計(jì)及特征次諧波治理的鐵路網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能系統(tǒng)控制策略

賀彥強(qiáng)，王英，陳小強(qiáng)，陳劍簫

(蘭州交通大學(xué) 自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

0 引言

電氣化鐵路產(chǎn)生的負(fù)序、諧波及無功等問題會(huì)嚴(yán)重影響公共電網(wǎng)的正常運(yùn)行[1-3]。在列車再生制動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的再生制動(dòng)能量，如果這部分能量直接回饋公共電網(wǎng)，不僅使得電氣化鐵路無法對這部分能量進(jìn)行有效利用，不利于鐵路部門節(jié)能運(yùn)行[4-6]，而且會(huì)進(jìn)一步加重對公共電網(wǎng)的負(fù)序及諧波污染問題[7]，因此，研究如何實(shí)現(xiàn)再生制動(dòng)能量的回收利用，降低電氣化鐵路對公共電網(wǎng)的諧波污染有重要意義。

圍繞電氣化鐵路再生制動(dòng)能量回收利用及電能質(zhì)量改善問題，國內(nèi)外專家從優(yōu)化行車組織[8-10]、回饋配電網(wǎng)[11]以及儲(chǔ)能介質(zhì)回收利用等方面進(jìn)行了研究。儲(chǔ)能型方案具有削峰填谷、靈活性高等優(yōu)點(diǎn)，是近年來研究的熱點(diǎn)[12-14]。文獻(xiàn)[15-16]研究了飛輪儲(chǔ)能在再生制動(dòng)能量回收中的應(yīng)用及其控制策略，并對其經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了分析；文獻(xiàn)[17]對城市軌道交通再生制動(dòng)能量的回收利用及利用儲(chǔ)能系統(tǒng)抑制牽引網(wǎng)電壓波動(dòng)的有效性進(jìn)行了研究；文獻(xiàn)[18]提出在鐵路功率調(diào)節(jié)器（railway power conditioner, RPC）的中間直流側(cè)加入儲(chǔ)能系統(tǒng)，在兼顧負(fù)序治理的同時(shí)實(shí)現(xiàn)再生制動(dòng)能量回收利用；文獻(xiàn)[19]提出了基于RPC的超級電容儲(chǔ)能系統(tǒng)分層控制策略，分別對能量管理層及變流器控制層的控制策略進(jìn)行了研究；文獻(xiàn)[20]提出了基于背靠背變流器的混合儲(chǔ)能系統(tǒng)控制策略及電氣化鐵路電能質(zhì)量優(yōu)化方法，并對混合儲(chǔ)能系統(tǒng)容量配置進(jìn)行了研究。綜上，關(guān)于儲(chǔ)能型再生制動(dòng)能量利用方案的研究，多集中在基于RPC的儲(chǔ)能系統(tǒng)拓?fù)?，然而，在RPC中間直流側(cè)加入儲(chǔ)能系統(tǒng)，會(huì)引入新的功率流動(dòng)，影響RPC系統(tǒng)的負(fù)序補(bǔ)償能力，對于在回收再生制動(dòng)能量的同時(shí)，兼顧諧波治理，提高牽引供電系統(tǒng)節(jié)能增效的供電品質(zhì)方面的研究較少，且很少涉及具體的變流器控制策略及諧波抑制方法。

鑒于此，本文提出電氣化鐵路網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能系統(tǒng)拓?fù)湟约坝?jì)及再生制動(dòng)能量回收和諧波治理的電氣化鐵路牽引網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能系統(tǒng)控制策略。首先，建立基于超級電容的電氣化鐵路儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并對其工作模態(tài)進(jìn)行分析；其次，提出在牽引網(wǎng)側(cè)接入儲(chǔ)能系統(tǒng)時(shí)的網(wǎng)側(cè)特征次諧波電流抑制方法，并對再生制動(dòng)能量回收及諧波治理過程進(jìn)行推導(dǎo)；根據(jù)推導(dǎo)結(jié)果，提出計(jì)及牽引網(wǎng)特征次諧波電流抑制的超級電容儲(chǔ)能系統(tǒng)控制策略；最后，通過仿真驗(yàn)證了所提方法和控制策略的有效性。

1 網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作模態(tài)

