- 頭條一種改進的高鐵牽引供電系統儲能方案2020-03-01 作者：魏文婧、胡海濤、王科、陳俊宇、何正友 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語西南交通大學電氣工程學院的研究人員魏文婧、胡海濤、王科、陳俊宇、何正友，在2019年第6期《電工技術學報》上撰文（論文標題為“基于鐵路功率調節器的高速鐵路牽引供電系統儲能方案及控制策略”），針對高速鐵路牽引供電系統中大量再生制動能量不能得到有效利用的問題，提出一種基于鐵路功率調節器（RPC）的牽引供電系統儲能方案及其控制方法。 首先，研究牽引供電系統儲能方案的拓撲結構，分析四種典型工況下系統的能量傳輸特性；接著，分析RPC動態補償電能質量的基本原理，并提出一種計及儲能裝置的RPC控制策略；然后，研究基于電流閉環的儲能裝置控制策略；最后，通過仿真算例證明本文所提出儲能方案和RPC控制策略的正確性和可行性。 結果表明，所采用的儲能方案能有效回收利用高速鐵路牽引供電系統產生的再生能量，所提出的RPC控制策略能更好地解決儲能裝置接入牽引供電系統后的負序和諧波電流補償問題。
高速動車組在制動過程中，優先采用再生制動方式，產生了大量的再生能量。據統計，從北京南站到天津站的動車組每天可產生的制動能量約為33.291MW?h，每年可產生的制動能量高達120GW?h。
當前，這部分再生能量主要有三種處理方式：①被同一供電臂上處于非再生工況的動車組消耗；②以熱能的形式被制動電阻消耗；③返送回電力系統，但電力系統不對其進行計費或反向正計。這使得再生能量未得到充分的利用，同時給鐵路部門帶來了一定的經濟損失。因此，研究高速鐵路牽引供電系統再生能量的回收利用，對實現節能減排降耗具有重要的現實意義。
目前，圍繞高速鐵路再生制動能量的回收，國內外學者主要進行優化型、反饋型、儲能型再生制動能量系統三個方面的研究。其中，優化型是指通過協同控制相同供電臂下其他動車組的運行工況，使再生能量被處于非制動工況的動車組消耗，這種方法的優點是能實現大功率再生能量的及時再利用，其不足在于再生能量的利用率不高，且靈活性較差。
反饋型是指通過設計能量回饋裝置，將再生能量反饋到其他電壓等級供電網絡，如10kV貫通線、400V配電網等，供給照明、信號系統等使用。該方案的優勢在于能夠實現再生能量的二次利用。然而，反饋的再生能量中含有大量負序和諧波電流，且瞬時功率較大（最高可達20MW），容易影響其他供電設備的安全穩定運行。
儲能型是指在牽引供電系統中構建儲能裝置接口電路，將動車組產生的多余再生制動能量存儲到相關儲能介質中，并將其供給牽引負荷或其他負荷使用，儲能型方案具有削峰填谷，靈活性高等優勢，是近年來研究的熱點。實現儲能型的關鍵在于接口電路拓撲結構及其控制策略的設計。
鐵路功率調節器（Railway Power Conditioner, RPC）具有實現兩供電臂能量雙向流動，動態補償牽引供電系統負序和諧波電流，提供穩定直流電壓，使兩供電臂共用一套儲能裝置等優點，被廣泛用作接口電路。然而，當牽引供電系統中接入儲能裝置后，由于儲能介質的反復充放電，引入了新的功率流動，造成了牽引供電系統電能質量惡化，使得傳統RPC控制策略不再適用，需要對控制策略進行改進。
因此，為實現高速鐵路牽引供電系統再生能量的存儲利用，本文提出基于RPC的牽引供電系統儲能方案及其控制策略。首先，設計高速鐵路儲能方案拓撲結構，并對典型運行工況下牽引供電系統的能量傳輸特性進行分析；再對含有儲能裝置的RPC電能質量動態補償原理進行推導，提出一種改進的RPC控制策略；進一步研究基于電流閉環的儲能裝置控制策略；最后通過仿真分析驗證所提出方案和控制算法的可行性和有效性。
圖1 基于RPC的牽引供電系統儲能方案拓撲結構
圖2 含儲能裝置的高速鐵路牽引供電系統運行工況
圖4 儲能式RPC控制原理圖
結論
針對高速鐵路牽引供電系統再生制動能量存儲利用問題，本文研究了基于RPC的儲能方案及其控制方法，剖析了儲能方案的拓撲結構及其能量傳輸特性。根據RPC電能質量動態補償原理，提出了計及儲能裝置的RPC改進控制策略，并研究了儲能裝置的控制方法，得到如下結論：
1）基于RPC的儲能方案能夠控制牽引供電系統與儲能裝置間能量的雙向流動，實現再生能量的存儲和再利用。
2）相比于傳統RPC控制方法，本文所提出的改進控制算法適用于儲能裝置接入牽引供電系統后的不同運行工況，且能更好地抑制牽引供電系統負序和諧波等電能質量問題。
需要指出的是本文主要研究了高速鐵路牽引供電系統再生制動能量的存儲利用方案及控制策略，對于儲能介質的選擇、容量的最優化、充放電功率的最優化及儲能裝置的能量管理策略等問題將是下一步的研究方向。
