车辆无法吸收时储能系统才应介入，不应出现储能系统“抢能量”的情况。

标准中关于装置的经济性专门设置了独立的篇章介绍，即标准的第8章“Economic consideration”。该章着重进行了成本—效益分析，即采用“净现值”(NPV)等方法，考虑通货膨胀和能源成本上升等因素，在同一时间段范围内(15～30年)对不采用储能系统和采用进行比较，涵盖以下内容：

1) 建设期：设备费；安装费；接口许可费。

2) 运营期：节能效益；运行能耗；维保成本。

3) 资产利旧。

4) 报废费用：设备退役；设备回收和处置。

此外，该章还专门针对储能对牵引站扩容改造、车载或地面电阻的影响进行了分析。储能系统全寿命周期的经济性分析是一个复杂的问题，结合中国城轨的实际情况，建议还应增加装置对车站和隧道通风系统的影响、对列车机械制动系统的影响以及对牵引供电系统的影响等方面的综合分析。

4 结论及建议

通过对国内外标准的分类，以及对城轨储能标准的解读，可以得到以下结论：

1) 中国电化学电池储能元器件、储能系统及应用等全产业链的标准体系完善，而超级电容相关的标准尚未形成完整的标准体系。

2) 国际标准对于储能系统的安全性标准更为丰富和严苛，且集中在近5年内颁布，反映出对储能系统安全性要求越来越高，中国各标准中虽然对储能系统的安全性有要求，但仍需强化。

3) 中国电网及电动汽车领域的储能技术标准体系成熟完善，城市轨道交通领域的国内外标准均较少，应加强标准体系建设，当前可借鉴其他行业成熟标准体系的要求，指导城市轨道交通领域储能系统的工程应用。

4) GB/T 36287-2018《城市轨道交通列车再生制动能量地面利用系统》是城市轨道交通领域地面储能系统的国标，整个标准思路清晰完整，可以作为工程指导，但部分细节的要求不够具体，超级电容的安全性要求不充分，建议在后续标准版本中完善。

5) IEC 62924(2017-01)Railway applications-fixed installations-stationary energy storage system for DC traction systems中对于理论分析的要求较高，标准中仿真方法和线路实测内容、周期循环工作制的定义以及储能单元寿命的评价均值得借鉴。

6) IEEE 1887-2017IEEE guide for wayside energy storage system for DC traction applications中应用工况、经济性考虑方面有一定的借鉴价值，其他内容定性描述较多，工程可参考性不强。