一種基于儲能系統(tǒng)的混合鐵路功率調(diào)節(jié)器及其控制策略

何棒棒 高志宣 馬 超

一種基于儲能系統(tǒng)的混合鐵路功率調(diào)節(jié)器及其控制策略

何棒棒1高志宣2馬 超3

（1. 東南大學(xué)電氣工程學(xué)院 南京 210096 2. 中國科學(xué)院電工研究所 北京 100190 3. 中國礦業(yè)大學(xué)（北京）機(jī)電與信息工程學(xué)院 北京 100083）

為充分利用交直交型電力機(jī)車產(chǎn)生的再生制動能量，提高V/v牽引供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量，并提高其經(jīng)濟(jì)性，提出一種基于儲能系統(tǒng)的混合鐵路功率調(diào)節(jié)器（ESS-HRPC）。儲能裝置通過雙向DC-DC變換器與鐵路功率調(diào)節(jié)器（RPC）的直流側(cè)相連接，以回收利用多余的再生制動能量。一組晶閘管投切電容器（TSC）和一組晶閘管控制電抗器（TCR）用于輔助RPC提供無功功率，以降低負(fù)序電流補(bǔ)償?shù)某杀?。首先，分析ESS-HRPC的結(jié)構(gòu)組成和工作原理，研究TCR、TSC和RPC的裝置容量配置，推導(dǎo)系統(tǒng)電壓、電流和功率關(guān)系；然后，設(shè)計(jì)ESS-HRPC各部分的給定參考信號和控制策略；最后，通過三種系統(tǒng)工況仿真驗(yàn)證所提ESS-HRPC及其控制策略的可行性和有效性。

再生制動能量 鐵路功率調(diào)節(jié)器 負(fù)序電流補(bǔ)償 儲能系統(tǒng) 電氣化鐵路

0 引言

自20世紀(jì)初鐵路電氣化開始，高能耗和電能質(zhì)量問題就一直困擾著鐵路運(yùn)營企業(yè)[1-3]。近年來，許多研究都致力于實(shí)現(xiàn)電氣化鐵路的節(jié)能降耗和牽引供電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

在我國高速鐵路和重載鐵路系統(tǒng)中，采用四象限脈寬調(diào)制（Pulse Width Modulation, PWM）控制方式的交直交型電力機(jī)車已逐步取代交直型電力機(jī)車成為主要車型[4-6]。由于交直交型電力機(jī)車相對于交直型電力機(jī)車具有牽引功率大、功率因數(shù)高、低次諧波含量低且能再生制動等顯著優(yōu)點(diǎn)[7-8]，無功功率和低次諧波不再成為牽引供電系統(tǒng)的主要問題，而因負(fù)序電流導(dǎo)致的三相電流不平衡問題卻日益嚴(yán)重[9-11]。尤其在V/v牽引供電系統(tǒng)中，即使兩供電臂內(nèi)的列車功率相同，系統(tǒng)仍然存在50%的負(fù)序電流[12]。另外，交直交型電力機(jī)車在重載、長大下坡道或鐵路樞紐站所制動時會產(chǎn)生大量的再生制動能量[13-14]。若這些反饋的電能可以在牽引供電系統(tǒng)內(nèi)部被牽引列車消耗，就能大大降低列車用電成本，提高能源效率。

目前，在許多考慮再生制動能量利用并補(bǔ)償負(fù)序電流的方案中，日本學(xué)者提出的鐵路功率調(diào)節(jié)器（Railway Power Conditioner, RPC）常作為核心設(shè)備。這是由于RPC不但可以平衡兩個供電臂的有功功率，還可向兩個供電臂補(bǔ)償一定的無功功率[15-16]。為實(shí)現(xiàn)上述控制目標(biāo)，RPC多采用電壓電流雙閉環(huán)控制策略[17]，其中電壓外環(huán)通常采用PI控制，而電流內(nèi)環(huán)則可采用滯環(huán)比較跟蹤控制[12]、基于dq坐標(biāo)變換的PI控制[18]、準(zhǔn)諧振控制[19]、直接模糊跟蹤控制[20]等方式。

