無接觸網(wǎng)的軌道車輛動力系統(tǒng)清潔化技術(shù)變革與發(fā)展趨勢

侯大志, 鄭恒亮, 張婧妍, 秦嘉駿, 張凌志, 師瑞峰,3*

(1.中車長春軌道客車股份有限公司, 長春 130022; 2.華北電力大學控制與計算機工程學院, 北京 102206;3.國家能源交通融合發(fā)展研究院, 北京 102206)

軌道交通系統(tǒng)運量大、安全、速度快,能夠為旅客及貨物的運輸提供便利?！秶揖C合立體交通網(wǎng)規(guī)劃綱要》中提出[1],到2035年,中國鐵路網(wǎng)總規(guī)模將達20×104km,建設大公里數(shù)鐵路網(wǎng)的同時也伴隨著龐大的動力系統(tǒng)供給問題。

近年來,軌道交通(包括鐵路交通和城市軌道交通)多采用電力牽引驅(qū)動方式,電力供給來源于電網(wǎng),大多數(shù)電能被用于列車的牽引供電,牽引負荷的大量接入對公用電網(wǎng)的電能質(zhì)量影響較大。隨著儲能系統(tǒng)在軌道交通領(lǐng)域中的迅速發(fā)展,車載儲能牽引是國內(nèi)外很多學者的研究熱點[2-4],是一種極具發(fā)展前景的城市軌道交通運行模式。同時伴隨著大功率燃料電池技術(shù)的高速發(fā)展,實驗研究表明,氫能驅(qū)動的列車具有較高的技術(shù)可行性[5-7],使得氫燃料電池也能夠應用于軌道交通車輛的動力系統(tǒng)[8]。軌道交通車輛采用新型的供電技術(shù)與能源動力,接觸網(wǎng)供電存在天寒掛冰、大風舞動、受電弓拉弧與磨損、受流極限等問題。摒棄傳統(tǒng)的接觸網(wǎng),采用新型供電方式綠色環(huán)保安全,適合現(xiàn)在城市發(fā)展的需要[9],有利于推動交通運輸綠色發(fā)展,促進交通運輸行業(yè)實現(xiàn)節(jié)能、低碳和現(xiàn)代化[10]。

現(xiàn)對現(xiàn)階段中外新能源在軌道交通牽引供電系統(tǒng)中的應用現(xiàn)狀進行綜述,分析目前所存在新能源動力系統(tǒng)和儲能設備的特點;再從多角度分析無接觸網(wǎng)的新能源軌道交通融合所面臨的機遇與挑戰(zhàn),以期為后續(xù)更深入地研究和推廣應用提供參考。

1 軌道車輛動力系統(tǒng)發(fā)展歷史

1.1 中外內(nèi)燃機車發(fā)展史

1860年,法國萊諾伊爾制造出世界首臺實用煤氣內(nèi)燃機[11];1876年,德國科學家奧托又成功研發(fā)出首臺以煤氣為燃料的四沖程活塞式內(nèi)燃機[12]。1897年,德國發(fā)明家狄塞爾成功制造出了世界首臺壓縮點火式內(nèi)燃柴油機[13]。1905年,美國GE公司研制出世界上首臺電傳動內(nèi)燃機車。隨后1910年,美國GE公司研制出世界上首臺柴油機內(nèi)燃機車[14],這是現(xiàn)代內(nèi)燃機車發(fā)展史上重要的里程碑。蘇聯(lián)于1924年制造出了世界上首臺干線電傳動內(nèi)燃機車[15]。1932年,海爾曼費廷爾和克努肯貝格制造出世界上第一臺液力傳動內(nèi)燃機車[16]。1946—1976年期間內(nèi)燃機車發(fā)展日新月異,機車的功率迅速提高,鐵路動力系統(tǒng)也在此實現(xiàn)了現(xiàn)代化發(fā)展。1971年德國制造出了第一臺交流電傳動內(nèi)燃機車,從此交流電傳動技術(shù)獲得了廣泛應用。1977年開始,內(nèi)燃機車發(fā)展進入井噴時期。1984年,首批采用微機控制的內(nèi)燃機車問世,美國Dash8系列和GM60系列機車上大規(guī)模采用此技術(shù),從此微機控制機車逐漸成為內(nèi)燃機車主流方向。

