黃文龍 胡海濤 陳俊宇 葛銀波 石章海

（西南交通大學電氣工程學院 成都 611756）

0 引言

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(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(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（后文簡稱樞紐所）[1]。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(fā)展過程中亟待解決的問題。

新型動車組/電力機車（后文均稱具有再生制動功能的電力機車為動車組）在制動過程中優(yōu)先采用再生制動方式并產生了大量的再生制動能量[2]。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[3]。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[4]。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）[5-6]。

目前已有的再生制動能量利用技術主要包含以下三種[7]：①直接利用；②回饋利用；③儲能利用。其中，直接利用通過優(yōu)化列車組織運行，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[8-9]。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(tǒng)中得到了大力發(fā)展。該技術通過儲能設備存儲或釋放再生制動能量，實現(xiàn)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(xiàn)出了優(yōu)異的性能[10-11]。但由于供電制式的差異，應用于城軌交通供電系統(tǒng)的儲能系統(tǒng)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(jié)器（Railway Power Conditioner, RPC）的儲能方案被提出[12-15]。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(tǒng)中其他電壓等級的供電網（如地鐵返送至 35kV中壓環(huán)網，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[16-17]。該技術目前在城軌交通供電系統(tǒng)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[18-19]。同樣由于供電制式的差異，單一逆變器無法實現(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立站點型回饋方案[20]，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，文獻[3]提出了在RPC的中間直流端口并聯(lián)三相逆變器的方案，該方案在實現(xiàn)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(tǒng)的負荷大?。虎谠偕苿幽芰繘_擊性強、隨機性大，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各有優(yōu)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(qū)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(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[3]，但其僅提及相關方案，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負荷（后文簡稱10kV負荷）不匹配對鐵路10kV電力系統(tǒng)供電安全造成的影響。

為此，本文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。首先，研究再生制動能量利用系統(tǒng)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(tǒng)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(tài)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。

1 再生制動能量利用系統(tǒng)

1.1 系統(tǒng)結構及功能

電氣化鐵路樞紐所再生制動能量利用系統(tǒng)的拓撲如圖1所示，包括背靠背變流器、能饋系統(tǒng)和儲能系統(tǒng)三部分。

圖1 樞紐所再生制動能量利用系統(tǒng)Fig.1 Regenerative braking energy utilization system in hub traction substation

各部分的功能如下：

1）背靠背變流器。連接隔離變壓器與牽引供電臂，可平衡兩供電臂功率，為外接潮流裝置提供穩(wěn)定的直流電壓。

2）能饋系統(tǒng)。三相并網逆變器將直流電逆變?yōu)槿喙ゎl交流電，經升壓變壓器連接鐵路 10kV電力系統(tǒng)能量回饋點向其回饋電能。

3）儲能系統(tǒng)?？汕袚Q充/放電工作模式，用于消納回饋后剩余的再生制動能量或為供電臂負荷提供電能。

以上三部分協(xié)調控制，可以使再生制動能量在儲能系統(tǒng)與牽引供電系統(tǒng)之間雙向流動或根據(jù)10kV負荷的功率需求為其供電。同時，為保證鐵路10kV電力系統(tǒng)對一級負荷供電的可靠性，能量回饋點將只設置于綜合負荷電力貫通線路。

1.2 運行原理

動車組在牽引和再生制動工況下功率因數(shù)近似為1和-1，因此本文僅考慮有功功率[21]。在樞紐所接入再生制動能量利用系統(tǒng)后，整個系統(tǒng)（包括牽引供電系統(tǒng)、再生制動能量利用系統(tǒng)和鐵路10kV電力系統(tǒng)）的功率潮流如圖 2所示。圖中，Pg220為220kV電網功率，PoutL、PoutR分別為左、右供電臂功率，PL、PR分別為左、右供電臂負荷功率，PrpcL、PrpcR分別為背靠背變流器左、右臂補償功率，Pf為能饋系統(tǒng)回饋功率，Psc為儲能系統(tǒng)充/放電功率，Pg10為鐵路10kV電力系統(tǒng)功率，Pload為10kV負荷功率。

圖2 再生制動能量利用系統(tǒng)功率潮流Fig.2 Power flows diagram of regenerative braking energy utilization system

