城市轨道交通车辆实现双碳目标优化方向研究

孙开意，邓文豪，郝晓武，乔渊玮，李学宁，袁宗洋

（铁科院（北京）工程咨询有限公司，北京 100081）

1 前言

近年来，中国城市化进程日渐加快；为满足社会发展需求，交通基础设施规模不断扩大，铁路、公路运营里程显著增加；城市轨道交通进入飞速发展时期。同时，随着全球能源危机、气候变化及环境问题日益突出，大力发展具有低能耗、高能效、低排放等特点的城市低碳交通具有重大价值；其中，城市轨道交通作为交通领域重要的组成部分，及国家未来城市化和实现双碳目标的重要系统，进行双碳优化具有重要的意义。

2 双碳的概述及实现途径

双碳即“碳达峰”与“碳中和”的合称。随着人类活动产生的碳排放量越来越大，全球气候变暖趋势明显；如果不对碳排放加以控制，气候变化会带来极端恶劣天气、自然灾害、海平面上升等无法逆转的危害，影响人类生活[1]。

“碳达峰”即碳排放由上涨转向下降的拐点，就是指碳排放量达峰。目前世界工业运行所需能源主要为电能和化学能，而火电是重要的电能来源。贸然降低碳排放会导致国家经济受影响；因此，需要在保证经济正常运行的情况下控制碳排放。此后，碳排放量的数值会呈现出二次函数变化趋势，在某一个时间点达到历史最高值，之后逐步降低，最后实现碳排放和碳吸收的中和。“碳中和”即碳排放和碳吸收的等值点，就是指二氧化碳净零排放；这意味着人类活动导致的二氧化碳排放量与人类活动带来的二氧化碳吸收量在一定时期内达到平衡[2]。其中，人类活动排放的二氧化碳来源于化石燃料燃烧、工业生产、农业及土地利用活动等；人类活动吸收二氧化碳的方法包括植树造林、运用碳汇技术进行碳捕集等。

实现双碳目标的途径主要有以下几种：一是调整经济结构，控制钢铁、水泥、玻璃等高能耗、高排放行业的发展，推动低能耗的服务业和轻工业的发展；二是调整能源结构，减少煤炭、石油等碳含量高的化石能源的消费，增加太阳能、风能、氢气等零碳的可再生能源以及天然气、乙醇等低碳清洁能源的消费；三是推动机械电气化进程，加快工业、建筑、交通等领域的电气化，全面推进电力、工业、建筑、交通等重点领域节能，提高能源使用效率，减少能源在生产、运输和消费环节的浪费[3]。

3 城市轨道交通碳排放特点

交通运输是城市耗电大户。根据国际能源署发布的报告，2019年，交通运输贡献了燃料燃烧产生的直接二氧化碳排放量的 24%[4]。随着城市的发展，交通运输领域能耗占比不断增加。由于交通运输业的能量效率比较低，对交通运输领域进行双碳优化具有重要的意义。

目前，我国人口仍集中于城市之中；为满足大量旅客的出行需求，城市交通运输系统耗能巨大。随着城市轨道交通运营里程的增长，其运营能耗和碳排放量呈增长态势，但城市轨道交通能量利用效率较低，具有很大的优化空间；因此，从城市轨道交通入手可有效降低城市交通运输的碳排放。相比于其他城市交通方式，城市轨道交通主要具有运量大、人均碳排放量低、能量消耗构成复杂3个特点。

3.1 运量大

城市轨道交通作为大人口基数城市交通需求的解决方案，可以大量运输乘客。以某B型车辆为例，其载客量信息如表1所示。城市轨道交通仅单列6编组列车即可搭载1 500人左右。其载客量大的特点可解决大人口基数城市出行高峰期的交通堵塞问题。

表1 某地铁车辆载客量信息表

3.2 人均碳排放量低

城市轨道交通不同于汽车、公交车等高碳排放交通方式，主要以电能作为能源；同时由于运量大，其相比于其他交通方式，人均碳排放量低；北京市轨道交通碳排放情况如表2所示。从表格可以看出，城市轨道交通人均碳排放量较低，仅为0.037 5 kg /人公里，而汽车的碳排放量为0.5 kg /人公里，公交车的碳排放量为0.08 kg /人公里；由此可见，城市轨道交通人均碳排放量仅为公交车的46%，汽车的7.5%，是交通运输领域实现降碳的重要贡献力量。有效地推进城市轨道交通发展，优化城市轨道交通能源消耗是解决交通领域碳排放问题的重要方法。