中國內(nèi)燃機車的研制從1958年開始嘗試研制內(nèi)燃機車至今,已經(jīng)取得顯著的成就。1958—1959年,先后試制出4種內(nèi)燃機車[17]。20世紀60—80年代,中國先制造出DFH1型內(nèi)燃機車[18],隨后由大連廠造出DF4型交直流電傳動內(nèi)燃機車,此后又制造了DF4B、DF4C和DF4E系列內(nèi)燃機車。就機車性能比較,DF4型交直流內(nèi)燃機已經(jīng)達到了世界領(lǐng)先水平[19]。90年代初期,中國在內(nèi)燃機車技術(shù)水平投入了大量研究,依托從國外引進的先進技術(shù),研發(fā)16V240ZJD型柴油機與微機控制技術(shù),以DF6和DF11為代表的內(nèi)燃機車采用此技術(shù),其性能、可靠性與經(jīng)濟性都有著顯著的提升[20]。2000年6月大連機車車輛廠制造出國內(nèi)首批交流電傳動干線內(nèi)燃機車DF4DJ型機車,柴油機是與國外合作研制的新型產(chǎn)品,機車技術(shù)水平顯著提高[21]。綜上可以總結(jié)出其發(fā)展歷程如圖1所示。

圖1 內(nèi)燃機車發(fā)展史Fig.1 History of internal combustion locomotive development

內(nèi)燃機車自身攜帶動力源,不依賴電網(wǎng)供電,受外部環(huán)境影響較小,但其多使用化石能源,燃燒供能的過程中會有著大量碳排放和硫化物等污染氣體產(chǎn)生。目前在可替代化石燃料的新能源中,燃料電池與氫氣相組合構(gòu)成的新型動力系統(tǒng)可以替代傳統(tǒng)內(nèi)燃機應用于軌道交通領(lǐng)域,憑借其具有噪音小、污染低等特點被廣泛認可。

1.2 中外電力機車的發(fā)展史

電力牽引交流傳動系統(tǒng)將電能轉(zhuǎn)化成機械能使得機車可以正常運行。

1891年,德國西門子制造出以異步牽引電動機為傳動系統(tǒng)的試驗列車,其通過兩條架空線和一條單獨的軌道構(gòu)建出三相交流電源來進行供電[22]。20世紀50年代,整流器在機車上獲得廣泛應用,電力牽引方式從此進入了新時代。20世紀60年代,各國逐漸開始用新的供能方式向列車供能[23]。20世紀70年代,德國DE2500型異步交流牽引系統(tǒng)機車試驗成功;1983年底,德國又成功研制出世界上首批大功率干線交流傳統(tǒng)電力機車,為此后交流傳動機車的設計研發(fā)打下了堅實基礎,此后電力牽引傳動系統(tǒng)的發(fā)展進入交流牽引的新時代。

中國電力牽引機車的研發(fā)使用已有100多年的歷史,1914年中國首臺直流電力機車在撫順煤礦問世使用[24]。1958年第一臺電力機車成功制造并在國內(nèi)鐵路干線上實地運用。隨著交流牽引技術(shù)的逐步興起,直流牽引技術(shù)在中國逐漸退出歷史舞臺,交流牽引機車開始出現(xiàn)在人們視野當中。20世紀70年代末,中國開始投入到交流牽引技術(shù)研究中,1986年中國鐵路牽引動力戰(zhàn)略改為“大力發(fā)展電力牽引”,1996年由中國自主研發(fā)的AC4000交流牽引系統(tǒng)電力機車誕生[25],開啟了中國電力機車交流牽引傳動的大門并為后續(xù)的發(fā)展打下堅實的基礎。21世紀伊始,經(jīng)過不斷打磨,中國開始生產(chǎn)交流牽引傳動系統(tǒng)的DJ型電力機車[26],同時也投身于動車組的研發(fā)中去,“和諧號”動車組的下線運營和高速鐵路的修建標志著中國進入高鐵時代。綜上,可以總結(jié)其發(fā)展歷程如圖2所示。

圖2 電力牽引傳動機車發(fā)展歷程Fig.2 Development history of electric traction drive locomotives

軌道列車牽引供電方式大多采用的是接觸網(wǎng)供電,其有著供電方式結(jié)構(gòu)簡單、技術(shù)成熟等優(yōu)點,但是長距離輸電造成了大量的電能損耗,且牽引供電系統(tǒng)沒有充分的利用在鐵路沿線分布的大量可再生能源,同時也會影響城市景觀。因此,當前的發(fā)展重點應集中于無接觸網(wǎng)式軌道列車,發(fā)展軌道列車車載能量存儲與利用技術(shù),在提升市容市貌的同時可以更好地增加車輛的靈活性。

2 無接觸網(wǎng)軌道車輛動力系統(tǒng)的應用現(xiàn)狀

軌道交通車輛逐漸由從高速、重載向綠色、智能技術(shù)轉(zhuǎn)型,以鋰電池、超級電容作為車輛牽引動力電源的儲能式無接觸網(wǎng)軌道車輛,能夠美化城市景觀以及實現(xiàn)能量循環(huán)高效利用,更好地實現(xiàn)軌道交通與環(huán)境保護的和諧發(fā)展[27]。從電氣化鐵路能源供給角度提出了新能源接入電氣化鐵路牽引供電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與實施方案,配置新能源發(fā)電、電化學儲能等能源單元后可提升電氣化鐵路牽引供電的靈活性與可靠性[28]。