通過分析可知，供電臂負荷與 10kV負荷處的能量供需關系決定了再生制動能量利用系統(tǒng)中功率產生與消納的平衡。若規(guī)定圖2中箭頭方向為功率流動正方向，則供電臂負荷與 10kV負荷處的功率關系為

再生制動能量利用系統(tǒng)在傳統(tǒng) RPC結構的基礎上接入了能饋系統(tǒng)與儲能系統(tǒng)，變流器由原來的兩組增加為四組，使得系統(tǒng)功率流動更加復雜。為保證該拓撲結構下兩供電臂有功功率的平衡，需分別對兩供電臂進行有功補償。設有功平衡后兩供電臂的有功功率Pout為

則得到背靠背變流器左、右臂參考功率分別為

式中，PrpcL_ref為背靠背變流器左臂參考功率；PrpcR_ref為背靠背變流器右臂參考功率。

聯(lián)立式（3）與式（4）可得

為避免再生制動能量在能饋系統(tǒng)工作時對鐵路10kV電力系統(tǒng)造成沖擊，參考回饋功率Pf_ref為

式中，Pre為回饋后剩余的再生制動功率；Pfm為回饋功率閾值，約束了回饋功率上限。

儲能介質荷電狀態(tài)（State of Charge, SOC）滿足充放電要求（不滿足要求則參考功率為0）時，為使儲能系統(tǒng)能夠按需進行充、放電，其參考功率Psc_ref表示為

式中，Psc_max為儲能介質充電功率閾值（Psc_max＞0），約束了儲能系統(tǒng)充電功率上限；Psc_min為儲能介質放電功率閾值（Psc_min＜0），約束了儲能系統(tǒng)放電功率上限。

2 能量管理方案

2.1 功率分配策略

電氣化鐵路樞紐所再生制動功率波動大，定功率回饋易造成系統(tǒng)回饋過度或回饋不足，采用動態(tài)功率分配（即根據(jù) 10kV負荷功率需求與可回饋再生制動能量對系統(tǒng)各部分功率進行分配）可以解決該問題。為提高再生制動能量利用率，設計再生制動能量的分配策略如下：

1）再生制動能量優(yōu)先在牽引供電系統(tǒng)內同臂利用或異臂轉移利用。

2）牽引供電系統(tǒng)內部利用后，剩余再生制動能量進入能饋系統(tǒng)為10kV負荷供電。

3）牽引供電系統(tǒng)和能饋系統(tǒng)利用后，剩余再生制動能量由儲能系統(tǒng)存儲。

4）若進行上述三步后仍有再生制動能量剩余，剩余能量經牽引變壓器返送回220kV電網。

2.2 系統(tǒng)工作模式

為使系統(tǒng)動態(tài)功率分配更加合理，需準確選擇系統(tǒng)運行模式并實現(xiàn)不同模式間的快速切換。若以Ps表示左、右供電臂平衡后的供電臂負荷總功率，則Ps＞0表示供電臂負荷處于牽引工況，Ps＜0表示供電臂負荷處于制動工況。負荷總功率的正負狀態(tài)由兩臂動車組牽引（包含惰行）與制動兩種運行工況的不同組合組成，見表1。為避免贅述，后文分析中將只考慮左臂牽引、右臂制動的情況。

表1 供電臂負荷運行工況Tab.1 Operating conditions of power supply arm loads

通過判定能饋系統(tǒng)與儲能系統(tǒng)的工況（工作或空閑）可以將再生制動能量利用系統(tǒng)運行模式分為四種：①空閑模式；②儲能模式；③能饋模式；④能饋+儲能模式。系統(tǒng)運行時，能量管理邏輯將根據(jù)Ps、儲能介質 SOC、儲能介質 SOC上限 SOCmax、儲能介質 SOC下限 SOCmin以及Pre對系統(tǒng)運行模式進行選擇，當滿足過渡條件時執(zhí)行模式切換。四種運行模式和相應的過渡條件如圖3所示，其中各運行模式的特點為：

圖3 再生制動能量利用系統(tǒng)運行模式Fig.3 Operation modes of regenerative braking energy utilization system