1.1 電氣化鐵路網(wǎng)側(cè)接入超級電容儲(chǔ)能方案分析

電氣化鐵路超級電容儲(chǔ)能方案如圖1所示，該系統(tǒng)主要由儲(chǔ)能變壓器、變流器單元以及儲(chǔ)能介質(zhì)超級電容（super capacitor, SC）組成。牽引變電所將電網(wǎng)110 kV三相電壓變換為2個(gè)27.5 kV的單相電，經(jīng)牽引網(wǎng)傳輸給列車，驅(qū)動(dòng)列車運(yùn)行；儲(chǔ)能變壓器高壓側(cè)跨接于27.5 kV牽引饋線上，低壓側(cè)與變流器單元經(jīng)濾波電感相連；變流器單元直流側(cè)與超級電容相連，通過控制流過變流器單元的電流，即可實(shí)現(xiàn)供電臂再生制動(dòng)能量的回收利用、功率調(diào)節(jié)及牽引網(wǎng)側(cè)特征次諧波抑制。為簡化分析，本文將儲(chǔ)能系統(tǒng)接入點(diǎn)設(shè)置在牽引變電所出口處。

圖1 牽引供電系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能方案拓?fù)銯ig.1 Topology of energy storage scheme of traction power supply system

圖1中：Pα為供電臂功率；為牽引變電所功率；Pci為第i輛列車運(yùn)行功率，為正表示列車牽引，為負(fù)表示列車再生制動(dòng)；Pstore為儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電時(shí)的基波功率，充電為正，放電為負(fù)；uα為牽引網(wǎng)電壓；us為儲(chǔ)能變壓器低壓側(cè)電壓；is為流過變流器單元交流側(cè)的電流；Udc為變流器單元中間直流電壓。

1.2 工作模態(tài)分析

未加入儲(chǔ)能系統(tǒng)時(shí)，供電臂上主要負(fù)載為列車，以是否有再生制動(dòng)能量回饋到牽引變電所來區(qū)分，可將Pα劃分為2種情況：（1）Pα＜0，該供電臂處于再生制動(dòng)工況；（2）Pα≥0，該供電臂處于非再生制動(dòng)工況。

加入儲(chǔ)能系統(tǒng)后，設(shè)定超級電容有效利用荷電狀態(tài)（state of charge, SOC）范圍為：Socmin≤Soc≤Socmax，其中，Socmax、Socmin為超級電容荷電狀態(tài)的上下限。

為有效回收再生制動(dòng)能量，同時(shí)平抑功率波動(dòng)，實(shí)現(xiàn)諧波治理，根據(jù)供電臂所處工況、儲(chǔ)能系統(tǒng)充放電目標(biāo)基波功率以及超級電容SOC，結(jié)合牽引網(wǎng)側(cè)特征次諧波抑制，將儲(chǔ)能系統(tǒng)劃分為圖2所示的4種工作模態(tài)。

圖2 儲(chǔ)能系統(tǒng)工作模態(tài)分析Fig.2 Working mode analysis of energy storage system

圖2中：Pt_max為儲(chǔ)能系統(tǒng)放電閾值；Pt_min為儲(chǔ)能系統(tǒng)充電閾值；Socave為超級電容荷電狀態(tài)中間閾值。

（1）牽引功率補(bǔ)償模態(tài)。當(dāng)Socmax＞Soc＞Socmin且Pα＞Pt_max時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)具備放電條件，為列車提供一部分牽引功率，減小列車對牽引變電所的功率需求。

（2）有源濾波(儲(chǔ)能系統(tǒng)充電)模態(tài)。當(dāng)Soc≤Socmin或Pt_min＜Pα＜Pt_max時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)涓流充電，提取網(wǎng)側(cè)諧波能量，存儲(chǔ)于超級電容中。

（3）再生制動(dòng)能量回收模態(tài)。當(dāng)Socmax＞Soc＞Socmin且Pα＜0時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)具備充電條件，回收再生制動(dòng)能量。

（4）有源濾波(儲(chǔ)能系統(tǒng)放電)模態(tài)。當(dāng)Soc≥Socmax或Pt_min＜Pα＜Pt_max時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)涓流放電，提取網(wǎng)側(cè)諧波電流，通過變流器單元進(jìn)行有源濾波。

2 牽引網(wǎng)側(cè)特征次諧波抑制方法

牽引網(wǎng)側(cè)特征次諧波電流抑制方法如圖3所示。設(shè)網(wǎng)側(cè)瞬時(shí)電壓uα恒定，可表示為

圖3 牽引網(wǎng)側(cè)特征次諧波電流抑制方法Fig.3 Characteristic harmonic current suppression method on the traction network side