近年來，為實(shí)現(xiàn)再生制動能量的全利用，提出了兩種解決方案：①針對于單個牽引變電站；②從整個鐵路系統(tǒng)層面進(jìn)行考慮。第①種方案是在RPC的直流側(cè)增加電池、超級電容等儲能裝置，以回收利用剩余的再生制動能量[9, 21-23]。類似地，文獻(xiàn)[24]提出了一種基于分散式儲能模塊化多電平變換器（Modular Multilevel Converter, MMC）結(jié)構(gòu)的RPC。第②種方案中，為共享、調(diào)控和利用整個鐵路系統(tǒng)內(nèi)部的再生制動能量并改善各個牽引變電所的電能質(zhì)量，在任意兩個相鄰的供電臂之間裝設(shè)RPC，并利用中央控制器對所有的RPC進(jìn)行能量管理[25]。類似地，文獻(xiàn)[3]提出了一種基于RPC和儲能裝置的改進(jìn)交流鐵路供電系統(tǒng)，用于再生制動能量管理和電能質(zhì)量改善。但RPC造價(jià)高昂[26-28]，限制了上述方案的推廣和應(yīng)用。

傳統(tǒng)的RPC是由8個絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT）構(gòu)成的單相背靠背AC-DC-AC變換器[1]。近10年來，相繼提出了一些改進(jìn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如兩相三線結(jié)構(gòu)[29]，半橋結(jié)構(gòu)[30]，四橋臂、三橋臂和兩橋臂的MMC結(jié)構(gòu)[31]等。盡管如此，由于負(fù)序補(bǔ)償?shù)娜萘啃枨筮^大，這些改進(jìn)結(jié)構(gòu)的成本依舊很高。為實(shí)現(xiàn)更低的裝置成本或更大的補(bǔ)償容量，提出了一些與無源補(bǔ)償裝置混合的RPC方案[26-28, 32-34]。由于無源補(bǔ)償裝置的成本遠(yuǎn)小于RPC，因此混合RPC更具經(jīng)濟(jì)性[1, 28]。雖然目前有許多設(shè)計(jì)混合RPC的方法，但是這些研究都沒有被應(yīng)用到基于RPC的再生制動能量利用方案中。

因此，本文提出一種基于儲能系統(tǒng)的混合鐵路功率調(diào)節(jié)器（Hybrid Railway Power Conditioner based on Energy Storage System, ESS-HRPC）及其控制策略。在所提ESS-HRPC中，再生制動能量將優(yōu)先被RPC調(diào)控給牽引列車使用，若仍有剩余則利用儲能系統(tǒng)進(jìn)行回收，以實(shí)現(xiàn)再生制動能量的全利用。在此基礎(chǔ)上，RPC與一組晶閘管投切電容器（Thyristor-Switched Capacitor, TSC）和一組晶閘管控制電抗器（Thyristor-Controlled Reactor, TCR）共同完成對負(fù)序電流的補(bǔ)償，以實(shí)現(xiàn)三相電流平衡，并提高系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性。

1 系統(tǒng)描述與建模

1.1 ESS-HRPC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及工作原理

基于V/v牽引系統(tǒng)的ESS-HRPC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其簡化模型如圖1所示。牽引供電系統(tǒng)有a相和b相兩個供電臂。110kV三相電壓經(jīng)V/v變壓器降壓為兩個27.5kV的單相電壓。ESS-HRPC由兩臺雙繞組降壓變壓器（T1），兩臺三繞組降壓變壓器（T2），一組TSC（TSC1, TSC2,…, TSC），一組TCR（TCR1, TCR2,…, TCR），兩個并聯(lián)的RPC（RPC1和RPC2），一個雙向DC-DC變換器和儲能裝置組成。RPC2用于實(shí)現(xiàn)兩供電臂間的能量交互（包括調(diào)控再生制動能量和平衡兩供電臂的有功功率），并為儲能系統(tǒng)提供直流接口；儲能系統(tǒng)用于存儲和釋放再生制動能量；通過協(xié)調(diào)控制RPC2和儲能系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)再生制動能量的全利用。在此基礎(chǔ)上，TSC和RPC1左側(cè)變流器向a相供電臂提供無功功率，TCR和RPC1右側(cè)變流器向b相供電臂提供無功功率，以補(bǔ)償負(fù)序電流。針對上述目標(biāo)制定的能量管理原則為：

