В экономике любой страны с развитой электроэнергетикой одним из основных потребителей энергии выступает железнодорожный транспорт, представленный в мегаполисах трамваями и метро. Стремительное расширение метрополитена в последние годы порождает растущий спрос на надежные, но дорогие городские источники энергии, что увеличивает затраты на строительство городских электросетей.
Подход к решению проблемы энергоснабжения метрополитена описан в статье группы авторов (Чжаньхэ Ли, Сяоцянь Ли, Чао Лу, Индун Вэй и Вэйхан Бао, опубликованной в журнале IEEE Power & Energy Magazine (т. 24, № 1 за 2026 год).
Метро в Пекине
Система городского железнодорожного транспорта Китая быстро растет. Например, в Пекине скорость движения поездов за последние годы увеличилась с 80 до 120 км/ч, составы метропоездов удлинились с 6 до 8 вагонов с большим количеством пассажиров в каждом, а минимальное время движения сократилось с 4 до 2 минут. Максимальная тяговая мощность одного поезда превышает 10 МВт. В результате, в 2023 году потребление электроэнергии железнодорожным транспортом в Пекине по сравнению с более ранним периодом выросло вдвое и составило около 2,4 млрд кВт•ч (почти 2% от общегородского потребления электроэнергии).
Быстрое развитие метро сталкивается с трудностями строительства новых коммунальных источников питания: в качестве примера авторы описывают спор между пекинской коммунальной службой и метрополитеном (Beijing Transit Property) по поводу строительства новых источников переменного тока, для которых у города нет ни земельных, ни финансовых ресурсов.
Энергетика для метрополитена
Традиционные системы тягового питания метро обладают низкой энергоэффективностью, требуют дорогой инфраструктуры и создают пиковые нагрузки на городскую сеть. Обычно, удовлетворение возрастающих потребностей в электроэнергии достигалось двумя способами: модернизацией источников питания с повышением уровня напряжения и увеличением их количества. Оба этих решения неэкономичны.
Вместо традиционных подстанций авторы предлагают формирование сети преобразователей на основе гибких систем тягового электроснабжения постоянного тока (DC TPS), что позволит рекуперировать энергию торможения поездов, балансировать нагрузку между участками и снижать пиковую потребляемую мощность.
Гибкие TPS постоянного тока вместо обычных диодных выпрямителей и инверторов используют преобразователи с источником напряжения (VSC), которые обеспечивают высокую управляемость, надежное регулирование напряжения, единый для всей сети коэффициент мощности и двунаправленный поток мощности. Это позволяет вдвое уменьшить количество источников питания и протяженность сетей, которые в обычных TPS выполняют функцию резервирования.
Благодаря скоординированному регулированию всех VSC, гибкие TPS постоянного тока обладают высокой управляемостью. За счет их применения тяговые подстанции преобразуются в активные узлы, которые не только питают, но и стабилизируют сеть: они позволяют оптимизировать энергопотребление, обеспечивать рекуперативное поглощение энергии при торможении, сглаживать скачки напряжения, повышать надежность. Кроме того, становится возможным снизить пиковую мощность оборудования и расходы на электроэнергию, а также увеличить максимально допустимое расстояние между источниками переменного тока и подстанциями.
Кейс: Модернизация метро в Пекине
В статье подробно описан проект модернизации метро в Пекине. Исходно, в метрополитене использовались линии с высоким энергопотреблением, создающие большую нагрузку на городскую сеть, и низким уровнем рекуперации: обычная система поглощает только 39% энергии поездов при торможении, оставшаяся неиспользованная энергия рассеивается в виде тепла (рекуперативно-реостатное торможение).
В ходе модернизации были внедрены следующие решения: на тяговых подстанциях установлены VSC и системы рекуперации с накопителями, на крышах депо смонтированы солнечные панели (5 МВт), подключена интеллектуальная система управления на основе AI.
Гибкая TPS постоянного тока значительно повышает эффективность энергосбережения: она поглощает 92% энергии при рекуперативном торможении и почти на 14% снижает общее энергопотребление – с 174 тыс. до 150 тыс. МВт•ч (см. рис. 1).
Экономика и окупаемость
По расчетам авторов, срок окупаемости проекта модернизации TPS составляет 5–7 лет. Несмотря на то, что VSC намного дороже диодных выпрямителей, затраты на модернизацию компенсируются сокращением количества линий электропередачи. Источниками экономии выступают снижение платы за пиковую мощность, продажа избыточной энергии в сеть, уменьшение потерь.
При стоимости $0,1 за кВт•ч гибкая система TPS постоянного тока сокращает годовые затраты на электроэнергию на $2,4 млн. В целом, перечисленные решения позволяют на всем жизненном цикле снизить затраты на энергопотребление на $36,7 млн. Кроме того, уменьшение необходимого количества источников переменного тока на 47% экономит затраты на строительство в размере $66 млн. Наконец, согласно расчетам, гибкие системы постоянного тока TPS на 420 тыс. т в год сокращают выбросы CO2.
Выводы
По убеждению авторов, описанный подход применим для любых крупных городов с метро или железнодорожным транспортом, он может быть поэтапно внедрён без остановки движения и в перспективе совместим с новыми технологиями, такими как водородные поезда, беспилотное управление и "умные" электрические сети.
С гибкими системами TPS постоянного тока, помимо солнечных панелей на крышах депо и станций, могут быть интегрированы накопители энергии (BESS), что в целом позволит сформировать городской железнодорожный транспортный «Интернет энергии». Это решение обеспечивает большую гибкость управления и технические преимущества, такие как сглаживание пиков потребления, аварийное питание, участие в сервисах для сетей.
Метро становится активным участником энергосистемы города.
Подробнее читайте в IEEE Power & Energy Magazine (т. 24, № 1 за 2026 год)
Подготовлено АНО «Центр «Энерджинет» при поддержке Фонда НТИ и Минобрнауки России