呂順凱

（株洲中車時代電氣股份有限公司供電系統(tǒng)事業(yè)部，湖南 株洲 412001）

0 引言

截至2021年底，全國鐵路營業(yè)里程達到15萬km，電氣化率73.3%，總耗電量超800億kW·h［1］?！惰F路“十三五”發(fā)展規(guī)劃》提出“采取鐵路綜合節(jié)能與效能管理措施，發(fā)展先進適用的節(jié)能減排技術(shù)，加強再生制動能量利用技術(shù)和能耗綜合管理系統(tǒng)研究，進一步降低鐵路能耗水平”［2］。

關(guān)于如何高效利用大功率交流傳動電力機車與高速動車組產(chǎn)生的再生制動能量［3］，當(dāng)前研究主要集中在3個方面：行車優(yōu)化、轉(zhuǎn)移利用、存儲利用。行車優(yōu)化無須新增設(shè)備，但受供電區(qū)間限制，作用范圍有限，且一定程度影響運營管理靈活性，難以普遍應(yīng)用［4］；與10 kV貫通線等其他轉(zhuǎn)移利用方案相比，相鄰變電所間轉(zhuǎn)移利用優(yōu)勢明顯，節(jié)能效果較為顯著，典型示范工程正在運用考核［5-6］；近年來，隨著儲能技術(shù)的進步和儲能產(chǎn)業(yè)規(guī)模的快速發(fā)展，存儲利用成本逐年下降，投資回收期大幅縮短，已初步具備在交流電氣化鐵路應(yīng)用的經(jīng)濟性［7-9］。為進一步提高再生制動能量利用率，基于能量轉(zhuǎn)移和儲能技術(shù)融合，目前已有學(xué)者提出10 kV轉(zhuǎn)移利用+儲能利用方案［10］，但對于相鄰變電所間轉(zhuǎn)移利用+儲能利用方案未見相關(guān)文獻研究。

為此，提出1種交流電氣化鐵路相鄰牽引變電所間再生制動能量復(fù)合利用技術(shù)，分析系統(tǒng)構(gòu)成及其工作原理，研究能量管理方案和控制策略，并結(jié)合現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)對節(jié)能效果進行仿真驗證。

1 再生制動能量復(fù)合利用系統(tǒng)構(gòu)成及工作原理

1.1 系統(tǒng)構(gòu)成

再生制動能量復(fù)合利用系統(tǒng)主要由變電所采集單元、雙向變流子系統(tǒng)、儲能子系統(tǒng)、控制單元、保護單元等構(gòu)成（見圖1）。系統(tǒng)采用分布式設(shè)計，2個牽引變電所各設(shè)置1臺變電所采集單元，分區(qū)所安裝雙向變流子系統(tǒng)、儲能子系統(tǒng)、控制單元、保護單元等主體設(shè)備。各項設(shè)備的主要功能為：

圖1 再生制動能量復(fù)合利用系統(tǒng)構(gòu)成

（1）變電所采集單元實時檢測2個牽引變電所牽引變壓器高壓和低壓側(cè)的電壓與電流信號，計算獲取有功功率等電氣參數(shù)，并通過有線或無線通信專網(wǎng)傳輸至控制單元，用于再生制動能量復(fù)合利用控制。

（2）雙向變流子系統(tǒng)主要由高壓開關(guān)、變壓器、單相交-直-交四象限變流器機組等構(gòu)成，交流端口并聯(lián)接入兩側(cè)牽引變電所的27.5 kV饋線電源，同時在直流端口接入儲能子系統(tǒng)，兼顧兩側(cè)牽引變電所再生制動能量的轉(zhuǎn)移和存儲利用。

（3）儲能子系統(tǒng)由雙向DC/DC變流器機組和儲能介質(zhì)等構(gòu)成，DC/DC變流器控制再生制動能量在儲能介質(zhì)中的存儲和釋放，儲能介質(zhì)可選擇高倍率鋰電池、飛輪或超級電容等。

