重載鐵路再生制動能量利用方案研究*

劉華偉 耿安琪 何正友 胡海濤 張宏偉

(1.神華包神鐵路集團(tuán)有限責(zé)任公司 包頭 014010；2.西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院 成都 611756)

1 引言

2019 年，全國鐵路貨運(yùn)總發(fā)送量完成43.98 億噸，增長7.2%[1]。《中國制造2025》[2]提出：“需要鐵路加強(qiáng)科技創(chuàng)新和自主創(chuàng)新，提高智能、綠色、高端裝備比例，全面提升鐵路裝備現(xiàn)代化水平”。因此，通過新型技術(shù)、新裝備實(shí)現(xiàn)重載鐵路的節(jié)能、節(jié)電、增效，提高系統(tǒng)的電能質(zhì)量等具有重要的理論與實(shí)際意義。列車再生制動時(shí)優(yōu)先采用再生制動方式，制動過程會產(chǎn)生大量的再生制動能量[3]。在重載、長大坡道線路或鐵路樞紐站所，列車再生制動能量甚至可達(dá)到牽引能量的10%～30%[4]。因此，如何提高重載鐵路的再生制動利用率是實(shí)現(xiàn)重載鐵路節(jié)能運(yùn)行的重要因素。

目前再生制動能量的吸收主要分為耗散型、能饋型和儲能型三種[5]。耗散型再生制動能量吸收方式是通過電阻消耗多余的再生制動能量，它結(jié)構(gòu)簡單、實(shí)現(xiàn)成本較低，但是會把再生制動能量白白浪費(fèi)掉。能饋型再生制動能量吸收方式是通過逆變裝置將能量回饋至交流電網(wǎng)供其他用電設(shè)備使用，由于電力部門反向正計(jì)的計(jì)價(jià)方式，給鐵路部門帶來了較大的經(jīng)濟(jì)損失。儲能型是指在牽引供電系統(tǒng)中構(gòu)建儲能裝置接口電路，將動車組產(chǎn)生的多余再生制動能量存儲到相關(guān)儲能介質(zhì)中，并將其供給牽引負(fù)荷或其他負(fù)荷使用[6-7]。儲能型方案具有削峰填谷、靈活性高等優(yōu)勢，是近年來研究的熱點(diǎn)[8]。隨著現(xiàn)代儲能技術(shù)的發(fā)展，儲能技術(shù)在電力系統(tǒng)的應(yīng)用涉及發(fā)、輸、配、用各個(gè)環(huán)節(jié)[9-10]。鐵路功率調(diào)節(jié)器(Railway power conditioner，RPC)能夠?qū)ω?fù)序、諧波和無功進(jìn)行就地綜合補(bǔ)償，適用于對高速鐵路的負(fù)序和諧波問題進(jìn)行綜合治理[11]。文獻(xiàn)[12]通過鐵路功率調(diào)節(jié)器作為儲能系統(tǒng)與牽引供電系統(tǒng)之間的接口，在有效利用再生制動能量的同時(shí)，也能夠改善牽引變電所左右功率不平衡的問題。

神朔鐵路屬于重載、山區(qū)鐵路，由于線路上、下運(yùn)行量差距大、長大坡道多，其牽引供電系統(tǒng)中主要面臨以下問題：①再生制動能量利用率低、系統(tǒng)能效低；② 電能質(zhì)量差、網(wǎng)壓波動大。針對神朔鐵路目前出現(xiàn)的問題，本文從神朔線的新城川牽引變電所、南梁牽引變電所和府谷牽引變電所的實(shí)測數(shù)據(jù)出發(fā)，分析其負(fù)荷特性，并根據(jù)三座變電所負(fù)荷的特點(diǎn)設(shè)計(jì)了基于潮流控制技術(shù)的再生制動能量利用方案，并針對該方案的經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析，最后得出結(jié)論。

