高鐵節(jié)能技術(shù)與碳中和

鐵路與其他客運(yùn)工具相比，能源效率高，據(jù)說(shuō)其每單位運(yùn)輸量的CO?排放量約為一般載客車輛的1/7。特別是在長(zhǎng)距離運(yùn)輸中，其差距更大，高速鐵路網(wǎng)對(duì)運(yùn)輸基礎(chǔ)設(shè)施的節(jié)能有很大的推動(dòng)作用。

一直以來(lái)，高速鐵路網(wǎng)在發(fā)達(dá)國(guó)家運(yùn)輸基礎(chǔ)設(shè)施中承擔(dān)著重要的作用，而近年來(lái)在新興發(fā)展中國(guó)家也出現(xiàn)了鋪設(shè)高鐵的動(dòng)向。同時(shí)，在本國(guó)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)高速鐵路網(wǎng)的實(shí)用化、擁有該項(xiàng)技術(shù)的國(guó)家則集聚官民各方力量，加強(qiáng)對(duì)正在探討鋪設(shè)的國(guó)家的推銷攻勢(shì)。在此過(guò)程中，除了高速性、安靜性、安全性之外，能否通過(guò)削減CO?實(shí)現(xiàn)碳中和等環(huán)境性能也成為必須納入視野的關(guān)鍵點(diǎn)之一。

下文中將把“電氣車輛（電動(dòng)車輛）”略稱為“鐵路車輛”。

鐵路車輛的環(huán)境性與電子技術(shù)

雖然與其他運(yùn)輸手段相比鐵路的環(huán)境性能較高，但實(shí)際上仍需要消耗很多電力和燃料。特別是世界性的高速鐵路網(wǎng)的普及帶來(lái)了CO?排放量的增加，阻礙了碳中和的實(shí)現(xiàn)，因此需要進(jìn)一步推進(jìn)其節(jié)能化的進(jìn)程。

實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的節(jié)電是提高鐵路環(huán)境性能的要點(diǎn)。為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，關(guān)鍵在于：（1）驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)本身的節(jié)電化；（2）驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的小型、輕量化；（3）車輛的輕量化。關(guān)于其中（1）和（2）兩點(diǎn)，開(kāi)發(fā)在驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中所使用的低電耗的轉(zhuǎn)換器及逆變器，可以說(shuō)是減輕鐵路運(yùn)輸所需的能源負(fù)擔(dān)削減CO?排放量不可或缺的措施。在此開(kāi)發(fā)過(guò)程中，采用高性能的半導(dǎo)體元件、低損失的電容器和電感器至關(guān)重要。

驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的電力控制技術(shù)

在鐵路車輛裝備中，驅(qū)動(dòng)馬達(dá)是消耗電力最多的裝置。為了實(shí)現(xiàn)鐵路車輛的節(jié)能化，一個(gè)重要的環(huán)節(jié)便是抑制驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的耗電，提高其運(yùn)行效率。為了有效地對(duì)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)進(jìn)行控制，逆變器裝置必不可少。

什么是逆變器控制

目前，很多鐵路車輛的電源使用的是以交流電流方式供給、并在使用中轉(zhuǎn)換為直流電流的方式。將交流電流轉(zhuǎn)換為直流電流的裝置，稱為“轉(zhuǎn)換器”。并且，交流馬達(dá)和空調(diào)、照明裝置等需要交流電源的機(jī)器設(shè)備則通過(guò)“逆變器”裝置，將直流電流轉(zhuǎn)換為交流電流后再進(jìn)行使用。

逆變器不僅可將直流電流轉(zhuǎn)換為交流電流，還可自由控制頻率和電壓，即所謂的“逆變器控制”，這一原理在空調(diào)、微波爐、熒光燈等家電產(chǎn)品中也被廣泛應(yīng)用。而在需要大功率的鐵路車輛中，逆變器控制的精度和效率是左右能源消耗量的關(guān)鍵技術(shù)要素。

