陳利夫，解紹鋒，黃小紅，王可心

0 引言

隨著我國電氣化鐵路[1]的加快建設(shè)，出現(xiàn)了許多復(fù)雜艱險山區(qū)電氣化區(qū)段（如川藏鐵路、西成高鐵等），線路坡度最大可達30‰，坡長可達數(shù)十公里[2]。列車在上坡時所需牽引功率較高，取流較大，造成牽引網(wǎng)電壓降低；列車在下坡時再生制動，向變電所反送再生制動能量，造成牽引網(wǎng)電壓抬升。兩種情況均會導(dǎo)致牽引網(wǎng)電壓水平不達標(biāo)，出現(xiàn)列車牽引功率不足和再生制動失效的問題，在供電臂末端尤為明顯。同時，由于山區(qū)線路隧道占比較高，不得不采用帶回流線的直接供電方式，使得牽引網(wǎng)阻抗較大，進一步加大了牽引網(wǎng)電壓的波動[3]。因此，研究列車再生制動失效抑制與末端網(wǎng)壓支撐對 提高電氣化鐵路的安全運行具有重要意義。

針對牽引電壓水平導(dǎo)致的電能質(zhì)量問題，傳統(tǒng)解決方法是以并聯(lián)電容器或電抗器[4]、靜止無功補償器（Static Var Compensator，SVC）[5]等無源補償方式來補償牽引網(wǎng)電壓，但補償精度不高。在實際工程中，通常通過設(shè)置有載調(diào)壓開關(guān)的變壓器調(diào)節(jié)供電臂首端電壓，但調(diào)壓范圍有限[6]。文獻[7]從機車的角度，調(diào)節(jié)機車四象限脈沖整流器交流側(cè)電流的相位，使機車負荷在牽引網(wǎng)電壓較高時吸收感性無功，牽引網(wǎng)電壓較低時吸收容性無功，以調(diào)節(jié)受電弓處的電壓，但該方法會增加額外能耗，降低電氣設(shè)備利用率。部分文獻研究通過優(yōu)化行車組織提高牽引列車對再生制動能量的利用率，減小變電所負荷功率峰值[8，9]，但該方法未從根本上解決列車再生制動失效的問題。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，以靜止無功發(fā)生器（Static Var Generator，SVG）[10]為代表的有源補償技術(shù)發(fā)展迅速，不僅能實現(xiàn)系統(tǒng)供電臂較長時末端網(wǎng)壓的補償[11]，還可解決負序和諧波等電能質(zhì)量問題[12]。但SVG不能實現(xiàn)再生制動能量的儲存與負荷的削峰填谷。

儲能式鐵路功率調(diào)節(jié)器（Energy Storage Railway Power Conditioner，ESRPC）不僅可以實現(xiàn)供電臂間能量的雙向流動，達到牽引供電系統(tǒng)的功率平衡，還可儲存能量，提高再生制動能量利用率、削峰填谷，在治理負序、諧波等電能質(zhì)量問題方面也可發(fā)揮重要作用。已有不少學(xué)者對該裝置的能量管理[13～16]、控制策略[17～19]及容量優(yōu)化配置[20]等方面展開了深入研究，但其原有的能量管理策略與控制策略不能適用于以牽引網(wǎng)末端電壓為控制目標(biāo)的儲能式鐵路功率調(diào)節(jié)器。

在直流制式的城市軌道交通牽引供電系統(tǒng)中，以抑制網(wǎng)壓抬升、抑制列車再生制動失效為目標(biāo)的儲能系統(tǒng)已有廣泛研究[21～23]，但在交流電氣化鐵路中，變電所和分區(qū)所處存在電分相，且儲能裝置需通過變流器與供電系統(tǒng)相連接，加之系統(tǒng)中無功功率的影響，城軌儲能系統(tǒng)的再生制動失效抑制方案并不適用于交流電氣化鐵路。

