交流電氣化鐵路相鄰變電所間再生制動能量復合利用技術

呂順凱

（株洲中車時代電氣股份有限公司供電系統(tǒng)事業(yè)部，湖南 株洲 412001）

0 引言

截至2021年底，全國鐵路營業(yè)里程達到15萬km，電氣化率73.3%，總耗電量超800億kW·h［1］。《鐵路“十三五”發(fā)展規(guī)劃》提出“采取鐵路綜合節(jié)能與效能管理措施，發(fā)展先進適用的節(jié)能減排技術，加強再生制動能量利用技術和能耗綜合管理系統(tǒng)研究，進一步降低鐵路能耗水平”［2］。

關于如何高效利用大功率交流傳動電力機車與高速動車組產(chǎn)生的再生制動能量［3］，當前研究主要集中在3個方面：行車優(yōu)化、轉移利用、存儲利用。行車優(yōu)化無須新增設備，但受供電區(qū)間限制，作用范圍有限，且一定程度影響運營管理靈活性，難以普遍應用［4］；與10 kV貫通線等其他轉移利用方案相比，相鄰變電所間轉移利用優(yōu)勢明顯，節(jié)能效果較為顯著，典型示范工程正在運用考核［5-6］；近年來，隨著儲能技術的進步和儲能產(chǎn)業(yè)規(guī)模的快速發(fā)展，存儲利用成本逐年下降，投資回收期大幅縮短，已初步具備在交流電氣化鐵路應用的經(jīng)濟性［7-9］。為進一步提高再生制動能量利用率，基于能量轉移和儲能技術融合，目前已有學者提出10 kV轉移利用+儲能利用方案［10］，但對于相鄰變電所間轉移利用+儲能利用方案未見相關文獻研究。

為此，提出1種交流電氣化鐵路相鄰牽引變電所間再生制動能量復合利用技術，分析系統(tǒng)構成及其工作原理，研究能量管理方案和控制策略，并結合現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)對節(jié)能效果進行仿真驗證。

1 再生制動能量復合利用系統(tǒng)構成及工作原理

1.1 系統(tǒng)構成

再生制動能量復合利用系統(tǒng)主要由變電所采集單元、雙向變流子系統(tǒng)、儲能子系統(tǒng)、控制單元、保護單元等構成（見圖1）。系統(tǒng)采用分布式設計，2個牽引變電所各設置1臺變電所采集單元，分區(qū)所安裝雙向變流子系統(tǒng)、儲能子系統(tǒng)、控制單元、保護單元等主體設備。各項設備的主要功能為：

圖1 再生制動能量復合利用系統(tǒng)構成

（1）變電所采集單元實時檢測2個牽引變電所牽引變壓器高壓和低壓側的電壓與電流信號，計算獲取有功功率等電氣參數(shù)，并通過有線或無線通信專網(wǎng)傳輸至控制單元，用于再生制動能量復合利用控制。

（2）雙向變流子系統(tǒng)主要由高壓開關、變壓器、單相交-直-交四象限變流器機組等構成，交流端口并聯(lián)接入兩側牽引變電所的27.5 kV饋線電源，同時在直流端口接入儲能子系統(tǒng)，兼顧兩側牽引變電所再生制動能量的轉移和存儲利用。

（3）儲能子系統(tǒng)由雙向DC/DC變流器機組和儲能介質等構成，DC/DC變流器控制再生制動能量在儲能介質中的存儲和釋放，儲能介質可選擇高倍率鋰電池、飛輪或超級電容等。

（4）控制單元依據(jù)2個牽引變電所的實時功率和儲能介質的荷電狀態(tài)（State of Charge，SOC）等信息，按照預定控制策略，智能選擇和切換系統(tǒng)工作模式，協(xié)同控制各端口功率潮流，最大化利用再生制動能量。

（5）保護單元實時監(jiān)測系統(tǒng)各子部件的運行狀態(tài)，采用設備健康管理技術和多級保護機制，實現(xiàn)全方位故障導向安全，確保再生制動能量復合利用系統(tǒng)和既有牽引供電系統(tǒng)運行安全。