1）空閑模式。該模式下能饋系統(tǒng)與儲能系統(tǒng)均空閑，牽引供電系統(tǒng)與鐵路 10kV電力系統(tǒng)之間無能量聯(lián)系。

2）儲能模式。該模式下能饋系統(tǒng)空閑，儲能系統(tǒng)存儲或釋放再生制動能量。

3）能饋模式。該模式下儲能系統(tǒng)空閑，能饋系統(tǒng)將再生制動能量回饋至鐵路 10kV電力系統(tǒng)供10kV負荷使用。

4）能饋+儲能模式。該模式下能饋系統(tǒng)與儲能系統(tǒng)均工作，能饋系統(tǒng)將再生制動能量回饋至鐵路10kV電力系統(tǒng)，同時儲能系統(tǒng)進行再生制動能量的存儲或釋放。

2.3 典型工況分析

確定系統(tǒng)運行模式后，能量管理邏輯將根據(jù)每種模式下Ps、Pload、Pre、Pfm、Psc_max及Psc_min之間的功率關系劃分系統(tǒng)的 12種運行工況并進行功率分配，各工況對應的參考功率詳見表 2。表中，Pg220_ref為220kV電網參考功率，Pg10_ref為鐵路10kV電力系統(tǒng)參考功率。為充分體現(xiàn)系統(tǒng)每種運行模式的工作特點，選擇各模式下的典型工況進行能量分析，相應功率潮流如圖4所示。

表2 12種運行工況參考功率Tab.2 Reference power of 12 operating conditions

圖4 典型工況功率潮流Fig.4 Power flows in typical operating conditions

1）工況2。系統(tǒng)處于空閑模式，儲能系統(tǒng)和能饋系統(tǒng)均空閑，牽引負荷大于制動負荷，系統(tǒng)功率潮流如圖4a所示。再生制動能量經異臂轉移利用后無法滿足牽引負荷功率需求，220kV電網提供其功率需求缺額；同時，鐵路10kV電力系統(tǒng)獨立為10kV負荷供電。

2）工況4。系統(tǒng)處于儲能模式，儲能系統(tǒng)工作，能饋系統(tǒng)空閑，牽引負荷大于制動負荷，系統(tǒng)功率潮流如圖4b所示。再生制動能量經異臂轉移利用和儲能系統(tǒng)釋放后仍無法滿足牽引負荷功率需求，220kV電網提供其功率需求缺額。同時，鐵路10kV電力系統(tǒng)獨立為10kV負荷供電。

3）工況7。系統(tǒng)處于能饋模式，能饋系統(tǒng)工作，儲能系統(tǒng)空閑，牽引負荷小于制動負荷，系統(tǒng)功率潮流如圖4c所示。再生制動能量經異臂轉移利用和回饋利用后，剩余部分返送220kV電網。由于回饋能量無法滿足10kV負荷功率需求，鐵路10kV電力系統(tǒng)提供其功率需求缺額。

4）工況12。系統(tǒng)處于能饋+儲能模式，儲能系統(tǒng)和能饋系統(tǒng)均工作，牽引負荷小于制動負荷，系統(tǒng)功率潮流如圖4d所示。再生制動能量經異臂轉移利用、回饋利用和能量存儲后，剩余部分返送220kV電網。由于回饋能量無法滿足10kV負荷功率需求，鐵路10kV電力系統(tǒng)提供其功率需求缺額。

上述分析表明，通過合理地劃分運行模式與工況，系統(tǒng)能夠實現(xiàn)動態(tài)功率分配，將避免再生制動能量定功率回饋對鐵路 10kV電力系統(tǒng)供電安全造成的影響，同時保證再生制動能量的高效利用。

3 控制策略

為可靠切換再生制動能量，利用系統(tǒng)的四種運行模式，同時實現(xiàn)再生制動能量在供電臂、儲能系統(tǒng)及能饋系統(tǒng)中有效轉移利用，需對以下關鍵量進行控制：①系統(tǒng)不同工況下的參考功率；②背靠背變流器左、右臂輸出電流和直流母線電壓；③能饋系統(tǒng)輸出電流；④儲能系統(tǒng)工作模式及其輸入/輸出功率。

