賈利民，程鵬，張蜇，吉莉，徐春梅

（1.軌道交通控制與安全國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（北京交通大學(xué)），北京 100044；2.華北電力大學(xué)國家能源交通融合發(fā)展研究院，北京 102206；3.中國石油大學(xué)（北京）信息科學(xué)與工程學(xué)院，北京 102249；4.北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，北京 100044）

一、前言

我國風(fēng)、光等可再生能源豐富，軌道交通基礎(chǔ)設(shè)施和沿線空間具有充足的空間資源可用于可再生能源開發(fā)利用。充分利用可再生能源，構(gòu)建清潔、綠色和高彈性的軌道交通能源系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)軌道交通與可再生能源融合發(fā)展，促進(jìn)能源與軌道交通系統(tǒng)供需革命勢在必行，發(fā)展空間巨大。推動軌道交通與能源融合發(fā)展，有助于優(yōu)化交通運(yùn)輸系統(tǒng)能源結(jié)構(gòu)，促進(jìn)綠色低碳、環(huán)境友好型交通運(yùn)輸系統(tǒng)的發(fā)展，為我國履行應(yīng)對氣候變化責(zé)任、確保國家能源安全和推動交通強(qiáng)國建設(shè)提供支撐保障。

在鐵路新能源利用方面，國內(nèi)外均進(jìn)行了有益的探索嘗試和應(yīng)用實(shí)踐。東日本鐵路公司（JR-East）在東京站9 號和10 號軌道的整個站臺上方安裝了453 kWp 太陽能電池板，為東海道3 號線列車服務(wù)[1]；瑞士鐵路運(yùn)營商擁有并運(yùn)營了6 座水電站，為公司提供75%的牽引電力[2]；智利圣地亞哥的地鐵運(yùn)營商于2017 年建造了兩座太陽能光伏發(fā)電站，為地鐵供應(yīng)60%的電能，可再生能源利用率達(dá)到76%[3]；荷蘭鐵路已實(shí)現(xiàn)鐵路一次能源100%由風(fēng)能提供[4]。在國內(nèi)，北京南站已于2008 年投入運(yùn)行了220 kWp的屋頂太陽能發(fā)電機(jī)組；武漢火車站建成了2.2 MWp的屋面光伏系統(tǒng)；杭州東站在天篷和屋頂上安裝了10 MWp 的太陽能發(fā)電裝置[5]；雄安高鐵站鋪設(shè)了4.2×104m2的光伏建材，總裝機(jī)容量為6 MW，為車站服務(wù)設(shè)施帶來了清潔電力[6]；濟(jì)青高鐵利用沿線車站的屋頂、站臺雨棚等閑置空間安裝光伏發(fā)電項(xiàng)目，取得了顯著的節(jié)能減排效果[7]。

在理論研究方面，目前學(xué)者們提出了光伏接入軌道交通牽引供電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)[8]。由于光伏接入會影響軌道交通牽引供電系統(tǒng)的可靠性和安全性，有必要構(gòu)建含光伏和儲能的牽引供電系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度和控制策略[9,10]，建立高鐵新能源微電網(wǎng)規(guī)劃定容及調(diào)度優(yōu)化模型[11]。為實(shí)現(xiàn)非電氣化鐵路化石能源替代，實(shí)驗(yàn)研究表明，氫能驅(qū)動的列車具有較高的技術(shù)可行性[12~14]。為抑制清潔能源波動性對鐵路運(yùn)行的影響，儲能系統(tǒng)已成為鐵路能源供給系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容[15]。目前，軌道交通儲能技術(shù)主要用來回收列車制動能量[16]。以上研究分別針對電氣化和非電氣化軌道交通與清潔能源的融合提出了不同解決方案。然而，我國地域廣闊且復(fù)雜多變，需要基于我國軌道交通自然稟賦潛力，進(jìn)一步提出軌道交通與能源融合發(fā)展的策略。

國內(nèi)外在鐵路新能源利用方面進(jìn)行了大量理論方法研究和技術(shù)應(yīng)用，但這些鐵路與能源融合應(yīng)用的范圍較小且體系化程度低，無法針對我國國情形成軌道交通能源融合發(fā)展路徑的系統(tǒng)性規(guī)劃和設(shè)計(jì)。因此，本文通過梳理軌道交通能源融合發(fā)展歷史與現(xiàn)狀，全面分析軌道交通能源融合發(fā)展的需求與趨勢，系統(tǒng)性提出軌道交通能源融合發(fā)展的策略路徑和對策建議，以期為軌道交通與能源融合發(fā)展提供方向指引。

