王永泽

（中国铁道科学研究院集团有限公司 节能环保劳卫研究所，北京 100081）

随着国家对能源节约和绿色发展的不断重视，目前市场上节能新技术层出不穷，已经逐渐成为促进社会进步和可持续发展的重要手段。铁路作为当今社会发展的重要行业之一，其能源消耗量虽然占国家整体能源消耗总量比例不高，但整体消耗总量不容忽视。铁路节能新技术创新在推动铁路绿色发展方面正在发挥重要作用。

1 国内外铁路节能新技术发展现状

铁路运输涉及机辆、工务、供电、通信信号等多个专业，设备、组织、人员众多，铁路能源消耗主要分布在牵引用能和非牵引用能领域，因而铁路节能新技术的研发和推广应用也主要集中在以上2个领域。

德国、法国、日本、美国等国外发达国家在铁路节能技术创新方面位于世界前列，采用了包括优化机车驾驶方式、研发混合动力牵引设备和可移动储能设备、轻量化车体材料、氢燃料电池等新型动力机车、客运站整体节能技术、自营电力及智能化电网技术、新能源技术，以及采用先进的机车调度系统等多种节能创新技术[1-4]，以上技术综合了先进的信息科学技术和能源解决方案，能够有效提高铁路能源利用效率，减少能源消耗量。其中，部分节能创新技术已经在国内有所应用，国外铁路节能创新技术对于我国铁路新技术研发具有参考和借鉴意义。

我国高速铁路飞速发展，和谐号、复兴号高速列车大量投入使用，铁路运营里程和沿线大型客运站数量快速增长，铁路运输量持续上升，给节能管理工作带来重大挑战。节能技术作为促进铁路节能降耗的有效手段，经历了由单一到综合、由试点到推广的发展过程。建筑防护结构改造、绿色照明技术、空气源热泵技术、光伏发电技术、冷热电三联供技术、空调节能技术、节能型牵引变压器节能技术等先后应用于铁路，部分节能技术取得了较为理想的节能效果，但我国铁路节能技术在先进性、综合性和智能化方面仍有待进一步提高，机车牵引领域节能等关键技术亟待突破。因此，传统的能源管理技术和方式亟需升级，如何将国内外铁路和市场上先进的节能新技术应用到铁路各专业中，加强节能新技术的开发、引进和吸收，不断改进和提升既有节能技术、提高铁路整体的能效水平，已经成为铁路行业节能减排的重要议题。

为此，通过对目前国内外铁路节能先进技术的梳理，对目前我国铁路各项节能技术应用效果进行分析，总结目前铁路应用较为领先且未来值得推广的节能技术，包括永磁同步牵引系统、再生制动能量回收、新能源混合动力型机车等牵引领域节能技术，以及能源管控系统等非牵引领域综合节能技术，上述技术部分已经在我国铁路应用且取得了良好的节能效果，符合国家能源消费改革发展趋势，值得继续大力推广；部分在国外已经成功应用，国内也已经开展了试验研究，未来有着良好的推广前景，能够为后续节能管理工作的开展提供参考和借鉴。

2 铁路节能新技术简介

2.1 机车永磁同步牵引系统

世界轨道交通车辆牵引系统技术经历了直流电机牵引系统、交流异步电机牵引系统、永磁同步电机牵引系统3个阶段[5]。交流异步牵引系统自20世纪80年代开始得到大规模推广，至今在各类轨道交通车辆中广泛应用。与此同时，永磁同步牵引系统具有高效率、高功率密度、低噪声、全封闭等优势[6]，相较于交流异步电机牵引系统能耗更低，正逐步取代交流异步电机牵引系统。阿尔斯通、庞巴迪、西门子、日本东芝等公司先后研发出不同种类的永磁同步牵引系统，已经在实际工程中推广应用。我国在长沙、沈阳地铁线路中有所应用[7]，中车株洲所也在高速机车上开展了试验研究，但尚未实现全生命周期工程化应用。

永磁同步牵引系统是机车的动力系统，由永磁电机、牵引变流器、网络控制器等组成，其中变流器相当于机车的“心脏”，电机好比是机车的“肌肉”，永磁电机主要负责传达动力，完成电能到机械能的转变，带动列车平稳行驶。与其他牵引系统相比，永磁同步牵引系统关键在于采用永磁电机，永磁电机与传统交流异步电机的最大区别在于其励磁磁场是由永磁体产生的，不存在转差。由于异步电机需要从定子侧吸收无功电流来建立磁场，因而用于励磁的无功电流导致损耗增加，降低了电机效率和功率因数；永磁电机则有效减少了该部分的能耗，体积更小，功率因数更高，质量更轻，因此更加节能。

2.2 机车牵引供电系统制动能量回馈技术

机车牵引供电系统制动能量回馈技术也可称之为机车再生制动能量回收利用技术，是电力机车在制动时控制牵引电机的输出转矩与电机的转速方向相反，从而使牵引电机工作在发电状态，并将此时电机产生的电能返送回接触网或由其他牵引车辆所吸收，系统原理如图1所示。