圖1 基于V/v牽引系統(tǒng)的ESS-HRPC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其簡化模型

（1）列車產(chǎn)生的再生制動能量優(yōu)先經(jīng)RPC2調(diào)控給牽引供電系統(tǒng)內(nèi)部的牽引列車使用。

（2）考慮牽引列車的利用后，若仍有剩余的再生制動能量，則存儲到儲能系統(tǒng)中；一旦列車需要從電網(wǎng)取電，儲能裝置中存儲的電能將立即通過雙向DC-DC變換器和RPC2釋放給牽引列車。

（3）在再生制動能量調(diào)控的基礎(chǔ)上，RPC2需要平衡兩供電臂的有功功率，TSC、TCR和RPC1還需同時提供一定的無功功率，以實(shí)現(xiàn)三相電流平衡。

1.2 符號說明

圖1a中，A、B、C分別為三相電流；a、b分別為a相和b相供電臂電壓，且有a=b=27.5kV；a、b分別為a相和b相供電臂電流；aL、bL分別為兩個供電臂內(nèi)的列車負(fù)載電流；Ra、Rb分別為RPC向兩個供電臂提供的補(bǔ)償電流；Ca為TSC向a相供電臂提供的無功電流；Cb為TSC向b相供電臂提供的無功電流；R1a、R1b分別為RPC1左、右側(cè)變流器輸出電流；R2a、R2b分別為RPC2左、右側(cè)變流器輸出電流。

TSC為流過TSC的總電流；TR為雙向晶閘管，為防止產(chǎn)生諧波和電流畸變，TR工作時只相當(dāng)于一個雙向開關(guān)，s表示TR的開關(guān)狀態(tài)且當(dāng)s=1時，TSC被接入，當(dāng)s=0時，TSC被旁路；C為TSC的等效電容，其大小按二進(jìn)制正序排列，即

TCR為流過TCR的總電流；s表示TR的開關(guān)狀態(tài)且當(dāng)s=1時，TCR被接入，當(dāng)s=0時，TCR被旁路；L為TCR的等效電感，其大小按二進(jìn)制逆序排列，即

圖1b中，a、a分別為a相供電臂的總有功和無功功率；b、b分別為b相供電臂的總有功和無功功率；aL、bL分別為兩個供電臂內(nèi)列車的有功功率，由于交直交型電力機(jī)車的功率因數(shù)近似為1[12, 35]，因此本文按照列車功率因數(shù)為1來設(shè)計(jì)ESS-HRPC及其控制策略，對列車本身產(chǎn)生的無功功率的補(bǔ)償思路則在討論部分給出；Ra、Ra分別為RPC向a相供電臂輸出的有功和無功功率；Rb、Rb分別為RPC向b相供電臂輸出的有功和無功功率；ESS為儲能系統(tǒng)的輸出功率；Ca、Cb分別為TSC和TCR輸出的無功功率。

1.3 TSC、TCR和RPC1的裝置容量配置

由于TR只工作于導(dǎo)通和關(guān)斷兩種開關(guān)狀態(tài)，因此TCR和TSC只能有級（不連續(xù)）地向供電臂提供無功功率。實(shí)際上，ESS-HRPC必須能無級（連續(xù)）地補(bǔ)償無功功率以適應(yīng)系統(tǒng)的各種運(yùn)行工況。而RPC1可以實(shí)現(xiàn)無功功率的無級補(bǔ)償，但裝置成本要遠(yuǎn)高于TEC和TCR。因此通過合理配置TSC、TCR和RPC1的裝置容量，既可以滿足系統(tǒng)無功補(bǔ)償?shù)男枰帜鼙ＷC經(jīng)濟(jì)性。

