轨道交通列车综合节能研究综述

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摘要：碳达峰、碳中和目标是世纪大考，作为用电大户的轨道交通系统，其综合节能任务艰巨，挑战巨大。在全面分析轨道交通能耗现状和用能特征基础上，总结国内外相关理论研究成果和技术发展趋势。从列车运营节能优化、多能源接入牵引供电、负荷匹配与效能提升、基础设施节能设计等维度开展系统性思考，突破车机工电辆条块分割，以全寿命周期综合节能为目标，以信息化和数字化为基础，以智能技术和先进装备为手段，探讨并提出“车-图-网-线”综合和“源-荷-储-运-网-维”贯通的大系统综合节能解决方案。

关键词：碳达峰；碳中和；轨道交通；综合节能；智能技术

一、轨道交通综合节能的重要意义

轨道交通为我国经济社会高速发展发挥着基础性、先导性、战略性和服务性的重要作用。截至2021年底，全国铁路运营里程达15万km，其中高速铁路营业里程4万km，城市轨道交通运营线路里程8708km；2021年，全国铁路完成旅客周转量9567.81亿人·km，货运总周转量33238.00亿t·km，城市轨道交通客运量占中心城市公共交通客运总量的43.4%。未来我国轨道交通规模将稳步增长，逐步形成以轨道交通为主体的国家综合立体交通网。

2015年，《巴黎协定》提出了本世纪后半叶全球实现净零排放的目标，要求各国努力将全球平均气温上升限制在工业化前平均温度的1.5℃。中国也将“碳达峰”和“碳中和”列入了十四五时期必须推进的重要工作，并在2035年规划目标中提出了广泛使用绿色生产和生活方式，碳排放达峰后稳中有降的目标。然而，2020年国家铁路和城市轨道交通能源消耗折算标准煤均达到了很高的水平，而且随着线路里程的增加和运输需求的上升，轨道交通总体能耗指标也呈不断增长的趋势。为了实现低碳经济目标，我们需要开展轨道交通综合节能研究。基于此，本文面向轨道交通全维系统，对现有相关基础理论与关键技术进行详细梳理，并提供具有前瞻性和系统性的综合节能解决方案。

二、轨道交通能耗现状与用能特征

要搞清楚轨道交通能耗现状，就有必要清晰地探明能源经主变电所流向各个耗能环节的具体情况。以地铁为例，如图1所示，主变电所提供的能量中，约55%流向了车站及相关环节，其他45%经牵引变电所输入电网，其中网损消耗了该部分10%的能量，其余90%有效能量作为列车牵引用能送入车辆。列车运行过程中，10%的能量用于提供照明、乘客服务等辅助能耗，15%用于牵引传动系统损耗，25%用于克服运行阻力做功，40%以再生能量的形式进行回收。据文献研究结果，在可利用的再生能量中，约70%可以被列车直接利用，1.5%在利用过程中被能馈装置损耗，28.5%回馈到电网中。

在“源-荷-储-运-网-维”6个环节中，各环节均存在不同程度的节能空间。例如，传统源端设备以单向供能为主，缺乏对于再生能量的回收。更低碳环保的新能源没有被纳入轨道交通供能体系;列车牵引系统的效率可以进一步提升;铁路储能系统缺乏高功率密度的设备支持;受通信技术等限制，列车间节能控制协同性低，牵引制动能量相互吸收率低;供电系统在降低线损和供电－负荷匹配环节上仍有节能空间；管理维护环节缺乏对能量流向、用能质量的精细化管理。

我国轨道交通领域车机工电辆各部门职能划分清晰，现有技术装备针对“源-荷-储-运-网-维”中的单一环节，实现了一定程度的节能减排和降本增效的效果。但是，纵观国内整个轨道交通节能优化技术和装备体系，还存在以下问题有待解决：

