 近年来，随着政策和市场的双重推动，叠加全球碳减排目标推动市场需求增长，光伏发电作为新能源技术的代表之一，行业正在加快成型，真可谓炙手可热。光伏技术在铁路也有不少应用，但是很多朋友不禁想问：光伏发电能否用于电力机车的牵引？直接给铁路牵引供电呢？ 01传统供电方式的弊端 电气化铁路是以电力机车作为牵引动力的铁路，它的电能经高压输电线、牵引变电所和接触网进入电力机车，并作原动力驱动列车运行，为铁路技术进步发挥了重要作用，但也存在一些弊端。 首先，电气化铁路对电网影响比较大。电气化铁路的机车一般白天营运、晚上整修，这种大功率冲击性的机车负荷具有强烈反调峰特性，加剧了电网的调峰压力。单相脉冲式的电气化铁路牵引负荷属性，给110kV/220kV电网侧带来了负序、谐波、功率等一系列不利影响，恶化了电能质量。  其次是电气化铁路需要依赖电网。电气化铁路能量供给路径较为单一且自身应急保电能力较弱，极端天气等问题在全国范围内经常发生，某条牵引供给路径的中断，会迫使机车停运在非安全设定区域，存在发生事故的潜在风险。如果是某几条高压中枢线路中断，还可能导致局域或全局电网瘫痪。 第三是相比清洁能源来说，电气化铁路仍然存在污染。全国30%的非电化牵引通过内燃机消耗燃油驱动机车，直接造成了碳的大量排放，剩余70%的电气化牵引依赖以传统化石能源为主的电力系统，间接造成了碳的大量排放。  第四是机车制动能量再生利用效率还有待提升。机车制动能量按照消纳载体的不同，可分为能馈式、能耗式与储能式三种。目前铁路牵引供电系统一般采用空气制动+电阻消耗+相邻机车牵引消纳相结合的技术路径，不仅造成了高品质电能的严重浪费，而且长大下坡路段重载机车制动能量持续馈入接触网将引发网压的过度抬升，触发线路保护动作，影响机车连续安全运行。 第五是用能成本较高。机车牵引耗能高、冲击性强，适配的牵引变压器容量较大。按照相关条例规定，每年轨道交通需要向电网缴纳数额很大的电度电费和容量电费，是轨道交通运营占比较大的主要支出之一，亟需采用合理技术手段予以降低。 02光伏技术在铁路行业的应用 铁路沿线一般闲置屋顶和空地较多，对于光伏发电来说，具有很大的潜在利用价值，近年来，铁路行业在光伏发电方面也有一些进展。  例如，在铁路车站及附属设施照明方面，利用铁路车站屋顶、风雨棚等建筑表面安装太阳能光伏板，可以为车站提供电力。在铁路车站办公区、维修车间等建筑物上安装光伏组件，可以自给自足或补充电网供电。在铁路沿线利用方面，沿线空地或边坡上可安装光伏阵列，或采用光伏组件覆盖在铁路沿线的遮阳棚或其他结构上，既可以提供遮蔽功能，还能发电，为铁路信号设备提供辅助电源。  可是说了这么多，似乎光伏发电只能应用于铁路沿线车站照明、信号机等方面，难道不能应用于牵引供电吗？ 铁路牵引供电系统采用AC 27.5kV单相牵引制式，与三相电力系统供电方式相比差异显著，机车负荷也具有强烈的波动性和冲击性。而光伏发电易受天气和遮挡影响，一般具有一定间歇性。因此，在电源提供和能源负荷都存在复杂扰动的情况下，光伏发电用于铁路牵引供电存在较大挑战。 03光伏发电的原理 光伏发电的主要原理是半导体的光电效应。硅原子有4个电子，如果在纯硅中掺入有5个电子的原子如磷原子，就成为带负电的N型半导体；若在纯硅中掺入有3个电子的原子如硼原子，形成带正电的P型半导体。当P型和N型结合在一起时，接触面就会形成电势差，成为太阳能电池。当太阳光照射到P－N结后，空穴由N极区往P极区移动，电子由P极区向N极区移动，形成电流。  多晶硅经过铸锭、破锭、切片等程序后，制作成待加工的硅片。在硅片上掺杂和扩散微量的硼、磷等，就形成P－N结。然后采用丝网印刷，将精配好的银浆印在硅片上做成栅线，经过烧结，同时制成背电极，并在有栅线的面涂一层防反射涂层，电池片就至此制成。电池片排列组合成电池组件，就组成了大的电路板。一般在组件四周包铝框，正面覆盖玻璃，反面安装电极。有了电池组件和其他辅助设备，就可以组成发电系统。  为了将直流电转化交流电，需要安装电流转换器。一旦电能被逆变器转换为交流电能，接下来的关键是将这些电能输送到电网中，此时需要一个叫做并网逆变器的设备。并网逆变器不仅可以将电能注入到电网中，还可以监测电网的状态，确保电能的稳定输出。当光伏发电系统产生的电能超过家庭或企业的用电需求时，多余的电能可以流入电网，为其他用户提供能源。  