（4）控制單元依據(jù)2個牽引變電所的實時功率和儲能介質(zhì)的荷電狀態(tài)（State of Charge，SOC）等信息，按照預(yù)定控制策略，智能選擇和切換系統(tǒng)工作模式，協(xié)同控制各端口功率潮流，最大化利用再生制動能量。

（5）保護單元實時監(jiān)測系統(tǒng)各子部件的運行狀態(tài)，采用設(shè)備健康管理技術(shù)和多級保護機制，實現(xiàn)全方位故障導(dǎo)向安全，確保再生制動能量復(fù)合利用系統(tǒng)和既有牽引供電系統(tǒng)運行安全。

1.2 工作原理

接入再生制動能量復(fù)合利用系統(tǒng)后，包含既有牽引供電系統(tǒng)在內(nèi)的功率潮流見圖2，其中PL和PR分別為1#和2#牽引變電所供電區(qū)間內(nèi)全部機車負荷有功功率之和，以從牽引供電系統(tǒng)取能為功率正方向；P1和P2分別為1#和2#牽引變電所的總有功功率，以從電網(wǎng)取能為功率正方向；P3和P4分別為雙向變流子系統(tǒng)左側(cè)和右側(cè)輸出有功功率，以向牽引供電系統(tǒng)輸出為功率正方向；P5為儲能子系統(tǒng)充放電功率，以放電為功率正方向。

圖2 再生制動能量復(fù)合利用系統(tǒng)功率潮流

暫不考慮功率傳輸損耗，按照供需平衡原則可知，圖2中各處功率間的關(guān)系為：

以1#牽引變電所為例（2#牽引變電所同理）分析復(fù)合利用工作原理，具體如下：

（1）當(dāng)1#牽引變電所負荷總功率PL為正值時，再生制動能量復(fù)合利用系統(tǒng)實時轉(zhuǎn)移來自2#牽引變電所同時刻的再生電能，且/或由儲能介質(zhì)釋放前期存儲的再生電能，向1#牽引變電所輸出正值功率P3，1#牽引變電所由電網(wǎng)獲取的總有功功率P1相應(yīng)減少，減少電表計量的正向電量。

（2）當(dāng)1#牽引變電所負荷總功率PL為負值時，再生制動能量復(fù)合利用系統(tǒng)向2#牽引變電所實時轉(zhuǎn)移該所同時刻牽引所需能量，且/或由儲能介質(zhì)吸收再生電

通過表1分析可知，各種工作模式的特點分別為： 能，從1#牽引變電所輸入負值功率P3，1#牽引變電所向電網(wǎng)回饋的總有功功率P1相應(yīng)減少，實現(xiàn)再生制動能量實時轉(zhuǎn)移利用和/或存儲待利用。

2 能量管理方案

2.1 能量管理策略

為有效提升再生制動能量在牽引供電系統(tǒng)內(nèi)部的直接利用率和總體利用率，設(shè)計優(yōu)先級排序的動態(tài)能量管理策略。根據(jù)各牽引變電所牽引負荷功率需求與再生制動能量回饋情況，計及儲能介質(zhì)SOC，對再生制動能量復(fù)合利用系統(tǒng)2個交流和1個直流端口的功率潮流進行實時協(xié)同控制?？紤]利用優(yōu)先級的能量管理策略說明如下：

（1）將單個牽引變電所供電范圍內(nèi)全部負荷的有功功率進行代數(shù)和歸一化處理，確保再生制動能量首先在本所內(nèi)部利用。即當(dāng)且僅當(dāng)牽引變電所高壓進線計量側(cè)測得的三相總有功功率之和小于0時，才認為該所存在可對外利用的再生制動能量，方可進行所間轉(zhuǎn)移或存儲。