二、軌道交通與能源融合發(fā)展的需求分析

安全高效、綠色低碳是交通運(yùn)輸未來發(fā)展的全球共識。鐵路運(yùn)輸作為綠色交通方式的代表，不僅對社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的支撐和保障作用更加凸顯，同時也面臨碳達(dá)峰、碳中和背景下減排增效的巨大壓力和挑戰(zhàn)。長期以來，鐵路對外部電網(wǎng)的高度依賴，不僅使碳排放量居高不下，更因系統(tǒng)彈性缺失形成社會經(jīng)濟(jì)運(yùn)行安全的嚴(yán)重隱患。鐵路路網(wǎng)與電網(wǎng)空間布局失配或適配困難，造成鐵路系統(tǒng)運(yùn)行、維護(hù)、服務(wù)的智能化與綠色化發(fā)展進(jìn)程的結(jié)構(gòu)性約束和瓶頸性障礙，這對于弱電網(wǎng)和無電網(wǎng)地區(qū)尤其如此。為全面推進(jìn)交通運(yùn)輸系統(tǒng)的綠色低碳轉(zhuǎn)型，《“十四五”現(xiàn)代綜合交通運(yùn)輸體系發(fā)展規(guī)劃》指出，鼓勵在鐵路沿線布局光伏發(fā)電及儲能設(shè)施，推動交通運(yùn)輸設(shè)施綠色化升級發(fā)展[17]。因此，鐵路行業(yè)亟需從自身資源挖掘可再生能源潛力，促進(jìn)其能源結(jié)構(gòu)變革。

確保能源安全亟需軌道交通系統(tǒng)能源結(jié)構(gòu)變革。我國風(fēng)、光等自然資源豐富，充分利用可再生能源，構(gòu)建清潔、綠色和高彈性的軌道交通能源系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)交通能源綠色自洽，促進(jìn)能源與交通系統(tǒng)融合。軌道交通系統(tǒng)的能源自洽不僅可以促進(jìn)軌道交通運(yùn)輸行業(yè)用能結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和轉(zhuǎn)型，也是建設(shè)交通強(qiáng)國和保障國家能源總體安全的戰(zhàn)略性舉措。

軌道交通綠色化發(fā)展需求促使一次能源清潔化。當(dāng)前我國乃至全球都面臨著氣候變化、生態(tài)環(huán)境污染等嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，而交通運(yùn)輸行業(yè)是第三用能耗能大戶。通過利用軌道交通基礎(chǔ)設(shè)施承載的可再生能源，實(shí)現(xiàn)軌道交通一次能源清潔化、綠色化，可助力我國碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

不同的自然稟賦利用模式導(dǎo)致軌道交通能源系統(tǒng)形態(tài)變化。軌道交通系統(tǒng)自然稟賦的利用需要綜合考慮自然稟賦形態(tài)、豐度以及電網(wǎng)建設(shè)情況，從而建設(shè)場景適用的軌道交通自洽能源系統(tǒng)。因此，為滿足全國不同地理區(qū)域軌道交通自洽能源系統(tǒng)建設(shè)需求，迫切需要制定軌道交通能源融合發(fā)展策略，實(shí)現(xiàn)軌道交通系統(tǒng)用能從非自洽、部分自洽向自洽的轉(zhuǎn)變。

能源可及性需求為融合模式的變革提供動力。軌道交通系統(tǒng)智能化發(fā)展的前提是軌道交通系統(tǒng)的電氣化。目前，由于電網(wǎng)建設(shè)強(qiáng)度不同，我國中西部還存在一部分非電氣化鐵路。因此，通過利用可再生能源，提出軌道交通能源融合的新模式，是建設(shè)智能化軌道交通系統(tǒng)的必要措施。

三、軌道交通與能源融合發(fā)展的現(xiàn)狀與趨勢

（一）發(fā)展現(xiàn)狀

能源是交通的基礎(chǔ)使能領(lǐng)域，交通是能源的最大負(fù)荷領(lǐng)域，能源與交通的融合發(fā)展一直是保障人類社會合理、有效和可持續(xù)演進(jìn)的重要條件。能源與交通的每一次協(xié)同創(chuàng)新，都極大地提高了社會生產(chǎn)率，促進(jìn)了科技進(jìn)步，進(jìn)而塑造了不同時期的人類文明特征。蒸汽機(jī)與一次化石能源——煤炭的融合產(chǎn)生了蒸汽機(jī)車，拉開了工業(yè)文明的序幕；電力機(jī)車及鐵路與二次能源——電力的融合促成了第二次工業(yè)革命，推動了工業(yè)文明的發(fā)展。與此同時，藉由歷次工業(yè)革命，在能源與交通相輔相成、互相促進(jìn)和融合發(fā)展的作用下，世界各國的經(jīng)濟(jì)地位和戰(zhàn)略格局在不斷發(fā)生著變化與革新[18]。

現(xiàn)有軌道交通載運(yùn)裝備動力系統(tǒng)和基礎(chǔ)設(shè)施能源供給主要有碳基燃料內(nèi)燃機(jī)和電力。內(nèi)燃機(jī)驅(qū)動列車使用石油或天然氣作為主要的動力能量，通過傳動裝置轉(zhuǎn)化為機(jī)械能；電力驅(qū)動列車通過牽引供電網(wǎng)獲取電力或者采用電力儲能為軌道交通運(yùn)輸提供動力來源。在基礎(chǔ)設(shè)施方面，軌道交通經(jīng)歷了機(jī)械化和電氣化兩個階段，由于軌道交通基礎(chǔ)設(shè)施電氣化建設(shè)要求和難度相比于列車牽引動力電氣化較低，其電氣化實(shí)現(xiàn)早于載運(yùn)裝備。截至2021 年年底，我國鐵路電氣化率達(dá)73.3%，但內(nèi)燃機(jī)車使用量仍有0.78萬輛[19]。在城市軌道交通方面，電力機(jī)車的普及程度較高，基本實(shí)現(xiàn)了基礎(chǔ)設(shè)施和載運(yùn)裝備的完全電氣化，但車輛段或停車場仍存在大量用于應(yīng)急救援和區(qū)間作業(yè)的內(nèi)燃機(jī)車。

