吴命利团队在牵引变电所接线做试验。 受访者供图
新能源汽车如今家喻户晓，但用新能源支持电气化铁路运行，过去是想都不敢想的。这一“听起来不可能”的铁路供电方式，即将在我国成为现实。
不久前，国能新朔铁路有限责任公司完成“轨道交通‘网-源-储-车’协同供能应用技术研究”项目的公开招标，将在新准铁路上接入光伏和储能装置，建成我国首个以新能源为供能主体的牵引变电所。
“将光伏、风电、储能等新能源接入铁路，就相当于给铁路‘健身’，改变其‘饮食结构’。”北京交通大学电气工程学院院长吴命利为《中国科学报》记者打了个比方。
完全依赖高压电网将成历史
我国传统电气化铁路完全依赖高压电网。运行中，铁路变电所使用两路电源供电，一路停电，另一路会紧急切换投入供电。
即便如此，近年来列车因断电停运的新闻仍时有曝出。吴命利估算，以运煤的重载铁路计算，中断半小时，少跑3列万吨列车，至少造成上百万元损失。
目前，我国电网约70%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。
吴命利团队联合新朔铁路供电分公司开发的“网-源-储-车”协同供能技术，实际上是通过公用电网、可再生能源发电、电池储能、列车4个元素相互作用，将铁路沿线的可再生能源就地开发、消纳利用。
在西北等缺少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，可以实现就地开发，直接接入铁路使用。“如果铁路沿线有大量分布式电源，即使原先的高压电源‘临时罢工’，也不至于出现铁路无法跑车的现象。”吴命利指出。
电气化铁路供电一般需要110千伏，高速铁路更是需要架设220千伏以上的高压专用线。铁路电源从发电厂至变电所，通过电网传输，先升至高压再降至中压供给列车。“如果就地开发的可再生能源足够，那么支持列车运行所需的公用电网甚至可降至10千伏或35千伏，还可以避免在升压、传输、降压等环节产生损耗。”吴命利告诉《中国科学报》。
为铁路运行节省开支
一列以每小时250公里运行的8辆编组高铁耗电量近5000度，时速达350公里时耗电量大致翻倍。电费一直是高铁运营成本的一项巨大支出。据统计，我国轨道交通年用电量超过1000亿度。
一个变电所造价约2000万元，很多时候，电气化铁路外部电源造价几乎与铁路供电设施造价持平，甚至更高。
如果采用新能源供电，铁路将不再需要如此高昂的电费与造价。“我们做过核算，新能源供电大约10年内就能收回成本，而新能源供电设备的寿命通常为15至20年。”吴命利说，由于造价相对便宜、自身资源丰富、不受变电所扩建约束，矿山铁路已向新能源供电抛来橄榄枝。
针对这项符合“双碳”战略的解决方案，我国正与欧洲、印度赛跑。德国、西班牙、日本的新能源供电，主要服务于车站，如照明。目前，全球唯一将新能源直接供给电气化铁路运行的是印度。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，直接为铁路的牵引系统供电。
然而，印度在铁路沿线接入的光伏发电仅作补充之用。“我们在新准铁路开展的试点项目，不仅可补充供能，还可以完全替代变电所独立供电，这一探索在世界上是首次。”吴命利说。
他告诉《中国科学报》，我国目前已有10万公里电气化铁路，而在电网薄弱地区，更适合采用新能源供电的方式开展新线建设，如川藏铁路可充分利用当地的太阳能、风能为列车供电。
此外，在可再生能源丰富地区，既有铁路牵引供电系统也可接入新能源，扩大清洁能源占比，逐步实现电气化铁路能源转型。
新能源给铁路供电可靠吗
铁路上运行的列车时有时无，而可再生能源发电并不是说有就有，能量该如何调度?怎样把可再生能源所发的电都用在列车上?什么时候储能、什么时候放能?
在设计方案时，这些不断涌现的科学问题萦绕在研究者心头。“我们借鉴电网综合能源系统的做法，并预测列车负荷，制定了一套调度算法，最终在保障列车足够供电的情况下，实现能源的最优利用。”吴命利说。
很多人疑惑，电气化铁路运行需要很大电力，新能源供电究竟能否支持这么大的电力?
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特点，即轨道上并不总是有列车运行，特别是在偏远地区，可能一天就发七八趟车。无车的时候变电所可以把能源存储起来，待到有车时再提供支持。只要协调好可再生能源发电和储能的配比，新能源足够支撑铁路运行。
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?
杨少兵表示，高压电网的可靠性无须置疑，除非是整个电网遭到破坏，但这也不是没有可能。遇到战争、极端自然灾害，比如2008年的南方冻雨就破坏了大范围的区域电网，导致电气化铁路停运。如果沿线有分布式能源，列车行驶到哪里都有供能装置，就可以在应急的时候发挥作用。
如今，新能源铁路供电即将开展工程试点。吴命利又把目光对准了大规模推广时可能遇到的问题。“下一步，分布式电源沿线几十公里都要布局，如何开发沿线的可再生资源，从而实现集中供电，我们将通过示范工程一步步摸索。”
