为探索一条符合大陆国情的轨道交通能源融合发展科学之路，促进轨道交通能源供给趋于绿色弹性自洽发展，形成以新能源为主体的新型供电系统体制，华北电力大学国家能源交通融合发展研究院、北京交通大学电气工程学院、北京能高自动化技术股份有限公司的陈冲、贾利民、赵天宇、金成日、吴命利，在《电工技术学报》上撰文，以轨道交通能源供给去碳化为导向，以构建绿色、弹性、自洽和可持续发展的轨道交通能源系统为目标，尝试探索轨道交通用能需求与可再生能源资源禀赋适配的轨道交通能源供给去碳化技术路径和系统模式。
新能源与轨道交通的互动发展一直是人类社会经济过程合理、有效运转和持续进步的基本条件和保障。能源作为轨道交通的基础使能领域，轨道交通作为能源的极大负荷领域，二者关系耦合紧密。
轨道交通与新能源融合模式涌现机制如图1所示，以去碳化为导向的轨道交通与新能源融合发展为中心，按照轨道交通与新能源分别占主导地位两个视角审视，伴随轨道交通与新能源二者持续的互动演化，必将涌现出新能源补充的轨道交通系统、新能源支撑的轨道交通系统、轨道交通特有的新能源系统与轨道交通专属的新能源系统的四种模式，每种模式的系统运行机制和能量流动方向将进行逐一分析。
图1 轨道交通与新能源融合模式涌现机制
1 新能源补充的轨道交通系统模式
城市轨道交通和电气化干线铁路部分场景现有可利用屋顶与土地面积有限，致使光伏和风电的安装容量小于机车负荷功率，需要依托现有强网将风、光等绿能植入牵引供电系统以补充电能需求。该模式下轨道交通牵引供电系统主要依托电网构建，能量按照“电网为主、风光为辅”机制供给，风光绿电按照自给自足方式全额消纳，具体能量交互路径如图2所示。
图2 新能源补充模式下能量交互路径
2 新能源支撑的轨道交通系统模式
非电化干线铁路沿线电网较为薄弱甚至没有，但土地资源和风光水等自然禀赋一般较为富足，具备基于储能新建以新能源为主体的新型牵引供电系统的天然优势。该模式下铁路牵引供电系统基于“新能源+储能”构建，能量按照“新能源为主、配电网为辅、储能为核心”机制交互，“风-光-水-氢-网”各类电源按需灵活组合、提供牵引供电系统营运全部能量，储能通过将各电源能量“分时汇聚、集中释放”方式驱动机车，具体能量交互路径如图3所示。
图3 新能源支撑模式下的能量交互路径
3 轨道交通特有的新能源系统模式
电气化干线铁路沿线土地资源和自然禀赋富足，基础设施能源化潜力很大，可依托强网在现有牵引供电系统实现风电和光伏的大容量装机，具备向电网进行绿电反送能量的能力，使牵引供电系统相对电网的“源”属性涌现；同时布置在铁路沿线的储能电站可为电网提供辅助服务，使牵引供电系统相对电网的“储”属性涌现。
该模式下铁路牵引供电系统基于高压强网构建，能量按照“强网为支撑、新能源为主、储能为辅”机制交互；风光绿电按照“自给自足、余电上网”方式分配；储能按照为电网提供辅助服务和存储机车再生制动能量方式运行，不仅增加了铁路运营收益模式，而且提高系统能量利用效能，具体各组分能量交互路径如图4所示。
图4 轨道交通特有模式下的能量交互路径
4 轨道交通专属的新能源系统模式
电气化干线铁路部分场景地处电网末端等弱网区域，面对脉冲式高冲击负荷抵御韧性不足，为提高电网弹性、规避电网失稳风险，可充分利用路域沿线的基础设施和自然禀赋，在现有牵引供电系统中植入风电、光伏与储能等元素。
该模式下轨道交通牵引供电系统基于“弱网+储能”构建，能量按照“源储协同、弱网补充”机制交互，风光绿电进行优先消纳，网储协同进行能量辅助补充，源储配合进行绿电功率平抑，储车联动实现制动能量积蓄，具体能量交互路径如图5所示。
图5 轨道交通专属模式下的能量交互路径
本文编自《电工技术学报》，论文标题为“去碳化导向的轨道交通与新能源融合发展—形态模式、解决方案和使/赋能技术”。本课题得到国家能源集团科技创新项目、国家重点研发计划项目和中国工程院战略研究与咨询项目的支持。