（二）發(fā)展趨勢

未來的軌道交通能源系統(tǒng)將圍繞高效能、高彈性和綠色化三大歷史使命進(jìn)行演進(jìn)。軌道交通用能形態(tài)將朝三大創(chuàng)新方向發(fā)展：一是軌道交通資產(chǎn)向綠色能源化方向發(fā)展，主要是新能源供能技術(shù)運(yùn)用于軌道交通系統(tǒng)；二是能源供給向自洽多元化方向發(fā)展：主要通過新能源出力的接入，采用混合儲能裝置作為中間單元，為軌道交通系統(tǒng)提供多元化的能源供給；三是用能管理向協(xié)同彈性化方向發(fā)展，即通過軌道交通資產(chǎn)的綠色能源化和能源供給的彈性多元化的發(fā)展，運(yùn)營管理逐漸向高度協(xié)同的彈性化方向發(fā)展。

通過軌道交通資產(chǎn)向綠色化轉(zhuǎn)變，鐵路能源系統(tǒng)可以減少外界能源供給，降低并減輕電網(wǎng)的壓力和負(fù)擔(dān)，提高軌道交通資產(chǎn)的效能；通過自洽式供能的推進(jìn)，將逐漸減少軌道交通能源系統(tǒng)與高壓電網(wǎng)的接觸電壓，可以有效減少電弧、電暈等鐵路接觸網(wǎng)高壓放電危險(xiǎn)的發(fā)生，對保障軌道交通的安全穩(wěn)定運(yùn)行極為關(guān)鍵；通過能源管理的彈性化發(fā)展，可以充分利用和調(diào)度我國豐富的交通可再生資源?？傊?，軌道交通系統(tǒng)的充分綠色化將是建設(shè)綠色中國、完成碳減排目標(biāo)和任務(wù)的有力支撐。

四、軌道交通與能源融合發(fā)展的自然稟賦分析

（一）太陽能

我國太陽能資源豐富[20]，各地每平方米的年太陽輻射總量為928~2333 kW·h，中值為每平方米1626 kW·h。據(jù)估算，我國每年平均獲得的太陽能約為1×1016kW·h，相當(dāng)于1.2×1012tce 所具有的能量。根據(jù)各地區(qū)經(jīng)緯度及氣候差異，我國太陽能資源可分為四類地區(qū)[21]，其中，Ⅰ類區(qū)域每平方米的年輻射量超過1860 kW·h，Ⅱ類區(qū)域每平方米的年輻射量為1500~1860 kW·h，Ⅲ類區(qū)域每平方米的年輻射量為1200~1500 kW·h，Ⅳ類區(qū)域每平方米的年輻射量少于1200 kW·h。我國太陽能資源的區(qū)域分布情況如表1所示。

我國88.5%的軌道交通里程分布在Ⅱ、Ⅲ類光資源區(qū)，光伏發(fā)電潛力顯著，因此，可充分利用軌道交通側(cè)的地理優(yōu)勢進(jìn)行可再生能源的最大量開發(fā)。通過利用軌道交通自有空間資源實(shí)施分布式新能源發(fā)電，不僅可以提高軌道交通土地資源的綜合利用率，還可以提供部分軌道交通用能。

軌道交通的基礎(chǔ)設(shè)施中線路沿側(cè)、車站站點(diǎn)院內(nèi)、房頂?shù)燃锌臻g資源具有較大的可再生能源開發(fā)潛力，便于建設(shè)光伏發(fā)電系統(tǒng)。因此，通過在軌道交通可開發(fā)空間建設(shè)分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)軌道交通系統(tǒng)從消費(fèi)者向生產(chǎn)者的轉(zhuǎn)變，減少非可再生能源電力的用量，是一種新型、具有廣闊前景的軌道交通電源潛力開發(fā)的方式。軌道交通的空間資源為分布式光伏發(fā)電提供了布局空間，同時軌道列車、站點(diǎn)負(fù)荷又為可再生能源提供了就近的消納空間，從而形成自發(fā)自用的分布式發(fā)電開發(fā)新模式，降低軌道交通系統(tǒng)的外購電力與碳排放量。含可再生能源與電網(wǎng)共同供電的交通側(cè)電源，在發(fā)電量較少時可以從電網(wǎng)取電，在發(fā)電量充足時又可以獨(dú)立電網(wǎng)單獨(dú)供電，形成交通側(cè)微電網(wǎng)。

（二）風(fēng)能

我國幅員遼闊，海岸線長，季風(fēng)氣候顯著，風(fēng)能資源豐富。根據(jù)中國氣象局對中國陸地10 m 高度層風(fēng)能資源的理論值統(tǒng)計(jì)，全國平均風(fēng)能密度為100 W/m2，其中，陸地上可開發(fā)和利用的風(fēng)能儲量為2.53×108kW。如果陸上年風(fēng)電上網(wǎng)電量按等效滿負(fù)荷2000 h 計(jì)算，每年可提供電量約為0.5×1012kW·h[22]。由此可見，我國可開發(fā)的風(fēng)能資源儲備極為豐富，可成為未來軌道交通供能系統(tǒng)中一個重要的組成部分。

