一种基于超级电容储能系统的新型铁路功率调节器

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湘潭大学信息工程学院、湖南大学电气与信息工程学院的研究人员马茜、郭昕等，在2018年第6期《电工技术学报》上撰文，在采用铁路功率调节器解决电气化铁路电能质量问题时，为了提高再生制动能量的利用率，提出一种由铁路功率调节器和超级电容储能系统构成的新型储能式铁路功率调节器。

该系统不仅能实现两供电臂能量双向流通，还能通过铁路功率调节器和储能系统的协调控制，提高再生制动能量利用率并实现削峰填谷功能。首先分析系统工作原理，构建再生制动工况下的等效电路，推导再生制动能量利用率表达式；然后分析该系统能够提高再生制动能量利用率并实现削峰填谷功能的原因；最后搭建仿真模型和实验平台，多种工况下的实验结果表明了所提新型补偿系统的正确性及有效性。

目前，我国已成为世界上高速铁路运营最快、里程最长的国家，重载和高速已成为现在铁路的发展方向[1,2]。随着高速铁路的发展，无功和低次谐波已不再是主要问题，而负序的问题则日益严重，给供电系统的安全和稳定运行带来了严峻的挑战[3-7]。

为减少电气化铁路负序的影响，目前主要采取静止无功补偿器（Static Var Compensator, SVC）[8,9]、静止无功发生器（Static Var Generator, SVG）[10,11]、铁路功率调节器（Railwaystatic Power Conditioner, RPC）等方法。SVC和SVG能部分解决负序问题，但由于不能在两供电臂之间平衡有功，所以治理效果没有RPC好。因此，采用RPC在治理负序问题具有良好的应用前景[12-17]。

高速交流机车在制动过程中会产生很大的再生制动能量[18]。当一个桥臂为再生制动状态，另一个桥臂为牵引状态时，RPC通过功率转移将再生制动能量转移至牵引侧，可以实现再生制动能量的利用；当两侧均为再生制动状态时，RPC只能将再生制动能量反送给电网，此时的再生制动能量利用率为零，并对电网造成了较大的冲击。由此可见，RPC不能完全解决再生制动能量的问题。

目前，高速铁路牵引供电系统具有牵引负荷峰位功率越来越大的问题[19,20]，因此，牵引变压器的额定功率就必然会很大，但实际运行中，牵引变压器负荷率并不大，这就使得牵引变压器的利用率较低，这导致了牵引变压器的经济性较差。

RPC可以通过功率转移来平衡两臂有功功率，这在一定程度上削弱了负载峰位负荷的影响，提高了变压器的利用率。但是，RPC不能将谷时功率存储，用于补偿峰时负荷的需求，因此，RPC在解决牵引变压器的容量利用率较低的问题上略显不足。

针对以上方案的不足，本文提出一种由RPC和超级电容（SuperCapacitor, SC）储能系统构成的新型储能式铁路功率调节器（SC-RPC）。相比于传统的RPC，该拓扑结构中RPC用于治理负序，SC用于存储和释放再生制动能量[21-23]，提高了再生制动能量的利用率，通过SC与RPC的协同控制将存储的谷时功率用于补偿峰时负荷的需求，改善了峰值功率对牵引变压器的冲击，减少其安装容量，提高其经济性。

本文分析了新型拓扑结构在各种模式下的工作原理，构建了SC-RPC与RPC补偿系统在再生制动工况下的等效电路，推导出两种补偿系统的再生能量利用率，对比分析得出了SC-RPC再生能量利用率较高的原因。仿真和实验结果表明了本文所提出的新型拓扑结构的正确性和有效性。

图1  SC-RPC拓扑结构

图18  实验装置实物图

结论

为了有效解决电气化铁路再生制动能量利用率较低的问题，本文提出一种基于超级电容储能的新型铁路功率调节器（SC-RPC）。引入了削峰功率设定值和填谷功率设定值，分析了各种工况下的工作原理，构建SC-RPC与RPC的等效电路，推导出两种补偿系统的再生制动能量利用率的关系式。

仿真和实验结果表明SC-RPC不仅能够解决负序问题，还能提高再生制动能量的利用率，利用谷时电能补偿峰时电能，不仅改善了峰值负荷对变压器的冲击，而且提高了其容量利用率，具有一定的工程应用价值。