城市軌道交通車輛實現(xiàn)雙碳目標優(yōu)化方向研究

孫開意，鄧文豪，郝曉武，喬淵瑋，李學寧，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，中國城市化進程日漸加快；為滿足社會發(fā)展需求，交通基礎設施規(guī)模不斷擴大，鐵路、公路運營里程顯著增加；城市軌道交通進入飛速發(fā)展時期。同時，隨著全球能源危機、氣候變化及環(huán)境問題日益突出，大力發(fā)展具有低能耗、高能效、低排放等特點的城市低碳交通具有重大價值；其中，城市軌道交通作為交通領域重要的組成部分，及國家未來城市化和實現(xiàn)雙碳目標的重要系統(tǒng)，進行雙碳優(yōu)化具有重要的意義。

2 雙碳的概述及實現(xiàn)途徑

雙碳即“碳達峰”與“碳中和”的合稱。隨著人類活動產(chǎn)生的碳排放量越來越大，全球氣候變暖趨勢明顯；如果不對碳排放加以控制，氣候變化會帶來極端惡劣天氣、自然災害、海平面上升等無法逆轉(zhuǎn)的危害，影響人類生活[1]。

“碳達峰”即碳排放由上漲轉(zhuǎn)向下降的拐點，就是指碳排放量達峰。目前世界工業(yè)運行所需能源主要為電能和化學能，而火電是重要的電能來源。貿(mào)然降低碳排放會導致國家經(jīng)濟受影響；因此，需要在保證經(jīng)濟正常運行的情況下控制碳排放。此后，碳排放量的數(shù)值會呈現(xiàn)出二次函數(shù)變化趨勢，在某一個時間點達到歷史最高值，之后逐步降低，最后實現(xiàn)碳排放和碳吸收的中和。“碳中和”即碳排放和碳吸收的等值點，就是指二氧化碳凈零排放；這意味著人類活動導致的二氧化碳排放量與人類活動帶來的二氧化碳吸收量在一定時期內(nèi)達到平衡[2]。其中，人類活動排放的二氧化碳來源于化石燃料燃燒、工業(yè)生產(chǎn)、農(nóng)業(yè)及土地利用活動等；人類活動吸收二氧化碳的方法包括植樹造林、運用碳匯技術(shù)進行碳捕集等。

實現(xiàn)雙碳目標的途徑主要有以下幾種：一是調(diào)整經(jīng)濟結(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，推動低能耗的服務業(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，增加太陽能、風能、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；三是推動機械電氣化進程，加快工業(yè)、建筑、交通等領域的電氣化，全面推進電力、工業(yè)、建筑、交通等重點領域節(jié)能，提高能源使用效率，減少能源在生產(chǎn)、運輸和消費環(huán)節(jié)的浪費[3]。

3 城市軌道交通碳排放特點

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

目前，我國人口仍集中于城市之中；為滿足大量旅客的出行需求，城市交通運輸系統(tǒng)耗能巨大。隨著城市軌道交通運營里程的增長，其運營能耗和碳排放量呈增長態(tài)勢，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輸?shù)奶寂欧拧Ｏ啾扔谄渌鞘薪煌ǚ绞?，城市軌道交通主要具有運量大、人均碳排放量低、能量消耗構(gòu)成復雜3個特點。

3.1 運量大

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。其載客量大的特點可解決大人口基數(shù)城市出行高峰期的交通堵塞問題。

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；同時由于運量大，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，城市軌道交通人均碳排放量僅為公交車的46%，汽車的7.5%，是交通運輸領域?qū)崿F(xiàn)降碳的重要貢獻力量。有效地推進城市軌道交通發(fā)展，優(yōu)化城市軌道交通能源消耗是解決交通領域碳排放問題的重要方法。