表2 2019年北京市轨道交通碳排放表

3.3 能量消耗构成复杂

城市轨道交通与汽车和公交车相比，需要进行车辆的运行基础设施建设和运营管理；因此，能量消耗的组成较为复杂。其主要的能量消耗点有：

（1）车辆牵引系统（车辆牵引、制动）；

（2）车辆辅助设备（如空调、空气压缩机、照明）；

（3）车站通风空调系统；

（4）照明设备及自动扶梯系统；

（5）车辆检测、地面检测等车辆安全控制系统。

以2020年北京市轨道交通能耗分析为例，北京市轨道交通运营线网规模799.1 km，总耗电21.9亿度。其中，列车牵引能耗11亿度，占总能耗的53%；动力照明能耗10亿度，占总能耗的47%。车站通风空调系统、照明设备及自动扶梯的能耗占车站总能耗的80%以上。地下线车站平均电耗约299.8万度/站，地上线车站平均电耗约128.5万度/站；地下线比地上线的单位小时车站电耗高出56%。

4 城市轨道交通车辆实现双碳目标优化方向

从上文提出的分析结果可以看出，实现城市轨道交通双碳目标的主要措施分为提高牵引能耗效率、优化乘客舒适性系统能耗2个方面。而提高牵引能耗效率可以从优化车辆运行效率、车辆运营，列车制动能量利用几个角度开展。接下来，本文从3个角度进行优化分析，提出几种优化方案。

4.1 提高车辆运行效率

4.1.1 应用永磁电机、碳化硅等新型技术

以永磁电机、碳化硅（SiC）、软开关为代表的牵引系统新技术具有重要的应用意义。目前城市轨道交通车辆永磁系统永磁电机、碳化硅由于技术成熟度不足，且具有高成本等限制，应用仍旧较少。因此，需要对其进行研究优化，打破屏障，鼓励新技术的应用推广。

第三代SiC功率半导体器件与传统 Si 基功率半导体器件相比较，材料特性主要表现为：宽禁带、高饱和速度、高导热性和高击穿电场等；其优势具体体现在以下3个方面。

（1）击穿电场高。耐压高，体积小，内阻小，导通损耗小。

（2）热导率高。适合高温运行，冷却系统简单。

（3）开关频率高。电容等元件更小，谐波含量小。

SiC变流器半导体功率器件的应用可降低牵引变流器损耗，提高效率4%左右；同时，相同功率等级下的变流器体积更小，重量降低37%左右。但应用碳化硅半导体开关成本较高，电磁兼容性影响较大，还需进一步研究优化。

永磁同步电机采用永磁体建立磁场，具有效率高、能耗低、体积小等特点。并且，永磁电机转子不发热；其电机损耗小，体积更小，功率密度高。异步电机、永磁电机特性对比如表3所示；从表3可以看出，相比于异步电机，应用永磁电机可整体提高牵引系统效率3.5%左右；同时，降低车辆电机与总体重量也可进一步降低能耗，减少碳排放。

表3 异步电机、永磁电机特性对比表

软开关技术改善的是牵引系统中逆变器绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor，IGBT）动作的方法。传统逆变器IGBT开关电源在开/关过程中电压和电流波形有交叠，如图1所示；此过程放热致使开关损耗大。高频化虽可以缩小体积重量，但开关损耗大幅增加。为此，必须研究开关过程中电压/电流波形不交叠的技术，即零电压开关（ZVS）和零电流开关（ZCS）技术，或称软开关技术[5]。ZVS可以使开关管的电压在导通前降到0，在关断时保持为0；ZCS则可以使开关的电流在导通时保持在0，在关断前使电流降到 0。应用软开关技术可以降低电源开关损耗，提高电源装置的效率和功率密度，为大功率高频电源热点研究技术。

4.1.2 在车辆空调、空压机系统采用变频控制

车辆空调系统用于满足车内客室温度调节需求。变频空调的原理为交-直-交变频，将辅助供电单元输出的AC380V电压通过三相整流桥整流为DC540V的直流电压，然后再通过逆变器变为空调压缩机、通风机需要的电压和频率。某城市轨道交通车辆分别采用定频、变频空调的车内温度变化曲线如图2所示；由图可见，采用变频空调时车内温度变化幅度更小，舒适度更高。

