- 頭條東南大學等單位學者提出一種基于儲能系統的混合鐵路功率調節器2022-05-13 作者：何棒棒、高志宣、馬超 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語為充分利用交直交型電力機車產生的再生制動能量，提高V/v牽引供電系統的電能質量，并提高其經濟性，東南大學電氣工程學院、中國科學院電工研究所、中國礦業大學（北京）機電與信息工程學院的研究人員何棒棒、高志宣、馬超，在2021年第23期《電工技術學報》上撰文，提出一種基于儲能系統的混合鐵路功率調節器（ESS-HRPC）。儲能裝置通過雙向DC-DC變換器與鐵路功率調節器（RPC）的直流側相連接，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，以降低負序電流補償的成本。
自20世紀初鐵路電氣化開始，高能耗和電能質量問題就一直困擾著鐵路運營企業。近年來，許多研究都致力于實現電氣化鐵路的節能降耗和牽引供電系統的安全穩定運行。
在我國高速鐵路和重載鐵路系統中，采用四象限脈寬調制（Pulse Width Modulation, PWM）控制方式的交直交型電力機車已逐步取代交直型電力機車成為主要車型。由于交直交型電力機車相對于交直型電力機車具有牽引功率大、功率因數高、低次諧波含量低且能再生制動等顯著優點，無功功率和低次諧波不再成為牽引供電系統的主要問題，而因負序電流導致的三相電流不平衡問題卻日益嚴重。
尤其在V/v牽引供電系統中，即使兩供電臂內的列車功率相同，系統仍然存在50%的負序電流。另外，交直交型電力機車在重載、長大下坡道或鐵路樞紐站所制動時會產生大量的再生制動能量。若這些反饋的電能可以在牽引供電系統內部被牽引列車消耗，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償負序電流的方案中，日本學者提出的鐵路功率調節器（Railway Power Conditioner, RPC）常作為核心設備。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償一定的無功功率。為實現上述控制目標，RPC多采用電壓電流雙閉環控制策略，其中電壓外環通常采用PI控制，而電流內環則可采用滯環比較跟蹤控制、基于dq坐標變換的PI控制、準諧振控制、直接模糊跟蹤控制等方式。
近年來，為實現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從整個鐵路系統層面進行考慮。
第①種方案是在RPC的直流側增加電池、超級電容等儲能裝置，以回收利用剩余的再生制動能量。類似地，有學者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）結構的RPC。
第②種方案中，為共享、調控和利用整個鐵路系統內部的再生制動能量并改善各個牽引變電所的電能質量，在任意兩個相鄰的供電臂之間裝設RPC，并利用中央控制器對所有的RPC進行能量管理。類似地，有學者提出了一種基于RPC和儲能裝置的改進交流鐵路供電系統，用于再生制動能量管理和電能質量改善。但RPC造價高昂，限制了上述方案的推廣和應用。
傳統的RPC是由8個絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT）構成的單相背靠背AC-DC-AC變換器。近10年來，相繼提出了一些改進的拓撲結構，如兩相三線結構，半橋結構，四橋臂、三橋臂和兩橋臂的MMC結構等。
盡管如此，由于負序補償的容量需求過大，這些改進結構的成本依舊很高。為實現更低的裝置成本或更大的補償容量，提出了一些與無源補償裝置混合的RPC方案。由于無源補償裝置的成本遠小于RPC，因此混合RPC更具經濟性。雖然目前有許多設計混合RPC的方法，但是這些研究都沒有被應用到基于RPC的再生制動能量利用方案中。
因此，東南大學電氣工程學院等單位的科研人員提出一種基于儲能系統的混合鐵路功率調節器（Hybrid Railway Power Conditioner based on Energy Storage System, ESS-HRPC）及其控制策略。
在所提ESS-HRPC中，再生制動能量將優先被RPC調控給牽引列車使用，若仍有剩余則利用儲能系統進行回收，以實現再生制動能量的全利用。在此基礎上，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）共同完成對負序電流的補償，以實現三相電流平衡，并提高系統經濟性。
研究人員得到的結論如下：
1）通過協調控制RPC與儲能系統，ESS-HRPC能實現再生制動能量在牽引供電系統內部被牽引列車充分利用，同時還可以有效補償負序電流，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的安全穩定運行。
2）相比于現有的RPC+儲能方案，本文所提出的ESS-HRPC能更經濟地解決三相電流不平衡等電能質量問題，具有一定的工程應用價值。
另外，他們表示，本課題主要研究了利用ESS- HRPC實現交直交型電力機車再生制動能量的回收利用和對負序電流的補償，對于儲能介質的選擇和儲能裝置的容量優化等問題將在后續研究中進一步考慮。
本文編自2021年第23期《電工技術學報》，論文標題為“一種基于儲能系統的混合鐵路功率調節器及其控制策略”，作者為何棒棒、高志宣 等。