為控制方便，不妨令TSC和TCR接入供電臂后能提供的無功功率大小相等且為Q，則有

式中，為電網(wǎng)角頻率；1為T1的電壓比。

此時，TSC和TCR就可以由一組開關(guān)狀態(tài)1,2,…,s進(jìn)行控制，且有

顯然，當(dāng)1=2=…=s=1時，TSC和TCR向供電臂提供的無功功率最大。由式（1）～式（3）可得，TSC和TCR能補(bǔ)償?shù)淖畲鬅o功功率為

1.4 電壓、電流和功率關(guān)系

以A相電壓為基準(zhǔn)，且設(shè)

根據(jù)V/v牽引變壓器的特性可得其一次和二次電壓、電流關(guān)系為

式中，為V/v變壓器電壓比。

如圖1a所示，根據(jù)基爾霍夫電流定律可得

其中

式中，2為T2的電壓比。

若忽略損耗，圖1b中的功率關(guān)系可表達(dá)為

由于RPC2不吸收也不釋放有功功率，即滿足有功功率平衡，于是可得

根據(jù)V/v牽引系統(tǒng)的負(fù)序電流補(bǔ)償原理，補(bǔ)償后兩供電臂的功率關(guān)系[36-37]應(yīng)滿足

由式（12）～式（14）整理可得

2 控制策略

根據(jù)上述分析和計(jì)算可知：系統(tǒng)控制的關(guān)鍵是由采集得到的列車功率信息和電壓電流信號，確定各部分輸出有功或無功功率的參考值，進(jìn)而通過設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制策略對各變換器或電力電子開關(guān)進(jìn)行控制，使得ESS-HRPC能有效調(diào)控和利用列車的再生制動能量，并補(bǔ)償負(fù)序電流。

2.1 儲能系統(tǒng)的功率控制

儲能系統(tǒng)是儲存還是釋放再生制動能量取決于兩個供電臂內(nèi)列車功率之和的正負(fù)性，而其充放電功率的大小則不但與列車功率之和有關(guān)，還需要考慮儲能系統(tǒng)自身的工作狀態(tài)。即當(dāng)aL+bL≥0時，儲能系統(tǒng)放電，其放電功率的大小應(yīng)取自儲能系統(tǒng)的實(shí)時最大放電功率ESS_omax與兩個供電臂所需電功率之和aL+bL的最小值；當(dāng)aL+bL＜0時，儲能系統(tǒng)應(yīng)充電，其充電功率的大小應(yīng)取自儲能系統(tǒng)的實(shí)時最大充電功率ESS_imax與需要存儲的再生制動功率|aL+bL|的最小值。由上述分析可得

由式（16）可知，儲能系統(tǒng)自身的充電功率限制會影響再生制動能量的實(shí)際回收利用效果。若實(shí)時最大充電功率小于需要存儲的再生制動功率，則會有部分再生制動能量由于無法及時存儲而反饋回電網(wǎng)。因此，若想在系統(tǒng)任何工況下再生制動能量都能被完全吸收，那么儲能裝置的實(shí)時最大充電功率應(yīng)大于需要存儲的最大再生制動功率。通過控制雙向DC-DC變換器，結(jié)合式（16），可實(shí)現(xiàn)對儲能裝置的充放電控制。

2.2 TSC和TCR的控制

通過控制各TR的導(dǎo)通與關(guān)斷，可以控制TSC和TCR向兩個供電臂提供的無功功率。具體步驟為：根據(jù)采集的列車有功功率和式（15），可以計(jì)算得到ESS-HRPC需要向兩個供電臂提供的無功功率大小。由于無功功率由TSC、TCR和RPC1共同提供，因此只要確定TSC和TCR需要提供的部分，就可以得到TSC和TCR中各TR的開關(guān)狀態(tài)s，進(jìn)而控制TSC和TCR。