（1）轨道交通用能评价标准缺失。由于不同技术在实际应用场景中受限于线路条件、运行环境等因素，实际节能效果往往无法准确计量与评价。如果从其他行业直接引入，也可能会造成评价体系适应性不足的问题。因此，亟需建立并完善轨道交通节能技术标准及评估评价体系。

（2）节能技术众多，但缺乏系统性、综合性的节能解决方案。随着节能技术研究的逐渐深入，各子系统间的密切联系与耦合机理对进一步提升系统综合节能水平就显得至关重要。因此，有必要将各子系统的节能方案统一并整合起来，克服单一系统研究局限，开展系统综合设计、多专业匹配优化等基础理论与关键技术研究。

（3）缺乏按照具体需求研发定制化节能设备和产品的动力与平台。轨道交通中每条线路都具有各自特殊性，需要根据实际需求研发或改良相关节能设备。目前，设备供应商对轨道交通行业需求响应积极，但是在研发方面基本上还是凭着自己的理解来开发新产品。如果能够结合每条线路的用能规律，研究定制化方案，开发专用产品，这必将积极推动轨道交通系统综合效能提升，同时也对国家制造业升级换代起到促进作用。

（4）能耗数据采集零散，协同利用率差。现有能耗数据采集装备能够获取的基础数据零散且独立，不同公司、不同部门手中掌握的基础数据暂不互通，这显然对于整体研究各子系统之间的能耗规律和匹配优化不利。所以，有必要尽快建立轨道交通系统能耗大数据平台，统一并整合各类数据，进而挖掘整个系统的能耗规律。

三、国内外研究现状

（一）源

“源”指地面供电系统，包括从主变电所至接触网的所有设备及子系统。采用新供电制式、新能源、同向供电、双向变流等技术，可以从“源”端降低网损以提高能量利用率，并提升供电品质，达到节能降碳的目的。根据线路规划与运输性质，采取不同的供电制式，可以有效降低能量损耗。国内外在不同牵引供电制式的接触网连接技术及双流制牵引车辆等方面已开展研究多年，相关技术设备也已投入实际运营。作为牵引供电系统的核心设备之一，牵引变压器的运行状态及性能与整个系统的经济性、可靠性息息相关。卷铁心由于其特有的卷绕特性以及经退火工艺消除了硅钢带的机械应力等原因，相比叠铁心有损耗更低、噪声更小等优点，可以有效降低变压器空载损耗。

（二）荷

“荷”包括车辆能耗和车站环控动力能耗两部分，通过采用永磁牵引、高频辅变、车站环控等技术，折算到主所电源输入侧，可在“荷”端降低能耗15.1%以上。牵引系统是机车车辆的核心子系统，由于永磁同步电机具有高功率密度和高效率的特性，且与之密切相关的永磁直接驱动技术取消了齿轮传动箱，有利于牵引功率的提高以及传动损耗的减少，并能够延长系统使用寿命，减少维护成本，具有重要的实际意义。永磁同步电机虽然短时间内不会取代异步电机的主流地位，但作为重要的技术路线，近年来，永磁同步电机在工业上不断得到应，其性能分析及优化控制问题也受到国内外专家的广泛关注。例如，在2020年投入运行的长沙地铁5号线上，首次全线使用永磁牵引系统。根据第三方评测，系统平均节能率超过30%。

结束语：

伴随我国轨道交通车辆密度逐渐增大，列车需要更加频繁地进行制动，再生制动能量存储变得异常重要。经评估，携带和应用储能设备能够有效回收再生能量进行再利用

参考文献：

[1]张海洋.城市轨道交通文明施工管理[J].建筑与预算，2023（1）：4-6.

[2]刘来鑫.合肥轨道交通运营"十四五"战略分析[J].投资与创业，2023，34（2）：105-107.DOI：10.3969/j.issn.1672－3414.2023.02.034.

网址：轨道交通列车综合节能研究综述 https://www.yuejiaxmz.com/news/view/240677

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