鐵路節(jié)能新技術(shù)應(yīng)用前景分析

王永澤

（中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司 節(jié)能環(huán)保勞衛(wèi)研究所，北京 100081）

隨著國家對能源節(jié)約和綠色發(fā)展的不斷重視，目前市場上節(jié)能新技術(shù)層出不窮，已經(jīng)逐漸成為促進社會進步和可持續(xù)發(fā)展的重要手段。鐵路作為當(dāng)今社會發(fā)展的重要行業(yè)之一，其能源消耗量雖然占國家整體能源消耗總量比例不高，但整體消耗總量不容忽視。鐵路節(jié)能新技術(shù)創(chuàng)新在推動鐵路綠色發(fā)展方面正在發(fā)揮重要作用。

1 國內(nèi)外鐵路節(jié)能新技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

鐵路運輸涉及機輛、工務(wù)、供電、通信信號等多個專業(yè)，設(shè)備、組織、人員眾多，鐵路能源消耗主要分布在牽引用能和非牽引用能領(lǐng)域，因而鐵路節(jié)能新技術(shù)的研發(fā)和推廣應(yīng)用也主要集中在以上2個領(lǐng)域。

德國、法國、日本、美國等國外發(fā)達國家在鐵路節(jié)能技術(shù)創(chuàng)新方面位于世界前列，采用了包括優(yōu)化機車駕駛方式、研發(fā)混合動力牽引設(shè)備和可移動儲能設(shè)備、輕量化車體材料、氫燃料電池等新型動力機車、客運站整體節(jié)能技術(shù)、自營電力及智能化電網(wǎng)技術(shù)、新能源技術(shù)，以及采用先進的機車調(diào)度系統(tǒng)等多種節(jié)能創(chuàng)新技術(shù)[1-4]，以上技術(shù)綜合了先進的信息科學(xué)技術(shù)和能源解決方案，能夠有效提高鐵路能源利用效率，減少能源消耗量。其中，部分節(jié)能創(chuàng)新技術(shù)已經(jīng)在國內(nèi)有所應(yīng)用，國外鐵路節(jié)能創(chuàng)新技術(shù)對于我國鐵路新技術(shù)研發(fā)具有參考和借鑒意義。

我國高速鐵路飛速發(fā)展，和諧號、復(fù)興號高速列車大量投入使用，鐵路運營里程和沿線大型客運站數(shù)量快速增長，鐵路運輸量持續(xù)上升，給節(jié)能管理工作帶來重大挑戰(zhàn)。節(jié)能技術(shù)作為促進鐵路節(jié)能降耗的有效手段，經(jīng)歷了由單一到綜合、由試點到推廣的發(fā)展過程。建筑防護結(jié)構(gòu)改造、綠色照明技術(shù)、空氣源熱泵技術(shù)、光伏發(fā)電技術(shù)、冷熱電三聯(lián)供技術(shù)、空調(diào)節(jié)能技術(shù)、節(jié)能型牽引變壓器節(jié)能技術(shù)等先后應(yīng)用于鐵路，部分節(jié)能技術(shù)取得了較為理想的節(jié)能效果，但我國鐵路節(jié)能技術(shù)在先進性、綜合性和智能化方面仍有待進一步提高，機車牽引領(lǐng)域節(jié)能等關(guān)鍵技術(shù)亟待突破。因此，傳統(tǒng)的能源管理技術(shù)和方式亟需升級，如何將國內(nèi)外鐵路和市場上先進的節(jié)能新技術(shù)應(yīng)用到鐵路各專業(yè)中，加強節(jié)能新技術(shù)的開發(fā)、引進和吸收，不斷改進和提升既有節(jié)能技術(shù)、提高鐵路整體的能效水平，已經(jīng)成為鐵路行業(yè)節(jié)能減排的重要議題。

