轨道交通能源利用与节能技术研究

发布时间：2025-09-03 21:08

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摘要：随着能源利用与节能技术的迅速发展，低碳可持续的绿色能源将为城市轨道交通系统带来深刻变革。将光伏发电应用于城轨供电，不仅提升可再生能源占比，减轻供电压力，还能降低运营成本，推动“绿色交通”发展，完全符合我国构建低碳交通模式的战略方向。探讨了城市轨道交通领域中的能源利用与节能技术，重点分析了风能、热能和太阳能的采集技术。在城市轨道交通能源应用研究中，提出了分布式光伏-储能供电系统方案，并详细阐述了其能源节能技术路线。通过对光伏发电接入城市轨道交通系统后的不同供电模式进行对比，进一步研究了多分布式光伏-储能系统的协同控制策略。该策略旨在通过考虑储能系统的荷电状态（SOC）均衡，优化系统的能量流动，减少线路损耗，提高系统的整体能效。此研究对于推动城市轨道交通的绿色、可持续发展具有重要意义。

关键词：城市轨道交通；能源利用；能源节能技术；分布式光伏-储能系统；协同控制策略

0 前言

随着全球气候变化和能源危机的日益严峻，城市轨道交通作为城市公共交通的重要组成部分，其能源利用与节能技术受到了广泛关注。如何在确保城市轨道交通高效、安全运行的同时，减少能源消耗、降低碳排放，成为行业内外研究的热点［1-2］。本文重点探讨城市轨道交通领域的能源利用与节能技术，特别是风能采集、热能采集以及太阳能采集等方面的技术进展。在此基础上，本文进一步分析分布式光伏-储能供电系统在城市轨道交通系统中的应用，并提出多分布式光伏-储能系统的协同控制策略，以期为实现城市轨道交通的绿色环保和可持续发展提供有益的思路和方法。

1 城市轨道交通领域能源利用与能源节能技术分类

1. 1 风能采集

城市轨道交通，作为现代城市出行的重要支柱，其节能与环保的发展尤为关键。在寻求可持续能源解决方案的浪潮中，风能采集技术因其绿色、可再生的特性而备受瞩目［3］。哈萨克斯坦纳扎尔巴耶夫大学电气与电子工程系的研究团队，专门针对城市轨道交通的环境特点，提出了一种革命性的车顶风能采集装置设计方案［4］。通过SolidWorks仿真技术，他们深入研究了风力涡轮机在高速行驶和隧道穿越时的空气动力学特性，并评估了其对列车运行效率的影响。研究成果令人振奋：尽管风力涡轮机为列车带来了一定的空气阻力，但其采集的风能转化为的电力，远超过了列车为克服阻力所消耗的电力。这不仅证实了风能采集在城市轨道交通中的实用性，还预示了该技术对提升能源自给率和减少传统能源依赖的巨大潜力。环保层面，风能采集技术将显著降低城市轨道交通的碳排放，为行业的绿色发展注入新动力。展望未来，随着技术的成熟和成本的降低，风能采集技术有望在更多城市轨道交通线路中广泛应用。

1. 2 热能采集

在城市轨道交通中，高效能源利用与节能技术是实现绿色交通的关键。热能采集技术崭露头角，通过热电发电机将微小温差转化为电能，为能源利用开辟新道路。在韩国研究所的先进车辆团队中，运用热电模块（TEM）技术，回收列车运行过程中产生的废热，将其转化为电能，不仅为低功耗设备供电，还降低列车过热风险［5］。这一创新研究为城市轨道交通的绿色发展提供了新的可能性，助力构建更加环保、可持续的交通体系。

研究人员通过实验严格验证了热电模块在不同温差下的转换效率，并通过流体动力学分析优化冷却翅片，确保热能采集系统（TEHS）高效运作［6］。他们设计并测试了优化的TEHS 系统，在实际车辆中分析其能源回收性能。这一研究凸显了热能采集技术在城市轨道交通中的巨大潜力，并为后续研究提供了宝贵经验。随着技术成熟和成本降低，热能采集技术有望在更多城市轨道交通中推广，推动交通系统向绿色、高效、可持续的方向发展，助力环保与可持续发展的目标实现。

1. 3 太阳能采集

太阳能作为一种清洁、可再生的能源，在城市轨道交通领域具有巨大应用潜力。有研究人员针对铁路沿线的特定环境，设计了基于微型逆变器和去耦光伏组件的新型解决方案［7］。该方案有效解决了车顶光伏板面临的朝向、移动和阴影问题，显著提高了太阳能采集效率。实验证明，该方案相比传统技术，能量产量提升高达23%，从2% 跃升至25%，为城市轨道交通的绿色能源应用开辟了新的道路。

该研究不仅验证了太阳能技术在城市轨道交通中的高效性和可行性，更为未来研究和应用提供了坚实的技术支撑［8-9］。他们揭示了太阳能技术在多式联运中的广阔前景，结合其他绿色技术，推动城市交通向绿色、低碳转型。这一创新为城市轨道交通的能源利用和节能技术注入了新活力，不仅促进能源回收和循环利用，减少对传统能源的依赖，还成为推动绿色交通发展的重要途径。随着技术进步和成本降低，太阳能技术在城市轨道交通中的应用将更加广泛，为实现可持续发展贡献力量。