風(fēng)能不僅隨時間的變化而變化，還隨高度的變化而變化，總的來看，我國“三北地區(qū)”具有發(fā)展風(fēng)能的顯著優(yōu)勢。其中，黑龍江、吉林、遼寧、北京、天津、河北、河南、山西、內(nèi)蒙古、陜西、甘肅、青海、寧夏和新疆等地區(qū)是我國風(fēng)能利用和發(fā)展的重點(diǎn)地區(qū)。其中，內(nèi)蒙古地勢平坦、海拔高，在離地70 m高度的平均風(fēng)速可達(dá)8.0~9.3 m/s，功率密度為700~1200 W/m2，大量優(yōu)質(zhì)、易開發(fā)的風(fēng)能資源催生出一大批風(fēng)力發(fā)電場。此外，我國沿海地區(qū)及島嶼地區(qū)受春冬季冷空氣以及夏秋季臺風(fēng)的影響，在山東、江蘇、上海、浙江、福建、廣東、廣西、海南等沿海省市形成了向內(nèi)陸延展10 km 寬的風(fēng)能資源豐富區(qū)，年可用小時數(shù)為7000~8000 h。我國風(fēng)資源分布的整體情況如表2所示。

表1 我國太陽能資源分布的區(qū)域劃分

表2 我國風(fēng)力資源分布的區(qū)域劃分

五、軌道交通與能源融合發(fā)展的技術(shù)策略

軌道交通能源融合的目標(biāo)是通過軌道交通能源自洽，實(shí)現(xiàn)軌道交通系統(tǒng)能源結(jié)構(gòu)的改變，提高軌道交通系統(tǒng)彈性，支撐國家能源安全和“雙碳”戰(zhàn)略。接下來，筆者在分析軌道交通一次能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型目標(biāo)的基礎(chǔ)上，分別提出適用電氣化和非電氣化軌道交通能源融合發(fā)展的策略。

（一）電氣化軌道交通與能源融合發(fā)展策略

電氣化軌道交通與能源融合發(fā)展是通過電氣化軌道交通與可再生能源集成融合，構(gòu)建新型的電氣化軌道交通能源供給系統(tǒng)。電氣化軌道交通與能源融合發(fā)展的總體目標(biāo)是低碳化、再電氣化和數(shù)字化。電氣化軌道交通與能源融合的總體策略為以清潔能源作為電氣化軌道交通的部分動力源，借助先進(jìn)的電力電子技術(shù)與信息電子技術(shù)，充分利用電氣化軌道交通的自然資源稟賦，實(shí)現(xiàn)電氣化軌道交通與能源融合的快速發(fā)展。

在總體策略的指引下，為實(shí)現(xiàn)電氣化軌道交通與能源融合發(fā)展的目標(biāo)，今后的主要發(fā)展方向?yàn)檐壍澜煌茉辞鍧嵒D(zhuǎn)型、資產(chǎn)能源化開發(fā)、信息化構(gòu)建。首先，通過軌道交通能源清潔化，降低軌道交通的直接/間接碳排放量，促進(jìn)電氣化軌道交通的低碳化發(fā)展；然后，以資產(chǎn)能源化的方式，充分利用軌道交通既有空間資源，提高軌道交通空間資源綜合利用率，進(jìn)一步促進(jìn)軌道交通電氣化的發(fā)展；最后，借助先進(jìn)信息電子技術(shù)，構(gòu)建“源-網(wǎng)-儲-車”協(xié)同的智能化鐵路牽引供電系統(tǒng)，促進(jìn)能源的高效節(jié)約利用。

1.能源清潔化轉(zhuǎn)型

能源清潔化轉(zhuǎn)型是實(shí)現(xiàn)電氣化軌道交通與能源融合發(fā)展低碳化目標(biāo)的重要路徑。能源清潔化包括供給側(cè)產(chǎn)能的清潔化和需求側(cè)用能的清潔化，前者指開發(fā)太陽能和風(fēng)能等可再生清潔能源作為電能生產(chǎn)方式；后者指構(gòu)建多途徑清潔能源消納方式，實(shí)現(xiàn)清潔能源的高效利用。通過促進(jìn)電氣化軌道交通清潔能源消納，發(fā)展電氣化軌道交通，減少內(nèi)燃機(jī)車使用，使電氣化軌道交通系統(tǒng)用能實(shí)現(xiàn)清潔、綠色化。電氣化軌道交通的能源清潔化轉(zhuǎn)型是實(shí)現(xiàn)綠色低碳發(fā)展的核心目標(biāo)，是對電氣化軌道交通的低碳化改造，是實(shí)現(xiàn)電氣化軌道交通領(lǐng)域“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)的重要路徑。

2.資產(chǎn)能源化開發(fā)