式中：Uα為網(wǎng)側(cè)電壓有效值。

3 儲(chǔ)能系統(tǒng)控制策略

計(jì)及網(wǎng)側(cè)特征次諧波電流治理的超級電容儲(chǔ)能系統(tǒng)運(yùn)行控制策略分為變流器單元控制和工作模式判別控制2部分。

3.1 變流器單元控制策略

變流器單元由四象限變流器VSC、中間支撐電容及雙向DC/DC3部分組成，其控制策略如圖4所示。

（1）VSC參考指令電流計(jì)算及其控制策略。

（2）雙向DC/DC控制策略及參考指令電流計(jì)算。

雙向DC/DC拓?fù)淙鐖D4所示，采用電壓外環(huán)，電流內(nèi)環(huán)的雙閉環(huán)控制策略[26-28]?？紤]諧波治理而不考慮無功補(bǔ)償時(shí)，超級電容充放電功率主要包括有功功率和諧波功率2部分。忽略系統(tǒng)功率傳輸損耗，其總功率守恒，即

式中：Sstore為儲(chǔ)能系統(tǒng)在牽引網(wǎng)側(cè)吸收/釋放的基波視在功率，，若Qstore=0，則有Sstore=Pstore；Pdc為流經(jīng)儲(chǔ)能系統(tǒng)中間直流環(huán)節(jié)功率；Psav為超級電容吸收/釋放的功率；Sch為諧波功率。

諧波畸變功率可用中間直流側(cè)功率變化量表示，用電壓外環(huán)控制進(jìn)行補(bǔ)償，則此時(shí)雙向DC/DC的參考指令電流可表示為

3.2 工作模式判別控制

工作模式判別控制是根據(jù)儲(chǔ)能系統(tǒng)當(dāng)前SOC以及該供電臂上的功率變化情況，控制儲(chǔ)能系統(tǒng)在不同工作模式之間進(jìn)行切換，以滿足不同的工況需求。為防止儲(chǔ)能系統(tǒng)在邊界條件處發(fā)生充放電臨界振蕩現(xiàn)象，在超級電容SOC邊界閾值處加入5%的充放電緩沖區(qū)，基本思路是：當(dāng)儲(chǔ)能系統(tǒng)充滿后，儲(chǔ)能系統(tǒng)將在模態(tài)1和模態(tài)4之間切換，優(yōu)先放電，直到超級電容Soc＜(Socmax– 5%)，才可以進(jìn)行下一次充電操作；當(dāng)儲(chǔ)能系統(tǒng)電量放完后，儲(chǔ)能系統(tǒng)將在模態(tài)2和模態(tài)3之間進(jìn)行切換，優(yōu)先充電，直到超級電容Soc＞(Socmin+5%)，才可以進(jìn)行下一次放電操作。設(shè)定允許充電標(biāo)志位Flag_C=1，允許放電標(biāo)志位Flag_D=1，為“1”表示允許充放電，為“0”表示禁止充放電；表示儲(chǔ)能系統(tǒng)放電進(jìn)行有源濾波，表示儲(chǔ)能系統(tǒng)提取諧波能量，進(jìn)行涓流充電，存儲(chǔ)于超級電容，具體控制策略如圖5所示。

圖5 儲(chǔ)能系統(tǒng)工作模態(tài)判別控制策略Fig.5 Working mode discriminant control strategy of energy storage system

4 測試驗(yàn)證與分析

本文以CRH2型動(dòng)車組作為供電臂上的負(fù)荷及諧波源[7,23]，搭建仿真模型，對所提策略進(jìn)行驗(yàn)證，為定量說明儲(chǔ)能系統(tǒng)工作狀態(tài)，設(shè)定供電臂α在一段時(shí)間內(nèi)的負(fù)荷數(shù)據(jù)如表1所示，仿真模型參數(shù)設(shè)置如表2所示。

表1 供電臂負(fù)荷參數(shù)Table 1 Load parameters of supply arm

表2 仿真參數(shù)設(shè)置Table 2 Simulation parameter settings

（1）算例1。

設(shè)置超級電容SOC初始值為75%，加入儲(chǔ)能系統(tǒng)前后，α供電臂功率、儲(chǔ)能系統(tǒng)功率以及超級電容SOC變化如圖6所示。

