一种改进的高铁牵引供电系统储能方案
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联合主办
中国电工技术学会
北京交通大学轨道交通控制与安全国家重点实验室
联合承办
中国电工技术学会轨道交通电气设备技术专委会
国家高速列车技术创新中心
《电气技术》杂志社
会议日期/地点
2019年10月25-27日/山东青岛
西南交通大学电气工程学院的研究人员魏文婧、胡海涛、王科、陈俊宇、何正友，在2019年第6期《电工技术学报》上撰文（论文标题为“基于铁路功率调节器的高速铁路牵引供电系统储能方案及控制策略”），针对高速铁路牵引供电系统中大量再生制动能量不能得到有效利用的问题，提出一种基于铁路功率调节器（RPC）的牵引供电系统储能方案及其控制方法。
首先，研究牵引供电系统储能方案的拓扑结构，分析四种典型工况下系统的能量传输特性；接着，分析RPC动态补偿电能质量的基本原理，并提出一种计及储能装置的RPC控制策略；然后，研究基于电流闭环的储能装置控制策略；最后，通过仿真算例证明本文所提出储能方案和RPC控制策略的正确性和可行性。
结果表明，所采用的储能方案能有效回收利用高速铁路牵引供电系统产生的再生能量，所提出的RPC控制策略能更好地解决储能装置接入牵引供电系统后的负序和谐波电流补偿问题。
高速动车组在制动过程中，优先采用再生制动方式，产生了大量的再生能量。据统计，从北京南站到天津站的动车组每天可产生的制动能量约为33.291MW∙h，每年可产生的制动能量高达120GW∙h。
当前，这部分再生能量主要有三种处理方式：①被同一供电臂上处于非再生工况的动车组消耗；②以热能的形式被制动电阻消耗；③返送回电力系统，但电力系统不对其进行计费或反向正计。这使得再生能量未得到充分的利用，同时给铁路部门带来了一定的经济损失。因此，研究高速铁路牵引供电系统再生能量的回收利用，对实现节能减排降耗具有重要的现实意义。
目前，围绕高速铁路再生制动能量的回收，国内外学者主要进行优化型、反馈型、储能型再生制动能量系统三个方面的研究。其中，优化型是指通过协同控制相同供电臂下其他动车组的运行工况，使再生能量被处于非制动工况的动车组消耗，这种方法的优点是能实现大功率再生能量的及时再利用，其不足在于再生能量的利用率不高，且灵活性较差。
反馈型是指通过设计能量回馈装置，将再生能量反馈到其他电压等级供电网络，如10kV贯通线、400V配电网等，供给照明、信号系统等使用。该方案的优势在于能够实现再生能量的二次利用。然而，反馈的再生能量中含有大量负序和谐波电流，且瞬时功率较大（最高可达20MW），容易影响其他供电设备的安全稳定运行。
储能型是指在牵引供电系统中构建储能装置接口电路，将动车组产生的多余再生制动能量存储到相关储能介质中，并将其供给牵引负荷或其他负荷使用，储能型方案具有削峰填谷，灵活性高等优势，是近年来研究的热点。实现储能型的关键在于接口电路拓扑结构及其控制策略的设计。
铁路功率调节器（Railway Power Conditioner, RPC）具有实现两供电臂能量双向流动，动态补偿牵引供电系统负序和谐波电流，提供稳定直流电压，使两供电臂共用一套储能装置等优点，被广泛用作接口电路。然而，当牵引供电系统中接入储能装置后，由于储能介质的反复充放电，引入了新的功率流动，造成了牵引供电系统电能质量恶化，使得传统RPC控制策略不再适用，需要对控制策略进行改进。
因此，为实现高速铁路牵引供电系统再生能量的存储利用，本文提出基于RPC的牵引供电系统储能方案及其控制策略。首先，设计高速铁路储能方案拓扑结构，并对典型运行工况下牵引供电系统的能量传输特性进行分析；再对含有储能装置的RPC电能质量动态补偿原理进行推导，提出一种改进的RPC控制策略；进一步研究基于电流闭环的储能装置控制策略；最后通过仿真分析验证所提出方案和控制算法的可行性和有效性。
图1 基于RPC的牵引供电系统储能方案拓扑结构
图2 含储能装置的高速铁路牵引供电系统运行工况
图4 储能式RPC控制原理图
针对高速铁路牵引供电系统再生制动能量存储利用问题，本文研究了基于RPC的储能方案及其控制方法，剖析了储能方案的拓扑结构及其能量传输特性。根据RPC电能质量动态补偿原理，提出了计及储能装置的RPC改进控制策略，并研究了储能装置的控制方法，得到如下结论：
1）基于RPC的储能方案能够控制牵引供电系统与储能装置间能量的双向流动，实现再生能量的存储和再利用。
2）相比于传统RPC控制方法，本文所提出的改进控制算法适用于储能装置接入牵引供电系统后的不同运行工况，且能更好地抑制牵引供电系统负序和谐波等电能质量问题。
需要指出的是本文主要研究了高速铁路牵引供电系统再生制动能量的存储利用方案及控制策略，对于储能介质的选择、容量的最优化、充放电功率的最优化及储能装置的能量管理策略等问题将是下一步的研究方向。