图1 机车牵引供电系统制动能量回馈原理图

不同于传统的动力制动将制动能量转化为热量浪费掉，采用这一技术，在列车制动时可将原本消耗到车载或地面制动电阻上的列车制动能量回馈到35 kV/10 kV等交流公用电网，供给交流公用电网中的其他牵引车辆或其他用电设备使用，实现能量回收再利用。结合储能装置，反馈到电网的能量可以在客运站的储能装置进行储存，需要时供给车站内耗能设备使用。大部分机车的再生制动能量占机车牵引能耗的30%左右[8]，因而该项技术的节能效果较为可观。

再生制动能量回馈技术主要包括能耗型、储能型和能馈型3种方式，其中储能型和能馈型的回收方式应用最为广泛[9]。储能型回馈技术包含电池储能、飞轮储能、超导储能和超级电容储能，该技术通过将再生制动能量进行存储，待需要时释放给机车设备或站内其他耗能设备使用，有效提高了能量的循环利用效率，是近年来再生制动回馈技术研究的热点。能馈型回馈技术包括直接回馈和独立站点回馈，既可以将能量直接回馈给临近线路运行车辆，又可将能量反馈到低压10 kV电网供各站点设备使用。

2.3 新能源混合动力型机车

新能源混合动力机车包括太阳能、风能、氢燃料、电池驱动、液化天然气动力及与电力、柴油等传统能源相结合的新型动力机车。英国、意大利、德国、比利时、印度、俄罗斯等国家相继开展不同新能源种类的新能源动力机车研究。其中，太阳能动力机车采用机车顶部铺设太阳能电池板的方式，由光伏发电系统、充电机、升降压斩波器、直流负载及供电控制系统等构成机车供电系统，为机车内空调、照明和广播等设备供电[10]。风力机车利用铁路沿线的风力发电机为整个机车供电[11]。氢燃料动力机车是氢气结合燃料电池一起构成机车动力系统，通过氢与氧结合，经由燃料电池产生电力来为机车提供动力[12]。

2.4 铁路能源管控系统

铁路能源管控系统架构于云计算技术之上，具有多用户、分布式管理，海量数据存储，辅助节能管理、决策等特点，对建筑内的供配电、供暖、空调(新风)、照明等系统及光伏等可再生能源发电系统的使用状况进行实时监测、数据统计分析、辅助决策、分散控制，以满足铁路节能管理工作需求为出发点，通过云服务的模式对建筑物提供能效分析，发现能耗漏洞、优化能源使用控制策略，进而提高建筑物内的设备管理、能源使用和智能控制水平，在不牺牲人员舒适度的前提下，节能降耗、延长设备使用寿命、为智慧建筑提供基础平台。铁路客运站能源管控系统架构如图 2所示[13]。

图2 铁路客运站能源管控系统架构图

铁路客运站能源管控系统以能源管理和节能决策为目标，可以实时采集客运站内各类耗能设备系统的运行信息与能耗相关的数据，通过分析、控制和管理等手段，优化用能，消除能源浪费，提高客运站运营管理的效率与服务质量，实现客运站能源消耗的最低成本控制。

3 铁路节能新技术应用前景分析

3.1 机车永磁同步牵引系统

机车牵引能耗占铁路整体能耗的一半以上，一直是影响铁路节能管理工作的重要方面。牵引系统是铁路机车中实现动力驱动的主要单元，其性能在某种程度上决定了机车车辆的动力品质、能耗和控制性能，是铁路机车车辆节能升级的关键。因此，改进和创新机车牵引系统是国内外轨道交通车辆发展的方向。根据永磁同步牵引系统在我国长沙地铁1号线应用运营7个月的测试效果，相较于交流异步牵引系统，采用永磁同步牵引系统的列车节能效果可达30%。我国中车株洲所将永磁同步牵引系统在CRH380A列车上成功应用，标志着我国永磁同步牵引系统距离工程化应用更近了一步，通过试验验证，该永磁同步牵引系统的电机额定效率达到98% 以上，高效的牵引电机有助于降低机车牵引能耗，实现铁路低碳绿色出行。

目前，永磁牵引技术已经成为新能源汽车、超高速永磁驱动离心商用空调、风力发电等领域的核心技术，能够带来巨大的经济效益和社会效益，并为我国绿色、高端制造业的发展输送了新的动力。永磁牵引技术在轨道交通领域引发了技术革命，正成为下一代机车牵引系统主流研制方向。永磁同步牵引系统在体积、质量、功率密度、噪声、能耗及维护性方面具有明显优势，在多地的地铁列车和高速列车中成功应用，但同时也面临着永磁体失磁、制造工艺复杂、成本高等问题，在我国铁路高速列车上的全寿命周期运营还尚未实现。永磁同步牵引系统在地铁列车的成功应用将带动铁路机车牵引系统的进步，系统成熟度的不断提升和制造成本的逐步降低，将有助于该系统凭借节能环保的诸多优势，在铁路机车牵引方面开辟一片新的天地。

