吳命利團(tuán)隊(duì)在牽引變電所接線(xiàn)做試驗(yàn)。 受訪(fǎng)者供圖

新能源汽車(chē)如今家喻戶(hù)曉，但用新能源支持電氣化鐵路運(yùn)行，過(guò)去是想都不敢想的。這一“聽(tīng)起來(lái)不可能”的鐵路供電方式，即將在我國(guó)成為現(xiàn)實(shí)。

不久前，國(guó)能新朔鐵路有限責(zé)任公司完成“軌道交通‘網(wǎng)-源-儲(chǔ)-車(chē)’協(xié)同供能應(yīng)用技術(shù)研究”項(xiàng)目的公開(kāi)招標(biāo)，將在新準(zhǔn)鐵路上接入光伏和儲(chǔ)能裝置，建成我國(guó)首個(gè)以新能源為供能主體的牽引變電所。

“將光伏、風(fēng)電、儲(chǔ)能等新能源接入鐵路，就相當(dāng)于給鐵路‘健身’，改變其‘飲食結(jié)構(gòu)’。”北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院院長(zhǎng)吳命利為《中國(guó)科學(xué)報(bào)》記者打了個(gè)比方。

完全依賴(lài)高壓電網(wǎng)將成歷史

我國(guó)傳統(tǒng)電氣化鐵路完全依賴(lài)高壓電網(wǎng)。運(yùn)行中，鐵路變電所使用兩路電源供電，一路停電，另一路會(huì)緊急切換投入供電。

即便如此，近年來(lái)列車(chē)因斷電停運(yùn)的新聞仍時(shí)有曝出。吳命利估算，以運(yùn)煤的重載鐵路計(jì)算，中斷半小時(shí)，少跑3列萬(wàn)噸列車(chē)，至少造成上百萬(wàn)元損失。

目前，我國(guó)電網(wǎng)約70%是火力發(fā)電。在“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)下，電網(wǎng)開(kāi)始向清潔能源轉(zhuǎn)型，引入太陽(yáng)能、風(fēng)能等可再生能源。

吳命利團(tuán)隊(duì)聯(lián)合新朔鐵路供電分公司開(kāi)發(fā)的“網(wǎng)-源-儲(chǔ)-車(chē)”協(xié)同供能技術(shù)，實(shí)際上是通過(guò)公用電網(wǎng)、可再生能源發(fā)電、電池儲(chǔ)能、列車(chē)4個(gè)元素相互作用，將鐵路沿線(xiàn)的可再生能源就地開(kāi)發(fā)、消納利用。

在西北等缺少高壓電網(wǎng)的偏遠(yuǎn)地區(qū)，利用鐵路沿線(xiàn)豐富的太陽(yáng)能、風(fēng)能等自然資源，可以實(shí)現(xiàn)就地開(kāi)發(fā)，直接接入鐵路使用。“如果鐵路沿線(xiàn)有大量分布式電源，即使原先的高壓電源‘臨時(shí)罷工’，也不至于出現(xiàn)鐵路無(wú)法跑車(chē)的現(xiàn)象。”吳命利指出。

電氣化鐵路供電一般需要110千伏，高速鐵路更是需要架設(shè)220千伏以上的高壓專(zhuān)用線(xiàn)。鐵路電源從發(fā)電廠(chǎng)至變電所，通過(guò)電網(wǎng)傳輸，先升至高壓再降至中壓供給列車(chē)。“如果就地開(kāi)發(fā)的可再生能源足夠，那么支持列車(chē)運(yùn)行所需的公用電網(wǎng)甚至可降至10千伏或35千伏，還可以避免在升壓、傳輸、降壓等環(huán)節(jié)產(chǎn)生損耗。”吳命利告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》。

為鐵路運(yùn)行節(jié)省開(kāi)支

一列以每小時(shí)250公里運(yùn)行的8輛編組高鐵耗電量近5000度，時(shí)速達(dá)350公里時(shí)耗電量大致翻倍。電費(fèi)一直是高鐵運(yùn)營(yíng)成本的一項(xiàng)巨大支出。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)軌道交通年用電量超過(guò)1000億度。

一個(gè)變電所造價(jià)約2000萬(wàn)元，很多時(shí)候，電氣化鐵路外部電源造價(jià)幾乎與鐵路供電設(shè)施造價(jià)持平，甚至更高。