1.2 工作原理

接入再生制動能量復合利用系統(tǒng)后，包含既有牽引供電系統(tǒng)在內的功率潮流見圖2，其中PL和PR分別為1#和2#牽引變電所供電區(qū)間內全部機車負荷有功功率之和，以從牽引供電系統(tǒng)取能為功率正方向；P1和P2分別為1#和2#牽引變電所的總有功功率，以從電網(wǎng)取能為功率正方向；P3和P4分別為雙向變流子系統(tǒng)左側和右側輸出有功功率，以向牽引供電系統(tǒng)輸出為功率正方向；P5為儲能子系統(tǒng)充放電功率，以放電為功率正方向。

圖2 再生制動能量復合利用系統(tǒng)功率潮流

暫不考慮功率傳輸損耗，按照供需平衡原則可知，圖2中各處功率間的關系為：

以1#牽引變電所為例（2#牽引變電所同理）分析復合利用工作原理，具體如下：

（1）當1#牽引變電所負荷總功率PL為正值時，再生制動能量復合利用系統(tǒng)實時轉移來自2#牽引變電所同時刻的再生電能，且/或由儲能介質釋放前期存儲的再生電能，向1#牽引變電所輸出正值功率P3，1#牽引變電所由電網(wǎng)獲取的總有功功率P1相應減少，減少電表計量的正向電量。

（2）當1#牽引變電所負荷總功率PL為負值時，再生制動能量復合利用系統(tǒng)向2#牽引變電所實時轉移該所同時刻牽引所需能量，且/或由儲能介質吸收再生電

通過表1分析可知，各種工作模式的特點分別為： 能，從1#牽引變電所輸入負值功率P3，1#牽引變電所向電網(wǎng)回饋的總有功功率P1相應減少，實現(xiàn)再生制動能量實時轉移利用和/或存儲待利用。

2 能量管理方案

2.1 能量管理策略

為有效提升再生制動能量在牽引供電系統(tǒng)內部的直接利用率和總體利用率，設計優(yōu)先級排序的動態(tài)能量管理策略。根據(jù)各牽引變電所牽引負荷功率需求與再生制動能量回饋情況，計及儲能介質SOC，對再生制動能量復合利用系統(tǒng)2個交流和1個直流端口的功率潮流進行實時協(xié)同控制。考慮利用優(yōu)先級的能量管理策略說明如下：

（1）將單個牽引變電所供電范圍內全部負荷的有功功率進行代數(shù)和歸一化處理，確保再生制動能量首先在本所內部利用。即當且僅當牽引變電所高壓進線計量側測得的三相總有功功率之和小于0時，才認為該所存在可對外利用的再生制動能量，方可進行所間轉移或存儲。

（2）牽引變電所可對外利用的再生制動能量優(yōu)先通過雙向變流子系統(tǒng)，實時轉移至相鄰變電所，被牽引負荷消納。所間轉移有功功率既不大于該所的再生功率，也不大于相鄰變電所的牽引所需功率。

（3）將相鄰牽引變電所間轉移利用后剩余的再生制動能量同步存入儲能子系統(tǒng)，待牽引利用。

（4）如果再生制動能量還有盈余，盈余能量經(jīng)牽引變壓器回饋公共電網(wǎng)。

2.2 系統(tǒng)工作模式

為實現(xiàn)再生制動能量高效復合利用，控制單元需準確識別系統(tǒng)運行模式并實現(xiàn)不同模式間的快速轉換。暫不考慮各子系統(tǒng)額定功率及儲能介質容量等約束，依據(jù)1#牽引變電所的總有功功率P1、2#牽引變電所的總有功功率P2、儲能介質實時SOC、SOC上限SOCmax、SOC下限SOCmin等判據(jù)和約束條件，劃分了23種工況。再生制動能量復合利用系統(tǒng)運行模式對應劃分為4種：待機模式；轉移工作模式；儲能工作模式；轉移+儲能工作模式。將4種運行模式與對應各種工況條件及各端口相應功率潮流控制進行整理見表1。（1）待機模式下，雙向變流子系統(tǒng)與儲能子系統(tǒng)均空閑，再生制動能量復合利用系統(tǒng)與2個變電所之間無能量流動。