考慮到再生制動能量利用系統(tǒng)能量流動復雜且需多個變流器協(xié)同工作，本文提出了一種分層控制策略，其控制原理圖如圖5所示。其中，能量管理層以動態(tài)功率分配為基礎，包括功率及狀態(tài)檢測、系統(tǒng)參數(shù)設定和系統(tǒng)參考功率輸出三部分，參考功率作為輸出量驅動變流器控制的進行；變流器控制層包括背靠背變流器控制、能饋系統(tǒng)控制和儲能系統(tǒng)控制三部分，各變流器模塊的正確協(xié)同工作保證了能量管理層決策的有效性。

圖5 再生制動能量利用系統(tǒng)控制原理Fig.5 Control schematic diagram of regenerative braking energy utilization system

3.1 能量管理層

在系統(tǒng)投入運行前，需根據(jù)供電臂負荷及10kV負荷的特點設置合適的系統(tǒng)參數(shù)Psc_max、Psc_min、Pfm、SOCmax和SOCmin。系統(tǒng)運行時，能量管理層接收來自左、右供電臂，10kV負荷和儲能介質處的檢測信號，經計算處理得到相應的輸入功率和儲能介質SOC；然后邏輯模塊基于第2節(jié)中的能量管理分析結果及式（5）對輸入量和設置量進行實時處理，分別判斷該時刻系統(tǒng)的工作模式與運行工況，其運行流程如圖6所示；最后，邏輯模塊輸出各工況下的參考功率。

3.2 變流器控制層

接收到來自能量管理層的參考功率后，變流器控制層將同時對各變流器組進行控制。由于只考慮有功功率，控制中所需的q軸參考電流均為0，具體控制方法如下：

背靠背變流器采用電壓和電流控制。由于供電臂采樣電壓電流為單相交流量，可利用二階廣義積分器（Second-Order Generalized Integrator, SOGI）構造各輸入控制量的正交分量，進而通過Park變換將控制量轉換為dq0坐標系分量。該分量經控制器調節(jié)后進行Park反變換，最后被送入PWM模塊產生控制脈沖。其中，鎖相環(huán)（Phase Locked Loop, PLL）保證了各正弦量相位的統(tǒng)一。

左側變流器為電壓電流雙環(huán)控制，電壓環(huán)控制直流側電壓的穩(wěn)定，旨在保證變流器正常工作，電流環(huán)跟蹤左臂參考電流d軸分量IrpcL_refd；右側變流器為電流控制，電流環(huán)跟蹤右臂參考電流IrpcR_refd，其大小為

式中，UrpcLd為左側變流器交流側d軸電壓；UrpcRd為右側變流器交流側d軸電壓。

能饋系統(tǒng)采用三相逆變器后接 LCL濾波器的結構，為取得較為理想的并網效果，本文采用電容電流前饋的逆變器輸出側電流閉環(huán)控制[22]。以鐵路10kV電力系統(tǒng)A相電壓為基準進行鎖相，通過Park變換分別將鐵路10kV電力系統(tǒng)電壓、鐵路10kV電力系統(tǒng)電流、濾波器電容電流、逆變器輸入側電流的dq0坐標系分量及參考回饋功率輸入控制器，經控制器調節(jié)后對其進行 Park反變換，最后送入PWM模塊產生控制脈沖。其中，參考回饋電流為

圖6 邏輯模塊運行流程Fig.6 Operation flow chart of logic module

式中，If_refd為參考回饋電流d軸分量；Ud為逆變器輸出電壓d軸分量。

儲能系統(tǒng)控制通過切換 DC-DC變換器的Buck/Boost狀態(tài)改變儲能系統(tǒng)的工作模式，進而控制儲能介質充/放電。確定工作模式后，控制量被送入相應模式控制器進行電流閉環(huán)控制，輸出量由PWM模塊調制后產生控制脈沖。其中，儲能介質參考電流為

式中，Usc為儲能介質端電壓。

綜上所述，通過建立分層控制策略，控制系統(tǒng)能量管理層對系統(tǒng)功率進行了動態(tài)分配；變流器控制層控制各子系統(tǒng)協(xié)同工作，穩(wěn)定了背靠背變流器直流側電壓，為潮流設備提供直流能量接口的同時控制供電臂進行異臂功率轉移；通過逆變器使再生制動能量以單位功率因數(shù)并網，保證并網電能質量并滿足10kV負荷的動態(tài)功率需求；使DC-DC變換器根據(jù)系統(tǒng)需求切換工作模式，跟蹤儲能介質的充/放電功率，保證其輸入/輸出功率的準確性。

