福建省轨道交通低碳发展路径探索与实践

　　一、总体介绍

　　《城市轨道交通绿色城轨发展行动方案》提出了绿色城轨建设的指导思想和行动方案，明确了“三步走”的发展战略和重点实施的六大绿色城轨行动。国家政策要求主要体现在节能减排、绿色环保、科技创新等方面，通过制定一系列的政策、标准和规范，推动地铁绿色车站的建设和发展，实现地铁交通的可持续发展，有利于提高能源利用效率、保护环境和增强旅客体验，具有重要的社会意义和经济效益。

　　2022年8月中国城市轨道交通协会发布《中国城市轨道交通绿色城轨发展行动方案》中明确提出了“节能降碳增效行动”。根据计算，每消耗100kW·h电能可换算为78.5kg碳排放量，因此降低碳排量的最直接方式就是降低能耗。国家政策要求2025年较2020年综合能耗强度下降≥10%，牵引能耗强度下降≥10%。而城市轨道交通是耗能大户，2021年我国城市轨道交通总耗电210亿千瓦时，同比增长12.9%，其中牵引供电占50%~60%，通风空调占25%~35%，照明占8%~10%，其他占10%左右。2020年我国城市轨道7141.55公里的运营线路中，地铁为5514.92公里，占比77.22%，地铁碳排放和能耗占城轨碳排放量和综合能耗的80%以上。目前城市轨道交通仍然处于高速发展期，随之带来的是碳排量和运输成本的增加。因此，要落实国家环境保护和能源节约的基本国策，就必须实现城市轨道交通系统的节能减排。

　　在上述背景下，计划分二期完成绿色城轨低碳管控的目标。本项目为福州地铁低碳运行管控平台研究的一期项目，重点针对列车牵引能耗、空调、照明相关耗能严重的问题，研究对应策略并研制相关系统装置，降低系统能耗、提高能源利用效率，并通过研发系统平台实现对能耗的在线管控。

　　二、主要做法

　　一期项目主要研究列车节能、空调节能、照明节能、能源回收的控制策略和优化方法，从列车节能驾驶策略、双向变流装置、车载空调控制策略、低碳管控平台四个方面开展研究。在执行期内主要完成实验基本环境搭建、数据采集、理论模型分析、装置样机的研制、应用及调试。一期项目的主要研究内容如下：

　　(一)列车节能驾驶碳减排策略研究

　　列车节能驾驶碳减排策略主要包括三部分：建立地铁列车节能运行优化模型，推导列车运行最优工况集;设计站间线路低能耗最优速度曲线;进行算法封装，开发计算模块。

　　针对福州地铁列车运行过程受列车自身参数与特性、线路坡道曲线和运行限速等诸多因素共同影响的特点，建立地铁列车节能运行优化模型，推导列车运行最优工况集，分析工况间最优切换规则与切换时机，形成地铁列车节能控制策略;建立车线一体化模型，优化人工蚁群算法、退火算法、粒子群算法等智能算法设计列车区间节能驾驶策略规划算法，在限速约束、舒适约束等约束条件下，对列车特性、坡道组合进行实时优化计算，得到理论最优的列车节能速度曲线;基于高精度传感器组的实时数据采集处理，研究多元非线性函数拟合方法，继而推断列车基本阻力参数实时更新策略，通过对实时阻力参数的更新实现对列车驾驶过程中推荐速度曲线的精确优化;对列车节能驾驶策略优化算法和基本阻力辨识算法进行工程化开发，研制地铁列车节能驾驶样机，开展基于真车实现多工况多场景的节能驾驶技术验证与测试。