電氣化軌道交通資產(chǎn)的能源化開發(fā)是實(shí)現(xiàn)軌道交通再電氣化的主要路徑，可以根據(jù)電氣化軌道交通的空間布局與結(jié)構(gòu)特征，在電氣化軌道交通鋪設(shè)區(qū)段建設(shè)分布式可再生能源轉(zhuǎn)換設(shè)施。通過部署分布式能源設(shè)施，將我國軌道交通范圍內(nèi)的自然資源稟賦轉(zhuǎn)化為能源加以利用，促進(jìn)我國電氣化軌道交通的建設(shè)和發(fā)展，構(gòu)建以清潔能源為主體的新型電氣化軌道交通牽引供電系統(tǒng)。具體方式有軌道交通沿線國土資產(chǎn)開發(fā)、軌道交通附屬建筑資產(chǎn)開發(fā)等。資產(chǎn)能源化開發(fā)是電氣化軌道交通與能源融合發(fā)展的基石，是對軌道交通資產(chǎn)的再電氣化改造，是改變電氣化軌道交通能源供給方式的重要舉措。

3.電氣化軌道交通系統(tǒng)的信息化構(gòu)建

信息化是電氣化軌道交通能源高效利用的技術(shù)保障，將極大提升電氣化軌道交通的能源可靠性與利用效率。電氣化軌道交通系統(tǒng)的信息化構(gòu)建，可以助力實(shí)現(xiàn)電氣化軌道交通與能源融合發(fā)展的數(shù)字化目標(biāo)。通過先進(jìn)信息電子技術(shù)，構(gòu)建智能電氣化軌道交通供電系統(tǒng)，搭建高效的智慧系統(tǒng)運(yùn)行管控平臺。電氣化軌道交通系統(tǒng)信息化構(gòu)建主要是從本地終端層和系統(tǒng)集控層兩個方面開展。在本地終端層，通過對“產(chǎn)-儲-配”設(shè)施的實(shí)時檢測監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)能源基礎(chǔ)設(shè)施全周期狀態(tài)感知；在系統(tǒng)集控層，通過對軌道交通“網(wǎng)-源-儲-車”多個供/用能主體的協(xié)同管理，實(shí)現(xiàn)整個系統(tǒng)的用能效率最大化。

4.電氣化鐵路與能源融合發(fā)展的場景應(yīng)用

電氣化軌道交通與能源融合發(fā)展的場景應(yīng)用是指對新能源發(fā)電設(shè)備進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)整，使其適合電氣化軌道交通牽引系統(tǒng)結(jié)構(gòu)集成，提供清潔牽引電力，實(shí)現(xiàn)新能源發(fā)電的適配集成與全額消納。針對分相交流牽引供電系統(tǒng)，可利用V/v 變壓器構(gòu)造額外交流母線或功率調(diào)節(jié)器的公共直流母線，分別構(gòu)造交流微電網(wǎng)與直流微電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)光伏和風(fēng)力發(fā)電的近站區(qū)接入，如圖1和圖2所示。

針對同相交流牽引供電系統(tǒng)，由于功率調(diào)節(jié)器和電力電子變壓器均存在公共直流側(cè)，可利用公共直流端構(gòu)建直流微電網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)光伏發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電的近站區(qū)接入，如圖3所示。

利用軌道交通側(cè)的空間資源，充分發(fā)揮多可控資源的互補(bǔ)性優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)軌道交通側(cè)的可再生能源最大化開發(fā)，并利用可再生能源的發(fā)電潛力為軌道交通能源系統(tǒng)提供充足的可再生電力供給。軌道交通運(yùn)載體作為軌道交通側(cè)最大的消耗能源者，也為可再生能源發(fā)電提供了足夠的消納空間，在滿足自身能源消耗外，剩余能量可回饋于電網(wǎng)。由于可再生能源發(fā)電與軌道交通運(yùn)載體用電的雙重波動性，可通過加裝儲能裝置對能量/功率進(jìn)行時間上的平移，實(shí)現(xiàn)負(fù)荷與發(fā)電量相匹配。綜上所述，將一定地理范圍內(nèi)的可再生能源、儲能裝置以及可控負(fù)荷、穩(wěn)定的主電源進(jìn)行統(tǒng)一整合，共同形成一個既可以與大電網(wǎng)并聯(lián)運(yùn)行，又可以獨(dú)立于大電網(wǎng)、孤島運(yùn)行的軌道交通側(cè)微網(wǎng)，從而實(shí)現(xiàn)電氣化鐵路軌道交通系統(tǒng)與能源融合的高彈性和高效能運(yùn)行。

圖1 交/直流混合微電網(wǎng)并入兩相交流軌道牽引網(wǎng)

圖2 交流微電網(wǎng)并入分相交流軌道牽引網(wǎng)

圖3 交/直流混合微電網(wǎng)并入同相交流軌道牽引網(wǎng)

（二）非電氣化軌道交通與能源融合發(fā)展策略

非電氣化軌道交通與能源融合發(fā)展是促進(jìn)軌道交通全面清潔化和電氣化的重要措施。為實(shí)現(xiàn)非電氣化軌道交通與能源融合發(fā)展，達(dá)到非電氣化鐵路的新型電氣化、清潔化和一體化的預(yù)期目標(biāo)，主要途徑有新動力轉(zhuǎn)型和新能源供配。其中，新動力轉(zhuǎn)型是實(shí)現(xiàn)非電氣化軌道交通與能源融合發(fā)展的新型電氣化之路的核心；新能源供配是實(shí)現(xiàn)非電氣化軌道交通區(qū)段自然資源稟賦的清潔化綜合開發(fā)與高效利用。