3.2 机车牵引供电系统制动能量回馈技术

在我国，目前高速列车普遍采用的制动方式是再生制动结合空气制动方式，其中再生制动方式能够降低列车运行时能量消耗，是唯一能反馈能量至电网、较为理想的制动方式，因而成为高速动车组的首选制动方式。我国CRH1、CRH3和CRH5型动力分散型的高速动车组和复兴号标准动车组均采用了再生制动技术。在高速铁路中，高速动车组具有运行速度较高、功率大及负载重的特点，列车制动时需要足够大的制动力以满足在规定的安全距离内停车的要求，因此制动产生的再生能量也比普速列车要大的多。再生制动能量清洁高效，充分利用列车在起停阶段产生的再生电力，可以打造不通过变电站而直接传输再生电力的系统。该技术以最短的线路输送再生电力，以使产生的再生电力尽可能多地得到利用；研究基于铁路客运站的回收储能装置，将使再生制动能量应用于更多的耗能设备。

随着我国复兴号标准动车组的广泛应用和交流牵引传动技术的发展，采用再生制动技术的高速列车在我国应用前景更加广阔。此外，由于地势特点，我国部分山区铁路和重载铁路存在众多长大坡道，再生制动能量可观，电力机车应用再生制动后会产生大量再生能量，结合储能技术的研发和进步，再生制动能量的有效回收利用对于铁路资源和能源节约具有重要意义。

3.3 新能源混合动力型机车

低碳化发展是当今世界发展的趋势，新能源动力机车能够改变传统机车单一的电力牵引或柴油牵引方式，采用新型能源为机车部分牵引和设备供电，也可配合传统能源为机车牵引提供混合动力。相比于现有机车牵引用能方式，新能源机车可以改善铁路能源消费结构，让铁路牵引用能结构更加丰富合理。例如，氢燃料动力机车以水作为唯一排放物，具有高效、清洁环保无污染、无噪声等优势，目前已在汽车领域和航天领域成功应用，随着成本的逐步降低，未来在采用柴油等传统能源作为牵引动力和不适宜电气化改造的线路上，可以采用氢能源动力机车，以有效改善沿线环境质量。此外，我国大部分区域太阳能资源丰富，光伏技术的快速发展为太阳能动力机车的推广应用提供了可能，采用太阳能电池为机车供电的经济效益和环保效益是十分可观的，因而将光伏发电技术引入机车制造和运营具有积极意义。随着我国对生态文明建设和美丽中国建设的深入，新能源机车可凭借其清洁、高效、可持续发展的优势，在未来的机车牵引节能领域拥有一席之地。

3.4 铁路能源管控系统

随着铁路客运站数量的不断增加，其能耗量也与日俱增。据调研，大部分客运站的能源数据计量未实现分类分项计量，车站管理人员对客运站能耗数据情况掌握不够全面准确；客运站水电量统计仍采用传统的人工抄表方式，费时费力。随着国家对互联网、云计算、大数据等新一代信息技术的重视，以及政府对于大型公共建筑分类分项计量的要求，信息化平台将是未来铁路发展的重要手段，能耗大数据分析也是铁路能源管控系统研究的重要方向。在保证能耗数据信息安全的前提下，铁路能源管控系统凭借其现代化的信息监测手段和科学有效的管控手段，能够取得较为有效的节能量，同时为铁路大数据中心建设和全路能耗数据统计提供支撑，在未来铁路客运站及各站段工区的能源管理中有着十分良好的应用前景。此外，铁路也在加快制定能源管控系统相关标准和规范，为推广应用标准统一、科学合理的管控系统提供政策支持和制度保障。

4 结束语

积极推广应用铁路节能新技术，提高新能源、可再生能源在铁路行业的利用程度，是适应建设节能高效综合交通运输体系的需要。节能技术作为促进铁路发展方式转变的重要手段和促进企业经济效益不断提升的有力杠杆，有助于实现节能项目本身的经济效益，达到节能减排与节支增收的有机统一；建设绿色低碳的铁路节能技术体系，对加快推进铁路“提质增效”总体目标、实现铁路绿色发展起到积极的促进作用。节能新技术能够有效降低铁路在建设和运营期间的能源消耗，优化铁路能源消费结构，加快和推进铁路发展，更加充分地发挥铁路在节能减排和绿色环保方面的比较优势。在铁路“提质增效”和碳交易市场日益兴起的大背景下，铁路节能新技术优势明显，具备十分良好的应用和推广前景。伴随新兴科技浪潮的到来，未来的铁路节能可以充分结合大数据、物联网等新一代信息技术，大力开展新能源技术在铁路的应用，积极研发新能源动力机车，力争在节能技术发展方面有更大的突破，为推动铁路绿色发展不断注入新的动力。