表2 2019年北京市軌道交通碳排放表

3.3 能量消耗構(gòu)成復雜

城市軌道交通與汽車和公交車相比，需要進行車輛的運行基礎設施建設和運營管理；因此，能量消耗的組成較為復雜。其主要的能量消耗點有：

（1）車輛牽引系統(tǒng)（車輛牽引、制動）；

（2）車輛輔助設備（如空調(diào)、空氣壓縮機、照明）；

（3）車站通風空調(diào)系統(tǒng)；

（4）照明設備及自動扶梯系統(tǒng)；

（5）車輛檢測、地面檢測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，北京市軌道交通運營線網(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%；動力照明能耗10億度，占總能耗的47%。車站通風空調(diào)系統(tǒng)、照明設備及自動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299.8萬度/站，地上線車站平均電耗約128.5萬度/站；地下線比地上線的單位小時車站電耗高出56%。

4 城市軌道交通車輛實現(xiàn)雙碳目標優(yōu)化方向

從上文提出的分析結(jié)果可以看出，實現(xiàn)城市軌道交通雙碳目標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個方面。而提高牽引能耗效率可以從優(yōu)化車輛運行效率、車輛運營，列車制動能量利用幾個角度開展。接下來，本文從3個角度進行優(yōu)化分析，提出幾種優(yōu)化方案。

4.1 提高車輛運行效率

4.1.1 應用永磁電機、碳化硅等新型技術(shù)

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

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

（1）擊穿電場高。耐壓高，體積小，內(nèi)阻小，導通損耗小。

（2）熱導率高。適合高溫運行，冷卻系統(tǒng)簡單。

（3）開關頻率高。電容等元件更小，諧波含量小。

SiC變流器半導體功率器件的應用可降低牽引變流器損耗，提高效率4%左右；同時，相同功率等級下的變流器體積更小，重量降低37%左右。但應用碳化硅半導體開關成本較高，電磁兼容性影響較大，還需進一步研究優(yōu)化。

永磁同步電機采用永磁體建立磁場，具有效率高、能耗低、體積小等特點。并且，永磁電機轉(zhuǎn)子不發(fā)熱；其電機損耗小，體積更小，功率密度高。異步電機、永磁電機特性對比如表3所示；從表3可以看出，相比于異步電機，應用永磁電機可整體提高牽引系統(tǒng)效率3.5%左右；同時，降低車輛電機與總體重量也可進一步降低能耗，減少碳排放。

表3 異步電機、永磁電機特性對比表

軟開關技術(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）動作的方法。傳統(tǒng)逆變器IGBT開關電源在開/關過程中電壓和電流波形有交疊，如圖1所示；此過程放熱致使開關損耗大。高頻化雖可以縮小體積重量，但開關損耗大幅增加。為此，必須研究開關過程中電壓/電流波形不交疊的技術(shù)，即零電壓開關（ZVS）和零電流開關（ZCS）技術(shù)，或稱軟開關技術(shù)[5]。ZVS可以使開關管的電壓在導通前降到0，在關斷時保持為0；ZCS則可以使開關的電流在導通時保持在0，在關斷前使電流降到 0。應用軟開關技術(shù)可以降低電源開關損耗，提高電源裝置的效率和功率密度，為大功率高頻電源熱點研究技術(shù)。

4.1.2 在車輛空調(diào)、空壓機系統(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電壓通過三相整流橋整流為DC540V的直流電壓，然后再通過逆變器變?yōu)榭照{(diào)壓縮機、通風機需要的電壓和頻率。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，采用變頻空調(diào)時車內(nèi)溫度變化幅度更小，舒適度更高。

客室空調(diào)機組采用變頻技術(shù)使空調(diào)通過變頻控制器實現(xiàn)無級變頻調(diào)節(jié)。這在實現(xiàn)節(jié)能的同時，解決了定速壓縮機的頻繁啟停帶來的不可靠性。無極變頻調(diào)節(jié)還可根據(jù)實際需求調(diào)整空調(diào)壓縮機轉(zhuǎn)速，進一步提高節(jié)能效果和車內(nèi)舒適度。

根據(jù)上海地鐵5號線2010年實測節(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30.228%，能耗降低顯著[6]。

目前，應用變頻空調(diào)仍有一定的技術(shù)風險，比如變頻空調(diào)的變頻器對輔助變流器的輸出電壓AC380V有一定影響；屬于非線性負載的空調(diào)變頻器將使輔助變流器的輸出諧波含量增加，可能會影響交流負載總線上的其他負載工作。同時，變頻器的存在會影響輔助變流器的輸出特性，可能會產(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，需要考慮降低變頻器對輔助供電系統(tǒng)的影響。