為抑制列車再生制動失效、支撐末端網(wǎng)壓、兼顧再生制動能量利用和負荷削峰填谷、提高電氣化鐵路運行的安全性與經(jīng)濟性，本文介紹置于供電臂末端的儲能式鐵路功率調(diào)節(jié)器的結(jié)構(gòu)和主要功能，分析系統(tǒng)各運行模式下的能量流動特性，根據(jù)系統(tǒng)對無功功率的需求設(shè)計變流器工作狀態(tài)及其轉(zhuǎn)換方式，提出以末端網(wǎng)壓為控制目標(biāo)的有功、無功協(xié)調(diào)控制策略，并建立仿真模型，對網(wǎng)壓波動情況下有功、無功補償進行仿真。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能

針對因牽引網(wǎng)電壓過高導(dǎo)致列車再生制動失效，以及牽引網(wǎng)電壓過低導(dǎo)致列車牽引功率不足等問題，提出一種調(diào)節(jié)牽引網(wǎng)末端電壓的綜合解決方案，背靠背變流器置于供電臂末端，其交流端口分別與分區(qū)所兩端供電臂相連，并在直流側(cè)接入儲能裝置，構(gòu)成ESRPC。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 ESRPC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

相比置于變電所饋線出口處，ESRPC置于供電臂末端不僅能夠?qū)崿F(xiàn)兩供電臂的能量流通和儲能，而且能夠調(diào)節(jié)牽引網(wǎng)末端電壓。系統(tǒng)實時檢測負荷功率的大小，控制RPC轉(zhuǎn)移有功功率，儲能裝置儲存或釋放電能，減少變電所輸出功率，進而穩(wěn)定末端網(wǎng)壓。此外，牽引網(wǎng)末端電壓過高時，變流器可吸收感性無功，降低網(wǎng)壓；牽引網(wǎng)末端電壓過低時，變流器可吸收容性無功，抬升網(wǎng)壓。

2 系統(tǒng)運行策略

2.1 網(wǎng)壓補償策略

列車再生制動失效的重要原因是再生制動功率過大而導(dǎo)致網(wǎng)壓過高，儲能裝置儲存并適時利用再生制動能量，降低末端網(wǎng)壓的同時還可節(jié)約電度電費，相比于傳統(tǒng)的無功補償方式具有更好的經(jīng)濟性。有功補償應(yīng)優(yōu)先于無功補償，有功補償和無功補償?shù)脑瓌t如下：

（1）ESRPC實時進行再生能量回收利用和削峰填谷，各端口功率的大小根據(jù)兩供電臂負荷功率調(diào)節(jié)；

（2）在有功補償不能使末端網(wǎng)壓達到要求時，無功補償延時一段時間啟用，且無功補償?shù)拇笮?yīng)根據(jù)末端網(wǎng)壓調(diào)節(jié)。

僅利用有功補償?shù)那闆r下，合理分配儲能裝置與兩供電臂的功率，可更好地抑制列車再生制動失效，支撐末端網(wǎng)壓，實現(xiàn)再生制動能量合理利用和削峰填谷，系統(tǒng)功率分配原則如下：

（1）優(yōu)先降低負荷返送牽引變電所的再生制動功率，抑制列車再生制動失效；

（2）若無再生制動能量返送牽引變電所，則降低牽引變電所負荷峰值功率，支撐末端網(wǎng)壓；

（3）若兩供電臂需同時抑制再生制動失效，或同時支撐末端網(wǎng)壓，根據(jù)兩負荷大小的絕對值按比例分配儲能裝置的充放電功率；

（4）不能被同供電臂列車?yán)玫氖Ｓ嘣偕苿幽芰績?yōu)先轉(zhuǎn)移到異臂，若異臂牽引負荷不足以消納，再由儲能裝置吸收。

2.2 系統(tǒng)運行模式

系統(tǒng)運行模式可分為6種，即牽引再生模式、再生模式、削峰填谷模式、削峰模式、填谷模式和空閑模式，根據(jù)兩供電臂負荷大小及關(guān)系，劃分系統(tǒng)各運行模式及各模式下工況，如表1所示。Pd1和Pd2分別為a臂和b臂的削峰功率閾值；Pc1和Pc2分別為a臂和b臂的填谷功率閾值；Pesm,c和Pesm,d分別為儲能裝置最大充電功率與最大放電功率。為避免重復(fù)討論，牽引再生模式以a臂再生b臂牽引為例，削峰填谷模式以a臂削峰b臂填谷為例，削峰模式以Pa＞Pd1、Pb＞Pc2為例，填谷模式以0＜Pa＜Pc2、Pb＜Pd2為例。