客室空调机组采用变频技术使空调通过变频控制器实现无级变频调节。这在实现节能的同时，解决了定速压缩机的频繁启停带来的不可靠性。无极变频调节还可根据实际需求调整空调压缩机转速，进一步提高节能效果和车内舒适度。

根据上海地铁5号线2010年实测节能数据，变频空调年平均节电率42%；其中8月份29.84%，9、10月份超过30.228%，能耗降低显著[6]。

目前，应用变频空调仍有一定的技术风险，比如变频空调的变频器对辅助变流器的输出电压AC380V有一定影响；属于非线性负载的空调变频器将使辅助变流器的输出谐波含量增加，可能会影响交流负载总线上的其他负载工作。同时，变频器的存在会影响辅助变流器的输出特性，可能会产生某一频率下的共振，从而使空调变频器产生较大噪声。因此，采用变频空调方案时，需要考虑降低变频器对辅助供电系统的影响。

4.2 优化车辆运营

4.2.1 进行城市轨道交通车辆智能调度系统研究

城市轨道交通车辆运营策略对于能耗的影响极其显著；合理地优化列车运行图，减少列车运行次数可有效降低车辆能耗。在车辆故障时，需要对列车运行图进行智能化管理，避免出现列车运行间隙过短，空车率过高，能源浪费的情况。

因此，需要采用智能化综合监督控制系统与调度系统对城市轨道交通的通信信号设备、站段设备、电力设备、车辆状态、环境、线路状态等进行监控，对上述监控信息进行统一管理，实现智能列车控制、综合调度控制等效果。该系统采用先进技术对列车运行及在车站的作业进行智能化控制，实现对各类紧急救援的及时决策，以便充分保障城市轨道交通运营的安全[8]。

4.2.2 优化全自动运行信号系统控车逻辑

全自动驾驶系统城市轨道交通是基于现代计算机、通信、自动控制和系统集成等技术，实现列车运行全过程自动化的新一代城市轨道交通系统，是设备系统层面自动化程度最高等级的表现形式。目前国内较多城市轨道交通线路采用全自动驾驶系统自动控制车辆牵引[9]。

但是目前轨道车辆信号系统控车的方案还存在一些缺陷，例如信号系统若基于牵引性能曲线对车辆进行控制，牵引档位控制还不够完善，则对于车辆的起步和停止控制不足；若仅结合固定档位下的最大性能进行车辆控制，并未结合牵引系统性能曲线进行控制，则使得牵引系统经常处于低效区，牵引系统能耗高于人工驾驶，乘客舒适度也弱于人工驾驶。为实现双碳目标，提高信号系统和牵引系统匹配程度，优化信号系统控车算法，提高信号系统控车智能化程度，优化信号系统档位控制方法，根据车辆状态和线路信息调整指令信号，使牵引系统长时间工作在高效区，降低牵引系统能耗将是一个重点的发展方向。

4.3 列车制动能量利用

列车的牵引制动用电量占车辆总用电量的 50%；因此，从牵引制动用电方面节能降耗可有效降低总能耗。传统的电阻制动可有效进行制动停车，避免闸瓦损耗，但也具有一定的缺点：一是造成能源浪费，不符合双碳理念；二是热量积聚，使得洞室、隧道升温；三是增加电阻制动需增加配套通风设备，形成新的热污染源。同时，从长期运营来看，传统电阻制动也对环控系统提出了更高的要求，不利于隧道内其他设备运行[10]。根据经验，城市轨道交通车辆再生制动产生的能量与车辆特性、站点间隔、线路特征、运行图等因素相关，但一般都达到了车辆牵引能耗的 35%～45%甚至以上；因此，列车制动过程中产生的再生功率是很可观的。针对此部分能量，在牵引变电所设置制动能馈装置或者储能装置对其进行吸收、利用，将制动系统产生的能量供给其他系统使用，可大幅降低城市轨道交通车辆总体碳排放。

5 结语

本文对城市轨道交通领域实现双碳目标的方式进行研究，首先介绍了双碳的定义，阐述实现双碳目标的一般方法，接着对城市轨道交通碳排放特点进行分析，得出城市轨道交通运量大、人均碳排放量低，能量消耗复杂的特点，最后根据城市轨道交通特点提出5个可进行优化的方向，并分析几种发展方向的可行性及重要性，对轨道车辆领域实现双碳目标发展方向进行了明确，可为从业人员进行相关研究提供参考。