- 頭條3種鐵路再生制動能量利用技術各有利弊，西南交大學者提出新方案2021-08-04 作者：黃文龍 胡海濤 等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語西南交通大學電氣工程學院的研究人員黃文龍、胡海濤、陳俊宇、葛銀波、石章海，在2021年第3期《電工技術學報》上撰文，針對電氣化鐵路樞紐型牽引變電所再生制動頻繁、再生能量大且利用率低等問題，結合樞紐型牽引變電所的負荷特性，研究能量回饋與儲能結合的再生制動能量利用系統能量管理及控制策略。 研究結果表明，提出的能量管理及控制策略能有效協調控制再生制動能量按需轉移、回饋、存儲和釋放，可實現樞紐型牽引變電所再生制動能量的高效利用。
近年來，我國電氣化鐵路運營里程快速增長，導致其能耗問題日益嚴峻。根據國家鐵路局最新統計，2019年全國18個鐵路局總耗電量高達755.84億kW·h，較2018年耗電量（711億kW·h）同比增長6.3%。
同時，我國電氣化鐵路網絡化程度高，在多條電氣化鐵路線路交匯的樞紐地區（如上海、北京等）形成了“一所多饋線多供電區間”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展過程中亟待解決的問題。
新型動車組/電力機車在制動過程中優先采用再生制動方式并產生了大量的再生制動能量。受線路條件、行車組織等影響，鐵路樞紐發出、到站的動車組數量多，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備消耗后，仍有約50%的再生制動能量經牽引變壓器返送至外部電網。
大量再生制動能量返送電網存在如下問題：①能效低，經濟性差，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）的方式進行計費，給鐵路部門造成了巨大的經濟損失；②加劇電能質量問題，返送的再生制動能量三相不對稱，會對電網電能質量造成一定影響（網壓波動、諧波、負序等）。
目前已有的再生制動能量利用技術主要包含以下三種：①直接利用；②回饋利用；③儲能利用。
直接利用通過優化列車組織運行，使再生制動能量優先被同一供電臂上處于牽引工況的動車組使用。但該技術會導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，儲能利用技術在直流供電制式的城軌交通供電系統中得到了大力發展。該技術通過儲能設備存儲或釋放再生制動能量，實現再生制動能量回收利用同時抑制牽引網電壓波動，在實際應用中表現出了優異的性能。
但由于供電制式的差異，應用于城軌交通供電系統的儲能系統結構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，基于鐵路功率調節器（Railway Power Conditioner, RPC）的儲能方案被提出。然而，相比于城軌交通系統，電氣化鐵路中單次制動過程的制動功率更大、持續時間更長、累計再生制動能量更多，對儲能系統的額定功率、額定容量有更大的需求，進而導致投資成本更高。
回饋利用型技術通過回饋裝置將再生制動能量返送至鐵路系統中其他電壓等級的供電網（如地鐵返送至35kV中壓環網，電氣化鐵路則是返送至鐵路10kV電力系統）或電動汽車充電站。該技術目前在城軌交通供電系統中應用較多，回饋裝置以三相逆變器后接濾波器的結構為主流。
同樣由于供電制式的差異，單一逆變器無法實現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立站點型回饋方案，但該方案需在牽引變電所的左、右供電臂分別獨立安裝一套回饋裝置，成本投入較大。
此外，有學者提出了在RPC的中間直流端口并聯三相逆變器的方案，該方案在實現再生制動能量回饋的同時還具備電能質量治理功能。然而，回饋利用型技術應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重依賴于鐵路10kV電力系統的負荷大小；②再生制動能量沖擊性強、隨機性大，可能影響鐵路10kV電力系統的供電安全。
綜合來說，以上三種再生制動能量利用技術各有優缺點，在實際應用時需要結合牽引變電所的負荷特性進行選擇與組合。由于樞紐所附近一般建設有鐵路10kV配電所，用于給區間內的大型站場和沿線鐵路信號設備等供電，其負荷功率通常較大（可達數兆瓦）且較為穩定，同時其功率峰、谷值在時間上的分布趨勢與牽引供電系統負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的再生制動能量利用方法，但其僅提及相關方案，未深入研究系統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負荷不匹配對鐵路10kV電力系統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，西南交通大學電氣工程學院的研究人員提出樞紐所再生制動能量利用系統能量管理及控制策略。
圖1 樞紐所再生制動能量利用系統
首先，研究再生制動能量利用系統的拓撲結構和運行原理并制定功率分配策略，在此基礎上劃分系統的四種運行模式并分析典型工況的能量流動；然后，研究考慮動態功率分配的分層控制策略；最后通過仿真驗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控制原理
科研人員最后得出如下結論：
1）樞紐型牽引變電所再生制動能量利用系統能量管理及控制策略能夠根據系統功率特點及設備狀態完成四種運行模式的控制和切換，且可以根據負荷工況及儲能介質SOC對系統進行動態功率潮流分配，實現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現了回饋功率的動態分配，避免了回饋過度和回饋不足對鐵路10kV電力系統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能量管理及控制策略，對于系統中儲能介質的容量配置、回饋功率的最優化及系統的保護方案等問題將是下一步的研究方向。
以上研究成果發表在2021年第3期《電工技術學報》，論文標題為“樞紐型牽引變電所再生制動能量利用系統能量管理及控制策略”，作者為黃文龍、胡海濤 等。