表1 各工況下負荷關(guān)系

系統(tǒng)運行模式轉(zhuǎn)換如圖2所示，根據(jù)兩供電臂的負荷大小和儲能裝置的SOC，裝置實時對系統(tǒng)模式進行判斷，滿足轉(zhuǎn)換條件時進行模式轉(zhuǎn)換。

圖2 運行模式轉(zhuǎn)換示意圖

超級電容的充/放電功率會受到其荷電狀態(tài)（SOC）的限制，SOC=1時禁止充電、SOC＜0.2時禁止放電[17]。因此，工況21、工況22和工況23即使?jié)M足儲能裝置充電或放電的條件，系統(tǒng)仍工作于空閑模式；在工況2、工況3、工況8、工況9下，若SOC=1，儲能裝置待機，系統(tǒng)只進行功率轉(zhuǎn)移；在工況4、工況5、工況10、工況11下，若SOC＜0.2，儲能裝置待機，系統(tǒng)只進行功率轉(zhuǎn)移。

2.3 功率流動特性

ESRPC的功率分為3部分，即變流器a功率Pca、變流器b功率Pcb和儲能裝置功率Pes。規(guī)定變流器整流功率為正、逆變功率為負，儲能裝置充電功率為正、放電功率為負。ESRPC的功率關(guān)系可表示為

負荷功率由變電所和ESRPC兩部分共同提供，a臂與b臂負荷功率分別為Pa和Pb（忽略牽引網(wǎng)功率損耗），牽引為正、再生為負；變電所a的功率為Psa，變電所b的功率為Psb，兩供電臂的功率關(guān)系為

分別以工況2、工況6、工況10、工況14、工況18、工況20為例，對牽引再生模式、再生模式、削峰填谷模式、削峰模式、填谷模式和空閑模式進行說明。系統(tǒng)的典型工況功率流動如圖3所示。

（1）工況2。系統(tǒng)處于牽引再生模式，a臂的再生制動功率|Pa|大于b臂牽引功率Pb，且小于等于儲能充電裝置最大充電功率Pesm,c與b臂牽引功率Pb之和，其原理如圖3（a）所示。此時，b臂牽引功率完全由a臂再生功率提供，儲能裝置吸收再生制動能量。ESRPC各部分功率為

（2）工況6。系統(tǒng)處于再生模式，a臂與b臂的剩余再生功率之和(|Pa|+|Pb|)小于等于儲能裝置最大充電功率Pesm,c，其原理如圖3（b）所示。此時，兩供電臂負荷由儲能裝置完全吸收，供電臂間轉(zhuǎn)移功率為0，ESRPC各部分功率為

（3）工況10。系統(tǒng)處于削峰填谷模式，a臂削峰所需功率(Pa-Pd1)大于等于b臂填谷所需功率(Pc2-Pb)，且小于b臂填谷所需功率(Pc2-Pb)與儲能裝置最大放電功率Pesm,d之和，其原理如圖3（c）所示。此時，a臂負荷功率由變電所a、變電所b和儲能裝置共同分擔(dān)，ESRPC各部分功率為

圖3 典型工況功率流動

（4）工況14。系統(tǒng)處于削峰模式，a臂削峰所需功率(Pa-Pd1)與b臂削峰所需功率之和(Pb-Pd2)小于等于儲能裝置最大放電功率，其原理如圖3（d）所示。此時，a臂負荷由變電所a與儲能裝置共同分擔(dān)，b臂負荷由變電所b與儲能裝置共同分擔(dān)，儲能裝置放電，放電功率為兩供電臂削峰所需功率之和，ESRPC各部分功率為