　　(二)制动能源回收策略

　　一期项目采用双向变流器实现对制动能量的回收，考虑福州地铁供电系统结构特点，研究基于SVPWM控制方式的三电平双向变流器拓扑结构，考虑到福州地铁实际改造空间，研究提高双向变流器功率密度的方式，拟采用桥臂并联、单元并联同时结合均流电抗器的设计方案，探索提高双向变流器功率密度、降低桥臂间环流的效果;研究传统二极管整流机组与双向变流器的协同工作模式，拟研究多段下垂式控制策略，在避免功率环流的同时实现协同作业，根据协同工作过程中功率输出、直流侧稳压情况及逆变模式下能量反馈的情况优化控制策略;搭建双向变流器装置仿真模型，对所提出的双向变流器控制策略进行仿真验证，以电路实际要求、节能效果、电网损耗等为约束条件，根据仿真效果，调整电路及双向变流器中各个功能组件参数;研制双向变流器装置，验证双向变流器功能的正确性和有效性，最终实现电能在交流电网和牵引网之间的双向传递，降低牵引供电网线路损耗，提高牵引供电系统综合节能指标。

　　(三)车载空调节能控制策略研究

　　从列车运行环境、车载空调负荷、空气质量等方面入手，分析福州地铁车载空调能耗状况，分析车载空调节能潜力，通过建立福州地铁列车空调负荷仿真模型，获得历史空调负荷变化曲线集合，构建用于空调负荷预测的样本集;研究基于深度神经网络的车载空调负荷预测方法，分析负荷预测的关键影响因素，设计基于深度神经网络的多层训练模型，并考虑加入优化算子提高模型迭代收敛速度及准确性，根据时间排布，研究符合列车运行规律的模型训练方法;考虑车载空调的时滞特性，提出基于负荷预测的车载空调系统节能智能控制策略及控制方法，以车载空调压缩机工作频率、排风口开度、冷凝机工作状态为控制对象，根据预测负荷制定满足车载空调节能标准的对应控制对象调节方案;开发车载空调系统智能节能控制装置并进行验证测试，选择福州地铁特定站间路段，使用控制变量法，对比分析本方案的节能效果并提出改进方案。

　　(四)低碳运行管控平台研究

　　搭建低碳运行管控平台，运用边缘计算、云计算、大数据以及AI等前沿技术，具备数据通信接口，可采集车辆、车站、车辆段空调、照明系统的能耗数据，环境数据，人流数据等，拟通过三维可视化的方式展示车辆、车站耗能情况、耗能趋势、能耗管控设备的运行状态等;研究综合利用AHP层次分析、趋势预测等人工智能算法动态评估节能效果及碳排放水平，并根据不同的节能效果结合不同的场景制定车辆、车站节能的策略，提升能源的利用率与回收率，最终实现双碳下节能减排，降低运维成本的总目标。

　　三、取得成效

　　福州地铁低碳平台项目是响应国家“双碳”战略、推动交通强省建设、降低地铁运营成本、提升公众出行体验的重要举措。通过本项目的实施，将为福建省乃至全国的城市轨道交通行业提供宝贵的经验和示范。

　　1)响应国家“双碳”战略：福州地铁低碳平台项目是福建省积极响应国家“双碳”战略、推动交通运输行业绿色低碳发展的具体行动。通过本项目的实施，可以探索出一条适合福建省特点的低碳交通发展路径。

　　2)推动交通强省建设：交通强省建设是福建省推动经济社会高质量发展的重要举措。通过本项目的实施，可以形成一批可复制、可推广的创新成果和典型经验，以点带面推动全省交通运输行业的高质量发展。

　　3)降低地铁运营成本：地铁运营能耗是地铁运营成本的重要组成部分。采用低碳运行管控平台，可以显著降低地铁运营能耗，降低运营成本，提高经济效益。这对于地铁运营企业而言，具有重要的现实意义。

　　4)提升公众出行体验：低碳运行管控平台的实施，不仅可以降低地铁运营能耗，还可以提升地铁系统的运行效率和稳定性。这将为公众提供更加便捷、舒适、高效的出行体验，提高公众对地铁系统的满意度和信任度。

　　本项目预计可实现11%的综合能耗节能率，将为单条地铁线路降低每年上百万乃至上千万元的运营成本，有力支撑地铁运营提质增效，提升运输经济性。社会效益方面，十四五规划、2035交通强国战略、“双碳”战略都要求轨道交通加快节能化建设，作为城轨节能技术的代表，一旦该课题顺利开展并落地，必将成为践行国家政策、履行企业责任、敢于技术创新的先锋模范。