孫開(kāi)意，鄧文豪，郝曉武，喬淵瑋，李學(xué)寧，袁宗洋

（鐵科院（北京）工程咨詢有限公司，北京 100081）

1 前言

近年來(lái)，中國(guó)城市化進(jìn)程日漸加快；為滿足社會(huì)發(fā)展需求，交通基礎(chǔ)設(shè)施規(guī)模不斷擴(kuò)大，鐵路、公路運(yùn)營(yíng)里程顯著增加；城市軌道交通進(jìn)入飛速發(fā)展時(shí)期。同時(shí)，隨著全球能源危機(jī)、氣候變化及環(huán)境問(wèn)題日益突出，大力發(fā)展具有低能耗、高能效、低排放等特點(diǎn)的城市低碳交通具有重大價(jià)值；其中，城市軌道交通作為交通領(lǐng)域重要的組成部分，及國(guó)家未來(lái)城市化和實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)的重要系統(tǒng)，進(jìn)行雙碳優(yōu)化具有重要的意義。

2 雙碳的概述及實(shí)現(xiàn)途徑

雙碳即“碳達(dá)峰”與“碳中和”的合稱。隨著人類活動(dòng)產(chǎn)生的碳排放量越來(lái)越大，全球氣候變暖趨勢(shì)明顯；如果不對(duì)碳排放加以控制，氣候變化會(huì)帶來(lái)極端惡劣天氣、自然災(zāi)害、海平面上升等無(wú)法逆轉(zhuǎn)的危害，影響人類生活[1]。

“碳達(dá)峰”即碳排放由上漲轉(zhuǎn)向下降的拐點(diǎn)，就是指碳排放量達(dá)峰。目前世界工業(yè)運(yùn)行所需能源主要為電能和化學(xué)能，而火電是重要的電能來(lái)源。貿(mào)然降低碳排放會(huì)導(dǎo)致國(guó)家經(jīng)濟(jì)受影響；因此，需要在保證經(jīng)濟(jì)正常運(yùn)行的情況下控制碳排放。此后，碳排放量的數(shù)值會(huì)呈現(xiàn)出二次函數(shù)變化趨勢(shì)，在某一個(gè)時(shí)間點(diǎn)達(dá)到歷史最高值，之后逐步降低，最后實(shí)現(xiàn)碳排放和碳吸收的中和?！疤贾泻汀奔刺寂欧藕吞嘉盏牡戎迭c(diǎn)，就是指二氧化碳凈零排放；這意味著人類活動(dòng)導(dǎo)致的二氧化碳排放量與人類活動(dòng)帶來(lái)的二氧化碳吸收量在一定時(shí)期內(nèi)達(dá)到平衡[2]。其中，人類活動(dòng)排放的二氧化碳來(lái)源于化石燃料燃燒、工業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)及土地利用活動(dòng)等；人類活動(dòng)吸收二氧化碳的方法包括植樹(shù)造林、運(yùn)用碳匯技術(shù)進(jìn)行碳捕集等。

實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)的途徑主要有以下幾種：一是調(diào)整經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)，控制鋼鐵、水泥、玻璃等高能耗、高排放行業(yè)的發(fā)展，推動(dòng)低能耗的服務(wù)業(yè)和輕工業(yè)的發(fā)展；二是調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，減少煤炭、石油等碳含量高的化石能源的消費(fèi)，增加太陽(yáng)能、風(fēng)能、氫氣等零碳的可再生能源以及天然氣、乙醇等低碳清潔能源的消費(fèi)；三是推動(dòng)機(jī)械電氣化進(jìn)程，加快工業(yè)、建筑、交通等領(lǐng)域的電氣化，全面推進(jìn)電力、工業(yè)、建筑、交通等重點(diǎn)領(lǐng)域節(jié)能，提高能源使用效率，減少能源在生產(chǎn)、運(yùn)輸和消費(fèi)環(huán)節(jié)的浪費(fèi)[3]。

3 城市軌道交通碳排放特點(diǎn)