2 神朔鐵路線路情況及負(fù)荷分析

2.1 線路情況

目前，神朔鐵路運(yùn)營機(jī)車的主力車型為HXD1型9 600 kW 交流傳動機(jī)車與SS4 型6 400 kW 直流傳動機(jī)車；牽引質(zhì)量為：大列1 萬 t，小列5 000 t；列車追蹤間隔最短8 min,平均每天約110 對列車，其中約有40%以上交流傳動機(jī)車(每天上線21組)。交流傳動機(jī)車具有再生制動功能，產(chǎn)生再生制動能量的多少受線路坡度、列車運(yùn)行狀態(tài)的影響，在重載線路和存在長大坡道的線路中尤其豐富。神朔鐵路南梁至府谷區(qū)間段屬于典型的重載長大坡道段，海拔落差分別高達(dá)342 m 與425 m，區(qū)間最大坡度達(dá)1.2%。其大致位置如圖1 所示，在該區(qū)間段，坡度較大，使得列車在下坡的過程中會產(chǎn)生很多的再生制動能量，因此提高該區(qū)間段的再生制動能量利用率會對鐵路的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行產(chǎn)生很大的影響。

神朔鐵路上、下行運(yùn)量差距大，大量采用V/v變壓器與SS4 型直流傳動機(jī)車使其牽引供電系統(tǒng)面臨較為嚴(yán)重的問題。

(1) 負(fù)序嚴(yán)重：神朔鐵路屬于重載鐵路，上、下行運(yùn)量差距大，而且牽引變電所采用的是V/v 變壓器，使其負(fù)序問題比較嚴(yán)重。

(2) 諧波含量高：神朔鐵路大量采用SS4 型直流傳動機(jī)車，直流傳動機(jī)車主要產(chǎn)生3、5、7 次諧波，導(dǎo)致其面臨著嚴(yán)重的諧波問題。

(3) 無功功率大、功率因數(shù)低：神朔鐵路線上采用的是直流傳動和交流傳動機(jī)車混合運(yùn)行，使得整個(gè)系統(tǒng)的功率因數(shù)偏低。

(4) 牽引網(wǎng)電壓波動大：神朔鐵路均采用直接供電方式，且重載鐵路的上、下行運(yùn)量差距大，長大坡道導(dǎo)致機(jī)車產(chǎn)生大量的再生制動能量返送給電網(wǎng)，使得變壓器二次側(cè)電壓波動劇烈。

圖1 變電所位置示意圖

2.2 負(fù)荷分析

為了探明重載鐵路再生制動能量的分布情況，以及電能質(zhì)量的相關(guān)數(shù)據(jù)，對神朔鐵路的南梁、新城川以及府谷三座牽引變電所進(jìn)行了測試，測試時(shí)間為一天，數(shù)據(jù)根據(jù)IEEE Std1459TM-2010[13]中所定義的有功功率、無功功率、視在功率和功率因數(shù)的計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算。

2.2.1 再生制動能量測試結(jié)果

圖2～4 分別為南梁、新城川和府谷牽引變電所左、右供電臂的一天的功率情況。神朔鐵路屬于重載鐵路，該線路上、下行運(yùn)量差距很大，導(dǎo)致變電所兩條供電臂上的功率相差很大。

從圖2～4 中可以看出，三座牽引變電所的兩條供電臂在牽引功率和再生功率上都有比較大的差別，由于三座牽引變電所的變壓器均采用V/v 接線方式，而V/v 變壓器屬于一種不平衡變壓器，這就會使?fàn)恳冸娝鄠?cè)產(chǎn)生很大的負(fù)序電流，從而惡化了牽引供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量。