（2）牽引變電所可對外利用的再生制動能量優(yōu)先通過雙向變流子系統(tǒng)，實時轉(zhuǎn)移至相鄰變電所，被牽引負荷消納。所間轉(zhuǎn)移有功功率既不大于該所的再生功率，也不大于相鄰變電所的牽引所需功率。

（3）將相鄰牽引變電所間轉(zhuǎn)移利用后剩余的再生制動能量同步存入儲能子系統(tǒng)，待牽引利用。

（4）如果再生制動能量還有盈余，盈余能量經(jīng)牽引變壓器回饋公共電網(wǎng)。

2.2 系統(tǒng)工作模式

為實現(xiàn)再生制動能量高效復(fù)合利用，控制單元需準(zhǔn)確識別系統(tǒng)運行模式并實現(xiàn)不同模式間的快速轉(zhuǎn)換。暫不考慮各子系統(tǒng)額定功率及儲能介質(zhì)容量等約束，依據(jù)1#牽引變電所的總有功功率P1、2#牽引變電所的總有功功率P2、儲能介質(zhì)實時SOC、SOC上限SOCmax、SOC下限SOCmin等判據(jù)和約束條件，劃分了23種工況。再生制動能量復(fù)合利用系統(tǒng)運行模式對應(yīng)劃分為4種：待機模式；轉(zhuǎn)移工作模式；儲能工作模式；轉(zhuǎn)移+儲能工作模式。將4種運行模式與對應(yīng)各種工況條件及各端口相應(yīng)功率潮流控制進行整理見表1。（1）待機模式下，雙向變流子系統(tǒng)與儲能子系統(tǒng)均空閑，再生制動能量復(fù)合利用系統(tǒng)與2個變電所之間無能量流動。

表1 系統(tǒng)運行模式識別與功率潮流控制

（2）轉(zhuǎn)移工作模式下，雙向變流子系統(tǒng)工作，儲能子系統(tǒng)空閑，再生制動能量復(fù)合利用系統(tǒng)將某變電所的再生制動能量轉(zhuǎn)移至相鄰變電所實時利用。

（3）儲能工作模式下，雙向變流子系統(tǒng)單側(cè)或雙側(cè)同時工作，儲能子系統(tǒng)工作，再生制動能量復(fù)合利用系統(tǒng)依據(jù)1#和2#牽引變電所的負荷情況，存儲或釋放再生制動能量。

（4）轉(zhuǎn)移+儲能工作模式下，雙向變流子系統(tǒng)與儲能子系統(tǒng)均工作，再生制動能量復(fù)合利用系統(tǒng)將某牽引變電所的再生制動能量轉(zhuǎn)移至相鄰牽引變電所實時利用，同步存儲或釋放再生制動能量。

2.3 典型工況分析

選取系統(tǒng)4種運行模式下各1例典型工況進行分析，相應(yīng)功率潮流見圖3。

圖3 系統(tǒng)4種運行模式下的典型工況潮流

（1）工況4條件下，1#和2#牽引變電所均處于牽引用電狀態(tài)，儲能介質(zhì)SOC低于下限值。系統(tǒng)處于待機模式，1#和2#牽引變電所的牽引用電全部由電網(wǎng)提供。

（2）工況8條件下，1#牽引變電所處于再生回饋狀態(tài)，2#牽引變電所處于牽引用電狀態(tài)，1#牽引變電所再生功率小于2#牽引變電所牽引功率，儲能介質(zhì)SOC低于下限值。系統(tǒng)處于轉(zhuǎn)移工作模式，將再生制動能量由1#牽引變電所向2#牽引變電所轉(zhuǎn)移利用。

（3）工況16條件下，1#和2#牽引變電所均處于再生回饋狀態(tài)，儲能介質(zhì)SOC低于上限值。系統(tǒng)處于儲能工作模式，將1#和2#牽引變電所的再生制動能量存儲回收利用。