圖6 算例1：α供電臂功率、儲(chǔ)能系統(tǒng)功率及超級電容SOC變化曲線Fig.6 Case 1: change curves of supercapacitor SOC and power ofα supply arm and energy storage system

加入儲(chǔ)能系統(tǒng)前后，牽引變電所出口處牽引網(wǎng)電流諧波含量如圖7所示，為方便比較，各次諧波含量統(tǒng)一采用諧波電流幅值表示。

圖7 算例1：牽引網(wǎng)諧波含量對比Fig.7 Case 1: comparison of harmonic content of traction network

從圖6和圖7可知：供電臂處于工況1和工況2時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)工作在功率補(bǔ)償模態(tài)，分別補(bǔ)償0.2 MW、2.7 MW的功率，同時(shí)降低了網(wǎng)側(cè)電流諧波含量；供電臂處于工況3時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)處于再生制動(dòng)能量回收模態(tài)，回收再生制動(dòng)功率3 MW，吸收牽引變電所功率 1 MW，從圖7b)可知，由于第11次諧波未作為特征次諧波處理，所以諧波含量并未降低；供電臂處于工況4時(shí)，由于供電臂上再生制動(dòng)功率大于儲(chǔ)能系統(tǒng)最大充電功率，因此儲(chǔ)能系統(tǒng)只能回收4 MW再生制動(dòng)功率，剩下的2.6 MW返送回公共電網(wǎng)，從圖7 c)可以看出，返送回的再生制動(dòng)能量中，其特征次諧波含量均降低到2 A以下。

（2）算例2。

設(shè)置超級電容SOC初始值95%，表示此時(shí)電已充滿，加入儲(chǔ)能系統(tǒng)前后，α供電臂功率、儲(chǔ)能系統(tǒng)功率及超級電容SOC變化如圖8所示。

圖8 算例2：α供電臂功率、儲(chǔ)能系統(tǒng)功率及超級電容SOC變化曲線Fig.8 Case 2: change curves of supercapacitor SOC and power ofα supply arm and energy storage system

加入儲(chǔ)能系統(tǒng)前后，供電臂處于工況4時(shí)，牽引變電所出口處牽引網(wǎng)電流諧波含量如圖9所示。

圖9 算例2：工況4時(shí)牽引網(wǎng)電流諧波含量Fig.9 Case 2: harmonic content of traction network current under working condition 4

從圖8可知：在供電臂處于工況1和工況2時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)工作在功率補(bǔ)償模態(tài)，分別為供電臂補(bǔ)償0.15 MW、2.7 MW牽引功率，超級電容SOC由94.95%降低到91.20%，未低于90%的緩沖范圍，不允許充電；在2.0～3.9 s時(shí)，供電臂處于再生制動(dòng)工況，儲(chǔ)能系統(tǒng)工作在諧波電流有源補(bǔ)償模態(tài)，不回收再生制動(dòng)能量，僅補(bǔ)償牽引網(wǎng)諧波電流。從圖9可知，工況4時(shí)牽引網(wǎng)電流特征次諧波電流含量均降低到1.5 A以下。

5 結(jié)論

為實(shí)現(xiàn)再生制動(dòng)能量的回收利用及網(wǎng)側(cè)諧波治理，本文提出了一種計(jì)及再生制動(dòng)能量回收和諧波治理的鐵路網(wǎng)側(cè)儲(chǔ)能控制策略，通過預(yù)設(shè)工況測試驗(yàn)證了所提方案及控制策略的可行性和有效性，得出如下結(jié)論。

（1）建立的網(wǎng)側(cè)接入儲(chǔ)能方案及控制策略能夠?qū)崿F(xiàn)再生制動(dòng)能量的存儲(chǔ)與再利用，可有效降低供電臂功率波動(dòng)，提高牽引供電系統(tǒng)的能量利用率；

（2）提出的儲(chǔ)能系統(tǒng)網(wǎng)側(cè)特征次諧波抑制方法，可在回收利用再生制動(dòng)能量的同時(shí)，兼顧網(wǎng)側(cè)特征次諧波治理，能有效降低侵入牽引變電所的特征次諧波含量。儲(chǔ)能系統(tǒng)的容量配置優(yōu)化、經(jīng)濟(jì)性分析等是進(jìn)一步研究的重點(diǎn)。