交通運(yùn)輸是城市耗電大戶。根據(jù)國(guó)際能源署發(fā)布的報(bào)告，2019年，交通運(yùn)輸貢獻(xiàn)了燃料燃燒產(chǎn)生的直接二氧化碳排放量的 24%[4]。隨著城市的發(fā)展，交通運(yùn)輸領(lǐng)域能耗占比不斷增加。由于交通運(yùn)輸業(yè)的能量效率比較低，對(duì)交通運(yùn)輸領(lǐng)域進(jìn)行雙碳優(yōu)化具有重要的意義。

目前，我國(guó)人口仍集中于城市之中；為滿足大量旅客的出行需求，城市交通運(yùn)輸系統(tǒng)耗能巨大。隨著城市軌道交通運(yùn)營(yíng)里程的增長(zhǎng)，其運(yùn)營(yíng)能耗和碳排放量呈增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，但城市軌道交通能量利用效率較低，具有很大的優(yōu)化空間；因此，從城市軌道交通入手可有效降低城市交通運(yùn)輸?shù)奶寂欧?。相比于其他城市交通方式，城市軌道交通主要具有運(yùn)量大、人均碳排放量低、能量消耗構(gòu)成復(fù)雜3個(gè)特點(diǎn)。

3.1 運(yùn)量大

城市軌道交通作為大人口基數(shù)城市交通需求的解決方案，可以大量運(yùn)輸乘客。以某B型車輛為例，其載客量信息如表1所示。城市軌道交通僅單列6編組列車即可搭載1 500人左右。其載客量大的特點(diǎn)可解決大人口基數(shù)城市出行高峰期的交通堵塞問(wèn)題。

表1 某地鐵車輛載客量信息表

3.2 人均碳排放量低

城市軌道交通不同于汽車、公交車等高碳排放交通方式，主要以電能作為能源；同時(shí)由于運(yùn)量大，其相比于其他交通方式，人均碳排放量低；北京市軌道交通碳排放情況如表2所示。從表格可以看出，城市軌道交通人均碳排放量較低，僅為0.037 5 kg /人公里，而汽車的碳排放量為0.5 kg /人公里，公交車的碳排放量為0.08 kg /人公里；由此可見(jiàn)，城市軌道交通人均碳排放量?jī)H為公交車的46%，汽車的7.5%，是交通運(yùn)輸領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)降碳的重要貢獻(xiàn)力量。有效地推進(jìn)城市軌道交通發(fā)展，優(yōu)化城市軌道交通能源消耗是解決交通領(lǐng)域碳排放問(wèn)題的重要方法。

表2 2019年北京市軌道交通碳排放表

3.3 能量消耗構(gòu)成復(fù)雜

城市軌道交通與汽車和公交車相比，需要進(jìn)行車輛的運(yùn)行基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和運(yùn)營(yíng)管理；因此，能量消耗的組成較為復(fù)雜。其主要的能量消耗點(diǎn)有：

（1）車輛牽引系統(tǒng)（車輛牽引、制動(dòng)）；

（2）車輛輔助設(shè)備（如空調(diào)、空氣壓縮機(jī)、照明）；

（3）車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)；

（4）照明設(shè)備及自動(dòng)扶梯系統(tǒng)；

（5）車輛檢測(cè)、地面檢測(cè)等車輛安全控制系統(tǒng)。

以2020年北京市軌道交通能耗分析為例，北京市軌道交通運(yùn)營(yíng)線網(wǎng)規(guī)模799.1 km，總耗電21.9億度。其中，列車牽引能耗11億度，占總能耗的53%；動(dòng)力照明能耗10億度，占總能耗的47%。車站通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)、照明設(shè)備及自動(dòng)扶梯的能耗占車站總能耗的80%以上。地下線車站平均電耗約299.8萬(wàn)度/站，地上線車站平均電耗約128.5萬(wàn)度/站；地下線比地上線的單位小時(shí)車站電耗高出56%。