圖2 南梁牽引變電所左、右臂功率

圖3 新城川牽引變電所左、右臂功率

圖4 府谷牽引牽引變電所左、右臂功率

根據(jù)牽引變電所左、右供電臂的實(shí)測功率，可以得到神朔鐵路南梁-府谷區(qū)間內(nèi)三座牽引變電所的三相側(cè)、牽引側(cè)日返送再生電量，如圖5 所示。在三座牽引變電所的6 條供電臂中，新城川-孤山川供電臂日返送再生電量最多，該供電臂每天產(chǎn)生的再生制動電量為2.08 萬kW·h；新城川牽引變電所相比于其他兩個(gè)變電所再生制動能量相對較多，該變電所每天可以向電網(wǎng)返送的電量為2.39 萬kW·h。隨著更多采用再生制動方式制動的交流傳動機(jī)車投入運(yùn)行，該區(qū)間每天產(chǎn)生的再生制動能量還會進(jìn)一步增加。

圖5 南梁-府谷區(qū)間再生返送電量分布圖

表1、2 分別是三座牽引變電所110 kV 側(cè)、27.5 kV 側(cè)再生制動能量的統(tǒng)計(jì)情況，根據(jù)表中的數(shù)據(jù)可以看出，三座變電所的再生制動能量最大功率較大，并且單次再生制動產(chǎn)生的電量較大。以新城川牽引變電所為例，圖6a 是新城川牽引變電所兩條供電臂一天內(nèi)再生制動的功率分布情況，橫坐標(biāo)為再生制動持續(xù)時(shí)間，縱坐標(biāo)為再生制動過程中的平均功率。若定義再生制動能量的持續(xù)時(shí)間小于200 s 為短時(shí)間制動，大于200 s 為長時(shí)間制動；定義再生制動能量的制動平均功率大于 1 MW 為大功率制動，小于1 MW 為小功率制動，則新城川變電所的再生制動能量主要集中在短時(shí)間小功率區(qū)間內(nèi)。新城川變電所絕大部分再生制動工況的再生制動電量主要集中在400 kW·h 以下，如圖6b 所示。

表1 110 kV 側(cè)再生制動能量情況表

表2 27.5 kV 側(cè)再生制動能量情況表

圖6 新城川牽引變電所再生制動能量分布情況

2.2.2 電能質(zhì)量測試結(jié)果

由于再生制動能量直接返送給電網(wǎng)，使得牽引變電所的電能質(zhì)量問題也比較嚴(yán)重。以新城川牽引變電所為例，圖7 表示了新城川牽引變電所三相電壓不平衡度的情況；表3 中U1、U2、U0和ub分別代表正序電壓、負(fù)序電壓、零序電壓和電壓不平衡度；表4 統(tǒng)計(jì)了新城川變電所三相側(cè)、牽引側(cè)諧波電流的情況。根據(jù)圖中以及表中數(shù)據(jù)顯示，新城川牽引變電所的每一相電壓都有較大的畸變，三相電壓不平衡度最大值為5.51%，三相諧波電流最大值分別為70.4 A、74.23 A 和47.58 A。當(dāng)然其他兩座變電所也有較為嚴(yán)重的電能質(zhì)量問題，其中南梁牽引變電所三相電壓不平衡度最大值為6.42%，三相諧波電流最大值分別為62.98 A、53.01 A 和41.22 A；府谷牽引變電所三相電壓不平衡度最大值為14.16%。

圖7 新城川牽引變電所三相電壓THD

表3 新城川牽引變電所電壓不平衡度趨勢

表4 新城川牽引變電所諧波電流趨勢

3 技術(shù)方案

根據(jù)第2 節(jié)的實(shí)測數(shù)據(jù)，可以得出南梁至府谷區(qū)間段的再生制動能量比較豐富，但是再生制動能量利用率低，且三座牽引變電所的電能質(zhì)量較差。為了提高再生制動能量利用率，并改善牽引變電所的電能質(zhì)量，文獻(xiàn)[14]提出一種高速鐵路牽引供電系統(tǒng)儲能方案，左、右供電臂的功率通過RPC 進(jìn)行平衡，即