由式（1）～式（3）和式（12）可得

其中

式中，|Ra|由RPC1左側(cè)變流器提供；|Rb|由RPC1右側(cè)變流器提供；且|Ra|和|Rb|都不應(yīng)超過TSC1或TCR1投入后能提供的無功功率值1，即

根據(jù)式（3）、式（15）、式（17）和式（18），可得開關(guān)狀態(tài)s的計(jì)算公式為

式中，[ ]為向下取整函數(shù)。

于是，TSC和TCR的控制框圖如圖2所示。

圖2 TSC和TCR的控制框圖

2.3 RPC1和RPC2的控制

由2.2節(jié)分析可知，RPC1只發(fā)出無功功率，且其左、右側(cè)變流器的無功功率給定值分別為Ra和Rb。由式（12）和式（15）中的功率關(guān)系，結(jié)合圖1，可整理得到RPC1左、右側(cè)變流器的電流給定值，即

RPC1的控制框圖如圖3所示，為了保證RPC的正常工作，還需要增加對其直流側(cè)電壓的控制。圖中，電壓經(jīng)過鎖相環(huán)（Phase Locked Loop, PLL）環(huán)節(jié)產(chǎn)生電壓同步信號；RPC1的左右兩側(cè)變流器均采用電流滯環(huán)比較跟蹤控制產(chǎn)生脈沖波；Udc1為RPC1的直流側(cè)電壓。

RPC2只傳輸有功功率，且其左、右側(cè)變流器的有功功率給定值分別為Ra和Rb。根據(jù)有功功率平衡原理，RPC2的左側(cè)變流器可以采用定有功功率控制，右側(cè)變流器采用定直流側(cè)電壓控制。由式（12）和式（15）中的功率關(guān)系，可整理得到RPC2左側(cè)變流器的電流給定值為

RPC2同樣采用滯環(huán)比較跟蹤控制方式產(chǎn)生脈沖波，其控制框圖如圖4所示。圖中，dc2為RPC2的直流側(cè)電壓。

圖4 PRC2的控制框圖

3 仿真分析

3.1 仿真條件

為了驗(yàn)證所提ESS-HRPC及其控制策略的可行性和有效性，在Matlab中搭建了圖1所示系統(tǒng)進(jìn)行仿真驗(yàn)證，取=4。同時為展示ESS-HRPC的動態(tài)和穩(wěn)態(tài)特性，在三種系統(tǒng)運(yùn)行工況下進(jìn)行仿真，每種工況下的列車功率見表1。開始時系統(tǒng)運(yùn)行在工況1；在0.6s時切換到工況2；在1.0s時切換到工況3。仿真系統(tǒng)的主要參數(shù)見表2。

表1 各系統(tǒng)工況下的列車功率

Tab.1 The train power under each system condition

表2 仿真系統(tǒng)的主要參數(shù)

Tab.1 Main parameters of the simulation system

3.2 仿真結(jié)果及分析

仿真波形如圖5所示，圖中，grid為整個牽引變電站從公共電網(wǎng)獲取的電功率。

3.2.1 工況1：aL=-6MWbL=3MW

a相供電臂內(nèi)列車制動，b相供電臂內(nèi)列車牽引，且制動功率大于牽引功率。若系統(tǒng)不含ESS- HRPC，將有-6MW的再生制動功率反饋到電網(wǎng)，同時將從電網(wǎng)獲取3MW電功率。而若經(jīng)ESS-HRPC調(diào)控后，3MW的再生制動能量將從a相供電臂調(diào)控給b相供電臂的列車使用，剩余的3MW再生制動功率會經(jīng)RPC2左側(cè)變流器存儲到儲能系統(tǒng)。如圖5a工況1所示，Ra、Rb和ESS的仿真結(jié)果基本與各自的參考值相同，由于調(diào)控后兩供電臂既不向電網(wǎng)反饋電能，也不從電網(wǎng)獲取電能，grid基本為0。故而此時無需進(jìn)行負(fù)序電流補(bǔ)償，即RPC1提供的無功功率基本為0，TSC和TCR的四個開關(guān)狀態(tài)也均為0，如圖5b～圖5d工況1所示。對比圖5d和圖5e工況1可知，經(jīng)ESS-HRPC調(diào)控后三相電流由明顯不平衡變?yōu)榛緸?。在整個過程中，RPC1和RPC2的直流側(cè)電壓基本保持在3.5kV，如圖5f工況1所示。