（5）工況18。系統(tǒng)處于填谷模式，a臂填谷所需功率(Pc1-Pa)與b臂填谷所需功率(Pc2-Pb)之和小于等于儲能裝置最大充電功率。此時，由變電所a和變電所b向儲能裝置充電，充電功率為兩供電臂填谷所需功率之和，其原理如圖3（e）所示，ESRPC各部分功率為

（6）工況20。系統(tǒng)處于空閑模式，兩供電臂負荷功率均處于牽引狀態(tài)，且均大于等于填谷功率閾值、小于等于削峰功率閾值，其原理如圖3（f）所示。此時不需要回收再生能量、削峰填谷，裝置待機，RPC和儲能裝置功率均為0，ESRPC各部分功率為

3 系統(tǒng)控制策略

為實現(xiàn)調(diào)節(jié)牽引網(wǎng)末端電壓、利用再生制動能量和削峰填谷的目標(biāo)，需要變流器和儲能裝置的協(xié)調(diào)配合，變流器a用于穩(wěn)定直流側(cè)電容的電壓，變流器b和儲能裝置接收功率指令信號，輸入輸出相應(yīng)大小的功率。需要控制的對象包括：（1）不同工況下變流器b和儲能裝置的有功功率指令信號；（2）變流器工作狀態(tài)信號以及末端網(wǎng)壓有效值參考值；（3）RPC裝置兩端口功率以及直流側(cè)電容電壓；（4）儲能裝置的充放電功率。由于控制目標(biāo)較多，系統(tǒng)的控制策略較為復(fù)雜，因此提出分層控制策略，系統(tǒng)整體控制策略如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)控制原理及策略

上層控制由能量管理層和末端網(wǎng)壓調(diào)節(jié)層組成，能量管理層包括負荷功率檢測以及運行模式判斷模塊，末端網(wǎng)壓調(diào)節(jié)層包括有效值計算以及變流器工作狀態(tài)判斷模塊。下層控制包括變流器控制以及儲能裝置控制兩部分。

3.1 上層控制

對于控制有功功率的指令信號，能量管理層檢測兩供電臂的負荷功率，基于第2節(jié)所述的網(wǎng)壓補償策略判斷系統(tǒng)所處模式和工況，確定儲能裝置參考功率和變流器b參考功率；對于控制無功功率的指令信號，末端網(wǎng)壓調(diào)節(jié)層實時采集末端網(wǎng)壓信號，并計算其有效值，根據(jù)有效值確定變流器的工作狀態(tài)以及吸收無功功率的大小。

為提高再生制動能量和削峰填谷的效果，優(yōu)先利用變流器和儲能裝置吸收或釋放有功功率，當(dāng)RPC轉(zhuǎn)移有功功率或儲能裝置不能將牽引網(wǎng)電壓調(diào)節(jié)至正常水平時，再控制變流器吸收無功功率，實現(xiàn)調(diào)節(jié)網(wǎng)壓、抑制再生制動失效。

3.1.1 變流器工作狀態(tài)

為使有功功率優(yōu)先補償網(wǎng)壓，需限制變流器吸收無功功率，繼而定義3種變流器工作狀態(tài)，即有功狀態(tài)S0、感性無功狀態(tài)S1和容性無功狀態(tài)S-1，其工作狀態(tài)信號Scx、變流器指令、q軸電流參考值和末端網(wǎng)壓有效值參考值*md,rmsxU如表2所示。

表2 變流器工作狀態(tài)

表2中：*md,rmsxU為x臂（a臂或b臂）末端網(wǎng)壓有效值參考值；Umdx,rms為x臂末端網(wǎng)壓有效值實際值；為變流器x（變流器a或變流器b）的q軸電流參考值，感性為負、容性為正；Scx為變流器x工作狀態(tài)信號。用變流器工作狀態(tài)信號表示變流器所處的工作狀態(tài)：當(dāng)Scx= 0時，為S0狀態(tài)，禁止變流器吸收無功，*md,rmsxU與牽引網(wǎng)末端電壓實際有效值相等，即*md,rmsxU=Umdx,rms；當(dāng)Scx= 1時，為S1狀態(tài)，允許變流器吸收感性無功；當(dāng)Scx= -1時，為S-1狀態(tài)，允許變流器吸收容性無功。在3種狀態(tài)下，裝置依據(jù)第2節(jié)所述的能量管理策略，轉(zhuǎn)移、儲存或釋放有功功率。

