城市轨道交通网络是巨大的动力消耗体系。本文提出了一种依据液氢与超导磁储能(SMES)-电池储能(BES)混合储能体系(HESS)的新式城市轨道交通氢电混合动力体系。研讨标明，所提出的SMES-BES混合储能技能可以为地铁频繁的加快/制动进程供给有用的能量补偿与转化。该城市轨道交通氢电混合动力体系整体计划可有用使用可再生动力剩下电能及地铁再生制动发生的能量糟蹋，并为周边基础设施出产清洁氢气。经济性剖析标明：SMES-BES混合储能体系的出资收回期约为9年（含贴现率），而整套城市轨道交通氢电混合动力体系的出资收回期为14.6年（含贴现率）。综上所述，选用SMES-BES混合储能技能的新式氢电复合动力体系，可明显进步城市轨道交通体系的动力使用功率与协调才能，并推进铁路体系与清洁动力的深度交融。

引言

作为城市公共交通办法，城市轨道交通具有大运量特点，但能耗问题突出[1]。截至2024年底，中国城市轨道交通运营路程达9306.09公里，总用电量270.33亿千瓦时（牵引用电141.50亿千瓦时），同比增幅8.26%，其间牵引用电占比达52.36%[2]。跟着新线陆续投入运营，整体能耗继续攀升，牵引用电量已创前史新高[3]。因为城市轨道交通站距离较短（一般为1至3公里）且列车制动频繁，制动进程中可发生再生制动能量[4]。相关研讨标明，列车再生制动能量约占牵引用电量的40-60%[5,6]。
城市轨道交通的快速开展引发了对其能耗与碳排放的广泛关注。因而，强调节能降耗、减排增效与清洁动力使用的可继续开展战略已成为交通范畴开展的重要方针[[7], [8], [9]]。这些战略经过优化城市轨道交通供电结构，开发光伏/风电等可再生动力（REs）并将其接入城轨供电网络，一起下降二氧化碳（CO2）排放。2削减二氧化碳排放和电力本钱[10]。另一方面，迄今为止在城市轨道交通中使用能量收回和再生制动技能，仍是下降能耗最直接有用的办法[11]。
直接使用可再生动力为城市轨道交通牵引体系供电已成为最新开展趋势[12,13]。城市轨道交通可使用光伏等可再生动力就近发电，避免远距离输电本钱并进步能效[14]。例如，东日本旅客铁道公司已在东京站设备390千瓦房顶光伏发电体系[15]。美国纽约史迪威地铁站拱形光伏房顶总面积约7,060平方米。2该体系年发电量为250兆瓦时，年二氧化碳减排量达125吨[16]。北京地铁15号线光伏体系总装机容量1.2兆瓦，年均出产绿色电力约125万千瓦时，节约标准煤约406吨，削减CO2排放量削减1,096吨[17]。[18]研讨了高架地铁站房顶光伏体系的潜力，经过优化光伏规划与电池容量以完成最大净现值，然后下降城市交通范畴的碳排放与能耗。
然而，可再生动力普遍具有间歇性与随机性[19,20]。近年来，虽然可再生动力发电的浸透率有所进步，但弃电份额亦同步增长[21]。因而，需装备储能装备以保证运送动力体系的稳定性与可靠性[22]。当前干流储能装备包括机械储能、电化学储能、磁储能等[23,24]。此外，为完成清洁动力的大规划季节性消纳，可进一步选用电制气(P2G)技能出产氢气(H2）以完成长时间贮存与使用[25,26]。例如，文献[27]对一座现场光伏发电驱动的加氢站（HRS）进行了全面的技能经济评估，该站每天为西班牙有轨电车供给160.68公斤绿色氢燃料。2文献[28]提出了一种依据可再生动力的一体化加注充电站概念，并完成了氢-电多动力办理。大容量储氢技能首要包括两种技能途径：高压气态氢（GH2）与低温液态氢（LH2)[29]。其间，高压储气是一种相对成熟且广泛选用的技能计划，但其存在泄漏、爆炸等固有安全危险与局限性[30]。相比之下，液态氢(LH)2相较于高压气态氢(GH)2具有明显优势，包括更高的储氢密度、更低的运送本钱、更少的单位资本投入以及更优的氢气纯度[31]。2, including higher storage density, lower transportation costs, reduced unit capital investment, and superior hydrogen purity [31].