式中，Pout為左、右供電臂平衡之后的功率；PL、PR分別為左、右供電臂平衡之前的功率；PESS為儲能系統(tǒng)的功率。

當(dāng)系統(tǒng)只通過RPC 平衡左右供電臂功率時(shí)，式(1)中的PESS等于0。根據(jù)該公式和三座牽引變電所的實(shí)測數(shù)據(jù)，可以得到左右供電臂僅通過RPC 平衡之后向牽引變電所三相側(cè)返送的總電量。其中，南梁牽引變電所三相側(cè)返送的再生制動能量為0.62 萬kW·h，新城川牽引變電所三相側(cè)返送的再生制動能量為1.63 萬kW·h，府谷牽引變電所三相側(cè)返送的再生制動能量為0.73 萬kW·h。根據(jù)計(jì)算結(jié)果不難發(fā)現(xiàn)，新城川變電所在通過RPC 平衡之后，返送的再生制動能量依舊較多，而南梁牽引變電所和府谷牽引變電所在平衡后返送的再生制動能量相對較少。

根據(jù)圖5 中各供電臂再生制動能量分布情況，以及圖8 中牽引變電所經(jīng)過RPC 平衡后的三相側(cè)返送再生制動能量來看，新城川牽引變電所的再生制動能量相對較多，因此優(yōu)先考慮在新城川牽引變電所增加儲能裝置來進(jìn)一步提升再生制動能量利用率，該方案的拓?fù)淙鐖D9 所示。由于南梁和府谷牽引變電所處返送的再生制動能量相對較少，因此可以不在這兩處加入儲能裝置，若在資金允許的條件下，也可以增加合適的儲能裝置來進(jìn)一步提高再生制動能量利用率。本文以只在新城川牽引變電所加入儲能系統(tǒng)為例進(jìn)行展開。

圖8 牽引變電所經(jīng)過RPC 平衡后三相側(cè)再生制動能量分布圖

由于該方案在三座牽引變電所處都接入了RPC裝置，所以能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)三座牽引變電所的再生制動能量回收利用、諧波治理、無功治理、負(fù)序平衡、負(fù)序治理和網(wǎng)壓波動抑制，其中包含了測試區(qū)間段的6 條供電臂。

分區(qū)所的存在使得各牽引變電所相互獨(dú)立，各設(shè)備沒有耦合，可以進(jìn)行自主控制，使得再生制動能量儲存系統(tǒng)的安全性大大提高。后期若因?yàn)榫€路運(yùn)量增加，需要在南梁和府谷牽引變電所處加入儲能裝置，會使系統(tǒng)的投資成本變高。

圖9 再生制動能量利用方案拓?fù)鋱D

4 儲能介質(zhì)選取

針對神朔鐵路南梁-府谷區(qū)間段，其再生制動能量的最大功率較大，且大部分再生制動能量的持續(xù)時(shí)間比較短，但是每次制動過程產(chǎn)生的電量卻比較大。圖10 為新城川變電所其中一段時(shí)間的再生制動功率情況，其中再生制動過程持續(xù)227 s，最大再生功率為8.75 MW，再生制動電量為393.538 kW·h。為了能夠最大提高再生制動能量利用率，就需要增大儲能系統(tǒng)的容量和功率，但是增大容量和功率的同時(shí)成本也會大幅上升。

圖10 再生制動功率圖

蓄電池的能量密度較大，但是功率密度較小[15]，不能很好地滿足重載鐵路再生制動能量的特性；超級電容容器的功率密度較大，但是能量密度較小，雖然用超級電容器可以滿足再生制動能量的大功率需求，但是由于容量限制，使得其在提升再生制動能量利用率方面不會太理想。結(jié)合圖6a、6b，可以看出，單獨(dú)使用超級電容器或者蓄電池都無法滿足新城川牽引變電所的再生制動能量特性。

綜上所述，混合儲能系統(tǒng)可以將系統(tǒng)中各個(gè)儲能介質(zhì)的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行互補(bǔ)，它具有較高的效率和較好的經(jīng)濟(jì)性，與此同時(shí)兼具動態(tài)性能良好、能量密度和功率密度大的優(yōu)點(diǎn)[16-17]。蓄電池和超級電容器組成的混合儲能系統(tǒng)，既能夠滿足再生制動能量的功率特點(diǎn)，又能夠滿足再生制動能量的能量特點(diǎn)，并且超級電容器響應(yīng)速度快、循環(huán)壽命高，能夠吸收變化較快的功率，從而有效地提高蓄電池的壽命。