為此，通過對目前國內(nèi)外鐵路節(jié)能先進技術(shù)的梳理，對目前我國鐵路各項節(jié)能技術(shù)應(yīng)用效果進行分析，總結(jié)目前鐵路應(yīng)用較為領(lǐng)先且未來值得推廣的節(jié)能技術(shù)，包括永磁同步牽引系統(tǒng)、再生制動能量回收、新能源混合動力型機車等牽引領(lǐng)域節(jié)能技術(shù)，以及能源管控系統(tǒng)等非牽引領(lǐng)域綜合節(jié)能技術(shù)，上述技術(shù)部分已經(jīng)在我國鐵路應(yīng)用且取得了良好的節(jié)能效果，符合國家能源消費改革發(fā)展趨勢，值得繼續(xù)大力推廣；部分在國外已經(jīng)成功應(yīng)用，國內(nèi)也已經(jīng)開展了試驗研究，未來有著良好的推廣前景，能夠為后續(xù)節(jié)能管理工作的開展提供參考和借鑒。

2 鐵路節(jié)能新技術(shù)簡介

2.1 機車永磁同步牽引系統(tǒng)

世界軌道交通車輛牽引系統(tǒng)技術(shù)經(jīng)歷了直流電機牽引系統(tǒng)、交流異步電機牽引系統(tǒng)、永磁同步電機牽引系統(tǒng)3個階段[5]。交流異步牽引系統(tǒng)自20世紀(jì)80年代開始得到大規(guī)模推廣，至今在各類軌道交通車輛中廣泛應(yīng)用。與此同時，永磁同步牽引系統(tǒng)具有高效率、高功率密度、低噪聲、全封閉等優(yōu)勢[6]，相較于交流異步電機牽引系統(tǒng)能耗更低，正逐步取代交流異步電機牽引系統(tǒng)。阿爾斯通、龐巴迪、西門子、日本東芝等公司先后研發(fā)出不同種類的永磁同步牽引系統(tǒng)，已經(jīng)在實際工程中推廣應(yīng)用。我國在長沙、沈陽地鐵線路中有所應(yīng)用[7]，中車株洲所也在高速機車上開展了試驗研究，但尚未實現(xiàn)全生命周期工程化應(yīng)用。

永磁同步牽引系統(tǒng)是機車的動力系統(tǒng)，由永磁電機、牽引變流器、網(wǎng)絡(luò)控制器等組成，其中變流器相當(dāng)于機車的“心臟”，電機好比是機車的“肌肉”，永磁電機主要負(fù)責(zé)傳達動力，完成電能到機械能的轉(zhuǎn)變，帶動列車平穩(wěn)行駛。與其他牽引系統(tǒng)相比，永磁同步牽引系統(tǒng)關(guān)鍵在于采用永磁電機，永磁電機與傳統(tǒng)交流異步電機的最大區(qū)別在于其勵磁磁場是由永磁體產(chǎn)生的，不存在轉(zhuǎn)差。由于異步電機需要從定子側(cè)吸收無功電流來建立磁場，因而用于勵磁的無功電流導(dǎo)致?lián)p耗增加，降低了電機效率和功率因數(shù)；永磁電機則有效減少了該部分的能耗，體積更小，功率因數(shù)更高，質(zhì)量更輕，因此更加節(jié)能。

2.2 機車牽引供電系統(tǒng)制動能量回饋技術(shù)

機車牽引供電系統(tǒng)制動能量回饋技術(shù)也可稱之為機車再生制動能量回收利用技術(shù)，是電力機車在制動時控制牽引電機的輸出轉(zhuǎn)矩與電機的轉(zhuǎn)速方向相反，從而使?fàn)恳姍C工作在發(fā)電狀態(tài)，并將此時電機產(chǎn)生的電能返送回接觸網(wǎng)或由其他牽引車輛所吸收，系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 機車牽引供電系統(tǒng)制動能量回饋原理圖

不同于傳統(tǒng)的動力制動將制動能量轉(zhuǎn)化為熱量浪費掉，采用這一技術(shù)，在列車制動時可將原本消耗到車載或地面制動電阻上的列車制動能量回饋到35 kV/10 kV等交流公用電網(wǎng)，供給交流公用電網(wǎng)中的其他牽引車輛或其他用電設(shè)備使用，實現(xiàn)能量回收再利用。結(jié)合儲能裝置，反饋到電網(wǎng)的能量可以在客運站的儲能裝置進行儲存，需要時供給車站內(nèi)耗能設(shè)備使用。大部分機車的再生制動能量占機車牽引能耗的30%左右[8]，因而該項技術(shù)的節(jié)能效果較為可觀。