因为再生制动能量无法经过牵引变电站回馈至主电网，残余再生制动能量将导致电压升高，严重影响相邻电网的安全稳定运转[32]。因而，进步再生制动能量使用率不只能有用下降能耗，还能保证列车平稳运转[33]。现在能量收回办法首要包括能耗型、回馈型、储能型及储能+回馈混合型[34]。传统耗能型计划选用大功率电阻吸收列车再生制动发生的能量，并以热能方式耗散[35]。该技能虽具有成熟度高、本钱低、操控简略等优势，但制动能量以热能方式消耗不只形成动力糟蹋，还需装备相应的散热体系[36]。能量回馈办法经过逆变器将再生制动能量反馈至中压环网，但制动能量具有强动摇性与高瞬时放大倍数，会对交流电网形成谐波污染并引发电网电压动摇[37]。
储能办法经过双向变流器将再生制动能量回馈至储能体系（ESS），这是进步体系功率与可靠性、下降能耗的有用解决计划[38,39]。此外，ESS还能支撑变电站为列车牵引供给能量，然后下降变电站的峰值功率需求[40]。研讨者已证明经过ESS完成再生制动能量的再使用及其对削减二氧化碳排放的影响。2例如，东日本铁路公司已在Haijima SS和Okegawa SS设备了储能体系[42]。首年运转数据显现，该储能体系完成的年节能量分别约为400兆瓦时/年和700兆瓦时/年[43]。
轨道交通的储能体系（ESS）首要包括电池储能（BES）、飞轮储能和超级电容储能[[44], [45], [46]]。北京房山地铁线路的飞轮储能体系并网运转，由三组GTR 333 kW飞轮储能设备并联组成的1 MW/4.74 kWh储能体系，日均节电量达1300 kWh[47]。西日本地铁公司在湖西线设备了三套117 kW/39 kWh锂离子电池储能体系，额外电压650 V，日均节能量300 kWh[48]。依据9个月用电量的统计剖析，列车总能耗为4313.85 kWh，超级电容储能体系完成节能1319.72 kWh，节能率达23.4%[49]。
然而，当选用单一模式储能设备收回再生制动能量时，难以一起兼顾高能量密度与高功率密度特性，且需装备冗余容量以满意功率与能量的双重需求，然后导致储能本钱高昂及资源糟蹋[50]。结合城市轨道交通牵引制动特性，将功率型储能与能量型储能相结合，可构建兼具高功率密度、高能量密度及长循环寿数的混合储能体系（HESS）[[51], [52], [53]]。其间，由超级电容器和电池组成的HESS（混合储能体系）在再生制动能量收回中广泛使用，以进步能效并削减电网冲击[54]。北京交通大学研讨团队开发了一套1兆瓦级超级电容器（800千瓦）与锂离子电池（200千瓦）的地面式混合储能设备，并在北京地铁八通线梨园站进行了并网挂网试验[55]，不只完成了节能减排方针，还完成了应急救援测试。值得注意的是，超级电容器存在内部漏电流问题，这会导致能量损耗并加快自放电速率。漏电流还或许引发内部温升，从而导致介质分化、电极腐蚀等环境问题[56]。