表1 系統(tǒng)運行模式識別與功率潮流控制

（2）轉移工作模式下，雙向變流子系統(tǒng)工作，儲能子系統(tǒng)空閑，再生制動能量復合利用系統(tǒng)將某變電所的再生制動能量轉移至相鄰變電所實時利用。

（3）儲能工作模式下，雙向變流子系統(tǒng)單側或雙側同時工作，儲能子系統(tǒng)工作，再生制動能量復合利用系統(tǒng)依據(jù)1#和2#牽引變電所的負荷情況，存儲或釋放再生制動能量。

（4）轉移+儲能工作模式下，雙向變流子系統(tǒng)與儲能子系統(tǒng)均工作，再生制動能量復合利用系統(tǒng)將某牽引變電所的再生制動能量轉移至相鄰牽引變電所實時利用，同步存儲或釋放再生制動能量。

2.3 典型工況分析

選取系統(tǒng)4種運行模式下各1例典型工況進行分析，相應功率潮流見圖3。

圖3 系統(tǒng)4種運行模式下的典型工況潮流

（1）工況4條件下，1#和2#牽引變電所均處于牽引用電狀態(tài)，儲能介質SOC低于下限值。系統(tǒng)處于待機模式，1#和2#牽引變電所的牽引用電全部由電網(wǎng)提供。

（2）工況8條件下，1#牽引變電所處于再生回饋狀態(tài)，2#牽引變電所處于牽引用電狀態(tài)，1#牽引變電所再生功率小于2#牽引變電所牽引功率，儲能介質SOC低于下限值。系統(tǒng)處于轉移工作模式，將再生制動能量由1#牽引變電所向2#牽引變電所轉移利用。

（3）工況16條件下，1#和2#牽引變電所均處于再生回饋狀態(tài)，儲能介質SOC低于上限值。系統(tǒng)處于儲能工作模式，將1#和2#牽引變電所的再生制動能量存儲回收利用。

（4）工況20條件下，1#牽引變電所處于再生回饋狀態(tài)，2#牽引變電所處于牽引用電狀態(tài)，1#牽引變電所再生功率大于2#牽引變電所牽引功率，儲能介質SOC小于上限值。系統(tǒng)處于轉移+儲能工作模式，將再生制動能量由1#牽引變電所向2#牽引變電所轉移利用，同時將1#牽引變電所剩余再生制動能量同步存儲回收利用。

3 控制策略

考慮到再生制動能量復合利用系統(tǒng)需多端口協(xié)同工作，且功率潮流復雜多變，提出主從控制架構和分層控制策略（見圖4）。其中，主控單元屬于系統(tǒng)級控制層，檢測1#牽引變電所采集單元、2#牽引變電所采集單元和儲能介質SOC等內外部信息，經(jīng)邏輯處理后下發(fā)功率指令至各從控單元；從控單元屬于變流器級控制層，包括雙向變流子系統(tǒng)從控單元和儲能子系統(tǒng)從控單元2部分，分別控制交-直-交變流器和儲能變流器；主從控制單元之間協(xié)同工作，確保復合利用控制策略正確執(zhí)行。

圖4 再生制動能量復合利用系統(tǒng)主從架構及分層控制策略

3.1 系統(tǒng)級控制策略

系統(tǒng)級控制層包括功率及狀態(tài)檢測、子系統(tǒng)額定參數(shù)設定和子系統(tǒng)參考功率輸出3部分，功率及狀態(tài)檢測、子系統(tǒng)額定參數(shù)設定為輸入量，子系統(tǒng)參考功率輸出為輸出量。系統(tǒng)級控制策略見圖5，其中P3OV和P3SV分別為雙向變流子系統(tǒng)左側交流端口功率參考值和限定值，P4OV和P4SV分別為雙向變流子系統(tǒng)右側交流端口功率參考值和限定值，P5OV和P5SV分別為儲能子系統(tǒng)直流端口功率參考值和限定值。投入前，依據(jù)子系統(tǒng)額定參數(shù)預先設置各端口功率輸出限定值及儲能子系統(tǒng)的SOCmax和SOCmin；投入后，主控單元實時檢測1#和2#牽引變電所的功率及儲能介質SOC等信息，選擇再生制動能量復合利用系統(tǒng)工作模式，并根據(jù)表1中的功率潮流控制計算得出各端口功率輸出初始值，再與各端口限定值進行比較，取較小值，各端口輸出參考值均需滿足小于等于限定值的條件約束。