逆變器控制的進(jìn)化

鐵路車輛的逆變器控制是從20世紀(jì)80年代開(kāi)始投入實(shí)用的，當(dāng)時(shí)被稱為“PWM（Pulse Width Modulation：脈沖寬度調(diào)制）逆變器”，采用了通過(guò)轉(zhuǎn)換將直流電壓改變?yōu)榫匦尾ǎ}沖），并每隔一定周期改變脈沖寬度，從而改變輸出電壓的方法。部分主電路元件原先使用晶閘管*1，之后GTO（Gate Turn-Off）晶閘管*2成為主流。

時(shí)至20世紀(jì)90年代中期開(kāi)始使用IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor：絕緣柵型雙極晶體管）*3，其與GTO晶閘管相比能夠以低損耗、高頻率進(jìn)行轉(zhuǎn)換，提高了效率和電壓控制的精度。此外，IPM（Intelligent Power Module）則帶來(lái)了驅(qū)動(dòng)電路、保護(hù)電路和IGBT的一體化，實(shí)現(xiàn)了性能、功能及可靠性的提高，作為能夠推進(jìn)逆變器發(fā)展的一項(xiàng)技術(shù)得到實(shí)用。

*1：進(jìn)行轉(zhuǎn)換操作的半導(dǎo)體元件的一種（圖1）。其特征是通過(guò)在柵極和陰極間施加電壓并加通電流，可使陽(yáng)極與陰極之間的非導(dǎo)通狀態(tài)（關(guān)閉狀態(tài)）切換為導(dǎo)通狀態(tài)（開(kāi)啟狀態(tài)），也就是接通（點(diǎn)孤）。此外，為了進(jìn)行轉(zhuǎn)換動(dòng)作，要將開(kāi)啟狀態(tài)切換為關(guān)閉狀態(tài)及關(guān)斷（消?。顟B(tài)，還需要其他的元件和電路。

圖1 晶閘管的符號(hào)和示意圖

*2：上述*1的晶閘管無(wú)法實(shí)現(xiàn)的可關(guān)斷的晶閘管，為此需要其他的柵極電路。但其中也存在著關(guān)斷所需時(shí)間長(zhǎng)、流過(guò)柵極的電流超過(guò)輸出電流的10%以上，電耗損失較大等缺點(diǎn)。

*3：輸入部分采用MOSFET結(jié)構(gòu)，輸出部分采用雙極晶體管結(jié)構(gòu)的大電力對(duì)應(yīng)的半導(dǎo)體元件（圖2）。與GTO晶閘管相比，柵極電流與輸出電流的比率較小，損耗較低。此外，由于轉(zhuǎn)換頻率為人耳可聽(tīng)見(jiàn)的范疇之外，因此與采用GTO晶閘管的情況相比其噪音較小。

圖2 IGBT的等效電路

鐵路車輛中驅(qū)動(dòng)馬達(dá)的逆變器控制

由于電力電子技術(shù)，特別是逆變器的技術(shù)進(jìn)步，實(shí)現(xiàn)了鐵路車輛的交流馬達(dá)（驅(qū)動(dòng)用交流電動(dòng)機(jī)）的實(shí)用。通過(guò)使用逆變器，與直流馬達(dá)相比其功率重量比優(yōu)異，消除了以往的電阻控制中所采用的電阻器造成的損失，從而大幅降低了整體損耗。作為交流馬達(dá)，使用的是同步馬達(dá)和感應(yīng)馬達(dá)，其中使用VVVF（Variable Voltage Variable Frequency：可變電壓可變頻率）逆變器*4控制方式的交流感應(yīng)馬達(dá)因堅(jiān)固且易于操作，得以廣泛使用。同時(shí)，由于高耐壓技術(shù)的進(jìn)步，引進(jìn)了可推進(jìn)電源大容量化的IGBT及IPM，并采用了3電平逆變器方式*5，使交流感應(yīng)馬達(dá)能夠減輕可造成電子設(shè)備錯(cuò)誤操作的磁噪音和高次諧波，從而提高經(jīng)濟(jì)效益。