1.新動力轉(zhuǎn)型

針對非電氣化軌道交通，載運(yùn)工具的新動力轉(zhuǎn)型是建設(shè)新型電氣化軌道交通的關(guān)鍵。通過促進(jìn)非電氣化軌道交通牽引動力由化石燃料驅(qū)動向清潔電力驅(qū)動轉(zhuǎn)型，使非電氣化軌道交通系統(tǒng)牽引用能實(shí)現(xiàn)新型電氣化。清潔電力驅(qū)動方式主要采用超級電容、動力電池、氫燃料電池等方式供電的電動化驅(qū)動。其中，氫能化驅(qū)動是以氫能作為列車動力源，再由燃料電池轉(zhuǎn)化為電能驅(qū)動列車運(yùn)行[23]。特別地，電氣化軌道交通區(qū)段的內(nèi)燃調(diào)車機(jī)車可作為新型動力轉(zhuǎn)型的對象。非電氣化軌道交通的新動力轉(zhuǎn)型是實(shí)現(xiàn)非電氣化軌道交通綠色低碳發(fā)展的首要條件，是對非電氣化軌道交通的新型電氣化改造，是實(shí)現(xiàn)非電氣化軌道交通領(lǐng)域“雙碳”戰(zhàn)略的內(nèi)在動力。

2.非電氣化軌道交通的新能源供配

針對站點(diǎn)的陸基設(shè)施，非電氣化軌道交通新能源供配是實(shí)現(xiàn)非電氣化軌道交通與能源融合發(fā)展清潔化、一體化目標(biāo)的主要路徑。新能源供配包括兩個方面，一是大力促進(jìn)軌道交通區(qū)域內(nèi)的自然資源稟賦開發(fā)與利用，實(shí)現(xiàn)軌道交通清潔能源的自洽供給，使非電氣化軌道交通系統(tǒng)從化石能源消費(fèi)者向清潔能源產(chǎn)消者轉(zhuǎn)型；二是構(gòu)建新型非電氣化軌道交通能源供配系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)非電氣化軌道交通系統(tǒng)的能源生產(chǎn)、轉(zhuǎn)換與補(bǔ)給功能一體化系統(tǒng)集成。非電氣化軌道交通的新能源供配是實(shí)現(xiàn)非電氣化軌道交通清潔高效發(fā)展的必要條件，是實(shí)現(xiàn)非電氣化軌道交通領(lǐng)域“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)的外在動力。

3.非電氣化軌道交通與能源融合的應(yīng)用場景

非電氣化軌道交通與能源融合發(fā)展的場景主要包括載運(yùn)工具的電動化和氫能化。為實(shí)現(xiàn)非電氣化軌道交通系統(tǒng)的用能清潔化，需要提高鐵路能源系統(tǒng)彈性，提出專用的可再生清潔能源系統(tǒng)。該系統(tǒng)可借助軌道交通車站近站區(qū)范圍內(nèi)的可再生能源發(fā)電系統(tǒng)（風(fēng)、光為主），通過“源-儲-荷”互動模式以支撐非電氣化軌道交通站點(diǎn)用能與新型載運(yùn)工具用能，維持負(fù)荷的長期穩(wěn)定運(yùn)行。

風(fēng)、光可再生能源的波動性和軌道交通新型載運(yùn)工具無接觸網(wǎng)的獨(dú)立運(yùn)行模式，導(dǎo)致電源隨氣候變化的隨機(jī)性供給與負(fù)荷隨運(yùn)行模式的間斷性用能之間存在匹配差異。因此，建議采用非電氣化軌道交通站點(diǎn)的二次能源系統(tǒng)作為一次發(fā)電系統(tǒng)與機(jī)車負(fù)荷之間的過渡橋接系統(tǒng)。如圖4所示，該系統(tǒng)主要由電儲能、電化學(xué)儲能和充電、電制氫、氫儲和加氫裝置組成。通過二次能源系統(tǒng)對可再生清潔能源發(fā)電系統(tǒng)生產(chǎn)的能源進(jìn)行物理上的暫存，并通過能源輸出配置實(shí)現(xiàn)制式上的規(guī)范和統(tǒng)一，亦保證了能源的清潔性。

六、軌道交通與能源融合發(fā)展的潛力測算與實(shí)施步驟：以鐵路和光伏融合發(fā)展為例

本文以鐵路和光伏的融合發(fā)展為例，通過測算太陽能自然稟賦潛力和能源負(fù)荷，提出鐵路與能源融合發(fā)展的路線圖。

（一）我國鐵路和光伏融合發(fā)展?jié)摿y算

為便于分析，按照每個區(qū)域的年平均輻射量對應(yīng)該區(qū)域的相同輻射量的一點(diǎn)來代替該區(qū)域，由此計(jì)算得出的區(qū)域?yàn)椋孩耦悈^(qū)域選擇（30.7°N，89.85°E），Ⅱ類區(qū)域選擇（39.4°N，90.3°E），Ⅲ類區(qū)域選擇（35.3°N，114.9°E），Ⅳ類區(qū)域（30.2°N，108.2°E）。