5 經(jīng)濟(jì)性分析

參考文獻(xiàn)[4，18-19]中儲能介質(zhì)、變流器的成本，可以得到如表5 所示的經(jīng)濟(jì)性參數(shù)。方案投資成本主要包括固定成本、研發(fā)成本、儲能裝置成本和維護(hù)保養(yǎng)成本，為了計(jì)算簡便，這里只考慮固定成本和儲能裝置成本。在牽引供電系統(tǒng)中裝設(shè)再生制動能量儲能系統(tǒng)的收益包括直接收益和間接收益兩個(gè)部分，其中直接收益包括：節(jié)省電度電費(fèi)和附加電費(fèi)帶來的收益；牽引變壓器容量減緩升級和節(jié)省基本電費(fèi)帶來的收益。本文只考慮直接收益中節(jié)省電度電費(fèi)和基本電費(fèi)帶來的收益。

其中基本電費(fèi)的計(jì)算方法如式(2)所示，電度電費(fèi)的計(jì)算方法如式(3)所示。

表5 成本參數(shù)表

圖11 為超級電容器和蓄電池實(shí)時(shí)的充放電功率，通過對混合儲能的目標(biāo)功率進(jìn)行濾波，然后作為蓄電池的功率，可以使蓄電池功率較為平滑，一方面能夠彌補(bǔ)蓄電池動態(tài)性能差的特點(diǎn)，另一方面能夠減少蓄電池日循環(huán)次數(shù)，從而延長蓄電池的壽命。

圖11 蓄電池和超級電容器功率對比(超級電容器：容量150 kW·h、功率5 MW；蓄電池：容量1 900 kW·h、功率4 MW)

超級電容器與蓄電池的荷電狀態(tài)如圖12 所示，為了盡可能地延長蓄電池壽命來提高儲能系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，將蓄電池的SoC 波動范圍設(shè)定在0.4～0.8 之間，蓄電池在這個(gè)范圍內(nèi)工作，有效地契合了“淺沖淺放”的原則。由于超級電容器屬于功率型儲能元件，能量成本相對較高，為了盡可能地釋放其設(shè)定容量，因此將SoC 波動范圍設(shè)定在0.15～0.95 之間。根據(jù)圖中顯示的結(jié)果表明，兩種儲能元件的SoC、功率都在約束的范圍之內(nèi)。

圖12 蓄電池和超級電容器SoC 對比(超級電容器：容量150 kW·h、功率5 MW；蓄電池：容量1 900 kW·h、功率4 MW)

通過文獻(xiàn)[20]對蓄電池壽命評估的方法，可以大概推算出蓄電池最大的循環(huán)壽命為7.5 年。將儲能系統(tǒng)的全壽命周期設(shè)定為15 年，由于超級電容器的壽命很長，所以可以假設(shè)超級電容器可以工作15年，即在全壽命周期內(nèi)不用更換。蓄電池由于最大循環(huán)壽命的限制，因此需要在全壽命周期內(nèi)更換一次。

考慮到南梁、新城川、府谷牽引變電所兩臂的負(fù)荷特性，RPC 最大功率設(shè)定為8 MW。經(jīng)過計(jì)算南梁變電所接入RPC 之后，每天回收的再生電量為5 141.9 kW·h；府谷牽引變電所接入RPC 之后，每天回收的再生電量為9 427.6 kW·h。

系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性受到蓄電池功率、容量和超級電容器功率、容量4 個(gè)變量的影響，為了探究不同變量對系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性的影響，分別將4 個(gè)變量中的2個(gè)設(shè)為定值，另外2 個(gè)設(shè)為變化量。根據(jù)表5 中的成本參數(shù)，進(jìn)而得到了如圖13、14 所示的經(jīng)濟(jì)性曲線。