光伏發(fā)電作為一種可再生能源,將光伏發(fā)電系統(tǒng)就近、合理、有效地并入軌道交通供電系統(tǒng),將對城市電網(wǎng)運行優(yōu)化和軌道交通供電系統(tǒng)的節(jié)能降耗帶來有益效果[29]。氫能軌道車輛,自身攜帶氫燃料電池為主動力源,不依賴地面牽引供電,可實現(xiàn)全程或局部無網(wǎng)運行[30]。

對現(xiàn)有的軌道交通動力系統(tǒng)的應用與研究進行了綜述,主要歸納為4類:鋰電池動力系統(tǒng)、超級電容動力系統(tǒng)、太陽能動力系統(tǒng)和氫能動力系統(tǒng)。

2.1 鋰電池軌道列車動力系統(tǒng)應用現(xiàn)狀

隨著清潔低碳能源的深入推進,各種新型儲能電池不斷涌現(xiàn),目前國內(nèi)軌道交通大部分使用鉛酸和鎳鎘蓄電池作為輔助供電系統(tǒng)[31],但其均含有重金屬,在生產(chǎn)和后期處理過程中會給環(huán)境帶來危害,且車輛運營方在電池壽命到期后的處理成本增加[32]。適用于軌道交通領(lǐng)域的蓄電池具體參數(shù)如表1所示,其應用拓撲結(jié)構(gòu)如圖3所示,由電池、交流電(alternating current, AC)、直流電(direct current, DC)、動力系統(tǒng)(motivation, M)、交流負載、直流負載組成。

表1 常見蓄電池參數(shù)對比[35]Table 1 Comparison of common battery parameters[35]

圖3 鋰電池動力系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Topology of lithium battery power system

鋰離子電池憑借其比傳統(tǒng)鉛酸、鎳鎘電池等更高的能量密度和功率密度,工藝簡單[33]。在城市軌道交通的應用中有著獨特優(yōu)點:配合燃料電池或其他動力源,作為列車輔助電源使用,調(diào)整電池出力從而提高供電效率;作為軌道交通車載儲能供電系統(tǒng),無需接觸網(wǎng)結(jié)構(gòu),提高城市美觀;作為備用電池用于軌道交通自牽引,在車輛供電故障時將車牽引至站點[34]。

中國中車所研制的新型混合動力調(diào)車和新一代碳纖維地鐵在2018年柏林軌道交通技術(shù)展覽會上首次亮相,其動力系統(tǒng)主要由鈦酸鋰電池組成[36]。

中車出口德國的新型混合動力調(diào)車機車,是中車株機完全按照歐洲鐵路互聯(lián)互通規(guī)范標準與德國聯(lián)邦鐵路局入網(wǎng)要求設計的,為德國DB(德國鐵路股份公司)量身定做的調(diào)車機車。機車使用“內(nèi)燃+蓄電池”混合動力技術(shù),當機車停車時,可選擇關(guān)閉柴油機,使用蓄電池保持機車輔助系統(tǒng)處于待命狀態(tài)。相對于普通內(nèi)燃調(diào)車機車,可以實現(xiàn)降低油耗30%以上,大幅度降低污染氣體排放。而當機車下坡減速時,車輛可將自身80%以上再生制動能量回收儲存至蓄電池,實現(xiàn)能量的循環(huán)利用。當車輛處于隧道內(nèi)或者車間內(nèi)等環(huán)境敏感區(qū)域時,可以關(guān)閉柴油機,僅使用蓄電池驅(qū)動機車運行,實現(xiàn)零排放運行。因此,該型車稱得上是“綠色、智能”新型調(diào)車機車的代表。其樣式如圖4所示[37]。

圖4 新型混合動力調(diào)車[37]Fig.4 New hybrid shunting vehicle[37]

如圖5所示,中車新一代碳纖維地鐵車輛是中國的全新一代地鐵,是中國地鐵領(lǐng)域的最新技術(shù)成果,代表著未來地鐵列車的技術(shù)潮流。車輛裝載著由中車生產(chǎn)的儲能系統(tǒng)——鈦酸鋰蓄電池,鈦酸鋰電池的高安全性、高穩(wěn)定性、高功率和長周期,使其能夠在沒有外部供電時也能行駛,可為車輛提供牽引動力行駛15 km,當發(fā)生供電故障時可應急運行,方便在線路和車輛段的“無電區(qū)”行駛[38]。

圖5 新一代碳纖維地鐵[38]Fig.5 New generation carbon fibre metro[38]

2020年和2021年先后開通的廣州黃埔有軌電車1號線和文山州現(xiàn)代有軌電車示范項目4號線,在起始站對動力電池充電,用于通過無供電線路的站間區(qū)間,這樣能夠提升列車的續(xù)航能力和爬坡能力,滿足坡道多、坡道長、坡度陡的線路需求[39]。