鐵路和光伏融合的方式主要分為運(yùn)載體與光伏融合、基礎(chǔ)設(shè)施與光伏融合以及服務(wù)設(shè)施與光伏融合[24~26]。運(yùn)載體與光伏融合是指在列車車廂頂部布置光伏組件，目前適合此類融合方式的主要為非電氣化鐵路的機(jī)車車輛；基礎(chǔ)設(shè)施與光伏融合是指利用鐵路線路周圍空間布設(shè)光伏組件；服務(wù)設(shè)施與光伏融合是指在車站站頂布設(shè)光伏組件。不同融合模式的光伏出力潛力計(jì)算公式如下[18]：

圖4 非電氣化鐵路可再生清潔能源轉(zhuǎn)換系統(tǒng)

（1）鐵路運(yùn)載體的光伏出力：

式（1）中，Pt為運(yùn)載體的光伏出力，nt為客車數(shù)量，St為列車車頂可鋪設(shè)光伏面積，Ra為全國平均年輻射量，ρ為光伏組件轉(zhuǎn)化效率。

（2）鐵路基礎(chǔ)設(shè)施的光伏出力：

式（2）中，Pr為軌道交通線路的光伏出力，l1、l2、l3、l4分別為Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅲ類、Ⅳ類輻射地區(qū)可鋪設(shè)光伏線路的長度，c 為平均光伏組件寬度，R1、R2、R3、R4分別為Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅲ類、Ⅳ類地區(qū)的平均年輻射量。

（3）鐵路服務(wù)設(shè)施的光伏出力：

式（3）中，Ps為鐵路服務(wù)設(shè)施的光伏出力，ns1、ns2、ns3、ns4分別為Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅲ類、Ⅳ類輻射地區(qū)的車站數(shù)量，Sa為車站平均面積。根據(jù)我國太陽能輻射資源，圖5給出了2017年我國不同地區(qū)鐵路光伏出力的評估結(jié)果。

（二）未來我國鐵路和光伏融合潛力測算

1.未來光伏出力潛力測算

假定2021—2025年列車數(shù)量的增長率與鐵路網(wǎng)規(guī)模保持一致，列車可鋪設(shè)光伏的空間利用率達(dá)到10%，其他條件保持不變，因此，2025年我國軌道交通載運(yùn)工具的光伏年出力為0.11×108kW·h，2030 年 將 達(dá) 到0.27×108kW·h，2035 年 將 達(dá) 到0.44×108kW·h。

假定鐵路網(wǎng)規(guī)模在四類光輻射區(qū)域的增長情況一致，線路可鋪設(shè)的光伏空間利用率達(dá)到10%，則2025 年我國軌道交通基礎(chǔ)設(shè)施光伏年出力可達(dá)到4.18×1010kW·h，2030年將達(dá)到1×1011kW·h，2035年將達(dá)到1.66×1011kW·h。

假定鐵路特等站數(shù)量在四類光輻射區(qū)域的增長情況與鐵路規(guī)模的增長情況一致，車站可鋪設(shè)的光伏空間利用率為10%，其他條件保持不變，則2025年我國鐵路特等站光伏年出力可達(dá)到2.77×108kW·h，2030 年 將 達(dá) 到6.62×108kW·h，2035 年 將 達(dá) 到1.09×109kW·h。

2.能源負(fù)荷預(yù)測

根據(jù)國際能源署的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)[27]，2017年我國鐵路能源需求為1.57×107tce，預(yù)計(jì)到2030 年為2.5×107tce，到2050 年為3.29×107tce。我國大多數(shù)地區(qū)增加的鐵路用電需求可以通過如架空電氣化線路等各種技術(shù)來滿足，同時也是可以提供降低溫室氣體、當(dāng)?shù)匚廴疚锱欧诺某杀拘б媸侄巍?jù)預(yù)測，2025年，我國鐵路用電負(fù)荷將達(dá)1.66×107tce，約為1.35×1011kW·h；2030年，我國鐵路運(yùn)輸?shù)碾娏π枨髮⑦_(dá)到2.25×107tce，約為1.83×1011kW·h；2035年，我國鐵路用電負(fù)荷將達(dá)到2.76×107tce，約為2.24×1011kW·h[18]。

圖5 2017年我國不同地區(qū)軌道交通（鐵路）光伏出力評估[18]

（三）鐵路能源融合發(fā)展路線圖

本文以新能源滲透率為量化指標(biāo)，提出鐵路能源融合總體目標(biāo)，從用電自洽率、用能自洽率和碳減排等方面提出鐵路能源融合的五年階段性發(fā)展目標(biāo)和策略[18]。首先，根據(jù)未來15年我國新能源與鐵路融合的潛力測算得出我國鐵路系統(tǒng)到2025 年、2030 年、2035 年的新能源滲透率可分別達(dá)到10%、20%、30%。根據(jù)鐵路光伏出力及其用電負(fù)荷需求，計(jì)算出不同時間階段內(nèi)達(dá)到的自洽率，進(jìn)而得到面向2035年的鐵路新能源融合演進(jìn)路線圖（見圖6）。

2022—2025年：優(yōu)先開發(fā)列車開行密度高且光照資源豐富區(qū)域，以“可再生能源+儲能+微電網(wǎng)+余電上網(wǎng)”和“可再生能源+儲能+微電網(wǎng)/電網(wǎng)+自給自足”模式為主，實(shí)現(xiàn)用電自洽率為19.5%、用能自洽率為15.6%。可再生能源配合混合儲能可提供部分有功出力，鐵路主要用能仍以電網(wǎng)供電為主。鐵路節(jié)能減排效果顯著，能效逐步提高。