圖13 蓄電池、超級電容器容量對經(jīng)濟(jì)性的影響(蓄電池功率為：4 MW；超級電容器功率為：5 MW)

在超級電容器和蓄電池功率設(shè)置為定值的條件下，蓄電池和超級電容器容量對經(jīng)濟(jì)性的影響如圖13b 所示。當(dāng)超級電容器的容量為300 kW·h、蓄電池的容量為2 000 kW·h 時(shí)，牽引變電所三相側(cè)回收的再生制動電量為19 732.57 kW·h，此時(shí)再生制動能量系統(tǒng)在全壽命周期內(nèi)產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益最大，最大值為6 299.76 萬元，其成本為2 921 萬元。如圖13a 所示，超級電容器屬于功率型器件，其容量成本相對較高，超級電容器容量的變化對系統(tǒng)成本影響相對蓄電池來說較為明顯。在蓄電池容量不變的情況下，整套系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性隨著超級電容器的容量先增大，在容量增大到一定程度之后，容量的提高并不能使整套系統(tǒng)回收再生制動能量的水平急劇提高，這時(shí)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性會隨著超級電容器容量的提高而降低。

圖14 蓄電池功率和超級電容器容量對經(jīng)濟(jì)性的影響(蓄電池容量為：1 600 kW·h；超級電容器功率為：5 MW)

如圖14a 所示，由于蓄電池為能量型儲能元件，其功率成本相對較大，使得整套系統(tǒng)的成本隨著蓄電池功率的升高而急劇增大。在超級電容器功率和蓄電池容量設(shè)置為定值的條件下，圖14b 體現(xiàn)了蓄電池功率和超級電容器容量對經(jīng)濟(jì)性的影響，當(dāng)超級電容器容量保持不變時(shí)，隨著蓄電池功率的增加，系統(tǒng)回收再生制動能量的水平會提高，當(dāng)蓄電池功率增大到一定程度時(shí)，系統(tǒng)會因?yàn)樾铍姵氐墓β食杀具^高而降低系統(tǒng)的收益，因此在蓄電池功率超過某一范圍時(shí)，系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性反而會隨著蓄電池功率的增大而降低。根據(jù)圖中顯示，當(dāng)蓄電池功率為3.2 MW，超級電容器容量為210 kW·h 時(shí)，系統(tǒng)可獲得最大收益，最大收益為5 536 萬元，其成本為3 149.3 萬元。

由于混合儲能中的儲能介質(zhì)具有不同的特性，使得合理配置各個(gè)儲能介質(zhì)的容量、功率變得十分重要。蓄電池和超級電容器存在性能上的互補(bǔ)，所以在配置儲能介質(zhì)之間比例的同時(shí)，會存在經(jīng)濟(jì)性上的最優(yōu)值。因此，根據(jù)經(jīng)濟(jì)性最大的原則來配置儲能介質(zhì)的比例能夠更好地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。

6 結(jié)論

根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)的分析結(jié)果，驗(yàn)證了所提出能量管理策略的有效性，以及再生制動能量利用方案具有很好的經(jīng)濟(jì)性，并得出如下結(jié)論。

(1) 本文根據(jù)神朔鐵路的線路情況，提出了在三座牽引變電所設(shè)置再生制動能量利用系統(tǒng)的方案，并采用蓄電池和超級電容器組成的混合儲能系統(tǒng)回收再生制動能量。根據(jù)實(shí)測數(shù)據(jù)的分析結(jié)果表明，提出的能量管理策略能夠讓蓄電池和超級電容器在設(shè)定的功率、SoC 范圍內(nèi)工作。

(2) 通過對所提方案的經(jīng)濟(jì)性分析，可以得到全壽命周期下的收益。結(jié)果表明，在合理配置蓄電池和超級電容器容量、功率情況下，所提出的再生制動能量儲存方案可以有效地提高再生制動能量利用率，并且能夠在全壽命周期內(nèi)取得收益。