（4）工況20條件下，1#牽引變電所處于再生回饋狀態(tài)，2#牽引變電所處于牽引用電狀態(tài)，1#牽引變電所再生功率大于2#牽引變電所牽引功率，儲能介質(zhì)SOC小于上限值。系統(tǒng)處于轉(zhuǎn)移+儲能工作模式，將再生制動能量由1#牽引變電所向2#牽引變電所轉(zhuǎn)移利用，同時將1#牽引變電所剩余再生制動能量同步存儲回收利用。

3 控制策略

考慮到再生制動能量復(fù)合利用系統(tǒng)需多端口協(xié)同工作，且功率潮流復(fù)雜多變，提出主從控制架構(gòu)和分層控制策略（見圖4）。其中，主控單元屬于系統(tǒng)級控制層，檢測1#牽引變電所采集單元、2#牽引變電所采集單元和儲能介質(zhì)SOC等內(nèi)外部信息，經(jīng)邏輯處理后下發(fā)功率指令至各從控單元；從控單元屬于變流器級控制層，包括雙向變流子系統(tǒng)從控單元和儲能子系統(tǒng)從控單元2部分，分別控制交-直-交變流器和儲能變流器；主從控制單元之間協(xié)同工作，確保復(fù)合利用控制策略正確執(zhí)行。

圖4 再生制動能量復(fù)合利用系統(tǒng)主從架構(gòu)及分層控制策略

3.1 系統(tǒng)級控制策略

系統(tǒng)級控制層包括功率及狀態(tài)檢測、子系統(tǒng)額定參數(shù)設(shè)定和子系統(tǒng)參考功率輸出3部分，功率及狀態(tài)檢測、子系統(tǒng)額定參數(shù)設(shè)定為輸入量，子系統(tǒng)參考功率輸出為輸出量。系統(tǒng)級控制策略見圖5，其中P3OV和P3SV分別為雙向變流子系統(tǒng)左側(cè)交流端口功率參考值和限定值，P4OV和P4SV分別為雙向變流子系統(tǒng)右側(cè)交流端口功率參考值和限定值，P5OV和P5SV分別為儲能子系統(tǒng)直流端口功率參考值和限定值。投入前，依據(jù)子系統(tǒng)額定參數(shù)預(yù)先設(shè)置各端口功率輸出限定值及儲能子系統(tǒng)的SOCmax和SOCmin；投入后，主控單元實時檢測1#和2#牽引變電所的功率及儲能介質(zhì)SOC等信息，選擇再生制動能量復(fù)合利用系統(tǒng)工作模式，并根據(jù)表1中的功率潮流控制計算得出各端口功率輸出初始值，再與各端口限定值進行比較，取較小值，各端口輸出參考值均需滿足小于等于限定值的條件約束。

圖5 系統(tǒng)級控制策略

3.2 變流器級控制策略

3.2.1 雙向變流子系統(tǒng)控制策略

雙向變流子系統(tǒng)通過直流母線與儲能子系統(tǒng)變流器連接，為保證各種工作模式下多端口功率控制的穩(wěn)定性，需通過雙向變流子系統(tǒng)兩側(cè)變流器的協(xié)同控制，共同保證直流母線電壓穩(wěn)定。交-直-交變流器控制策略見圖6，其中UL和UR分別為左側(cè)和右側(cè)交流端口電壓有效值；IL和IR分別為左側(cè)和右側(cè)交流端口輸出電流有效值；Udc為直流母線電壓。通過鎖相環(huán)（Phase Locked Loop，PLL）與電量計算，雙向變流子系統(tǒng)從控單元獲取交流端口控制量的正交分量，再經(jīng)Park坐標(biāo)變換轉(zhuǎn)換為dq坐標(biāo)分量，經(jīng)電壓電流雙環(huán)控制處理后，進行Park反變換，輸出PWM脈沖至交-直-交變流器。

