新能源给铁路供电可靠吗

吴命利团队对牵引变电站的接线进行了测试。

■本报记者 温才妃

新能源汽车现在是家喻户晓的名字，但过去不敢考虑用新能源支持电气化铁路的运行。这种“听起来不可能”的铁路供电方式即将成为中国的现实。

不久前，国能新朔铁路有限公司完成了“轨道交通”网络源存储车辆协同供能应用技术研究”项目的公开招标，将光伏和储能装置连接到新准铁路，建设中国第一个以新能源为供能主体的牵引变电站。

北京交通大学电气工程学院院长吴命利为《中国科学报》记者举了一个例子：“将光伏、风电、储能等新能源接入铁路相当于“健身”，改变铁路的‘饮食结构’。”。

完全依赖高压电网将成为历史

中国传统的电气化铁路完全依赖于高压电网。在运行过程中，铁路变电站使用两种电源供电，一种停电，另一种紧急切换供电。

即便如此，近年来，火车停电的消息仍时有曝光。吴命利估计，根据煤炭运输的重型铁路，中断半小时，少跑3万吨列车，至少造成数百万元的损失。

目前，中国约70%的电网都是火力发电。在“双碳”战略目标下，电网开始向清洁能源转型，引入太阳能、风能等可再生能源。

吴命利团队与新朔铁路供电分公司开发的“网-源-储-车”协同供能技术，实际上是通过公共电网、可再生能源发电、电池储能和列车的相互作用，在当地开发、消耗和利用铁路沿线的可再生能源。

在西北等缺乏高压电网的偏远地区，利用铁路沿线丰富的太阳能、风能等自然资源，可以实现当地开发，直接进入铁路。”如果铁路沿线有大量的分布式电源，即使原来的高压电源‘临时罢工’，铁路也不会有跑车。”吴命利指出。

电气化铁路供电一般需要110kV，高速铁路需要架设220kV以上的高压专用线。铁路电源从发电厂到变电站，通过电网传输，先升到高压，再降到中压供应列车。“如果当地开发的可再生能源足够，支持列车运行所需的公共电网甚至可以降至10kV或35kV，也可以避免升压、传输、降压等环节的损失。吴命利告诉《中国科学报》。

节省铁路运行费用

每小时250公里运行的8列高铁耗电近5000度，时速达到350公里时耗电量大致翻倍。电费一直是高铁运营成本的巨大支出。据统计，我国轨道交通年耗电量超过1000亿度。

变电站的成本约为2000万元。大多数情况下，电气化铁路的外部电源成本几乎与铁路供电设施的成本相同，甚至更高。

如果使用新能源供电，铁路将不再需要如此高的电费和成本。”我们已经计算出，新能源供电可以在大约10年内收回成本，而新能源供电设备的使用寿命通常为15到20年。”吴说，由于成本相对便宜，资源丰富，不受变电站扩建的限制，矿山铁路向新能源供电抛出了橄榄枝。

针对这一符合“双碳”战略的解决方案，中国正在与欧洲和印度竞争。德国、西班牙和日本的新能源供电主要服务于车站，如照明。目前，印度是世界上唯一一条直接供应新能源的电气化铁路。2020年，印度巴拉特重型电力有限公司在铁路上投产了1.7兆瓦的太阳能光伏发电站，直接为铁路牵引系统供电。

然而，印度在铁路沿线的光伏发电仅供补充。”我们在新准铁路开展的试点项目不仅可以补充能源供应，而且可以完全取代变电站的独立供应。这是世界上第一次探索。”吴命利说。

他告诉《中国科学报》，中国有10万公里的电气化铁路，在电网薄弱的地区，更适合新能源供电的新线路建设。例如，川藏铁路可以充分利用当地的太阳能和风能为列车供电。

此外，在可再生能源丰富的地区，现有的铁路牵引供电系统也可以接入新能源，扩大清洁能源的比例，逐步实现电气化铁路能源的转型。

铁路新能源供电可靠吗？

运行在铁路上的火车有时不存在，但可再生能源发电并不意味着存在。如何调度能量？如何在火车上使用可再生能源发出的所有电力？储能和释放能量什么时候？

在设计方案时，这些不断出现的科学问题萦绕在研究人员的脑海中。”我们从电网综合能源系统的实践中学习，预测列车负荷，制定了一套调度算法，最终实现能源的最佳利用，同时确保列车有足够的电源。”吴说。

许多人想知道，电气化铁路的运行需要大量的电力。新能源供电能否支持如此大的电力？

北京交通大学电气工程学院教授杨少兵指出，铁路运输具有间歇性的特点，即轨道上并不总是有火车运行，特别是在偏远地区，每天可能有78列火车。当没有汽车时，变电站可以储存能源，并在有汽车时提供支持。只要协调可再生能源发电和储能的比例，新能源就足以支持铁路运行。

那么，是高铁使用的高压电网可靠，还是新能源的中压电网可靠？

杨少兵说，高压电网的可靠性是毋庸置疑的，除非整个电网被破坏，但这并非不可能。2008年南方冻雨等战争和极端自然灾害破坏了广泛的区域电网，导致电气化铁路停运。如果沿线有分布式能源，火车到处都有供能装置，在紧急情况下可以发挥作用。

现在，新能源铁路供电即将进行项目试点。吴命利重点关注大规模推广中可能遇到的问题。“下一步，分布式电源应布局几十公里。如何开发沿线可再生资源，实现集中供电，我们将通过示范项目逐步探索。”