3.2.2 工況2：aL=4MW，bL=6MW

兩供電臂內(nèi)的列車均處于牽引狀態(tài)，且功率不相同。若系統(tǒng)不含ESS-HRPC，整個牽引系統(tǒng)將從電網(wǎng)獲取10MW電功率。而若經(jīng)ESS-HRPC調(diào)控后，在工況1存儲的3MW的再生制動能量將在儲能系統(tǒng)中釋放，并經(jīng)RPC2傳輸給兩個供電臂，同時保證調(diào)控后兩個供電臂的有功功率相等（均為3.6MW）。如圖5a工況2所示，Ra、Rb和ESS的仿真結(jié)果基本與各自的參考值相同，grid=7.20MW。無功補(bǔ)償方面，TSC和TCR提供了大部分的無功功率，少量的無功功率由RPC1提供，仿真結(jié)果如圖5b和圖5c工況2所示。相應(yīng)地，TSC和TCR的四個開關(guān)狀態(tài)(1,2,3,4)為(0, 0, 0, 1)，如圖5d工況2所示。對比圖5d和圖5e工況2可得，經(jīng)ESS-HRPC調(diào)控后，三相電流由明顯不平衡變?yōu)榛酒胶?。整個過程中，RPC1和RPC2的直流側(cè)電壓經(jīng)過一個短暫的調(diào)整后基本保持在3.5kV，如圖5f工況2所示。

3.2.3 工況3：aL=3MW，bL=9MW

兩供電臂內(nèi)的列車均處于牽引狀態(tài)，且功率不相等。由于列車沒有產(chǎn)生再生制動能量且儲能系統(tǒng)沒有存儲電能，因此只進(jìn)行負(fù)序電流補(bǔ)償。首先RPC2將3MW電能從a相供電臂調(diào)控給b相供電臂，使得調(diào)控后兩供電臂的有功功率均為6MW。如圖5a工況3所示，Ra、Rb和ESS的仿真結(jié)果基本與各自的參考值相同，grid與兩列車牽引功率和基本相等，為12.01MW。然后進(jìn)行無功補(bǔ)償，TSC和TCR提供了大部分的無功功率，少量的無功功率由RPC1提供，仿真結(jié)果如圖5b和圖5c工況3所示。相應(yīng)地，TSC和TCR的四個開關(guān)狀態(tài)(1,2,3,4)為(1, 0, 1, 1)，如圖5d工況3所示。對比圖5d和圖5e工況3可得；經(jīng)ESS-HRPC調(diào)控后三相電流由明顯不平衡變?yōu)榛酒胶?。RPC1和RPC2的直流側(cè)電壓快速調(diào)整后基本保持在3.5kV，如圖5f工況3所示。

根據(jù)上述仿真結(jié)果可知，ESS-HRPC能實(shí)現(xiàn)再生制動能量的有效利用和負(fù)序電流的補(bǔ)償。同時，仿真結(jié)果還表明，ESS-HRPC具有較好的動態(tài)特性，能夠快速地從一種工況切換到另一種工況。