再生制動能量回饋技術(shù)主要包括能耗型、儲能型和能饋型3種方式，其中儲能型和能饋型的回收方式應(yīng)用最為廣泛[9]。儲能型回饋技術(shù)包含電池儲能、飛輪儲能、超導(dǎo)儲能和超級電容儲能，該技術(shù)通過將再生制動能量進行存儲，待需要時釋放給機車設(shè)備或站內(nèi)其他耗能設(shè)備使用，有效提高了能量的循環(huán)利用效率，是近年來再生制動回饋技術(shù)研究的熱點。能饋型回饋技術(shù)包括直接回饋和獨立站點回饋，既可以將能量直接回饋給臨近線路運行車輛，又可將能量反饋到低壓10 kV電網(wǎng)供各站點設(shè)備使用。

2.3 新能源混合動力型機車

新能源混合動力機車包括太陽能、風(fēng)能、氫燃料、電池驅(qū)動、液化天然氣動力及與電力、柴油等傳統(tǒng)能源相結(jié)合的新型動力機車。英國、意大利、德國、比利時、印度、俄羅斯等國家相繼開展不同新能源種類的新能源動力機車研究。其中，太陽能動力機車采用機車頂部鋪設(shè)太陽能電池板的方式，由光伏發(fā)電系統(tǒng)、充電機、升降壓斬波器、直流負(fù)載及供電控制系統(tǒng)等構(gòu)成機車供電系統(tǒng)，為機車內(nèi)空調(diào)、照明和廣播等設(shè)備供電[10]。風(fēng)力機車?yán)描F路沿線的風(fēng)力發(fā)電機為整個機車供電[11]。氫燃料動力機車是氫氣結(jié)合燃料電池一起構(gòu)成機車動力系統(tǒng)，通過氫與氧結(jié)合，經(jīng)由燃料電池產(chǎn)生電力來為機車提供動力[12]。

2.4 鐵路能源管控系統(tǒng)

鐵路能源管控系統(tǒng)架構(gòu)于云計算技術(shù)之上，具有多用戶、分布式管理，海量數(shù)據(jù)存儲，輔助節(jié)能管理、決策等特點，對建筑內(nèi)的供配電、供暖、空調(diào)(新風(fēng))、照明等系統(tǒng)及光伏等可再生能源發(fā)電系統(tǒng)的使用狀況進行實時監(jiān)測、數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析、輔助決策、分散控制，以滿足鐵路節(jié)能管理工作需求為出發(fā)點，通過云服務(wù)的模式對建筑物提供能效分析，發(fā)現(xiàn)能耗漏洞、優(yōu)化能源使用控制策略，進而提高建筑物內(nèi)的設(shè)備管理、能源使用和智能控制水平，在不犧牲人員舒適度的前提下，節(jié)能降耗、延長設(shè)備使用壽命、為智慧建筑提供基礎(chǔ)平臺。鐵路客運站能源管控系統(tǒng)架構(gòu)如圖 2所示[13]。

圖2 鐵路客運站能源管控系統(tǒng)架構(gòu)圖

鐵路客運站能源管控系統(tǒng)以能源管理和節(jié)能決策為目標(biāo)，可以實時采集客運站內(nèi)各類耗能設(shè)備系統(tǒng)的運行信息與能耗相關(guān)的數(shù)據(jù)，通過分析、控制和管理等手段，優(yōu)化用能，消除能源浪費，提高客運站運營管理的效率與服務(wù)質(zhì)量，實現(xiàn)客運站能源消耗的最低成本控制。

3 鐵路節(jié)能新技術(shù)應(yīng)用前景分析

3.1 機車永磁同步牽引系統(tǒng)

機車牽引能耗占鐵路整體能耗的一半以上，一直是影響鐵路節(jié)能管理工作的重要方面。牽引系統(tǒng)是鐵路機車中實現(xiàn)動力驅(qū)動的主要單元，其性能在某種程度上決定了機車車輛的動力品質(zhì)、能耗和控制性能，是鐵路機車車輛節(jié)能升級的關(guān)鍵。因此，改進和創(chuàng)新機車牽引系統(tǒng)是國內(nèi)外軌道交通車輛發(fā)展的方向。根據(jù)永磁同步牽引系統(tǒng)在我國長沙地鐵1號線應(yīng)用運營7個月的測試效果，相較于交流異步牽引系統(tǒng)，采用永磁同步牽引系統(tǒng)的列車節(jié)能效果可達30%。我國中車株洲所將永磁同步牽引系統(tǒng)在CRH380A列車上成功應(yīng)用，標(biāo)志著我國永磁同步牽引系統(tǒng)距離工程化應(yīng)用更近了一步，通過試驗驗證，該永磁同步牽引系統(tǒng)的電機額定效率達到98% 以上，高效的牽引電機有助于降低機車牽引能耗，實現(xiàn)鐵路低碳綠色出行。