與此同時,一些學者研究了鈦酸鋰電池的使用模型和理論。馬樂庭[40]搭建了采用鈦酸鋰電池供電的低地板輕軌車仿真模型,對其儲能供電系統(tǒng)進行仿真驗證,并用實測結(jié)果驗證了其設計的合理性和穩(wěn)定性。段周敬等[41]提出了一種基于軌道交通領(lǐng)域儲能鋰電池的主被動均衡控制策略,有效解決了電池在長期浮充情況下會影響電池壽命和容量的問題,實驗驗證該控制策略在提高電池組實際放電容量上效果良好。

但鋰電池在使用過程,由于軌道列車需求功率大,導致鋰電池體積大、容量大,從而使得電池效率降低以及其損耗的增加,同時運行過程中的風險系數(shù)也會大幅增加[42]。

2.2 超級電容軌道列車動力系統(tǒng)應用現(xiàn)狀

超級電容是一種介于電池和靜電電容器之間的儲能元件[43],與其他儲能方式相比具有較高的能量密度和功率密度,具有充放電效率高、循環(huán)壽命長、無污染等獨特的優(yōu)點[44],超級電容在提高軌道列車供電系統(tǒng)效能及里程中扮演者越來越重要的角色[45]。表2中對比分析了幾種典型儲能方式,圖6為超級電容動力系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)。

表2 典型儲能技術(shù)對比[46]Table 2 Comparison of typical energy storage technologies[46]

圖6 超級電容動力系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)Fig.6 Topology of supercapacitor power system

CAF公司生產(chǎn)的有軌電車在西班牙薩拉戈薩和格拉納達運營[46],超級電容牽引應用在其無網(wǎng)區(qū)段,其中超級電容組采用2.7V/3 000F超級電容集成。2014年中車株洲電力機車有限公司(株機公司)研制出了世界首臺無接觸網(wǎng)100%超級電容儲能式現(xiàn)代有軌電車,如圖7所示,其于12月在廣州海珠線正式運營[47];該款新型有軌電車是一種非傳統(tǒng)受電式、完全采用超級電容儲能電源驅(qū)動的有軌電車。電車不排放廢氣,運行無需架空受電網(wǎng),能在乘客上下車的20、30 s內(nèi)快速充滿電,一次充電后能連續(xù)行駛4 km。列車以及它的核心元器件——超級電容,都為南車株洲電力機車有限公司自主研發(fā)。100%低地板現(xiàn)代有軌電車采用無弓受流、超級電容等尖端技術(shù),地板距軌面僅35 cm,無需站臺,最大運量是公交車的6～8倍,爬坡能力強,最小轉(zhuǎn)彎半徑僅19 m,城市現(xiàn)有道路即可鋪設線路,綠色環(huán)保、低噪音,是當今世界最先進的城市交通系統(tǒng)之一。

圖7 廣州海珠線超級電容列車[47]Fig.7 Guangzhou Haizhu line supercapacitor train[47]

武漢光谷T2線工程線路全長19.192 km,全線不設置接觸網(wǎng),“光谷量子號”列車采用超級電容進行儲能供電,整車儲存能量47.6 kW·h,一次充電可運行10 km以上,最高運行速度可達70 km/h,車輛基地和部分車站設置充電裝置為超級電容充電[48]。2021年7月,由中車株洲所研制的昆明長水國際機場有軌電車“綠海豚”正式開通,采用3組6萬法拉高能量型超級電容供電,如圖8所示,列車超級電容裝置可吸收85%以上制動能量實現(xiàn)能量的高效循環(huán)利用[49]。

圖8 昆明長水國際機場超級電容有軌列車[48]Fig.8 Kunming Changshui international airport super capacitor railway train[48]

Soualhi等[50]提出了一種基于模糊邏輯和神經(jīng)網(wǎng)絡來預測車輛超級電容的健康狀態(tài)。王儉樸等[51]利用恒壓雙向功率流原理,建立了地鐵車輛車載超級電容儲能系統(tǒng)模型,車載超級電容儲能系統(tǒng)的全壽命周期成本計算模型、超級電容壽命計算模型及經(jīng)濟效益計算模型,基于此對車載超級電容配置進行優(yōu)化。張華志等[52]建立列車動力學模型與超級電容模型,以列車系統(tǒng)總能耗最小為目標,建立協(xié)同優(yōu)化列車運行時刻表和運行策略的節(jié)能控制模型;設計動態(tài)規(guī)劃算法,求解列車多區(qū)間運行時刻表和運行策略,結(jié)果表面能耗具有一定的降低。

2.3 太陽能軌道列車動力系統(tǒng)應用現(xiàn)狀

新能源種類繁多,其中風力發(fā)電和光伏發(fā)電系統(tǒng)較為成熟。盡管小型風力發(fā)電系統(tǒng)可以滿足清潔度的需求,但其輸出非常不穩(wěn)定[53];通常,對于風來說,夜間的輸出量高于白天,這與鐵路負荷不匹配,并且風力發(fā)電系統(tǒng)很大,無法使用鐵路線進行布局。

