新能源“高鐵”將成現(xiàn)實

　　新能源汽車如今家喻戶曉，但用新能源支持電氣化鐵路運行，過去是想都不敢想的。這一“聽起來不可能”的鐵路供電方式，即將在我國成為現(xiàn)實。

　　不久前，國能新朔鐵路有限責任公司完成“軌道交通‘網(wǎng)-源-儲-車’協(xié)同供能應用技術(shù)研究”項目的公開招標，將在新準鐵路上接入光伏和儲能裝置，建成我國首個以新能源為供能主體的牽引變電所。

　　“將光伏、風電、儲能等新能源接入鐵路，就相當于給鐵路‘健身’，改變其‘飲食結(jié)構(gòu)’。”北京交通大學電氣工程學院院長吳命利為《中國科學報》記者打了個比方。

　　完全依賴高壓電網(wǎng)將成歷史

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

　　即便如此，近年來列車因斷電停運的新聞仍時有曝出。吳命利估算，以運煤的重載鐵路計算，中斷半小時，少跑3列萬噸列車，至少造成上百萬元損失。

　　目前，我國電網(wǎng)約70%是火力發(fā)電。在“雙碳”戰(zhàn)略目標下，電網(wǎng)開始向清潔能源轉(zhuǎn)型，引入太陽能、風能等可再生能源。

　　吳命利團隊聯(lián)合新朔鐵路供電分公司開發(fā)的“網(wǎng)-源-儲-車”協(xié)同供能技術(shù)，實際上是通過公用電網(wǎng)、可再生能源發(fā)電、電池儲能、列車4個元素相互作用，將鐵路沿線的可再生能源就地開發(fā)、消納利用。

　　在西北等缺少高壓電網(wǎng)的偏遠地區(qū)，利用鐵路沿線豐富的太陽能、風能等自然資源，可以實現(xiàn)就地開發(fā)，直接接入鐵路使用。“如果鐵路沿線有大量分布式電源，即使原先的高壓電源‘臨時罷工’，也不至于出現(xiàn)鐵路無法跑車的現(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用線。鐵路電源從發(fā)電廠至變電所，通過電網(wǎng)傳輸，先升至高壓再降至中壓供給列車。“如果就地開發(fā)的可再生能源足夠，那么支持列車運行所需的公用電網(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《中國科學報》。

　　為鐵路運行節(jié)省開支

　　一列以每小時250公里運行的8輛編組高鐵耗電量近5000度，時速達350公里時耗電量大致翻倍。電費一直是高鐵運營成本的一項巨大支出。據(jù)統(tǒng)計，我國軌道交通年用電量超過1000億度。

　　一個變電所造價約2000萬元，很多時候，電氣化鐵路外部電源造價幾乎與鐵路供電設(shè)施造價持平，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與造價。“我們做過核算，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，由于造價相對便宜、自身資源豐富、不受變電所擴建約束，礦山鐵路已向新能源供電拋來橄欖枝。

　　針對這項符合“雙碳”戰(zhàn)略的解決方案，我國正與歐洲、印度賽跑。德國、西班牙、日本的新能源供電，主要服務于車站，如照明。目前，全球唯一將新能源直接供給電氣化鐵路運行的是印度。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，印度在鐵路沿線接入的光伏發(fā)電僅作補充之用。“我們在新準鐵路開展的試點項目，不僅可補充供能，還可以完全替代變電所獨立供電，這一探索在世界上是首次。”吳命利說。

　　他告訴《中國科學報》，我國目前已有10萬公里電氣化鐵路，而在電網(wǎng)薄弱地區(qū)，更適合采用新能源供電的方式開展新線建設(shè)，如川藏鐵路可充分利用當?shù)氐奶柲堋L能為列車供電。

　　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，擴大清潔能源占比，逐步實現(xiàn)電氣化鐵路能源轉(zhuǎn)型。

　　新能源給鐵路供電可靠嗎

　　鐵路上運行的列車時有時無，而可再生能源發(fā)電并不是說有就有，能量該如何調(diào)度?怎樣把可再生能源所發(fā)的電都用在列車上?什么時候儲能、什么時候放能?

　　在設(shè)計方案時，這些不斷涌現(xiàn)的科學問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，并預測列車負荷，制定了一套調(diào)度算法，最終在保障列車足夠供電的情況下，實現(xiàn)能源的最優(yōu)利用。”吳命利說。

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

　　北京交通大學電氣工程學院教授楊少兵指出，鐵路運輸具有間歇性特點，即軌道上并不總是有列車運行，特別是在偏遠地區(qū)，可能一天就發(fā)七八趟車。無車的時候變電所可以把能源存儲起來，待到有車時再提供支持。只要協(xié)調(diào)好可再生能源發(fā)電和儲能的配比，新能源足夠支撐鐵路運行。

　　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)的可靠性無須置疑，除非是整個電網(wǎng)遭到破壞，但這也不是沒有可能。遇到戰(zhàn)爭、極端自然災害，比如2008年的南方凍雨就破壞了大范圍的區(qū)域電網(wǎng)，導致電氣化鐵路停運。如果沿線有分布式能源，列車行駛到哪里都有供能裝置，就可以在應急的時候發(fā)揮作用。

　　如今，新能源鐵路供電即將開展工程試點。吳命利又把目光對準了大規(guī)模推廣時可能遇到的問題。“下一步，分布式電源沿線幾十公里都要布局，如何開發(fā)沿線的可再生資源，從而實現(xiàn)集中供電，我們將通過示范工程一步步摸索。”(溫才妃)

　　來源：中國科學報