圖6 交-直-交變流器控制策略

3.2.2 儲能子系統(tǒng)控制策略

由于直流母線電壓已由雙向變流子系統(tǒng)變流器控制，因此儲能子系統(tǒng)變流器采用功率外環(huán)電流內(nèi)環(huán)控制策略。儲能變流器控制策略見圖7，其中UES和IES分別為儲能介質(zhì)的電壓和電流。儲能子系統(tǒng)從控單元接收主控單元發(fā)送的功率參考值P5OV，根據(jù)UES計算得到對應(yīng)的充放電電流參考值，并控制IES跟蹤指令參考值，實現(xiàn)儲能變流器充放電控制。

圖7 儲能變流器控制策略

電氣化鐵路再生制動能量大，峰值功率高，波動性強。工程應(yīng)用時應(yīng)對需存儲利用的再生電能功率幅值和持續(xù)時長進行詳細統(tǒng)計分析，全面掌握再生制動能量的特性，并以全生命周期凈收益最大化為目標(biāo)進行測算分析，選取存儲介質(zhì)類型、最優(yōu)功率和容量［11-13］。當(dāng)單一類型的儲能介質(zhì)不滿足其應(yīng)用需求時，可采用能量密度和功率密度特性互補的多種儲能介質(zhì)構(gòu)成混合儲能介質(zhì)。電池+超級電容即為其中1種常用組合，能夠發(fā)揮電池能量密度高及超級電容功率密度高、響應(yīng)速度快、循環(huán)壽命長的優(yōu)勢，有效提高儲能裝置的經(jīng)濟性。

采用協(xié)調(diào)控制策略進行電池與超級電容間的有功功率分配，電池跟蹤長時慢變分量，超級電容平抑短時快變分量［14-15］。混合儲能介質(zhì)功率協(xié)調(diào)控制流程見圖8，首先通過低通濾波提取P5OV的低頻分量和高頻分量，分配電池與超級電容的初始功率值；然后基于電池充放電狀態(tài)調(diào)整濾波時間常數(shù)，發(fā)揮互補優(yōu)勢，優(yōu)化整體調(diào)節(jié)能力；再根據(jù)過充過放保護分析結(jié)果，調(diào)整功率分配值；接著判別各介質(zhì)分配的功率是否越限，若電池或超級電容存在越限，則由另外1種介質(zhì)在允許范圍內(nèi)協(xié)同分擔(dān)，最終確定電池功率參考值PBT和超級電容功率參考值PSC。

圖8 混合儲能介質(zhì)功率協(xié)調(diào)控制流程

4 仿真分析

4.1 仿真條件

為驗證再生制動能量復(fù)合利用系統(tǒng)能量管理及控制策略的有效性和正確性，按照圖1所示系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)搭建仿真模型，以在某線路相鄰兩牽引變電所實測的24 h功率數(shù)據(jù)為依據(jù)進行仿真分析，其牽引供電系統(tǒng)、雙向變流器子系統(tǒng)、儲能子系統(tǒng)的仿真參數(shù)見表2。

表2 系統(tǒng)仿真參數(shù)

4.2 仿真結(jié)果

基于24 h實測數(shù)據(jù)的復(fù)合利用仿真結(jié)果見圖9、圖10。由圖9可見，與復(fù)合利用前相比，1#和2#牽引變電所的再生功率幅值及時間分布均較大幅度減小，牽引功率一定程度降低，再生制動能量得到有效利用。由圖10可見，依據(jù)2個牽引變電所的工況，雙向變流子系統(tǒng)和儲能子系統(tǒng)均在額定限值范圍內(nèi)，動態(tài)調(diào)控各端口功率潮流，且按照儲能介質(zhì)實時SOC及其上下限約束，實現(xiàn)雙向變流子系統(tǒng)左右兩側(cè)交流端口和儲能子系統(tǒng)直流端口間功率的協(xié)同控制，與預(yù)定控制策略相符。