此外,中國也有與電氣化鐵路導致電能質(zhì)量惡化有關(guān)的風電場異常運行的案例[54]。相比之下,太陽能光伏資源有幾個優(yōu)勢:組件小、布局靈活、技術(shù)成熟、能源供應相對穩(wěn)定。此外,光伏輸出集中在白天,與鐵路負荷相匹配,適合將光伏發(fā)電引入鐵路能源供應系統(tǒng)[55]。其車輛動力系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)如圖9所示。

圖9 太陽能動力系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)Fig.9 Topology of the solar power system

軌道交通列車頂部面積較大,為太陽能光伏板的安裝提供良好的場所[56]。此外,將光伏接入軌道交通系統(tǒng)可以就近消納沿線光伏資源,低碳環(huán)保又具有較高的經(jīng)濟效益。

2017年,澳大利亞將舊火車改造成太陽能火車,在車廂頂部放置太陽能光伏板,其產(chǎn)生的電能為車內(nèi)的鋰離子電池充電,其動力系統(tǒng)由電力驅(qū)動,其他的所有設備由電池來供電[57]。2019年,英國漢普郡使用太陽能電池板為列車供電,以利用可再生能源并減少其碳足跡。這條線路現(xiàn)在可以通過從大約100塊太陽能電池板中獲取電力,完全繞過電網(wǎng)[58]。在可行性分析方面,東日本鐵路公司在日本東京火車站建設了453 kW·h分布式光伏發(fā)電項目,供給軌道交通牽引用電[59]。英國建設的光伏發(fā)電系統(tǒng)接入直流牽引供電系統(tǒng)的示范工程,每兆瓦太陽能發(fā)電設備每年可減少碳排放量約245 t,促進了鐵路牽引用能的清潔化與自主化[60]。上海地鐵試點安裝了3個車輛基地:11號線北段全陽車輛基地、南段北段車輛基地和12號線金橋車輛基地,車輛底座車頂和尾梁頂部采用245wp多晶硅組件和屋面一體化瓦設計,采用35 kV和0.4 kV網(wǎng)側(cè)自發(fā)使用的形式[61]。濟青高鐵在鐵路沿線和站房雨棚安裝太陽能電池板,總裝機容量44 MW,為沿線高鐵提供電能,如圖10[62]所示。武漢火車站、杭州東站、上海虹橋站均鋪設了光伏發(fā)電裝置,為車站、車輛提供電能[63]。

圖10 濟青高鐵光伏項目[62]Fig.10 PV project for the Jinan-Qingdao high-speed railway[62]

目前,國內(nèi)已有多名學者和機構(gòu)研究其可行性和創(chuàng)新,王振海等[64]針對光伏發(fā)電系統(tǒng)并入城市軌道交通供電系統(tǒng)AC35 kV側(cè),對比分析光伏發(fā)電系統(tǒng)接入前、后供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量變化,結(jié)果表明,光伏發(fā)電系統(tǒng)對城市軌道交通供電系統(tǒng)造成的無功及諧波影響較小,具有良好的適應性。胡劍強等[65]對城軌柔性直流牽引供電系統(tǒng)光伏發(fā)電接入方式研究,結(jié)果表明,雙向變流機組從交流電網(wǎng)吸收的能量降低,提高了系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性。Tian等[66]為提高光伏發(fā)電預測精度,將LSTM(long short term memory)神經(jīng)網(wǎng)絡用于光伏發(fā)電預測,有效保證了光伏發(fā)電接入軌道交通供電系統(tǒng)時軌道交通供電系統(tǒng)的穩(wěn)定性。Shen 等[67]對軌道側(cè)光伏電源集成到城市軌道交通直流牽引供電系統(tǒng)進行的研究表明,直流側(cè)光伏一體化有助于補償列車牽引階段的牽引電壓,降低接觸網(wǎng)傳動損失,具有較高的節(jié)能率。Li[68]介紹了太陽能應用于城市軌道交通的可行性、必要性和優(yōu)勢,在上海軌道交通車輛車頂安裝光伏發(fā)電系統(tǒng),有力地支持了節(jié)能和減少環(huán)境污染。

目前對于太陽能技術(shù)較為成熟,但是仍然存在著會因其發(fā)電波動較大、需要配置的儲能設備數(shù)量多,導致車輛可靠性低、可用性弱,故在后續(xù)研究中能量管理策略以及儲能輕量化選型上還很大的研究空間。

2.4 氫能軌道列車動力系統(tǒng)應用現(xiàn)狀

受到交通污染協(xié)議的嚴格限制和清潔能源快速發(fā)展的影響,越來越多的研究集中在動力系統(tǒng)中應用可再生能源和儲能系統(tǒng)[69]。相比接觸網(wǎng)供電方式,開發(fā)氫能源列車能夠節(jié)約建設成本和土地資源。因此,以氫燃料動力列車替代傳統(tǒng)內(nèi)燃機車,探索軌道交通新型能源融合模式是構(gòu)建綠色化軌道交通系統(tǒng)的主要方式之一[70]。