一般来说，发电系统成本中，电池组件约占50%，电流转换器、安装费、其他辅助部件以及其他费用占另外50%。因此，铁路光伏发电的成本相对于煤电来说要高不少，同时，光伏照射的能量分布密度小，设备要占用巨大面积，获得的能源同四季、昼夜及阴晴等气象条件有关。 04光伏铁路牵引供电解决方案 光伏发电技术虽然有这么多缺点，但技术已经比较成熟了，如果用于铁路牵引供电，关键在于如何把光伏发出来的电接入牵引网。 铁路采用传统AC 27.5kV的异相牵引供电方式，电力系统三相电通过变压器形成两相非对称供电系统，通过分相供电臂为电力机车供电。由于异相供电方式非对称作业工况和电压相位与幅值存在差异，需设置电分相对两相供电桥臂进行电气隔离。（延伸阅读：涨知识｜什么是铁路分相区） 很多专家学者已经对光伏储能接入牵引网的技术进行过研究，根据变流设备、电气接入位置、牵引供电方式等，可将光伏和储能植入铁路牵引供电系统接入方式划分为三相式、单相式、两相式、同相式和直流式几种，下面我们大致介绍一下。  三相接入方案 三相接入方案是指将光伏或储能系统通过三相变流器与变压器接入10kV至220kV不同电压等级的交流母线，再经三相-两相变压器向牵引负荷供电。这种方案直接采用三相光储变流设备和三相变压器进行升压接入，无需改变牵引供电系统原有的异相供电结构，实施路径相对成熟可靠。然而，这种接入方式能量调控灵活性较差，设备利用率偏低，控制复杂度高（需具备长期承受100%不平衡负载的能力），对改善电网负序电流的作用有限，并可能进一步恶化系统功率因数与谐波水平。  单相接入方案 单相接入方案是指将光伏或储能系统通过单相变流器与单相变压器接入牵引供电系统中a段或b段的AC 27.5kV母线，直接为机车提供电能。方案保持了原有牵引供电结构，设备容量利用率较高，变流控制简单有效。然而，这种方式无法实现a、b两供电臂之间的能量协调调度，可能加剧系统电能质量问题，并在供电臂轻载或空载时导致绿电向电网倒送或被迫弃用，这种方式基于DC-AC与V/V单相变流升压技术，适用于在牵引变电所周边的屋顶、铁路沿线、边坡等闲置场地建设数十兆瓦以下的分布式光伏或储能系统。  同相接入方案 同相接入方案是通过变压器与变流器的不同组合结构，以同相供电方式为机车牵引系统提供电能的方案。该方案摒弃了传统牵引供电系统的异相供电模式，将原有三相-两相的非对称结构转变为三相-单相对称系统，从而从根源上消除了电网中的电流负序问题，并能够完全取消供电臂之间乃至牵引变电所之间的电分相设备。同时，该结构也有助于提升光伏绿电的消纳效率和支持机车再生制动能量的回收。然而，这一方案也面临变流控制相对复杂和初期投资成本较高的挑战。  两相式介入方案 两相式接入方案是指光伏或储能通过背靠背RPC和变压器与ab牵引供电母线联通满足机车供能。这种两相式接入方案不改变原异相供电方式，还可实现ab供电臂能量融通调节，提高了光伏绿电、机车制动能量和电气设备利用率，优化了电网电能质量，但控制相对复杂，需要背靠背变流器协同配合，成本相对也较高。  直流接入方案 直流接入方案是指采用变压器和MMC（模块化多电平换流器）等电力电子设备构建的新型直流牵引供电系统。在该方案中，光伏或储能通过DC-DC或DC-AC变流装置接入直流牵引母线，为机车提供牵引电能。这一技术改变了传统的AC 27.5kV交流牵引供电体制，代表了一种全新的牵引供配电制式。这种方案的直流牵引系统实现了全线电气贯通，从根本上解决了传统牵引系统中存在的电能质量及电分相问题，同时扩展了供电范围的覆盖距离。然而，这个方案更适用于新建铁路牵引供电系统，难以与现有交流牵引系统兼容互通，并且需重新构建与之配套的技术标准与运营管理体系。  2024年，国内首个光伏供能铁路牵引项目一期并网发电，国家能源集团新朔铁路“轨道交通‘网-源-储-车’协同供能技术应用研究”项目一期0.38兆瓦项目在内蒙古自治区鄂尔多斯市伊金霍洛旗全容量并网发电，此项目能够降低铁路牵引供电系统用电成本，提高可再生能源在铁路沿线的就地消纳能力，是国内首个以光伏新能源协同供能的牵引供电示范工程。 虽然光伏应用铁路牵引供电还存在很多难点没有克服，但可以看到，光伏+铁路的应用不会止步，未来将会出现更多新型的应用方案助力铁路绿色转型。 |
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