4 仿真驗證

4.1 仿真條件

為驗證所提再生制動能量利用系統(tǒng)能量管理及控制策略的正確性和有效性，基于圖1所示拓撲搭建了仿真模型，其牽引供電系統(tǒng)、背靠背變流器、能饋系統(tǒng)和儲能系統(tǒng)的電氣仿真參數(shù)見表3，12種運行工況負荷的仿真參數(shù)見表 4，三種對比工況負荷的仿真參數(shù)見表5。其中，以某樞紐所10kV配電所實測負荷數(shù)據(jù)為參考，為保證再生制動能量能夠以95%概率滿足10kV負荷的功率需求，設置回饋功率閾值Pfm為2.39MW。

表3 仿真參數(shù)Tab.3 Parameters of simulation

（續(xù)）

表4 系統(tǒng)負荷仿真參數(shù)一Tab.4 Parameters 1 of system loads

表5 系統(tǒng)負荷仿真參數(shù)二Tab.5 Parameters 2 of system loads

4.2 仿真結果

4.2.1 空閑模式

空閑模式仿真結果如圖7所示，其中圖7a為該模式系統(tǒng)功率分配及儲能介質SOC仿真結果。兩供電臂負荷在工況1下不與外部進行能量交換，在工況2下雖需外部供能，但儲能介質SOC小于閾值下限導致其禁放。因此兩種工況下能饋系統(tǒng)與儲能系統(tǒng)均處于空閑狀態(tài)，即圖中所示Psc=0，Pf=0；同時，220kV電網和鐵路 10kV電力系統(tǒng)功率分別隨供電臂負荷與 10kV負荷功率需求的變化而改變（Pg220=Ps，Pg10=Pload），驗證了空閑模式下系統(tǒng)功率分配的正確性。

圖7 空閑模式仿真結果Fig.7 Simulation results of idle mode

圖 7b為背靠背變流器及供電臂負荷的功率曲線。工況1中PrpcL=1MW，PrpcR=-1MW，右供電臂動車組產生的再生制動能量通過背靠背變流器轉移到左供電臂供牽引動車組使用，兩供電臂功率相等（PoutL=PoutR=0）；工況 2中PrpcL=1.25MW，PrpcR=-1.25MW，在供電臂負荷功率達到平衡后，220kV電網平均向兩供電臂提供功率缺額（PoutL=PoutR=0.25MW），驗證了背靠背變流器的功率平衡作用。

4.2.2 儲能模式

儲能模式系統(tǒng)功率分配及儲能介質 SOC仿真結果如圖8所示。由圖可知兩種工況下供電臂負荷總功率均為正值，能饋系統(tǒng)處于空閑狀態(tài)（Pf=0）。其中，工況3儲能系統(tǒng)放電功率與供電臂負荷總功率相等（Psc=-Ps=-0.5MW），此時220kV電網不出力（Pg220=0）。工況 4供電臂負荷總功率上升為1.5MW，超過了儲能介質放電功率閾值Psc_min，儲能系統(tǒng)以最大功率放電（Psc=-1MW）；牽引負荷功率缺額由 220kV電網提供（Pg220=0.5MW）。同時，能饋系統(tǒng)處于空閑狀態(tài)，鐵路 10kV電力系統(tǒng)獨立為10kV負荷供電（Pg10=Pload=2MW）。上述結果驗證了系統(tǒng)在儲能模式下功率分配的正確性。此外，儲能介質在放電過程中 SOC下降率隨放電功率變化而改變，驗證了儲能系統(tǒng)雙向 DC-DC變換器Boost狀態(tài)下放電功率跟蹤的準確性。