氫燃料電池是將氫氣和氧氣的化學能直接轉(zhuǎn)化成電能的裝置,圖11所示為氫燃料電池的工作原理示意圖[71],圖12為氫燃料電池動力系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)圖,其具有零排放、轉(zhuǎn)化效率高、設備功率密度高等優(yōu)點,與蓄電池搭配組成最優(yōu)混合動力模式,能夠?qū)崿F(xiàn)車輛離網(wǎng)運行、對需求功率的快速響應。

圖11 氫燃料電池工作原理示意圖[71]Fig.11 Schematic diagram of the working principle of hydrogen fuel cell[71]

圖12 燃料電池動力系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)Fig.12 Fuel cell power system topology

國外已將氫燃料電池成功應用于城際列車、有軌電車等軌道交通。2006年,日本JR公司將NE型列車進行動力系統(tǒng)升級改造,成為世界上首臺混合動力燃料電池列車[72];2006年,世界首輛100 kW氫燃料電池與19 kW·h鋰電池混合動力輕軌列車于東日本鐵路公司問世[73];2011年,西班牙FEVE公司成功研發(fā)出主動力源為24 kW燃料電池的有軌電車[74];2016年,法國阿爾斯通研發(fā)成功氫能列車Coradia Lint,于2018年在德國正式投入商業(yè)運營[75]。倪尉[76]結(jié)合氫能源有軌電車的能源使用特征和運行特征建立了氫能源有軌電車運行能耗的仿真計算方法。

國內(nèi)的高校和企業(yè)也在布局氫能軌道車輛[77]。2016年,世界首列氫燃料混合動力有軌電車在中國中車唐山公司正式下線,采用氫燃料電池和超級電容混合動力系統(tǒng)牽引驅(qū)動[78];2018年起,德國下薩克森州采用了法國阿爾斯通公司生產(chǎn)的氫動力列車執(zhí)行區(qū)域性客運任務[79];2019年,中車青島四方研發(fā)設計的首列氫能有軌電車在佛山高明開始投用[80];2022年12月28日,由中車長客與成都軌道集團共同研發(fā)的全球首列氫能市域列車在成都下線,如圖13所示。該車最高速度可達160 km/h,續(xù)航里程可達600 km,中途行駛無須添加燃料[81]。2023年3月2日,北京軌道交通技術(shù)裝備集團有限公司研發(fā)的國內(nèi)首列氫燃料混合動力輕軌列車在北京下線測試,里程為100 km,一年可以減少碳排放40 t[82]。2023年6月15日,中國首臺由內(nèi)燃機車改造而成的氫動力機車“寧東號”在平城軌道交通龍頭企業(yè)中車大同公司“氫”裝上陣,最長可單機連續(xù)運行約190 h[83]。

圖13 成都氫能市域列車[79]Fig.13 Chengdu hydrogen municipal train[79]

但是目前氫燃料電池的應用還存在不少技術(shù)上的挑戰(zhàn),軌道車輛因其大功率需要多氫燃料電池為動力源,但多氫燃料電池結(jié)構(gòu)相對復雜,具有多物理場、多能量流及多時間尺度特征,協(xié)調(diào)控制難度較高;儲氫問題也是仍需解決的一大問題。

隨著國內(nèi)對碳排放要求的愈發(fā)嚴格、制氫難度與成本的下降,氫能將在軌道交通乃至全國能源部署上有著舉足輕重的地位,將其補充到車輛動力系統(tǒng),憑借其靈活性,使軌道車輛實現(xiàn)完全脫碳改造。

目前世界上已有的軌道車輛無接觸網(wǎng)供電典型應用如表3所示,已有許多國家和公司對此開展研究并運用實際,但仍存在技術(shù)不成熟、里程數(shù)、安全性等一系列問題待解決。

表3 無接觸網(wǎng)軌道交通動力系統(tǒng)典型應用Table 3 Typical applications of contactless railway power systems

3 無接觸網(wǎng)軌道車輛動力系統(tǒng)變革機遇與挑戰(zhàn)

3.1 無接觸網(wǎng)軌道交通動力系統(tǒng)SWOT背景分析

SWOT(strengths, weaknesses, opportunities, threats)分析是基于內(nèi)外部競爭環(huán)境和競爭條件下的態(tài)勢分析,運用這種方法,對研究對象所處的情景進行全面、系統(tǒng)、準確的研究,從而制定相應的發(fā)展戰(zhàn)略、計劃以及對策。