4 城市軌道交通車輛實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)優(yōu)化方向

從上文提出的分析結(jié)果可以看出，實(shí)現(xiàn)城市軌道交通雙碳目標(biāo)的主要措施分為提高牽引能耗效率、優(yōu)化乘客舒適性系統(tǒng)能耗2個(gè)方面。而提高牽引能耗效率可以從優(yōu)化車輛運(yùn)行效率、車輛運(yùn)營(yíng)，列車制動(dòng)能量利用幾個(gè)角度開(kāi)展。接下來(lái)，本文從3個(gè)角度進(jìn)行優(yōu)化分析，提出幾種優(yōu)化方案。

4.1 提高車輛運(yùn)行效率

4.1.1 應(yīng)用永磁電機(jī)、碳化硅等新型技術(shù)

以永磁電機(jī)、碳化硅（SiC）、軟開(kāi)關(guān)為代表的牽引系統(tǒng)新技術(shù)具有重要的應(yīng)用意義。目前城市軌道交通車輛永磁系統(tǒng)永磁電機(jī)、碳化硅由于技術(shù)成熟度不足，且具有高成本等限制，應(yīng)用仍舊較少。因此，需要對(duì)其進(jìn)行研究?jī)?yōu)化，打破屏障，鼓勵(lì)新技術(shù)的應(yīng)用推廣。

第三代SiC功率半導(dǎo)體器件與傳統(tǒng) Si 基功率半導(dǎo)體器件相比較，材料特性主要表現(xiàn)為：寬禁帶、高飽和速度、高導(dǎo)熱性和高擊穿電場(chǎng)等；其優(yōu)勢(shì)具體體現(xiàn)在以下3個(gè)方面。

（1）擊穿電場(chǎng)高。耐壓高，體積小，內(nèi)阻小，導(dǎo)通損耗小。

（2）熱導(dǎo)率高。適合高溫運(yùn)行，冷卻系統(tǒng)簡(jiǎn)單。

（3）開(kāi)關(guān)頻率高。電容等元件更小，諧波含量小。

SiC變流器半導(dǎo)體功率器件的應(yīng)用可降低牽引變流器損耗，提高效率4%左右；同時(shí)，相同功率等級(jí)下的變流器體積更小，重量降低37%左右。但應(yīng)用碳化硅半導(dǎo)體開(kāi)關(guān)成本較高，電磁兼容性影響較大，還需進(jìn)一步研究?jī)?yōu)化。

永磁同步電機(jī)采用永磁體建立磁場(chǎng)，具有效率高、能耗低、體積小等特點(diǎn)。并且，永磁電機(jī)轉(zhuǎn)子不發(fā)熱；其電機(jī)損耗小，體積更小，功率密度高。異步電機(jī)、永磁電機(jī)特性對(duì)比如表3所示；從表3可以看出，相比于異步電機(jī)，應(yīng)用永磁電機(jī)可整體提高牽引系統(tǒng)效率3.5%左右；同時(shí)，降低車輛電機(jī)與總體重量也可進(jìn)一步降低能耗，減少碳排放。

表3 異步電機(jī)、永磁電機(jī)特性對(duì)比表

軟開(kāi)關(guān)技術(shù)改善的是牽引系統(tǒng)中逆變器絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）動(dòng)作的方法。傳統(tǒng)逆變器IGBT開(kāi)關(guān)電源在開(kāi)/關(guān)過(guò)程中電壓和電流波形有交疊，如圖1所示；此過(guò)程放熱致使開(kāi)關(guān)損耗大。高頻化雖可以縮小體積重量，但開(kāi)關(guān)損耗大幅增加。為此，必須研究開(kāi)關(guān)過(guò)程中電壓/電流波形不交疊的技術(shù)，即零電壓開(kāi)關(guān)（ZVS）和零電流開(kāi)關(guān)（ZCS）技術(shù)，或稱軟開(kāi)關(guān)技術(shù)[5]。ZVS可以使開(kāi)關(guān)管的電壓在導(dǎo)通前降到0，在關(guān)斷時(shí)保持為0；ZCS則可以使開(kāi)關(guān)的電流在導(dǎo)通時(shí)保持在0，在關(guān)斷前使電流降到 0。應(yīng)用軟開(kāi)關(guān)技術(shù)可以降低電源開(kāi)關(guān)損耗，提高電源裝置的效率和功率密度，為大功率高頻電源熱點(diǎn)研究技術(shù)。