3.1.2 變流器工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換

變流器工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換如圖5所示。變流器初始工作于S0狀態(tài)，當(dāng)末端網(wǎng)壓在20～29 kV范圍內(nèi)，保持工作狀態(tài)S0。當(dāng)供電臂末端網(wǎng)壓高于29 kV持續(xù)時間Δt（延時）后，變流器工作狀態(tài)由S0轉(zhuǎn)換為S1，Scx由0變?yōu)?，變流器吸收感性無功，降低末端網(wǎng)壓。當(dāng)Scx= 1且*cxqi＜0時，保持S1工作狀態(tài)，維持變流器持續(xù)吸收感性無功功率。當(dāng)負荷再生制動功率減小，末端網(wǎng)壓下降至參考電壓Um*

圖5 變流器工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換

dx,rms以下，不再需要無功補償，變流器工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換為S0。變流器S0狀態(tài)與S-1狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程與S0狀態(tài)與S1狀態(tài)轉(zhuǎn)換過程類似，不再贅述。

變流器初始工作于S1狀態(tài)，當(dāng)末端網(wǎng)壓有效值低于20 kV持續(xù)時間Δt后，Scx由1變?yōu)?1，變流器工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換為S-1狀態(tài)，吸收容性無功，提高末端網(wǎng)壓。變流器由S-1狀態(tài)轉(zhuǎn)換為S1狀態(tài)過程與之類似，不再贅述。

3.2 下層控制

對于有功功率控制，變流器a采用電壓、電流雙閉環(huán)控制，用于穩(wěn)定直流側(cè)電容電壓，通過直流電壓外環(huán)得到d軸電流參考值。變流器b采用功率控制，根據(jù)系統(tǒng)上層的指令信號，經(jīng)有功功率控制得到d軸電流參考值。儲能裝置同樣采用功率控制，根據(jù)指令信號控制儲能裝置充放電。

為準(zhǔn)確地將牽引網(wǎng)末端電壓降低到期望值，提出一種基于電壓有效值PI控制的無功調(diào)控策略，即采用供電臂末端電壓有效值進行無功功率控制，克服了傳統(tǒng)給定無功指令電流控制方法[10]的不足，同時有利于再生制動能量的利用和削峰填谷。其控制原理如圖6所示。牽引網(wǎng)將末端電壓有效值的參考值與實際值作差，對差值進行PI調(diào)節(jié)，并組合變流器工作狀態(tài)信號Scx產(chǎn)生q軸電流參考值*cxqi。

圖6 無功功率控制原理

4 仿真分析

4.1 仿真參數(shù)

為了驗證ESRPC對列車再生制動失效的抑制、末端網(wǎng)壓的支撐，以及再生制動能量利用和削峰填谷的作用，搭建了帶回流線的直接供電方式（DN）牽引供電系統(tǒng)仿真模型并進行分析，系統(tǒng)仿真參數(shù)見表3，網(wǎng)壓補償情況系統(tǒng)負荷仿真參數(shù)見表4。

表3 系統(tǒng)仿真參數(shù)

表4 系統(tǒng)負荷仿真參數(shù)

4.2 網(wǎng)壓波動仿真

為驗證置于供電臂末端的ESRPC抑制再生制動失效與支撐末端網(wǎng)壓的效果，同時證明有功無功協(xié)調(diào)控制調(diào)節(jié)網(wǎng)壓的可行性，對網(wǎng)壓抬升和跌落兩種情況進行仿真。