2026—2030年：持續(xù)開發(fā)列車開行密度高且光照資源豐富區(qū)域，逐步推進(jìn)少負(fù)荷且多光區(qū)域，以“內(nèi)燃機(jī)+可再生能源+微電網(wǎng)+自給自足”和“可再生能源+儲能+微電網(wǎng)為主+余電上網(wǎng)”模式為主，實(shí)現(xiàn)用電自洽率為34.5%、用能自洽率為31.0%?？稍偕茉磁浜匣旌蟽δ芸商峁┑挠泄Τ隽M(jìn)一步增多，剩余出力由電網(wǎng)補(bǔ)充。鐵路節(jié)能減排取得大幅度進(jìn)展，能效進(jìn)一步提高，助力實(shí)現(xiàn)鐵路碳達(dá)峰目標(biāo)。

2031—2035年：持續(xù)開發(fā)列車密度小且光照資源豐富多光區(qū)域，逐步推進(jìn)其他區(qū)域的開發(fā)，逐步推進(jìn)“內(nèi)燃機(jī)+可再生能源+微電網(wǎng)+自給自足”和“可再生能源+儲能+微電網(wǎng)/電網(wǎng)+自給自足”等模式，實(shí)現(xiàn)用電自洽率達(dá)到46.5%，用能自洽率達(dá)到44.2%。可再生能源配合混合儲能可提供幾乎一半的有功出力，剩余出力仍由電網(wǎng)補(bǔ)充。鐵路交通智能化、綠色化、高效化和環(huán)境友好水平大大提升，并向鐵路碳中和目標(biāo)前進(jìn)。

七、對策建議

（一）鼓勵綠色智能軌道交通技術(shù)創(chuàng)新，構(gòu)建軌道交通能源融合技術(shù)體系

建議加強(qiáng)新能源軌道交通載運(yùn)工具技術(shù)研發(fā)，突破高性能電動、氫能驅(qū)動和低碳能源驅(qū)動載運(yùn)裝備技術(shù)，突破軌道交通載運(yùn)裝備混合動力技術(shù)和非碳基能源動力技術(shù)；研發(fā)軌道交通能源自洽、軌道交通自洽能源系統(tǒng)多能變換與調(diào)控、軌道交通自洽能源系統(tǒng)高效能與高彈性等技術(shù)，研究軌道交通系統(tǒng)數(shù)字化、智能化與綜合化等技術(shù)，建設(shè)綠色智慧軌道交通體系。

圖6 鐵路與能源融合發(fā)展路線圖

（二）實(shí)施核心科技攻關(guān)計(jì)劃，統(tǒng)籌新能源與軌道交通產(chǎn)業(yè)布局

加強(qiáng)國家科技行動戰(zhàn)略引領(lǐng)，論證并制定軌道交通能源融合科技發(fā)展規(guī)劃，編制軌道交通能源融合發(fā)展脈絡(luò)圖，部署領(lǐng)域重點(diǎn)科技攻關(guān)計(jì)劃。建議圍繞軌道交通自洽能源系統(tǒng)，統(tǒng)籌國家實(shí)驗(yàn)室、國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室和國家技術(shù)創(chuàng)新中心布局，培育發(fā)展創(chuàng)新型領(lǐng)軍企業(yè)，建設(shè)軌道交通能源融合創(chuàng)新聯(lián)合體，以期在軌道交通自洽能源系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范和實(shí)施應(yīng)用等方面取得突破。加快軌道交通能源融合技術(shù)研發(fā)、示范和規(guī)模化應(yīng)用，構(gòu)建與新型電力系統(tǒng)建設(shè)深度融合的“政產(chǎn)學(xué)研用”技術(shù)產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新體系；持續(xù)加強(qiáng)軌道交通自洽能源技術(shù)研發(fā)和示范工程支持力度，促進(jìn)軌道交通和能源行業(yè)高質(zhì)量可持續(xù)發(fā)展。

（三）政策引領(lǐng)軌道交通能源融合發(fā)展，建立綠色金融政策保障體系

發(fā)揮市場在資源配置方面的決定性作用，以市場化手段解決軌道交通新能源系統(tǒng)建設(shè)成本高的問題。借助電力市場化改革契機(jī)和碳排放交易機(jī)制[28]，挖掘“源-網(wǎng)-車-儲”協(xié)同的軌道交通能源系統(tǒng)資源配置潛力，推進(jìn)軌道交通能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化，提高軌道交通能源融合產(chǎn)業(yè)的投資收益。加強(qiáng)政府引領(lǐng)，制定能源電力部門與軌道交通行業(yè)的合作政策，優(yōu)化面向軌道交通能源融合產(chǎn)業(yè)的投融資和稅收政策，健全軌道交通與新能源用地統(tǒng)籌規(guī)劃、系統(tǒng)一體化設(shè)計(jì)和基礎(chǔ)設(shè)施協(xié)調(diào)建設(shè)機(jī)制，促進(jìn)交通運(yùn)輸行業(yè)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。