圖5 系統(tǒng)級控制策略

3.2 變流器級控制策略

3.2.1 雙向變流子系統(tǒng)控制策略

雙向變流子系統(tǒng)通過直流母線與儲能子系統(tǒng)變流器連接，為保證各種工作模式下多端口功率控制的穩(wěn)定性，需通過雙向變流子系統(tǒng)兩側變流器的協(xié)同控制，共同保證直流母線電壓穩(wěn)定。交-直-交變流器控制策略見圖6，其中UL和UR分別為左側和右側交流端口電壓有效值；IL和IR分別為左側和右側交流端口輸出電流有效值；Udc為直流母線電壓。通過鎖相環(huán)（Phase Locked Loop，PLL）與電量計算，雙向變流子系統(tǒng)從控單元獲取交流端口控制量的正交分量，再經(jīng)Park坐標變換轉換為dq坐標分量，經(jīng)電壓電流雙環(huán)控制處理后，進行Park反變換，輸出PWM脈沖至交-直-交變流器。

圖6 交-直-交變流器控制策略

3.2.2 儲能子系統(tǒng)控制策略

由于直流母線電壓已由雙向變流子系統(tǒng)變流器控制，因此儲能子系統(tǒng)變流器采用功率外環(huán)電流內環(huán)控制策略。儲能變流器控制策略見圖7，其中UES和IES分別為儲能介質的電壓和電流。儲能子系統(tǒng)從控單元接收主控單元發(fā)送的功率參考值P5OV，根據(jù)UES計算得到對應的充放電電流參考值，并控制IES跟蹤指令參考值，實現(xiàn)儲能變流器充放電控制。

圖7 儲能變流器控制策略

電氣化鐵路再生制動能量大，峰值功率高，波動性強。工程應用時應對需存儲利用的再生電能功率幅值和持續(xù)時長進行詳細統(tǒng)計分析，全面掌握再生制動能量的特性，并以全生命周期凈收益最大化為目標進行測算分析，選取存儲介質類型、最優(yōu)功率和容量［11-13］。當單一類型的儲能介質不滿足其應用需求時，可采用能量密度和功率密度特性互補的多種儲能介質構成混合儲能介質。電池+超級電容即為其中1種常用組合，能夠發(fā)揮電池能量密度高及超級電容功率密度高、響應速度快、循環(huán)壽命長的優(yōu)勢，有效提高儲能裝置的經(jīng)濟性。

采用協(xié)調控制策略進行電池與超級電容間的有功功率分配，電池跟蹤長時慢變分量，超級電容平抑短時快變分量［14-15］?；旌蟽δ芙橘|功率協(xié)調控制流程見圖8，首先通過低通濾波提取P5OV的低頻分量和高頻分量，分配電池與超級電容的初始功率值；然后基于電池充放電狀態(tài)調整濾波時間常數(shù)，發(fā)揮互補優(yōu)勢，優(yōu)化整體調節(jié)能力；再根據(jù)過充過放保護分析結果，調整功率分配值；接著判別各介質分配的功率是否越限，若電池或超級電容存在越限，則由另外1種介質在允許范圍內協(xié)同分擔，最終確定電池功率參考值PBT和超級電容功率參考值PSC。

圖8 混合儲能介質功率協(xié)調控制流程

4 仿真分析

4.1 仿真條件

為驗證再生制動能量復合利用系統(tǒng)能量管理及控制策略的有效性和正確性，按照圖1所示系統(tǒng)拓撲結構搭建仿真模型，以在某線路相鄰兩牽引變電所實測的24 h功率數(shù)據(jù)為依據(jù)進行仿真分析，其牽引供電系統(tǒng)、雙向變流器子系統(tǒng)、儲能子系統(tǒng)的仿真參數(shù)見表2。

表2 系統(tǒng)仿真參數(shù)