目前，永磁牽引技術(shù)已經(jīng)成為新能源汽車、超高速永磁驅(qū)動離心商用空調(diào)、風(fēng)力發(fā)電等領(lǐng)域的核心技術(shù)，能夠帶來巨大的經(jīng)濟效益和社會效益，并為我國綠色、高端制造業(yè)的發(fā)展輸送了新的動力。永磁牽引技術(shù)在軌道交通領(lǐng)域引發(fā)了技術(shù)革命，正成為下一代機車牽引系統(tǒng)主流研制方向。永磁同步牽引系統(tǒng)在體積、質(zhì)量、功率密度、噪聲、能耗及維護性方面具有明顯優(yōu)勢，在多地的地鐵列車和高速列車中成功應(yīng)用，但同時也面臨著永磁體失磁、制造工藝復(fù)雜、成本高等問題，在我國鐵路高速列車上的全壽命周期運營還尚未實現(xiàn)。永磁同步牽引系統(tǒng)在地鐵列車的成功應(yīng)用將帶動鐵路機車牽引系統(tǒng)的進步，系統(tǒng)成熟度的不斷提升和制造成本的逐步降低，將有助于該系統(tǒng)憑借節(jié)能環(huán)保的諸多優(yōu)勢，在鐵路機車牽引方面開辟一片新的天地。

3.2 機車牽引供電系統(tǒng)制動能量回饋技術(shù)

在我國，目前高速列車普遍采用的制動方式是再生制動結(jié)合空氣制動方式，其中再生制動方式能夠降低列車運行時能量消耗，是唯一能反饋能量至電網(wǎng)、較為理想的制動方式，因而成為高速動車組的首選制動方式。我國CRH1、CRH3和CRH5型動力分散型的高速動車組和復(fù)興號標(biāo)準(zhǔn)動車組均采用了再生制動技術(shù)。在高速鐵路中，高速動車組具有運行速度較高、功率大及負(fù)載重的特點，列車制動時需要足夠大的制動力以滿足在規(guī)定的安全距離內(nèi)停車的要求，因此制動產(chǎn)生的再生能量也比普速列車要大的多。再生制動能量清潔高效，充分利用列車在起停階段產(chǎn)生的再生電力，可以打造不通過變電站而直接傳輸再生電力的系統(tǒng)。該技術(shù)以最短的線路輸送再生電力，以使產(chǎn)生的再生電力盡可能多地得到利用；研究基于鐵路客運站的回收儲能裝置，將使再生制動能量應(yīng)用于更多的耗能設(shè)備。

隨著我國復(fù)興號標(biāo)準(zhǔn)動車組的廣泛應(yīng)用和交流牽引傳動技術(shù)的發(fā)展，采用再生制動技術(shù)的高速列車在我國應(yīng)用前景更加廣闊。此外，由于地勢特點，我國部分山區(qū)鐵路和重載鐵路存在眾多長大坡道，再生制動能量可觀，電力機車應(yīng)用再生制動后會產(chǎn)生大量再生能量，結(jié)合儲能技術(shù)的研發(fā)和進步，再生制動能量的有效回收利用對于鐵路資源和能源節(jié)約具有重要意義。