*4：采用與PWM逆變器相同原理，可將直流電流轉(zhuǎn)換為交流電流，同時(shí)通過(guò)改變頻率和電壓來(lái)控制交流電動(dòng)機(jī)的旋轉(zhuǎn)。在VVVF逆變器控制中，能夠通過(guò)高速且高精度的轉(zhuǎn)換來(lái)改變電壓，可以周期性地反轉(zhuǎn)輸出方向，模擬產(chǎn)生交流電流的正弦波（圖3）。

*5：能夠輸出接近正弦波波形的逆變器。相對(duì)于2電平逆變器方式（圖3），可大幅降低轉(zhuǎn)換損耗。此外，還可實(shí)現(xiàn)用于輸出波形正弦波化的低通濾波器的小型化。

圖3 各逆變器方式中的PWM波形

逆變器控制電路的電子部件所需性能

目前，為了實(shí)現(xiàn)逆變器中所使用的半導(dǎo)體元件素材的耐壓性能加強(qiáng)和轉(zhuǎn)換的高速化，正逐漸從硅（Si）轉(zhuǎn)用碳化硅（SiC）和氮化鎵（GaN）。但與此同時(shí)，轉(zhuǎn)換的高速化會(huì)帶來(lái)發(fā)熱量的增加，因此要求逆變器的各構(gòu)成電路中所使用的電子部件也具有高度的耐熱性。

除半導(dǎo)體元件以外，逆變器中還包括整流電路、換流電路（用于啟動(dòng)晶閘管）、緩沖電路（用于減輕引起振鈴現(xiàn)象的寄生電感及因浪涌電壓引起的噪音）等構(gòu)成部分，這些電路中均使用電容器、電阻器和電感器等。

如電子部件的耐熱性較低，則將需要冷卻裝置。部件的耐熱性越低，冷卻裝置便越趨于大型化和復(fù)雜化。冷卻裝置的設(shè)置和大型化也將導(dǎo)致車輛重量的增加，成為電力消耗上升的原因。

因此，要實(shí)現(xiàn)車輛的輕量化、抑制電力消耗，逆變器中必須采用耐熱性能優(yōu)良的電子部件。除此以外，逆變器還需要具有高度的可信性，以保證在各類嚴(yán)峻的使用條件下也能夠正常運(yùn)作，例如因振動(dòng)引起的基板撓曲及對(duì)脈沖電壓的耐性等。

高鐵節(jié)能技術(shù)與碳中和

目前，全世界的高速鐵路鋪設(shè)進(jìn)度迅猛。其中，美國(guó)加利福尼亞州連接洛杉磯和舊金山兩地的高速鐵路項(xiàng)目（預(yù)定將于2033年開(kāi)通）耗資約773億美元*6，英國(guó)為連接各大城市之間的HS2（High Speed Two）項(xiàng)目也投入了巨額預(yù)算，引起相關(guān)方面爭(zhēng)議。

這些項(xiàng)目均以舉國(guó)之力，傾注巨資，也正說(shuō)明鐵路運(yùn)輸?shù)沫h(huán)境性能明顯優(yōu)于其他運(yùn)輸手段。作為達(dá)成碳中和艱難目標(biāo)的有力手段，鐵路運(yùn)輸正受到廣泛的關(guān)注。同時(shí)，在發(fā)展中國(guó)家所引進(jìn)的鐵路網(wǎng)中也呈同樣的趨勢(shì)。在此形勢(shì)下，由電子技術(shù)所帶來(lái)的節(jié)能化及其CO?削減效果無(wú)疑會(huì)越來(lái)越受到關(guān)注。

審核編輯 黃宇