4.1.2 在車輛空調(diào)、空壓機(jī)系統(tǒng)采用變頻控制

車輛空調(diào)系統(tǒng)用于滿足車內(nèi)客室溫度調(diào)節(jié)需求。變頻空調(diào)的原理為交-直-交變頻，將輔助供電單元輸出的AC380V電壓通過(guò)三相整流橋整流為DC540V的直流電壓，然后再通過(guò)逆變器變?yōu)榭照{(diào)壓縮機(jī)、通風(fēng)機(jī)需要的電壓和頻率。某城市軌道交通車輛分別采用定頻、變頻空調(diào)的車內(nèi)溫度變化曲線如圖2所示；由圖可見(jiàn)，采用變頻空調(diào)時(shí)車內(nèi)溫度變化幅度更小，舒適度更高。

客室空調(diào)機(jī)組采用變頻技術(shù)使空調(diào)通過(guò)變頻控制器實(shí)現(xiàn)無(wú)級(jí)變頻調(diào)節(jié)。這在實(shí)現(xiàn)節(jié)能的同時(shí)，解決了定速壓縮機(jī)的頻繁啟停帶來(lái)的不可靠性。無(wú)極變頻調(diào)節(jié)還可根據(jù)實(shí)際需求調(diào)整空調(diào)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速，進(jìn)一步提高節(jié)能效果和車內(nèi)舒適度。

根據(jù)上海地鐵5號(hào)線2010年實(shí)測(cè)節(jié)能數(shù)據(jù)，變頻空調(diào)年平均節(jié)電率42%；其中8月份29.84%，9、10月份超過(guò)30.228%，能耗降低顯著[6]。

目前，應(yīng)用變頻空調(diào)仍有一定的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，比如變頻空調(diào)的變頻器對(duì)輔助變流器的輸出電壓AC380V有一定影響；屬于非線性負(fù)載的空調(diào)變頻器將使輔助變流器的輸出諧波含量增加，可能會(huì)影響交流負(fù)載總線上的其他負(fù)載工作。同時(shí)，變頻器的存在會(huì)影響輔助變流器的輸出特性，可能會(huì)產(chǎn)生某一頻率下的共振，從而使空調(diào)變頻器產(chǎn)生較大噪聲。因此，采用變頻空調(diào)方案時(shí)，需要考慮降低變頻器對(duì)輔助供電系統(tǒng)的影響。

4.2 優(yōu)化車輛運(yùn)營(yíng)

4.2.1 進(jìn)行城市軌道交通車輛智能調(diào)度系統(tǒng)研究

城市軌道交通車輛運(yùn)營(yíng)策略對(duì)于能耗的影響極其顯著；合理地優(yōu)化列車運(yùn)行圖，減少列車運(yùn)行次數(shù)可有效降低車輛能耗。在車輛故障時(shí)，需要對(duì)列車運(yùn)行圖進(jìn)行智能化管理，避免出現(xiàn)列車運(yùn)行間隙過(guò)短，空車率過(guò)高，能源浪費(fèi)的情況。

因此，需要采用智能化綜合監(jiān)督控制系統(tǒng)與調(diào)度系統(tǒng)對(duì)城市軌道交通的通信信號(hào)設(shè)備、站段設(shè)備、電力設(shè)備、車輛狀態(tài)、環(huán)境、線路狀態(tài)等進(jìn)行監(jiān)控，對(duì)上述監(jiān)控信息進(jìn)行統(tǒng)一管理，實(shí)現(xiàn)智能列車控制、綜合調(diào)度控制等效果。該系統(tǒng)采用先進(jìn)技術(shù)對(duì)列車運(yùn)行及在車站的作業(yè)進(jìn)行智能化控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)各類緊急救援的及時(shí)決策，以便充分保障城市軌道交通運(yùn)營(yíng)的安全[8]。