軌道交通作為交通運輸不可或缺的一部分,中國軌道交通系統(tǒng)的能源消耗狀況與中國能源消耗的大格局息息相關(guān)。同時,鐵路能源消耗和比重變化,也成為各國鐵路發(fā)展的重要標志與象征。中國鐵路的高速發(fā)展和電氣化程度的快速提高促進了鐵路能源消耗下降。未來,軌道交通結(jié)構(gòu)將逐步從目前的非電氣化和電氣化并存的格局向完全電氣化轉(zhuǎn)變,軌道交通的能源將完全來自電力。現(xiàn)代儲能技術(shù)如超級電容、鋰電池、飛輪儲能的發(fā)展,使儲能式牽引供電技術(shù)有了跨越式發(fā)展。儲能式軌道交通列車是在其主電路結(jié)構(gòu)中增加了儲能裝置及控制系統(tǒng)[84]。地面接觸式供電系統(tǒng)和感應式供電系統(tǒng)由于其自身局限性發(fā)展緩慢,車載儲能技術(shù)隨著電池和超級電容技術(shù)的發(fā)展,將會是未來無接觸網(wǎng)發(fā)展主流方向[85]。

隨著《交通強國建設綱要》《國家綜合立體交通網(wǎng)規(guī)劃綱要》[86]、《交通強國建設評價指標體系》[87]等政策的頒布,國家層面對新能源軌道交通發(fā)展的支持力度與日俱增,“十四五”階段對于中國軌道交通建設的新能源要求進一步提高。推動軌道交通車輛向低碳化、清潔化方向發(fā)展,提升鐵路系統(tǒng)電氣化水平,積極擴大電力、氫能等新能源在軌道交通中的應用[88]。

這一系列方針政策為新能源軌道交通動力系統(tǒng)發(fā)展提供了思路明確了方向,軌道交通向新能源方向轉(zhuǎn)型已經(jīng)是大勢所趨。同時也為軌道交通新能源的發(fā)展帶來了利弊同生、機遇挑戰(zhàn)共存的局面[89]。

3.2 形態(tài)演化SWOT戰(zhàn)略態(tài)勢分析

根據(jù)中國軌道交通新能源的發(fā)展方向,以及軌道交通動力系統(tǒng)目前的模式和未來模式的發(fā)展趨勢,可以得出中國新能源軌道交通動力系統(tǒng)發(fā)展的SWOT分析矩陣,如圖14所示。

圖14 無接觸軌道交通動力系統(tǒng)發(fā)展SWOT分析圖Fig.14 SWOT analysis of contactless rail power system development

4 無接觸網(wǎng)軌道車輛動力系統(tǒng)未來發(fā)展趨勢

軌道交通新能源化是大勢所趨,與國家未來發(fā)展戰(zhàn)略息息相關(guān)。從“雙碳”政策中建立綠色低碳軌道交通的要求來看,軌道交通動力系統(tǒng)的能耗結(jié)構(gòu)優(yōu)化要比其他非動力領(lǐng)域要更為關(guān)鍵,尤其是對新能源與可再生能源的充分利用。

上述軌道車輛新能源融合發(fā)展SWOT戰(zhàn)略分析可知,軌道車輛動力系統(tǒng)將圍繞多元化和綠色化方向發(fā)展兩大發(fā)展方向:動力系統(tǒng)能源供給的自洽多元化發(fā)展,通過多種清潔能源的接入,借助儲能裝置為軌道交通動力系統(tǒng)提供多元化的能源供給;動力系統(tǒng)用能綠色節(jié)能發(fā)展,將新能源供能技術(shù)大規(guī)模融入軌道交通動力系統(tǒng)。未來軌道交通發(fā)展方向如圖15所示。

圖15 中國軌道交通發(fā)展方向Fig.15 Direction of transport development in China

4.1 方向一:能源供給自洽多元低碳化發(fā)展

軌道交通對其供電質(zhì)量和供電可靠性的要求較高,在無接觸網(wǎng)的軌道交通模式下,儲能裝置已經(jīng)可以滿足軌道交通基本運行需求。此時,建設高效可靠的儲能供能設備,提高軌道交通動力系統(tǒng)的效能,向著多元化方向混合儲能發(fā)展是大勢所趨。包括氫、蓄電池、超級電容等多種混合動力設備,形成多源互補動力系統(tǒng)。根據(jù)目前儲能裝置在中國軌道交通的應用情況,車輛運行線路車站設置充電站或充能站,擴大光伏發(fā)電系統(tǒng)在鐵路沿線、服務站區(qū)等場所的建設空間,將發(fā)電用于軌道車輛動力系統(tǒng)及站點設施用電;提高自身發(fā)電和用電的靈活性,降低軌道交通用電成本;加快國內(nèi)氫能技術(shù)研究突破,增加國內(nèi)軌道沿線加氫站、儲氫站數(shù)量;加強對于儲能設備新材料、新技術(shù)及新工藝的研發(fā)力度,研發(fā)超大功率、快速充電和清潔環(huán)保的儲能裝置以提高軌道交通綜合性能。