4.2 仿真結果

基于24 h實測數(shù)據(jù)的復合利用仿真結果見圖9、圖10。由圖9可見，與復合利用前相比，1#和2#牽引變電所的再生功率幅值及時間分布均較大幅度減小，牽引功率一定程度降低，再生制動能量得到有效利用。由圖10可見，依據(jù)2個牽引變電所的工況，雙向變流子系統(tǒng)和儲能子系統(tǒng)均在額定限值范圍內，動態(tài)調控各端口功率潮流，且按照儲能介質實時SOC及其上下限約束，實現(xiàn)雙向變流子系統(tǒng)左右兩側交流端口和儲能子系統(tǒng)直流端口間功率的協(xié)同控制，與預定控制策略相符。

圖9 利用前后2個牽引變電所日有功功率趨勢對比

圖10 相關子系統(tǒng)日有功功率趨勢及儲能介質日SOC趨勢

復合利用前后2個牽引變電所的正向電量、反向電量及儲能子系統(tǒng)的存儲電量等數(shù)據(jù)測算對比分析見表3。包括2個牽引變電所反向電量減少量21 671 kW·h和儲能子系統(tǒng)電能減少量117 kW·h，再生制動能量復合利用系統(tǒng)共計利用再生電能21 788 kW·h。扣除能量轉換損耗后，2個牽引變電所共計減少牽引用電20 699 kW·h。

表3 復合利用前后對比分析 kW·h

4.2.1 節(jié)能率分析

將2個牽引變電所作為1個整體，依據(jù)其正向電量變化及GB/T 13234—2018《用能單位節(jié)能量計算方法》［16］，分析得出由再生制動能量復合利用系統(tǒng)實現(xiàn)的總體節(jié)能率ε為：

式中：ES為復合利用后2個牽引變電所正向電量合計減少值，取值20 699 kW·h；EB為復合利用前2個牽引變電所正向電量合計值，取值444 530 kW·h。同理，參照式（5）可計算出1#和2#牽引變電所的節(jié)能率分別為4.25%和5.06%。

4.2.2 利用率分析

將2個牽引變電所作為1個整體，依據(jù)其反向電量變化，分析得出再生制動能量總體利用率η為：式中：E1為復合利用后2個牽引變電所反向電量合計減少值，取值21 671 kW·h；E2為復合利用前2個牽引變電所反向電量合計值，取值30 552 kW·h。同理，參照式（6）可計算出1#和2#牽引變電所的再生制動能量利用率分別為69.53%和73.09%。

更進一步分析不同利用方式對利用率的影響。將2個牽引變電所反向電量合計減少量21 671 kW·h按照轉移和存儲利用分類，測算得出通過轉移方式利用16 162 kW·h、占比74.58%，通過存儲方式利用5 509 kW·h、占比25.42%。因此，若僅采用變電所所間轉移利用，利用率為52.90%；采用復合利用方式時，利用率為70.93%，較轉移利用方式提升18.03%，增幅較為顯著。

5 結論

提高交流電氣化鐵路再生電能綜合利用率、降低牽引供電能源消耗，是實現(xiàn)鐵路節(jié)能節(jié)支和綠色發(fā)展的重要舉措。研究1種交流電氣化鐵路相鄰變電所間再生制動能量復合利用系統(tǒng)，提出利用優(yōu)先排序的能量管理與控制策略，并通過現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)對節(jié)能效果進行仿真分析，得出如下結論：

（1）制定的能量管理與控制策略能夠根據(jù)牽引變電所及儲能子系統(tǒng)狀態(tài)，準確完成各種運行模式的選擇與切換，并按照預定優(yōu)先級有效協(xié)同控制再生制動能量在牽引變電所間轉移利用和存儲利用。

（2）在相鄰牽引變電所間轉移利用基礎上，系統(tǒng)增設可被兩側牽引變電所共享的存儲利用，能夠進一步提高再生制動能量利用率，降低2個牽引變電所正向牽引用電量。

交流電氣化鐵路再生制動能量復合利用技術能夠較好地實現(xiàn)能量的轉移和存儲，而其保護方案設計及各子系統(tǒng)的最優(yōu)化配置等問題將是下一步的研究方向。