圖8 儲能模式仿真結果Fig.8 Simulation results of energy storage mode

4.2.3 能饋模式

能饋模式仿真結果如圖9所示，其中圖9a為三相逆變器并網電壓電流A相波形，由圖可知兩者相位相同且波形正弦程度高，能饋系統(tǒng)并網效果較好。圖9b為該模式系統(tǒng)功率分配及儲能介質SOC仿真結果。四種工況供電臂負荷總功率均為負值，由于前兩種工況Pre=0，后兩種工況Pre＞0但儲能介質SOC超過安全閾值上限，致使四種工況下儲能系統(tǒng)均處于空閑狀態(tài)。對比工況5與工況6可知，回饋功率無法滿足 10kV負荷功率需求時，功率缺額由鐵路 10kV電力系統(tǒng)提供（Pg10=Pload-Pf=0.5MW）；回饋功率可以滿足 10kV負荷功率需求時，鐵路10kV電力系統(tǒng)不出力（Pg10=0）。同理，工況7與工況8中10kV負荷的功率供需亦是如此，同時剩余再生制動能量由220kV電網消納。上述結果驗證了能饋模式下系統(tǒng)功率分配的正確性。

圖9 能饋模式仿真結果Fig.9 Simulation results of feedback mode

4.2.4 能饋+儲能模式

能饋+儲能模式系統(tǒng)功率分配及儲能介質 SOC仿真結果如圖10所示。四種工況供電臂負荷總功率均為負值且Pre＞0，儲能介質SOC處于安全閾值范圍內，能饋系統(tǒng)和儲能系統(tǒng)均處于工作狀態(tài)。對比工況 9與工況10可以發(fā)現(xiàn)，工況9回饋剩余功率全部由儲能系統(tǒng)存儲（Psc=0.11MW），未返送功率至220kV電網（Pg220=0）；工況10回饋剩余功率經儲能系統(tǒng)存儲后仍有一部分返送至 220kV電網（Pg220=0.21MW），兩種工況 10kV負荷的功率缺額均由鐵路10kV電力系統(tǒng)提供。同理，觀察工況11與工況12可知，除10kV負荷由能饋系統(tǒng)獨立供電（Pg10=0）外，其余功率分配特點分別與工況 9、工況10相同。上述仿真結果驗證了能饋+儲能模式下系統(tǒng)功率分配的正確性。此外，儲能介質在充電過程中SOC上升率隨充電功率變化而改變，驗證了儲能系統(tǒng)雙向DC-DC變換器Buck狀態(tài)下充電功率跟蹤的準確性。

圖10 能饋+儲能模式仿真結果Fig.10 Simulation results of feedback and energy storage mode

4.2.5 功率分配效果對比

系統(tǒng)功率分配效果對比仿真結果如圖11所示。其中圖11a為回饋功率固定為1MW時系統(tǒng)功率分配情況，由圖可知工況 13可回饋再生制動能量充足，但回饋功率無法滿足 10kV負荷的功率需求（Pload=2.38MW），回饋剩余能量分別由儲能系統(tǒng)存儲和返送220kV電網（Psc=1MW，Pg220=-0.38MW），致使再生制動能量利用率較低；工況14能饋系統(tǒng)回饋功率超過了10kV負荷需求（Pload=0.5MW），多余回饋功率將影響鐵路 10kV電力系統(tǒng)的供電安全；工況 15再生制動能量不能滿足回饋需求（Ps=-0.5MW），導致220kV電網與鐵路10kV電力系統(tǒng)出現(xiàn)環(huán)流。圖11b為采用動態(tài)功率回饋后系統(tǒng)功率分配情況，通過對比可以發(fā)現(xiàn)采用動態(tài)功率回饋避免了回饋不足、回饋過度等問題，使再生制動能量利用系統(tǒng)的功率分配更加合理。

圖11 功率分配對比仿真結果Fig.11 Simulation results of power allocation effect comparison

5 結論

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，本文研究了再生制動能量利用系統(tǒng)的運行原理，剖析了系統(tǒng)不同運行模式下全部工況的動態(tài)功率分配特點并提出了相應控制策略，通過預設工況進行了仿真驗證，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(tǒng)能量管理及控制策略能夠根據(jù)系統(tǒng)功率特點及設備狀態(tài)完成四種運行模式的控制和切換，且可以根據(jù)負荷工況及儲能介質 SOC對系統(tǒng)進行動態(tài)功率潮流分配，實現(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，本文所提能量管理及控制策略實現(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)中儲能介質的容量配置、回饋功率的最優(yōu)化及系統(tǒng)的保護方案等問題將是下一步的研究方向。