轨道交通“网-源-储-车”协同供能技术应用——海勒斯壕南站光伏布置场景。北京交通大学供图

■本报记者 陈彬

据统计，截至2023年底，我国铁路营业里程达15.9万公里，电气化率高达73.8%。那些在铁轨上奔驰的高速列车，其强大的动力往往来自数千公里外的某个发电厂。然而，这些输入铁路系统的电能仍以火电等传统能源为主，新能源占比很少。

“面对如此多的能源消耗，铁路系统如果不能使用新能源，显然不利于我国‘双碳’目标的实现。”北京交通大学电气学院教授吴命利对《中国科学报》说。

好消息是，近日，由北京交通大学与国能集团新朔铁路公司实施的“轨道交通‘网-源-储-车’协同供能应用技术研究”项目示范工程顺利通过并网验收，成为国内首个、世界容量最大的分布式光伏接入铁路牵引供电系统工程。

双重不稳定阻挡光电“入局”

对于将光伏接入铁路的意义，项目负责人吴命利有着清醒的认识。

“在我国整体的用电量中，包括城市轨道交通在内的电气化铁路，所占份额并不大，约为1.2%。但如果乘以庞大的基数，就是一个巨大的数字。”吴命利告诉记者，目前全国铁路的耗电量为1000亿度以上。

据统计，1000亿度相当于5000万户家庭一年的用电量，如果全部采用火电，需要消耗4000万吨煤，其产生的能源消耗及对环境的影响可想而知。

“如果能将光电、风电等新能源引入铁路系统，无疑将产生更大的环保价值。”吴命利说，在传统的电网供电外增加一种新供电方式，有助于改善铁路系统对于高压电网的强依赖。

铁路系统具有太阳能、风能等新能源发电的天然优势。吴命利表示，一条铁路线动辄数百公里，露天开放区段线路绵长，周边空地较多，特别是位于西北荒漠等地区的大量铁路，周围人烟稀少、电网薄弱、光照充足，特别适合光伏发电。其产生的电能无须进入高压电网，而是直接进入铁路系统，消纳可再生能源，减少了大量电能损耗。

既然如此，为何时至今日，光伏依然被挡在铁路牵引供电系统的“大门”之外？

“一个重要原因是光伏发电和列车用电同时具有不稳定性。”吴命利解释说，火车只有在行驶时才需要电能，列车间隙及停运时是不需要的，这会给电网造成冲击性负荷；同时，光伏、风电等新能源的供给存在间歇性，难以如传统电厂支撑的高压电网般稳定。

此外，国内电网的电能输送方式以三相交流电为主，目前光伏、风电等可再生能源发电也主要并入三相电力系统，而驱动列车形式的铁路牵引供电系统则采用单相高压电，这也使得以光电为代表的新能源难以被铁路系统采用。

铁路光伏应用的不同场景

2021年，吴命利团队与国能集团合作，正式开启将光伏引入铁路系统的探索。

“在这个项目上，光做理论研究是行不通的。”吴命利说，项目必须落地，与铁路沿线的实际情况相结合，这要求科研团队必须频繁往来于实验室和自然条件恶劣的铁路沿线。

经过3年的不懈努力，该项目最终在国能集团新朔铁路公司巴准线海勒斯壕南牵引变电所成功实施。

据介绍，此次落地的项目充分利用铁路沿线充足的光伏资源禀赋，配备了5兆瓦分布式光伏和5兆瓦时储能，可在铁路27.5千伏和10千伏两个电压等级实现光伏发电协同消纳，从而实现了轨道交通的“网-源-储-车”协同供能。

“项目投运后，预计光伏年发电量可以达到近700万千瓦时，每年减少二氧化碳排放5700吨，具备良好的经济效益和环境效益，在打造高水平绿色铁路、提高铁路清洁能源渗透率等方面发挥示范引领作用。”吴命利说。

值得一提的是，在该项目中，研究团队共设计了3种不同的光伏应用场景。

吴命利解释说，第一个场景是，光伏供电具备摆脱电网供电、单独支撑列车独立运行的能力，在电网薄弱的偏远地区，不需要接引110千伏及以上外部高压电网就可供列车运行；第二个场景是，电网供电为主，光伏等新能源作为补充，实现不同能源形式间的搭配；第三个场景是，光伏不直接为列车提供能量，而是作为铁路相关配套设备的动力来源。

“铁路光伏的开发应用，必须考虑应用场景，要算经济账，通过不同形式的合理搭配，实现能源的最合理化利用。”吴命利说。

给传统供电系统“上保险”

相较于已经开发多年、成熟且稳定的传统能源，光伏供电仍属于新生事物，将其应用到铁路这种与人民生命财产安全息息相关的领域，能否保证足够安全？

“人们有这种担心并不奇怪，但伴随我国能源结构的调整和升级，新能源引入铁路系统是大势所趋。”吴命利说，“未来传统能源的占比一定会越来越少，我们不能对此视而不见，而是应该早做准备。”

至于安全性，吴命利表示，在该技术足够成熟之前，光伏发电主要以补充能源供给和应急能源供给的形式存在。“光伏发电不但不会降低铁路供电网络的安全性，反而为其上了一份‘保险’，并能在传统能源出现问题时起到‘救援队’的作用。”吴命利说。

目前，吴命利团队还在考虑另一条赛道——光伏制氢。他告诉《中国科学报》，目前氢能源列车已经成为国际范围内列车的重要发展方向，今年3月，我国首列氢能源市域列车进行了运行试验，成功实现了时速160公里满载运行；瑞士已经实现了列车一次加氢后行驶2800公里。

“氢燃料的便携供给无疑是氢能源列车能够推广的重要前提，如果我们可以通过铁路沿线的光伏设备获得足够电能，便可以就地开展光伏制氢，大大节省氢能的运输及存储成本，这将是一个充满挑战但前景广阔的新赛道。”吴命利说。