3.3 新能源混合動力型機車

低碳化發(fā)展是當(dāng)今世界發(fā)展的趨勢，新能源動力機車能夠改變傳統(tǒng)機車單一的電力牽引或柴油牽引方式，采用新型能源為機車部分牽引和設(shè)備供電，也可配合傳統(tǒng)能源為機車牽引提供混合動力。相比于現(xiàn)有機車牽引用能方式，新能源機車可以改善鐵路能源消費結(jié)構(gòu)，讓鐵路牽引用能結(jié)構(gòu)更加豐富合理。例如，氫燃料動力機車以水作為唯一排放物，具有高效、清潔環(huán)保無污染、無噪聲等優(yōu)勢，目前已在汽車領(lǐng)域和航天領(lǐng)域成功應(yīng)用，隨著成本的逐步降低，未來在采用柴油等傳統(tǒng)能源作為牽引動力和不適宜電氣化改造的線路上，可以采用氫能源動力機車，以有效改善沿線環(huán)境質(zhì)量。此外，我國大部分區(qū)域太陽能資源豐富，光伏技術(shù)的快速發(fā)展為太陽能動力機車的推廣應(yīng)用提供了可能，采用太陽能電池為機車供電的經(jīng)濟效益和環(huán)保效益是十分可觀的，因而將光伏發(fā)電技術(shù)引入機車制造和運營具有積極意義。隨著我國對生態(tài)文明建設(shè)和美麗中國建設(shè)的深入，新能源機車可憑借其清潔、高效、可持續(xù)發(fā)展的優(yōu)勢，在未來的機車牽引節(jié)能領(lǐng)域擁有一席之地。

3.4 鐵路能源管控系統(tǒng)

隨著鐵路客運站數(shù)量的不斷增加，其能耗量也與日俱增。據(jù)調(diào)研，大部分客運站的能源數(shù)據(jù)計量未實現(xiàn)分類分項計量，車站管理人員對客運站能耗數(shù)據(jù)情況掌握不夠全面準(zhǔn)確；客運站水電量統(tǒng)計仍采用傳統(tǒng)的人工抄表方式，費時費力。隨著國家對互聯(lián)網(wǎng)、云計算、大數(shù)據(jù)等新一代信息技術(shù)的重視，以及政府對于大型公共建筑分類分項計量的要求，信息化平臺將是未來鐵路發(fā)展的重要手段，能耗大數(shù)據(jù)分析也是鐵路能源管控系統(tǒng)研究的重要方向。在保證能耗數(shù)據(jù)信息安全的前提下，鐵路能源管控系統(tǒng)憑借其現(xiàn)代化的信息監(jiān)測手段和科學(xué)有效的管控手段，能夠取得較為有效的節(jié)能量，同時為鐵路大數(shù)據(jù)中心建設(shè)和全路能耗數(shù)據(jù)統(tǒng)計提供支撐，在未來鐵路客運站及各站段工區(qū)的能源管理中有著十分良好的應(yīng)用前景。此外，鐵路也在加快制定能源管控系統(tǒng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，為推廣應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一、科學(xué)合理的管控系統(tǒng)提供政策支持和制度保障。

4 結(jié)束語

積極推廣應(yīng)用鐵路節(jié)能新技術(shù)，提高新能源、可再生能源在鐵路行業(yè)的利用程度，是適應(yīng)建設(shè)節(jié)能高效綜合交通運輸體系的需要。節(jié)能技術(shù)作為促進鐵路發(fā)展方式轉(zhuǎn)變的重要手段和促進企業(yè)經(jīng)濟效益不斷提升的有力杠桿，有助于實現(xiàn)節(jié)能項目本身的經(jīng)濟效益，達到節(jié)能減排與節(jié)支增收的有機統(tǒng)一；建設(shè)綠色低碳的鐵路節(jié)能技術(shù)體系，對加快推進鐵路“提質(zhì)增效”總體目標(biāo)、實現(xiàn)鐵路綠色發(fā)展起到積極的促進作用。節(jié)能新技術(shù)能夠有效降低鐵路在建設(shè)和運營期間的能源消耗，優(yōu)化鐵路能源消費結(jié)構(gòu)，加快和推進鐵路發(fā)展，更加充分地發(fā)揮鐵路在節(jié)能減排和綠色環(huán)保方面的比較優(yōu)勢。在鐵路“提質(zhì)增效”和碳交易市場日益興起的大背景下，鐵路節(jié)能新技術(shù)優(yōu)勢明顯，具備十分良好的應(yīng)用和推廣前景。伴隨新興科技浪潮的到來，未來的鐵路節(jié)能可以充分結(jié)合大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等新一代信息技術(shù)，大力開展新能源技術(shù)在鐵路的應(yīng)用，積極研發(fā)新能源動力機車，力爭在節(jié)能技術(shù)發(fā)展方面有更大的突破，為推動鐵路綠色發(fā)展不斷注入新的動力。