國內首個分布式光伏接入牽引供電系統成功并網

　　當今時代，火車已成為人們日常出行以及貨運的重要方式，但很多人并不知道，那些在鐵軌上奔馳的高速列車，其強大的動力往往來自于數千公里外的某個發電廠，那里發出的電能通過輸電線，“千里迢迢”地輸入鐵路系統，這樣的鐵路被稱為“電氣化鐵路”。

　　據統計，截至2023年底，我國鐵路營業里程已達到15.9萬公里，其電氣化率高達到73.8%。然而，這些輸往鐵路的電能主要以傳統能源、特別是火電為主，新能源占比很小。

　　“如此多的能源消耗不能使用新能源，這顯然不利于我國‘雙碳’目標的達成。”北京交通大學電氣學院教授吳命利說。

　　不久前，由北京交通大學與國能集團新朔鐵路公司實施的“軌道交通‘網—源—儲—車’協同供能應用技術研究”項目示范工程順利通過并網驗收，這成為了國內首個、世界容量最大的分布式光伏接入鐵路牽引供電系統工程。

　　雙重不穩定阻擋光電“入局”

　　對于將光伏接入鐵路的意義，作為該項目負責人的吳命利有著清醒的認識。

　　“在我國整體的用電量中，電氣化鐵路（包括城市軌道交通）所占的份額并不算大，大致為1.2%左右。但如果乘以龐大的基數，就是一個十分巨大的數字。”吳命利告訴《中國科學報》，目前全國鐵路的耗電量在1000億度以上。

　　據統計，1000億度大致相當于5000萬戶家庭一年的用電量，如果全部采用火電，需要消耗4000萬噸煤，其產生的能源消耗以及對環境的影響可想而知。

　　“相較于老式的蒸汽機車，電氣化機車已經算得上環保了，但如果能將光電、風電等新能源引入，無疑將產生更大的環保價值。”吳命利說，在傳統的電網供電外增加一種新供電方式，這也有助于改善鐵路系統對于高壓電網的強依賴。

　　更重要的是，鐵路系統具有著太陽能、風能等新能源發電的天然優勢。

　　吳命利表示，一條鐵路線動輒數百公里，露天開放區段線路綿長，鐵路周邊空地也較多，特別是位于西北荒漠等地區大量鐵路，人煙稀少、電網薄弱、光照充足，特別適合光伏發電。其產生的電能無需進入高壓電網，而是直接進入鐵路系統，從而直接消納可再生能源，并減少了大量電能損耗。

　　既然如此，為何時至今日，光伏依然被擋在鐵路牽引供電系統的“大門”之外？

　　“一個重要原因是光伏發電和列車用電同時具有不穩定性。”吳命利解釋說，火車只有在行駛時才需要電能，列車間隙以及列車停運時是不需要電能的，這就會給電網產生沖擊性負荷；同時，光伏、風電等新能源的供給也存在間歇性，也難以如傳統電廠支撐的高壓電網般穩定。

　　此外，國內電網的電能輸送方式以三相交流電為主，目前光伏、風電等可再生能源發電也主要并入三相電力系統，而驅動列車形式的鐵路牽引供電系統則是采用單相高壓電，這也導致了以光電為代表的新能源難以為鐵路系統所采用。

　　鐵路光伏應用的不同場景

　　2021年，吳命利團隊與國能集團合作，正式開始探索將光伏引入鐵路系統。

　　吳命利所在的北京交通大學電氣學院是我國最早從事新能源研究的機構之一，他本人從事鐵路供電研究已有30年。盡管有著深厚的學術積累，但要攻克這一難題，對于項目團隊來說也并非易事。

　　“在這個項目上，光做理論是不行的。”吳命利說，項目必須要落地，與鐵路沿線的實際情況相結合，這要求科研團隊必須頻繁往來于實驗室和自然條件惡劣的鐵路沿線現場。

　　經過3年的不懈努力，該項目最終在國能新朔鐵路公司巴準線海勒斯豪南牽引變電所成功實施。

　　據介紹，此次落地的項目充分利用鐵路沿線充足的光伏資源稟賦，配備了5兆瓦（MWp）分布式光伏和5兆瓦時（MWh）儲能，可在鐵路27.5千伏（kV）和10千伏（kV）兩個電壓等級實現光伏發電協同消納，從而實現了軌道交通的“網—源—儲—車”協同供能。

　　“這一項目投運后，預計光伏年發電量可以達到近700萬千瓦時（kWh），每年減少二氧化碳排放5700噸，具備良好經濟效益和環境效益，在打造高水平綠色鐵路、提高鐵路清潔能源滲透率等方面發揮示范引領作用。”吳命利說。

　　值得一提的是，在該項目中，研究團隊共設計了三種不同的光伏應用場景。

　　吳命利解釋說，第一個場景下，光伏供電具備擺脫電網供電，單獨支撐列車獨立運行的能力，其意義在于針對電網薄弱的偏遠地區，可以不需要接引110kV及以上外部高壓電網就可供列車運行；第二個場景則是以電網供電為主，光伏等新能源作為補充，實現不同能源形式間的搭配；第三個場景則是光伏不直接為列車提供能量，而是作為鐵路相關配套設備的動力來源。

　　“鐵路光伏的開發應用，必需要考慮應用場景，要算經濟賬，通過不同形式的合理搭配，實現能源的最合理化利用。”吳命利說。

　　給傳統供電系統“上保險”

　　相較于已經開發多年，成熟且穩定的傳統能源，光伏供電仍屬于“新生事物”，將其應用到鐵路這種與人民的生命財產安全息息相關的領域，是否能保證足夠的安全？

　　這些年，不止一個人曾向吳命利提出過這個問題，甚至包括一些業內人士。

　　對此，吳命利有著一份自己的理解。

　　“人們有此種擔心并不奇怪，但即便是這些人，也承認伴隨著我國能源結構的調整和升級，新能源引入鐵路系統是大勢所趨。”吳命利說，未來傳統能源的占比一定會越來越少，我們不能對此視而不見，而是應該早做準備。

　　至于安全性本身，吳命利表示，在這一技術足夠成熟之前，光伏發電會主要以補充能源供給和應急能源供給的形式存在。換句話說，鐵路光伏的主要作用并非取代傳統電網供電，而是在傳統能源之外，增加一份‘保險’，并在傳統能源出現問題時，起到“救援隊”的作用。

　　“從這個角度看，光伏發電不但不會降低鐵路供電網絡的安全性，反而為其上了一份‘保險’。”吳命利說。

　　如果這項技術成熟了呢？

　　“那很有可能重塑整個鐵路供電的結構。”事實上，吳命利團隊在繼續探索原有賽道的同時，已經在考慮光伏在鐵路系統應用的另一條賽道——光伏制氫。

　　他告訴《中國科學報》，目前氫能源列車已經成為國際范圍內，列車的重要發展方向，今年3月，我國首列氫能源市域列車進行了運行試驗，并成功實現了時速160公里滿載運行；也是在今年3月，瑞士科研人員已經實現列車一次加氫后行駛2800公里。

　　“氫燃料的便攜供給無疑是氫能源列車能夠推廣的重要前提，而如果我們可以通過鐵路沿線的光伏設備獲得足夠電能，便可以就地開展光伏制氫，大大節省氫能的運輸以及存儲成本，這也將是一條充滿挑戰，但前景廣闊的‘新戰場’。”吳命利說。