4 討論

4.1 所提方案采用兩個RPC的優(yōu)勢

現(xiàn)有的RPC＋儲能方案[21-22]采用一個RPC和一個儲能裝置實(shí)現(xiàn)列車再生制動能量的回收利用和牽引供電系統(tǒng)負(fù)序電流的補(bǔ)償，而本文所提的ESS- HRPC中設(shè)置了兩個RPC，即RPC1和RPC2。實(shí)際上，本文若采用一個RPC也可以實(shí)現(xiàn)上述功能。但需要指出和說明的是：由于在實(shí)際工程應(yīng)用中，RPC通常采用多重并聯(lián)的模塊化結(jié)構(gòu)，以增強(qiáng)系統(tǒng)集成度[8]，因此這些方案給出的都只是原理性結(jié)構(gòu)。但較之于單個RPC，本文采用兩個RPC進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)的主要優(yōu)勢如下：

（1）減少實(shí)際工程應(yīng)用中三端口變換器的使用。由于“RPC+儲能”這種三端口變換器結(jié)構(gòu)中存在一個直流母線，其母線電壓的波動也較單個RPC的直流側(cè)嚴(yán)重，且系統(tǒng)穩(wěn)定性問題更突出。因此，從工程應(yīng)用時采用模塊化結(jié)構(gòu)的角度來看，現(xiàn)有方案的每個子模塊都需要采用這種三端口結(jié)構(gòu)。而本文所提ESS-HRPC由于降低了有源RPC的容量，因此同容量子模塊的數(shù)目不但較現(xiàn)有方案少，且RPC1的直流側(cè)不需要接入儲能裝置，所以系統(tǒng)中三端口變換器的使用數(shù)量也將明顯低于現(xiàn)有方案。

（2）本文所提ESS-HRPC較現(xiàn)有方案增加了無源補(bǔ)償裝置，因此若仍采用單個RPC來考慮，其控制策略將更為復(fù)雜。而若采用RPC1和RPC2分別補(bǔ)償系統(tǒng)無功功率和控制有功功率，其各自控制參考量的計(jì)算和處理也將較單個RPC簡單，有益于提高系統(tǒng)可靠性。

4.2 所提方案兼顧補(bǔ)償列車無功功率的思路

鑒于交直交型電力機(jī)車的功率因數(shù)較高，因此本文對所提系統(tǒng)進(jìn)行分析、計(jì)算和控制策略設(shè)計(jì)的過程中，只考慮了列車的有功功率，而忽略其產(chǎn)生的無功功率。但實(shí)際上，列車運(yùn)行時總會向接觸網(wǎng)注入一部分無功功率。若考慮采用本文所提系統(tǒng)對這部分無功功率進(jìn)行吸收，只需要在RPC1的控制策略中加入對列車無功功率的補(bǔ)償并適當(dāng)增加RPC1的容量即可實(shí)現(xiàn)。具體思路如下：

不妨設(shè)兩供電臂內(nèi)列車產(chǎn)生的無功功率分別為aL和bL，由于RPC1負(fù)序電流補(bǔ)償需要向兩供電臂提供的無功功率分別為Ra和Rb，因此考慮補(bǔ)償列車無功功率后，RPC1應(yīng)向兩供電臂提供的無功功率分別為Ra-aL和Rb-bL。由于|Ra-aL|≤|Ra|+|aL|≤1+|aL|，|Rb-bL|≤|Rb|+|bL|≤1+|bL|，所以RPC1的裝置容量RPC1需要在21基礎(chǔ)上增加2max{|aL|, |bL|}。

4.3 所提方案的經(jīng)濟(jì)性分析

相較于現(xiàn)有的RPC+儲能方案，本文所提出的ESS-HRPC系統(tǒng)采用TSC和TCR代替一部分RPC的容量用于產(chǎn)生無功功率，以降低整個系統(tǒng)用于負(fù)序電流補(bǔ)償?shù)挠性丛O(shè)備容量。根據(jù)1.3節(jié)分析結(jié)合仿真案例可知：從無功功率補(bǔ)償角度來看，無源補(bǔ)償裝置（TSC、TCR）和RPC的容量占比分別為15/16和1/16。在不考慮裝置裕度、損耗和維護(hù)成本的基礎(chǔ)上，四象限PWM變流器設(shè)備成本約為20萬元/(MV·A)[13]，而無源補(bǔ)償裝置成本僅約為 3.3萬元/Mvar[38]。據(jù)此，與RPC＋儲能方案相比，本方案中用于無功功率補(bǔ)償?shù)某杀究山档图s78.28%，更具經(jīng)濟(jì)性。