如果采用新能源供電，鐵路將不再需要如此高昂的電費(fèi)與造價(jià)。“我們做過(guò)核算，新能源供電大約10年內(nèi)就能收回成本，而新能源供電設(shè)備的壽命通常為15至20年。”吳命利說(shuō)，由于造價(jià)相對(duì)便宜、自身資源豐富、不受變電所擴(kuò)建約束，礦山鐵路已向新能源供電拋來(lái)橄欖枝。

針對(duì)這項(xiàng)符合“雙碳”戰(zhàn)略的解決方案，我國(guó)正與歐洲、印度賽跑。德國(guó)、西班牙、日本的新能源供電，主要服務(wù)于車(chē)站，如照明。目前，全球唯一將新能源直接供給電氣化鐵路運(yùn)行的是印度。2020年，印度巴拉特重型電力有限公司在鐵路上投產(chǎn)了1.7兆瓦的太陽(yáng)能光伏發(fā)電站，直接為鐵路的牽引系統(tǒng)供電。

然而，印度在鐵路沿線(xiàn)接入的光伏發(fā)電僅作補(bǔ)充之用。“我們?cè)谛聹?zhǔn)鐵路開(kāi)展的試點(diǎn)項(xiàng)目，不僅可補(bǔ)充供能，還可以完全替代變電所獨(dú)立供電，這一探索在世界上是首次。”吳命利說(shuō)。

他告訴《中國(guó)科學(xué)報(bào)》，我國(guó)目前已有10萬(wàn)公里電氣化鐵路，而在電網(wǎng)薄弱地區(qū)，更適合采用新能源供電的方式開(kāi)展新線(xiàn)建設(shè)，如川藏鐵路可充分利用當(dāng)?shù)氐奶?yáng)能、風(fēng)能為列車(chē)供電。

此外，在可再生能源豐富地區(qū)，既有鐵路牽引供電系統(tǒng)也可接入新能源，擴(kuò)大清潔能源占比，逐步實(shí)現(xiàn)電氣化鐵路能源轉(zhuǎn)型。

新能源給鐵路供電可靠嗎

鐵路上運(yùn)行的列車(chē)時(shí)有時(shí)無(wú)，而可再生能源發(fā)電并不是說(shuō)有就有，能量該如何調(diào)度?怎樣把可再生能源所發(fā)的電都用在列車(chē)上?什么時(shí)候儲(chǔ)能、什么時(shí)候放能?

在設(shè)計(jì)方案時(shí)，這些不斷涌現(xiàn)的科學(xué)問(wèn)題縈繞在研究者心頭。“我們借鑒電網(wǎng)綜合能源系統(tǒng)的做法，并預(yù)測(cè)列車(chē)負(fù)荷，制定了一套調(diào)度算法，最終在保障列車(chē)足夠供電的情況下，實(shí)現(xiàn)能源的最優(yōu)利用。”吳命利說(shuō)。

很多人疑惑，電氣化鐵路運(yùn)行需要很大電力，新能源供電究竟能否支持這么大的電力?

北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院教授楊少兵指出，鐵路運(yùn)輸具有間歇性特點(diǎn)，即軌道上并不總是有列車(chē)運(yùn)行，特別是在偏遠(yuǎn)地區(qū)，可能一天就發(fā)七八趟車(chē)。無(wú)車(chē)的時(shí)候變電所可以把能源存儲(chǔ)起來(lái)，待到有車(chē)時(shí)再提供支持。只要協(xié)調(diào)好可再生能源發(fā)電和儲(chǔ)能的配比，新能源足夠支撐鐵路運(yùn)行。

那么，是高鐵使用的高壓電網(wǎng)可靠，還是新能源的中壓電網(wǎng)可靠?

楊少兵表示，高壓電網(wǎng)的可靠性無(wú)須置疑，除非是整個(gè)電網(wǎng)遭到破壞，但這也不是沒(méi)有可能。遇到戰(zhàn)爭(zhēng)、極端自然災(zāi)害，比如2008年的南方凍雨就破壞了大范圍的區(qū)域電網(wǎng)，導(dǎo)致電氣化鐵路停運(yùn)。如果沿線(xiàn)有分布式能源，列車(chē)行駛到哪里都有供能裝置，就可以在應(yīng)急的時(shí)候發(fā)揮作用。

如今，新能源鐵路供電即將開(kāi)展工程試點(diǎn)。吳命利又把目光對(duì)準(zhǔn)了大規(guī)模推廣時(shí)可能遇到的問(wèn)題。“下一步，分布式電源沿線(xiàn)幾十公里都要布局，如何開(kāi)發(fā)沿線(xiàn)的可再生資源，從而實(shí)現(xiàn)集中供電，我們將通過(guò)示范工程一步步摸索。”