圖9 利用前后2個牽引變電所日有功功率趨勢對比

圖10 相關(guān)子系統(tǒng)日有功功率趨勢及儲能介質(zhì)日SOC趨勢

復(fù)合利用前后2個牽引變電所的正向電量、反向電量及儲能子系統(tǒng)的存儲電量等數(shù)據(jù)測算對比分析見表3。包括2個牽引變電所反向電量減少量21 671 kW·h和儲能子系統(tǒng)電能減少量117 kW·h，再生制動能量復(fù)合利用系統(tǒng)共計利用再生電能21 788 kW·h?？鄢芰哭D(zhuǎn)換損耗后，2個牽引變電所共計減少牽引用電20 699 kW·h。

表3 復(fù)合利用前后對比分析 kW·h

4.2.1 節(jié)能率分析

將2個牽引變電所作為1個整體，依據(jù)其正向電量變化及GB/T 13234—2018《用能單位節(jié)能量計算方法》［16］，分析得出由再生制動能量復(fù)合利用系統(tǒng)實現(xiàn)的總體節(jié)能率ε為：

式中：ES為復(fù)合利用后2個牽引變電所正向電量合計減少值，取值20 699 kW·h；EB為復(fù)合利用前2個牽引變電所正向電量合計值，取值444 530 kW·h。同理，參照式（5）可計算出1#和2#牽引變電所的節(jié)能率分別為4.25%和5.06%。

4.2.2 利用率分析

將2個牽引變電所作為1個整體，依據(jù)其反向電量變化，分析得出再生制動能量總體利用率η為：式中：E1為復(fù)合利用后2個牽引變電所反向電量合計減少值，取值21 671 kW·h；E2為復(fù)合利用前2個牽引變電所反向電量合計值，取值30 552 kW·h。同理，參照式（6）可計算出1#和2#牽引變電所的再生制動能量利用率分別為69.53%和73.09%。

更進一步分析不同利用方式對利用率的影響。將2個牽引變電所反向電量合計減少量21 671 kW·h按照轉(zhuǎn)移和存儲利用分類，測算得出通過轉(zhuǎn)移方式利用16 162 kW·h、占比74.58%，通過存儲方式利用5 509 kW·h、占比25.42%。因此，若僅采用變電所所間轉(zhuǎn)移利用，利用率為52.90%；采用復(fù)合利用方式時，利用率為70.93%，較轉(zhuǎn)移利用方式提升18.03%，增幅較為顯著。

5 結(jié)論

提高交流電氣化鐵路再生電能綜合利用率、降低牽引供電能源消耗，是實現(xiàn)鐵路節(jié)能節(jié)支和綠色發(fā)展的重要舉措。研究1種交流電氣化鐵路相鄰變電所間再生制動能量復(fù)合利用系統(tǒng)，提出利用優(yōu)先排序的能量管理與控制策略，并通過現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)對節(jié)能效果進行仿真分析，得出如下結(jié)論：

（1）制定的能量管理與控制策略能夠根據(jù)牽引變電所及儲能子系統(tǒng)狀態(tài)，準(zhǔn)確完成各種運行模式的選擇與切換，并按照預(yù)定優(yōu)先級有效協(xié)同控制再生制動能量在牽引變電所間轉(zhuǎn)移利用和存儲利用。

（2）在相鄰牽引變電所間轉(zhuǎn)移利用基礎(chǔ)上，系統(tǒng)增設(shè)可被兩側(cè)牽引變電所共享的存儲利用，能夠進一步提高再生制動能量利用率，降低2個牽引變電所正向牽引用電量。

交流電氣化鐵路再生制動能量復(fù)合利用技術(shù)能夠較好地實現(xiàn)能量的轉(zhuǎn)移和存儲，而其保護方案設(shè)計及各子系統(tǒng)的最優(yōu)化配置等問題將是下一步的研究方向。