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近年來，我國電氣化鐵路運(yùn)營里程快速增長，導(dǎo)致其能耗問題日益嚴(yán)峻。根據(jù)國家鐵路局最新統(tǒng)計，2019年全國18個鐵路局總耗電量高達(dá)755.84億kW·h，較2018年耗電量（711億kW·h）同比增長6.3%。

同時，我國電氣化鐵路網(wǎng)絡(luò)化程度高，在多條電氣化鐵路線路交匯的樞紐地區(qū)（如上海、北京等）形成了“一所多饋線多供電區(qū)間”的樞紐型牽引變電所（簡稱樞紐所）。相較于普通牽引變電所，樞紐所的供電線路更多、行車密度更大，從而導(dǎo)致其能耗更高。因此，如何有效降低樞紐所的能耗是電氣化鐵路快速發(fā)展過程中亟待解決的問題。

新型動車組/電力機(jī)車在制動過程中優(yōu)先采用再生制動方式并產(chǎn)生了大量的再生制動能量。受線路條件、行車組織等影響，鐵路樞紐發(fā)出、到站的動車組數(shù)量多，動車組頻繁減速制動使樞紐所再生制動能量十分豐富。通常，再生制動能量被同臂牽引動車組和牽引供電設(shè)備消耗后，仍有約50%的再生制動能量經(jīng)牽引變壓器返送至外部電網(wǎng)。

大量再生制動能量返送電網(wǎng)存在如下問題：①能效低，經(jīng)濟(jì)性差，返送的再生制動能量按照反向不計或反向正計（算作消耗的電能）的方式進(jìn)行計費(fèi)，給鐵路部門造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失；②加劇電能質(zhì)量問題，返送的再生制動能量三相不對稱，會對電網(wǎng)電能質(zhì)量造成一定影響（網(wǎng)壓波動、諧波、負(fù)序等）。

目前已有的再生制動能量利用技術(shù)主要包含以下三種：①直接利用；②回饋利用；③儲能利用。

直接利用通過優(yōu)化列車組織運(yùn)行，使再生制動能量優(yōu)先被同一供電臂上處于牽引工況的動車組使用。但該技術(shù)會導(dǎo)致行車安排靈活性較差，加之在交流電氣化鐵路中單一牽引供電臂長度較短（一般為20km），因此，其再生制動能量利用率較低。

近年來，儲能利用技術(shù)在直流供電制式的城軌交通供電系統(tǒng)中得到了大力發(fā)展。該技術(shù)通過儲能設(shè)備存儲或釋放再生制動能量，實(shí)現(xiàn)再生制動能量回收利用同時抑制牽引網(wǎng)電壓波動，在實(shí)際應(yīng)用中表現(xiàn)出了優(yōu)異的性能。

但由于供電制式的差異，應(yīng)用于城軌交通供電系統(tǒng)的儲能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與控制策略并不適用于采用交流供電制式的電氣化鐵路。為此，基于鐵路功率調(diào)節(jié)器（Railway Power Conditioner, RPC）的儲能方案被提出。然而，相比于城軌交通系統(tǒng)，電氣化鐵路中單次制動過程的制動功率更大、持續(xù)時間更長、累計再生制動能量更多，對儲能系統(tǒng)的額定功率、額定容量有更大的需求，進(jìn)而導(dǎo)致投資成本更高。

回饋利用型技術(shù)通過回饋裝置將再生制動能量返送至鐵路系統(tǒng)中其他電壓等級的供電網(wǎng)（如地鐵返送至35kV中壓環(huán)網(wǎng)，電氣化鐵路則是返送至鐵路10kV電力系統(tǒng)）或電動汽車充電站。該技術(shù)目前在城軌交通供電系統(tǒng)中應(yīng)用較多，回饋裝置以三相逆變器后接濾波器的結(jié)構(gòu)為主流。

同樣由于供電制式的差異，單一逆變器無法實(shí)現(xiàn)電氣化鐵路再生制動能量回饋利用。為此，有研究者提出采用獨(dú)立站點(diǎn)型回饋方案，但該方案需在牽引變電所的左、右供電臂分別獨(dú)立安裝一套回饋裝置，成本投入較大。

此外，有學(xué)者提出了在RPC的中間直流端口并聯(lián)三相逆變器的方案，該方案在實(shí)現(xiàn)再生制動能量回饋的同時還具備電能質(zhì)量治理功能。然而，回饋利用型技術(shù)應(yīng)用于電氣化鐵路仍面臨以下問題：①再生制動能量的利用率嚴(yán)重依賴于鐵路10kV電力系統(tǒng)的負(fù)荷大小；②再生制動能量沖擊性強(qiáng)、隨機(jī)性大，可能影響鐵路10kV電力系統(tǒng)的供電安全。

綜合來說，以上三種再生制動能量利用技術(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用時需要結(jié)合牽引變電所的負(fù)荷特性進(jìn)行選擇與組合。由于樞紐所附近一般建設(shè)有鐵路10kV配電所，用于給區(qū)間內(nèi)的大型站場和沿線鐵路信號設(shè)備等供電，其負(fù)荷功率通常較大（可達(dá)數(shù)兆瓦）且較為穩(wěn)定，同時其功率峰、谷值在時間上的分布趨勢與牽引供電系統(tǒng)負(fù)荷的時間分布較為一致。

已有研究提出了綜合配備儲能型和回饋型技術(shù)的再生制動能量利用方法，但其僅提及相關(guān)方案，未深入研究系統(tǒng)的全部工況及能量管理方案，也沒有考慮回饋功率與鐵路10kV負(fù)荷不匹配對鐵路10kV電力系統(tǒng)供電安全造成的影響。

為此，針對電氣化鐵路樞紐型牽引變電所再生制動能量利用問題，西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院的研究人員提出樞紐所再生制動能量利用系統(tǒng)能量管理及控制策略。

圖1 樞紐所再生制動能量利用系統(tǒng)

首先，研究再生制動能量利用系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和運(yùn)行原理并制定功率分配策略，在此基礎(chǔ)上劃分系統(tǒng)的四種運(yùn)行模式并分析典型工況的能量流動；然后，研究考慮動態(tài)功率分配的分層控制策略；最后通過仿真驗(yàn)證所提能量管理及控制策略的正確性和有效性。

圖2 再生制動能量利用系統(tǒng)控制原理

科研人員最后得出如下結(jié)論：

1）樞紐型牽引變電所再生制動能量利用系統(tǒng)能量管理及控制策略能夠根據(jù)系統(tǒng)功率特點(diǎn)及設(shè)備狀態(tài)完成四種運(yùn)行模式的控制和切換，且可以根據(jù)負(fù)荷工況及儲能介質(zhì)SOC對系統(tǒng)進(jìn)行動態(tài)功率潮流分配，實(shí)現(xiàn)再生制動能量的合理利用。

2）相比于定功率回饋控制方法，本能量管理及控制策略實(shí)現(xiàn)了回饋功率的動態(tài)分配，避免了回饋過度和回饋不足對鐵路10kV電力系統(tǒng)供電安全造成的影響。

本文主要研究了電氣化鐵路樞紐型牽引變電所再生制動能量利用系統(tǒng)能量管理及控制策略，對于系統(tǒng)中儲能介質(zhì)的容量配置、回饋功率的最優(yōu)化及系統(tǒng)的保護(hù)方案等問題將是下一步的研究方向。

以上研究成果發(fā)表在2021年第3期《電工技術(shù)學(xué)報》，論文標(biāo)題為“樞紐型牽引變電所再生制動能量利用系統(tǒng)能量管理及控制策略”，作者為黃文龍、胡海濤 等。