4.2.2 優(yōu)化全自動(dòng)運(yùn)行信號(hào)系統(tǒng)控車邏輯

全自動(dòng)駕駛系統(tǒng)城市軌道交通是基于現(xiàn)代計(jì)算機(jī)、通信、自動(dòng)控制和系統(tǒng)集成等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)列車運(yùn)行全過(guò)程自動(dòng)化的新一代城市軌道交通系統(tǒng)，是設(shè)備系統(tǒng)層面自動(dòng)化程度最高等級(jí)的表現(xiàn)形式。目前國(guó)內(nèi)較多城市軌道交通線路采用全自動(dòng)駕駛系統(tǒng)自動(dòng)控制車輛牽引[9]。

但是目前軌道車輛信號(hào)系統(tǒng)控車的方案還存在一些缺陷，例如信號(hào)系統(tǒng)若基于牽引性能曲線對(duì)車輛進(jìn)行控制，牽引檔位控制還不夠完善，則對(duì)于車輛的起步和停止控制不足；若僅結(jié)合固定檔位下的最大性能進(jìn)行車輛控制，并未結(jié)合牽引系統(tǒng)性能曲線進(jìn)行控制，則使得牽引系統(tǒng)經(jīng)常處于低效區(qū)，牽引系統(tǒng)能耗高于人工駕駛，乘客舒適度也弱于人工駕駛。為實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)，提高信號(hào)系統(tǒng)和牽引系統(tǒng)匹配程度，優(yōu)化信號(hào)系統(tǒng)控車算法，提高信號(hào)系統(tǒng)控車智能化程度，優(yōu)化信號(hào)系統(tǒng)檔位控制方法，根據(jù)車輛狀態(tài)和線路信息調(diào)整指令信號(hào)，使?fàn)恳到y(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間工作在高效區(qū)，降低牽引系統(tǒng)能耗將是一個(gè)重點(diǎn)的發(fā)展方向。

4.3 列車制動(dòng)能量利用

列車的牽引制動(dòng)用電量占車輛總用電量的 50%；因此，從牽引制動(dòng)用電方面節(jié)能降耗可有效降低總能耗。傳統(tǒng)的電阻制動(dòng)可有效進(jìn)行制動(dòng)停車，避免閘瓦損耗，但也具有一定的缺點(diǎn)：一是造成能源浪費(fèi)，不符合雙碳理念；二是熱量積聚，使得洞室、隧道升溫；三是增加電阻制動(dòng)需增加配套通風(fēng)設(shè)備，形成新的熱污染源。同時(shí)，從長(zhǎng)期運(yùn)營(yíng)來(lái)看，傳統(tǒng)電阻制動(dòng)也對(duì)環(huán)控系統(tǒng)提出了更高的要求，不利于隧道內(nèi)其他設(shè)備運(yùn)行[10]。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，城市軌道交通車輛再生制動(dòng)產(chǎn)生的能量與車輛特性、站點(diǎn)間隔、線路特征、運(yùn)行圖等因素相關(guān)，但一般都達(dá)到了車輛牽引能耗的 35%～45%甚至以上；因此，列車制動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的再生功率是很可觀的。針對(duì)此部分能量，在牽引變電所設(shè)置制動(dòng)能饋裝置或者儲(chǔ)能裝置對(duì)其進(jìn)行吸收、利用，將制動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)生的能量供給其他系統(tǒng)使用，可大幅降低城市軌道交通車輛總體碳排放。

5 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)城市軌道交通領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)雙碳目標(biāo)的方式進(jìn)行研究，首先介紹了雙碳的定義，闡述實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)的一般方法，接著對(duì)城市軌道交通碳排放特點(diǎn)進(jìn)行分析，得出城市軌道交通運(yùn)量大、人均碳排放量低，能量消耗復(fù)雜的特點(diǎn)，最后根據(jù)城市軌道交通特點(diǎn)提出5個(gè)可進(jìn)行優(yōu)化的方向，并分析幾種發(fā)展方向的可行性及重要性，對(duì)軌道車輛領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)雙碳目標(biāo)發(fā)展方向進(jìn)行了明確，可為從業(yè)人員進(jìn)行相關(guān)研究提供參考。