可再生动力的间歇性特性与轨道交通的峰值能耗需求，一起催生了对高效、可靠、耐久、经济且环保的储能技能的火急需求[57]。超导磁储能体系（SMES）具有三大运转特征：（1）超导材料可完成零电阻损耗载流；（2）电流可以发生磁场；（3）磁场作为能量载体可完成无损存储[[58], [59], [60]]。因为SMES体系不含运动部件，其维护本钱相对较低[61]。超导磁储能体系（SMES）已广泛使用于多个范畴[[62], [63], [64]]，包括微电网、交直流电力体系、混合动力电动汽车、可再生动力（风能/光伏发电）、燃料电池技能等。在交通范畴，SMES技能在轨道交通再生制动能量收回方面展现出巨大潜力，可削减蓄电池充放电次数并延伸其使用寿数。例如，文献[65]提出了一种新式SMES技能，研讨标明选用该技能的再生制动体系具有极高的循环功率。文献[66]提出将SMES作为储能体系（ESS）使用于日本铁路体系，并证明了SMES体系能有用滑润再生功率动摇。
此外，研讨标明，SMES与BES混合储能体系结合了SMES的快速功率补偿才能和BES的高能量密度特性[67,68]。文献[69]提出了一种用于微电网功率稳定的SMES-BES混合储能体系，该体系装备维护电池免受功率骤变影响的操控战略，可延伸电池使用寿数。[70]在太阳能光伏供电的电动汽车充电站中提出了一种混合SMES-BES体系，经过选用可下降电池峰值电流的操控战略来按捺瞬态功率动摇，然后进步电池寿数。针对高速铁路变电站的功率动摇按捺问题，研讨人员开发了选用频域操控战略的混合SMES-BES体系[71]。然而，大容量SMES-BES混合储能体系在出资本钱、运转本钱及低温环境维持方面仍面对挑战[72]。
为了战胜这些问题，超导磁储能体系（SMES）或许需要与具有更高能量容量的电池储能体系（BES）协同工作，一起使用液氢（LH）2作为冷却介质和长时间储能燃料的双重功用。然而，依据我们对已有研讨工作的全面调查，现在关于城市轨道交通范畴液氢（LH）2与SMES-BES混合储能技能的文献仍属空白。
为添补上述研讨空白，本文提出了一种新式城市轨道交通氢电混合动力体系，该体系选用液氢与超导磁储能-电池储能(SMES-BES)混合储能体系(HESS)相结合的设计计划。本文的首要创新点与贡献如下：
(1)针对城市轨道交通使用，本文提出了一种选用SMES-BES混合储能体系技能的氢电混合动力创新计划。该体系直接使用可再生动力为地铁供电，并经过SMES-BES混合储能体系吸收再生制动能量。富余的可再生动力经过电解设备制取H2一起，LH2还作为超导磁储能体系中超导材料的冷却介质。从SMES体系输出的LH2经进一步气化后，可为加氢站及燃料电池(FCs)供给氢燃料。
（2）为研讨能量补偿与办理问题，建立了SMES-BES混合储能体系模型及地铁列车在加快、巡航、惰行和制动阶段的牵引供电模型。相较于单一电池储能体系，SMES-BES混合储能体系能为地铁供给更优质的电能供给，并展现出经济效益优势。
（3）以上海轨道交通2号线为实际事例，对提出的氢电混合动力体系及配套基础设施进行了研讨。经过构建包括光伏组件、电力转化设备、电解设备、液化设备、液氢储罐与气化设备的经济模型，一起考虑加氢站（HRSs）、燃料电池（FCs）及电动汽车（EV）充电站等本钱要素，研讨标明：选用氢电混合动力体系的城市轨道交通具有合理的经济效益。2（3）以上海轨道交通2号线为实际事例，对提出的氢电混合动力体系及配套基础设施进行了研讨。经过构建包括光伏组件、电力转化设备、电解设备、液化设备、液氢储罐与气化设备的经济模型，一起考虑加氢站（HRSs）、燃料电池（FCs）及电动汽车（EV）充电站等本钱要素，研讨标明：选用氢电混合动力体系的城市轨道交通具有合理的经济效益。

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