4.2.1 網(wǎng)壓抬升情況

網(wǎng)壓抬升情況仿真結(jié)果如圖7所示。在0～4 s時，裝置未投入，因再生制動功率過大，a臂和b臂末端網(wǎng)壓有效值分別抬升至28.24、29.64 kV；在4～8 s時，裝置啟動，系統(tǒng)處于再生模式（工況7），兩變流器均工作在S0狀態(tài)，裝置只吸收有功功率，Pca、Pcb和Pes分別為1、3、4 MW，兩供電臂末端網(wǎng)壓有效值下降至28.14、29.38 kV，b臂末端網(wǎng)壓有效值仍超過29 kV；在8～12 s時，系統(tǒng)有功功率大小和流向不變，開啟變流器b的無功補償，其工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換為S1狀態(tài)，吸收2.9 Mvar的感性無功功率，并將末端網(wǎng)壓有效值補償至期望值28.5 kV，避免了列車再生制動失效；在12～16 s時，b臂的負荷下降至-15 MW，末端網(wǎng)壓有效值相應(yīng)降低，此時觸發(fā)了變流器b的工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換條件，工作狀態(tài)由S1轉(zhuǎn)換至S0，不再吸收無功功率，此時裝置的有功功率Pca、Pcb、Pes分別為1.6、2.4、4 MW。

圖7 網(wǎng)壓抬升仿真結(jié)果

4.2.2 網(wǎng)壓跌落情況

網(wǎng)壓跌落情況仿真結(jié)果如圖8所示。在0～4 s時，裝置未投入，因牽引功率過大，a臂、b臂末端網(wǎng)壓有效值跌落至21.86、19.29 kV；在4～8 s時，裝置啟動，儲能裝置開始放電，系統(tǒng)處于削峰模式（工況15），此時兩變流器均工作在S0狀態(tài)，裝置只釋放有功功率，Pca、Pcb、Pes分別為-1.1、-2.9、-4 MW，兩供電臂末端網(wǎng)壓有效值上升至21.97、19.58 kV，b臂末端網(wǎng)壓有效值仍低于20 kV；在8～12 s時，系統(tǒng)有功功率大小和流向不變，開啟變流器b的無功補償，其工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換為S-1狀態(tài)，吸收2.2 Mvar的容性無功功率，并將末端網(wǎng)壓有效值補償至期望值20.5 kV，保障了列車牽引功率的發(fā)揮；在12～16 s時，b臂的負荷下降至38.3 MW，末端網(wǎng)壓有效值相應(yīng)上升，此時觸發(fā)了變流器b的工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換條件，工作狀態(tài)由S-1轉(zhuǎn)換至S0，不再吸收無功功率，此時裝置的有功功率Pca、Pcb、Pes分別為-1.4、-2.6、-4 MW。

圖8 網(wǎng)壓跌落仿真結(jié)果

上述結(jié)果驗證了所述方案抑制列車再生制動失效、支撐末端網(wǎng)壓的可行性，同時驗證了變流器無功控制策略的正確性。此外，在變流器吸收感性無功功率時，裝置的有功功率流向及大小與能量管理策略一致，驗證了前文所述有功無功協(xié)調(diào)控制方法的正確性。

5 結(jié)論

針對電氣化鐵路供電臂末端列車再生制動失效與網(wǎng)壓跌落的問題，本文提出了一種置于供電臂末端的儲能式RPC方案，分析其不同運行模式下功率分配情況，研究其分層協(xié)調(diào)控制策略，提出基于變流器工作狀態(tài)的末端網(wǎng)壓控制策略，通過仿真驗證，得到如下結(jié)論：

（1）置于供電臂末端的儲能式RPC通過有功無功協(xié)調(diào)控制，可實現(xiàn)再生制動失效抑制、支撐網(wǎng)壓、再生制動能量利用和削峰填谷的功能。

（2）RPC裝置兩個變流器均可根據(jù)牽引網(wǎng)末端電壓的變化實現(xiàn)變流器3種工作狀態(tài)的切換，將牽引網(wǎng)末端電壓補償?shù)狡谕?，實現(xiàn)有功功率優(yōu)先補償，無功功率有效使用。

本文主要針對基于RPC的再生制動失效抑制方案的能量管理策略以及控制策略進行研究，對于裝置的容量配置、有功功率和無功功率的容量分配問題將是下一步研究方向。