高铁节能技术与碳中和

铁路与其他客运工具相比，能源效率高，据说其每单位运输量的CO₂排放量约为一般载客车辆的1/7。特别是在长距离运输中，其差距更大，高速铁路网对运输基础设施的节能有很大的推动作用。

一直以来，高速铁路网在发达国家运输基础设施中承担着重要的作用，而近年来在新兴发展中国家也出现了铺设高铁的动向。同时，在本国已经实现高速铁路网的实用化、拥有该项技术的国家则集聚官民各方力量，加强对正在探讨铺设的国家的推销攻势。在此过程中，除了高速性、安静性、安全性之外，能否通过削减CO₂实现碳中和等环境性能也成为必须纳入视野的关键点之一。

下文中将把“电气车辆（电动车辆）”略称为“铁路车辆”。

铁路车辆的环境性与电子技术

虽然与其他运输手段相比铁路的环境性能较高，但实际上仍需要消耗很多电力和燃料。特别是世界性的高速铁路网的普及带来了CO₂排放量的增加，阻碍了碳中和的实现，因此需要进一步推进其节能化的进程。

实现驱动系统的节电是提高铁路环境性能的要点。为了实现这一点，关键在于：（1）驱动系统本身的节电化；（2）驱动系统的小型、轻量化；（3）车辆的轻量化。关于其中（1）和（2）两点，开发在驱动系统中所使用的低电耗的转换器及逆变器，可以说是减轻铁路运输所需的能源负担削减CO₂排放量不可或缺的措施。在此开发过程中，采用高性能的半导体元件、低损失的电容器和电感器至关重要。

驱动系统的电力控制技术

在铁路车辆装备中，驱动马达是消耗电力最多的装置。为了实现铁路车辆的节能化，一个重要的环节便是抑制驱动马达的耗电，提高其运行效率。为了有效地对驱动马达进行控制，逆变器装置必不可少。

什么是逆变器控制

目前，很多铁路车辆的电源使用的是以交流电流方式供给、并在使用中转换为直流电流的方式。将交流电流转换为直流电流的装置，称为“转换器”。并且，交流马达和空调、照明装置等需要交流电源的机器设备则通过“逆变器”装置，将直流电流转换为交流电流后再进行使用。

逆变器不仅可将直流电流转换为交流电流，还可自由控制频率和电压，即所谓的“逆变器控制”，这一原理在空调、微波炉、荧光灯等家电产品中也被广泛应用。而在需要大功率的铁路车辆中，逆变器控制的精度和效率是左右能源消耗量的关键技术要素。

逆变器控制的进化

铁路车辆的逆变器控制是从20世纪80年代开始投入实用的，当时被称为“PWM（Pulse Width Modulation：脉冲宽度调制）逆变器”，采用了通过转换将直流电压改变为矩形波（脉冲），并每隔一定周期改变脉冲宽度，从而改变输出电压的方法。部分主电路元件原先使用晶闸管*1，之后GTO（Gate Turn-Off）晶闸管*2成为主流。

时至20世纪90年代中期开始使用IGBT（Insulated Gate Bipolar Transistor：绝缘栅型双极晶体管）*3，其与GTO晶闸管相比能够以低损耗、高频率进行转换，提高了效率和电压控制的精度。此外，IPM（Intelligent Power Module）则带来了驱动电路、保护电路和IGBT的一体化，实现了性能、功能及可靠性的提高，作为能够推进逆变器发展的一项技术得到实用。

*1：进行转换操作的半导体元件的一种（图1）。其特征是通过在栅极和阴极间施加电压并加通电流，可使阳极与阴极之间的非导通状态（关闭状态）切换为导通状态（开启状态），也就是接通（点孤）。此外，为了进行转换动作，要将开启状态切换为关闭状态及关断（消弧）状态，还需要其他的元件和电路。

图1 晶闸管的符号和示意图

*2：上述*1的晶闸管无法实现的可关断的晶闸管，为此需要其他的栅极电路。但其中也存在着关断所需时间长、流过栅极的电流超过输出电流的10%以上，电耗损失较大等缺点。

*3：输入部分采用MOSFET结构，输出部分采用双极晶体管结构的大电力对应的半导体元件（图2）。与GTO晶闸管相比，栅极电流与输出电流的比率较小，损耗较低。此外，由于转换频率为人耳可听见的范畴之外，因此与采用GTO晶闸管的情况相比其噪音较小。

图2 IGBT的等效电路

铁路车辆中驱动马达的逆变器控制

由于电力电子技术，特别是逆变器的技术进步，实现了铁路车辆的交流马达（驱动用交流电动机）的实用。通过使用逆变器，与直流马达相比其功率重量比优异，消除了以往的电阻控制中所采用的电阻器造成的损失，从而大幅降低了整体损耗。作为交流马达，使用的是同步马达和感应马达，其中使用VVVF（Variable Voltage Variable Frequency：可变电压可变频率）逆变器*4控制方式的交流感应马达因坚固且易于操作，得以广泛使用。同时，由于高耐压技术的进步，引进了可推进电源大容量化的IGBT及IPM，并采用了3电平逆变器方式*5，使交流感应马达能够减轻可造成电子设备错误操作的磁噪音和高次谐波，从而提高经济效益。

*4：采用与PWM逆变器相同原理，可将直流电流转换为交流电流，同时通过改变频率和电压来控制交流电动机的旋转。在VVVF逆变器控制中，能够通过高速且高精度的转换来改变电压，可以周期性地反转输出方向，模拟产生交流电流的正弦波（图3）。

*5：能够输出接近正弦波波形的逆变器。相对于2电平逆变器方式（图3），可大幅降低转换损耗。此外，还可实现用于输出波形正弦波化的低通滤波器的小型化。

图3 各逆变器方式中的PWM波形

逆变器控制电路的电子部件所需性能

目前，为了实现逆变器中所使用的半导体元件素材的耐压性能加强和转换的高速化，正逐渐从硅（Si）转用碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）。但与此同时，转换的高速化会带来发热量的增加，因此要求逆变器的各构成电路中所使用的电子部件也具有高度的耐热性。

除半导体元件以外，逆变器中还包括整流电路、换流电路（用于启动晶闸管）、缓冲电路（用于减轻引起振铃现象的寄生电感及因浪涌电压引起的噪音）等构成部分，这些电路中均使用电容器、电阻器和电感器等。

如电子部件的耐热性较低，则将需要冷却装置。部件的耐热性越低，冷却装置便越趋于大型化和复杂化。冷却装置的设置和大型化也将导致车辆重量的增加，成为电力消耗上升的原因。

因此，要实现车辆的轻量化、抑制电力消耗，逆变器中必须采用耐热性能优良的电子部件。除此以外，逆变器还需要具有高度的可信性，以保证在各类严峻的使用条件下也能够正常运作，例如因振动引起的基板挠曲及对脉冲电压的耐性等。

高铁节能技术与碳中和

目前，全世界的高速铁路铺设进度迅猛。其中，美国加利福尼亚州连接洛杉矶和旧金山两地的高速铁路项目（预定将于2033年开通）耗资约773亿美元*6，英国为连接各大城市之间的HS2（High Speed Two）项目也投入了巨额预算，引起相关方面争议。

这些项目均以举国之力，倾注巨资，也正说明铁路运输的环境性能明显优于其他运输手段。作为达成碳中和艰难目标的有力手段，铁路运输正受到广泛的关注。同时，在发展中国家所引进的铁路网中也呈同样的趋势。在此形势下，由电子技术所带来的节能化及其CO₂削减效果无疑会越来越受到关注。

审核编辑 黄宇