2 城市轨道交通能源利用与能源节能技术应用研究

2. 1 城轨交通系统用分布式光伏-储能供电系统方案

能源节能技术路线和光伏发电接入城市轨道交通系统后不同供电模式对比见表1。

从上述表1 可以分析出，在城市轨道交通中，光伏发电通过不同的供电模式为直流牵引供电系统注入绿色能源。模式一和二虽在高压侧并网，但模式一适合远距离供电，如车辆段停车场，然而长距离输电会带来损耗。而模式三简便易用，适用于高架车站、高架区间和地下站出入口，因其投资成本低且经济效益显著。模式四则直接接入牵引侧，结合储能技术确保供电稳定。

鉴于牵引网电压波动大及列车高峰负荷重，光伏直接接入直流牵引网不仅提升了电能质量，还通过智能控制策略优化了能量流动。车辆段/停车场因其开阔空间，成为光伏大规模接入的理想选择。高架车站虽接入面积受限，但随着扩建，已具备为列车供电的潜力。有效利用面积决定了光伏电能的规模，当面积足够时，光伏电能将助力城市轨道交通实现绿色、高效的能源利用。

2. 2 多分布式光伏-储能系统协同控制策略

在城市轨道交通系统中，高效管理多光伏-储能系统、牵引变电所与列车间的能量交互对于节能稳压具有重要意义。传统的下垂控制方法因固定的下垂系数，难以适应初始荷电状态（SOC）不均衡的多储能系统，可能导致储能设备性能受损。

为此，本文提出了一种创新的改进型下垂控制策略，该策略特别考虑了SOC 的均衡性。通过引入动态下垂系数，我们实现了SOC 与充放电下垂系数的动态调整。具体而言，当储能设备处于充电状态时，SOC 较低的设备将获得更高的充电优先级，即充电下垂系数与SOC 呈负相关；而在放电状态下，SOC 较高的设备将优先放电，即放电下垂系数与SOC 呈正相关。

这种动态调整方式允许我们通过灵活设置调速因子v，根据储能设备的实时SOC 状态来优化功率分配。这样，不仅确保了所有储能设备在安全、高效的范围内运行，还显著提高了系统整体的能量利用率和稳定性。

仿真实验验证了这一策略的有效性。与传统方法相比，改进型下垂控制不仅大幅降低了线路损耗，还实现了SOC 的均衡管理。线路损耗与调速因子呈正相关，表明可以通过调整调速因子来进一步优化系统性能。此外，该策略展示了系统在能量流动管理上的高度灵活性，为城市轨道交通的能源利用与节能提供了有力的技术支撑。

3 结语

在全球倡导使用绿色、低碳能源的背景下，城市轨道交通在能源技术方面取得了重要进展。风能、热能、太阳能等可再生能源的引入，为轨道交通系统注入了新动力。其中，分布式光伏-储能供电系统以其高效、环保特性，成为城市轨道交通的重要选择。该系统不仅减轻了供电压力，还提高了能效。此外，多系统的协同控制策略确保了能量的优化流动和系统稳定。展望未来，随着技术创新，城市轨道交通在能源利用和节能方面将继续取得突破，为实现绿色交通和低碳生活目标做出更大贡献，为全球可持续发展注入新动力。

参考文献

［ 1 ］凌晨. 西安能源、非能并举抓工业打造低碳发展新环境[N].21 世纪经济报道，2024-02-26（9）.

［ 2 ］彭琼芳. 城市轨道交通线网级能源管理系统研究[J]. 电工技术，2023（18）：176-178.

［ 3 ］张阳. 交通运输中的能源拥挤效应及管理策略仿真研究[D]. 北京：华北电力大学，2023.

［ 4 ］汤雨静. 石家庄市交通碳达峰预测模型及汽车电动化路径研究[D]. 石家庄：石家庄铁道大学，2023.

［ 5 ］王秋爽. 基于系统动力学的西安市交通运输节能减排策略研究[D]. 西安：长安大学，2023.

［ 6 ］李国庆，王琦，高东升，等. 城市轨道交通供电系统低碳节能技术发展综述[J]. 都市快轨交通，2022，35（6）：75-82.

［ 7 ］成霞. 面向低碳节能的交通能源融合智慧管理平台建设思路[J]. 低碳世界，2022，12（11）：127-129.

［ 8 ］张成龙，董崇，刘克，等. 基于客运周转量的城市轨道交通能源与碳排放定量分析[J]. 运输经理世界，2022（26）：4-6.

［ 9 ］吴君乾. 基于能源管理系统的城市轨道交通节能控制系统研究[J]. 运输经理世界，2022（12）：52-54.38

网址：轨道交通能源利用与节能技术研究 https://www.yuejiaxmz.com/news/view/1274977

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