同時,單一的新能源動力供應鏈受自然條件和國際環(huán)境影響大,具有不穩(wěn)定性。因此,有必要探討多元化的能源供給系統(tǒng),推動氫能、光伏、鋰電池等新能源清潔能源應用,研發(fā)新型鐵路能源系統(tǒng)及牽引供電系統(tǒng),提高軌道交通動力供給系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性以及魯棒性,積極轉(zhuǎn)化多種新能源為軌道交通動力系統(tǒng)供能是未來的發(fā)展方向之一。

4.2 方向二:多種車載儲能系統(tǒng)優(yōu)化配置及能量管理策略現(xiàn)代化發(fā)展

儲能技術(shù)憑借其獨特的優(yōu)越性而在各個行業(yè)中備受矚目,目前已經(jīng)廣泛應用于軌道交通領(lǐng)域。在實際生產(chǎn)應用中,儲能系統(tǒng)因為其成本和空間等因素約束,其所儲存的能量是有限的,因此如何提高儲能系統(tǒng)容量將是未來車載儲能系統(tǒng)優(yōu)化的重要方向之一。鋰電池有著能量密度高、自放電小的特點。但與此同時鋰電池還有著能量儲存密度低、壽命短、溫度特性差等缺點,在實際使用時有一定的局限性,難以滿足系統(tǒng)的動態(tài)需求。

與之相比,超級電容具有長壽命周期、良好溫度特性和高能量存儲密度等優(yōu)點,兩者結(jié)合的車載儲能系統(tǒng)同時具備較高的能量儲存密度、長壽命周期和良好的溫度特性,在面對復雜工況時能快速吸收或釋放電能,較好地滿足車輛的動態(tài)需求。在此基礎上也可以加入氫能或飛輪儲能等其他車載儲能設備,在高功率需求時使用多種儲存設備供能,低功耗時使用單一儲能設備功能,在車輛制動時通過飛輪儲能回收能量備用,通過合適的能量管理策略,以提高車載儲能設備在使用過程的效率。目前關(guān)于能量控制的方法已日益成熟,通過改變儲能設備的連接方式或增減其個數(shù)已難以改變系統(tǒng)的現(xiàn)有模式,因此引入新興器件或顛覆既定模式、改變結(jié)構(gòu)中能量流通道或?qū)⒊蔀閮δ茴I(lǐng)域研究的又一研究方向。

4.3 方向三:軌道交通動力系統(tǒng)節(jié)能關(guān)鍵技術(shù)

軌道交通動力系統(tǒng)能耗在交通系統(tǒng)整體能耗中占比較大,故軌道交通動力系統(tǒng)節(jié)能減排技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展是中國軌道交通未來發(fā)展的必經(jīng)之路,要逐步擴大新能源在機車上的應用,加速推動新能源列車向安全穩(wěn)定、高效能低造價的方向發(fā)展,優(yōu)化改善傳統(tǒng)列車能源消費結(jié)構(gòu);結(jié)合車體材料減重、車用能源減碳等技術(shù),打造綠色低碳機車;基于清潔化電力制備清潔燃料,推動以氫能為代表的清潔燃料替代傳統(tǒng)燃料作為機車動力源,通過電動機來獲取更高的效率,實現(xiàn)軌道車輛的節(jié)能。規(guī)劃建設交通能源一體化新型基礎設施。通過能源、交通系統(tǒng)的統(tǒng)籌規(guī)劃和協(xié)同建設,融合能源、交通屬性,打破各自行業(yè)壁壘,建立陸路交通與新能源用地的統(tǒng)籌規(guī)劃、一體化設計、基礎設施協(xié)調(diào)等機制,推動通道共用和樞紐共建,提高兩大領(lǐng)域的資源配置與自主保障能力。

5 總結(jié)與展望

新能源技術(shù)和儲能技術(shù)的成熟發(fā)展,使得軌道交通擁有了多種多樣的動力供應模式,促進了軌道交通混合動力技術(shù)與儲能技術(shù)的進一步發(fā)展,與傳統(tǒng)線路接觸網(wǎng)供電系統(tǒng)相比可以顯著節(jié)約建設與運維成本。

對于軌道交通而言,傳統(tǒng)的接觸網(wǎng)是技術(shù)成熟、可靠且具有經(jīng)濟性,但是隨著科技進步和人們出行需求的變化,使得應用更加靈活的無接觸網(wǎng)技術(shù)得以飛速發(fā)展,并且技術(shù)進步也一定程度上提升了技術(shù)應用的可靠性和經(jīng)濟性。在眾多無接觸網(wǎng)技術(shù)中,以鋰電池、超級電容為代表的車載儲能技術(shù)隨著材料和關(guān)鍵技術(shù)的突破,正向著小型化、高功率、大儲能、快速充放電、清潔化方向飛速發(fā)展,是無接觸網(wǎng)技術(shù)的重要發(fā)展方向。