4.2 優(yōu)化車輛運營

4.2.1 進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營策略對于能耗的影響極其顯著；合理地優(yōu)化列車運行圖，減少列車運行次數(shù)可有效降低車輛能耗。在車輛故障時，需要對列車運行圖進行智能化管理，避免出現(xiàn)列車運行間隙過短，空車率過高，能源浪費的情況。

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)對城市軌道交通的通信信號設備、站段設備、電力設備、車輛狀態(tài)、環(huán)境、線路狀態(tài)等進行監(jiān)控，對上述監(jiān)控信息進行統(tǒng)一管理，實現(xiàn)智能列車控制、綜合調(diào)度控制等效果。該系統(tǒng)采用先進技術(shù)對列車運行及在車站的作業(yè)進行智能化控制，實現(xiàn)對各類緊急救援的及時決策，以便充分保障城市軌道交通運營的安全[8]。

4.2.2 優(yōu)化全自動運行信號系統(tǒng)控車邏輯

全自動駕駛系統(tǒng)城市軌道交通是基于現(xiàn)代計算機、通信、自動控制和系統(tǒng)集成等技術(shù)，實現(xiàn)列車運行全過程自動化的新一代城市軌道交通系統(tǒng)，是設備系統(tǒng)層面自動化程度最高等級的表現(xiàn)形式。目前國內(nèi)較多城市軌道交通線路采用全自動駕駛系統(tǒng)自動控制車輛牽引[9]。

但是目前軌道車輛信號系統(tǒng)控車的方案還存在一些缺陷，例如信號系統(tǒng)若基于牽引性能曲線對車輛進行控制，牽引檔位控制還不夠完善，則對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行車輛控制，并未結(jié)合牽引系統(tǒng)性能曲線進行控制，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。為實現(xiàn)雙碳目標，提高信號系統(tǒng)和牽引系統(tǒng)匹配程度，優(yōu)化信號系統(tǒng)控車算法，提高信號系統(tǒng)控車智能化程度，優(yōu)化信號系統(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，使牽引系統(tǒng)長時間工作在高效區(qū)，降低牽引系統(tǒng)能耗將是一個重點的發(fā)展方向。

4.3 列車制動能量利用

列車的牽引制動用電量占車輛總用電量的 50%；因此，從牽引制動用電方面節(jié)能降耗可有效降低總能耗。傳統(tǒng)的電阻制動可有效進行制動停車，避免閘瓦損耗，但也具有一定的缺點：一是造成能源浪費，不符合雙碳理念；二是熱量積聚，使得洞室、隧道升溫；三是增加電阻制動需增加配套通風設備，形成新的熱污染源。同時，從長期運營來看，傳統(tǒng)電阻制動也對環(huán)控系統(tǒng)提出了更高的要求，不利于隧道內(nèi)其他設備運行[10]。根據(jù)經(jīng)驗，城市軌道交通車輛再生制動產(chǎn)生的能量與車輛特性、站點間隔、線路特征、運行圖等因素相關，但一般都達到了車輛牽引能耗的 35%～45%甚至以上；因此，列車制動過程中產(chǎn)生的再生功率是很可觀的。針對此部分能量，在牽引變電所設置制動能饋裝置或者儲能裝置對其進行吸收、利用，將制動系統(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

本文對城市軌道交通領域?qū)崿F(xiàn)雙碳目標的方式進行研究，首先介紹了雙碳的定義，闡述實現(xiàn)雙碳目標的一般方法，接著對城市軌道交通碳排放特點進行分析，得出城市軌道交通運量大、人均碳排放量低，能量消耗復雜的特點，最后根據(jù)城市軌道交通特點提出5個可進行優(yōu)化的方向，并分析幾種發(fā)展方向的可行性及重要性，對軌道車輛領域?qū)崿F(xiàn)雙碳目標發(fā)展方向進行了明確，可為從業(yè)人員進行相關研究提供參考。