5 結(jié)論

針對電氣化鐵路系統(tǒng)中再生制動能量的回收利用和改善電能質(zhì)量的問題，本文研究了基于RPC、儲能系統(tǒng)、TSC和TCR的ESS-HRPC方案及其控制策略，剖析了其能量管理原則和負(fù)序電流補(bǔ)償方法，并通過基于三種系統(tǒng)工況的動態(tài)仿真進(jìn)行了方案驗(yàn)證，得到的結(jié)論如下：

1）通過協(xié)調(diào)控制RPC與儲能系統(tǒng)，ESS-HRPC能實(shí)現(xiàn)再生制動能量在牽引供電系統(tǒng)內(nèi)部被牽引列車充分利用，同時還可以有效補(bǔ)償負(fù)序電流，有利于降低列車用電成本，提高能源效率，并保障牽引供電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2）相比于現(xiàn)有的RPC+儲能方案，本文所提出的ESS-HRPC能更經(jīng)濟(jì)地解決三相電流不平衡等電能質(zhì)量問題，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。

需要指出的是，本文主要研究了利用ESS- HRPC實(shí)現(xiàn)交直交型電力機(jī)車再生制動能量的回收利用和對負(fù)序電流的補(bǔ)償，對于儲能介質(zhì)的選擇和儲能裝置的容量優(yōu)化等問題將在后續(xù)研究中進(jìn)一步考慮。

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A Hybrid Railway Power Conditioner Based on Energy Storage System and Its Control Strategy

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（1. School of Electrical Engineering Southeast University Nanjing 210096 China 2. Institute of Electrical Engineering Chinese Academy of Sciences Beijing 100190 China 3. School of Mechanical Electronic & Information Engineering China University of Mining and Technology Beijing 100083 China）

To fully utilize the regenerative braking energy generated by AC-DC-AC electric locomotives and economically improve the power quality of the V/v traction system, a hybrid railway power conditioner based on energy storage system (ESS-HRPC) is proposed in this paper. The ESS is connected to the DC side of the RPC via a bidirectional DC-DC converter for recycling and utilizing the surplus regenerative braking energy. A set of thyristor-switched capacitors (TSCs) and a set of thyristor-controlled reactors (TCRs) are used to assist the RPC in providing reactive power, so that the cost for the negative sequence current compensation can be reduced. Firstly, the structure and basic principle of the ESS-HRPC are analyzed, the equipment capacity ratio of the TCRs, TSCs and RPC is studied, the capacity of the RPC for reactive power compensation is analyzed, and the relationship of voltage, current and power is derived. Then, the reference signals and control strategy of each component in the ESS-HRPC are designed. Finally, the feasibility and effectiveness of the proposed ESS-HRPC and its control strategy are verified by three system simulations.

Regenerative braking energy, railway power conditioner (RPC), negative sequence current compensation, energy storage system, electrified railway

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.L90037

TM922.3

神華集團(tuán)有限責(zé)任公司科技創(chuàng)新資助項(xiàng)目（CSIE16024877）。

2020-05-27

2021-01-14

何棒棒 男，1994年生，博士研究生，研究方向?yàn)榻恢绷髋潆娤到y(tǒng)穩(wěn)定性評估與提升、牽引供電系統(tǒng)再生制動能量利用及電能質(zhì)量改善。E-mail: he_bangbang@163.com（通信作者）

高志宣 男，1991年生，博士，研究方向?yàn)殡姎饣F路節(jié)能、電能路由器。E-mail: gaozhixuan8577@163.com

（編輯 陳 誠）