一种考虑山区路段牵引网电压波动及谐波治理的车载储能型解决方案

陈剑箫，王英,2，陈小强,2，贺彦强，李琪瑶

(1.兰州交通大学 自动化与电气工程学院，甘肃 兰州730070；2.兰州交通大学 光电技术与智能控制教育部重点实验室，甘肃 兰州730070)

近年来，我国电气化铁路向着高速化、重载化方向发展，牵引负荷大功率、高密度的运行特性不断影响牵引网电压。且随着高速铁路运行范围不断扩大，多条铁路线路开设在山区路段，保证该特殊路段牵引网电压稳定是高速列车行车安全可靠的必要条件[1]。然而，因山区路段外部电源供电线路较长、线路空载电压高等原因，其牵引供电系统保持牵引网电压稳定的供电能力较为薄弱[2]，我国大量山区线路存在坡度超过6‰，长度超过8 km；坡度超过12‰，长度5 km以上或坡度超过20‰，长度2 km的长大坡道路段。部分复杂艰险山区铁路线路坡度已超过20‰，如川藏铁路为克服巨大高程障碍，设计坡度已达到30‰[3]。目前国内外学者围绕电气化铁路牵引网电压稳定展开了广泛研究。当列车运行于山区路段，可能产生因列车运行工况带来的牵引网电压抬升与降落[3]及谐波电流注入导致的牵引网谐振过电压[4]。针对列车处于该特殊路段因列车运行工况带来的牵引网电压波动，王争鸣[5]提出可采用提高牵引变电所端电压或通过调度进行区段内限车等措施来解决上坡段列车需求功率大及列车过分相后全功率加速带来的牵引网压降低问题。对于下坡段列车产生大量再生制动能量致使牵引网压升高的问题，目前行车产生的再生制动能量多回馈至公用电网或被同一供电臂处于非再生制动工况的列车消耗[6−7]，但该方案不能使得再生制动能量得到有效利用。针对列车运行过程中因谐波电流注入引起牵引网谐振过电压，HU等[8]通过在牵引网侧加装LC滤波器及高通滤波器来滤除特定次谐波；王跃等[9]通过牵引变电所降压变压器加装有源滤波装置来治理谐波电流注入引起的牵引网谐振过电压。伴随近些年电气化铁路节能增效的发展趋势，国内外学者在储能系统接入电气化铁路牵引供电系统用以列车运行中的再生制动能量回收及电能质量改善的方面展开广泛研究[10−13]。目前接入牵引供电系统的储能方式主要分为牵引网侧储能型及车载储能型。将储能设备置于牵引变电所并与铁路功率调节器结合[14]，回收再生制动能量、补偿负序电流[15−16]以改善牵引网电能质量的牵引网侧储能型研究较多。目前，针对车载储能型应用于高速铁路的研究重点主要在牵引供电系统无电区域的安全行驶和列车运行过程中“牵引网−蓄电池”系统的能量管理策略研究[17−19]。考虑山区路段牵引网电压稳定，计及牵引网侧谐波治理的车载储能型解决方案研究较少。基于此，本文提出一种改善山区路段牵引网电压波动并考虑牵引网谐波电流抑制的车载储能接入牵引供电系统的解决方案。首先，提出了考虑山区路段牵引网电压波动的车载储能系统拓扑，并对车载储能系统工作状态展开分析。阐释该区段电压波动的机理，并对基于车载储能系统的补偿原理进行研究；其次，研究基于多重化准比例谐振控制的牵引网谐波电流抑制方法；并根据控制目标对车载储能系统中变流器的控制策略展开研究；最后，根据仿真测试分析，验证本文所给出解决方案的有效性。

1 考虑牵引网电压波动的车载储能系统拓扑

1.1 车载储能系统拓扑结构

如图1所示，传统的牵引供电系统主要由牵引变电所、牵引接触网、受电弓、动车组等构成。牵引变电所接入220 kV公共电网，引出27.5 kV/50 Hz单相电为牵引接触网供电，高速列车通过车顶受电弓从接触网滑动取流来获得行车动力。

图1 考虑牵引网电压波动的车载储能系统拓扑Fig.1 Topology of onboard energy storage system considering voltage fluctuation of traction network

对于传统的牵引供电系统，牵引网输出有功电流供列车取流，同时列车牵引变流器会向牵引网注入谐波电流。列车运行过程中，牵引网电压是否稳定受多种因素影响，本文主要考虑以下问题：因列车运行工况带来的牵引网电压抬升与降落，以及由特定次谐波电流注入牵引网引起的谐振过电压。

基于此提出的车载储能系统拓扑如图1所示。图1中，储能系统具体方案为将储能介质经变流器、DC/DC变换器接入车载牵引变压器二次侧，主要考虑将列车制动产生的再生制动能量直接存储在车内，并在下一次上坡、加速等工况下释放；同时利用储能系统输出谐波补偿电流以消除牵引网侧谐波电流。考虑到车载储能介质的使用寿命、安全性能、低温性能、能量密度等指标，选择锂电池作为系统的储能介质。目前锂电池能量密度可达300 Wh/kg[22]，能够满足山区路段的储能需求，且锂电池技术发展迅速，其能量密度势必得到提升，装车质量也会随之降低。由于本文重点在于储能系统接入后对其改善电压波动的策略方面的研究，因此该部分内容不再详细展开。

1.2 车载储能接入牵引供电系统的工作状态分析

针对图1提出的拓扑，首先对车载储能接入牵引供电系统的工作状态进行分析。

设PM为列车电机侧牵引功率，P0为列车惰性运行时牵引功率。根据PM对列车的运行状态进行如下规定。

1)PM>P0：列车处于牵引工况；2)0

图1 中，当加入车载储能系统后，为防止储能介质过充或过放，规定储能介质荷电状态SOC(State of Charge)上下限阈值分别为SOCup和SOClo。

根据列车当前运行状态及储能介质SOC对车载储能系统的工作状态进行划分，如图2所示，主要有以下5种典型工作状态，其中待机状态车载储能系统不工作。

图2 车载储能系统工作状态Fig.2 Working state of on-board energy storage system

1)制动能量回收状态

制动工况下PM<0，若储能介质SOC

2)牵引功率补偿状态

此时牵引功率PM>P0，列车处于爬坡工况或加速工况，若储能介质SOC>SOClo，储能系统进行放电，为列车运行提供部分牵引功率，减少牵引网出力。

3)有源滤波状态

此时牵引功率PM<0且SOC≥SOCup，列车处于制动工况，但由于储能介质SOC已达到阈值，不再进行制动能量回收，该工况下列车向牵引网反送的电流中含有大量谐波电流，易造成牵引网侧电能质量恶化，故此时储能系统工作在有源滤波状态，实现谐波抑制。

4)谐波吸收状态

当PM>P0且SOC≤SOClo，储能介质SOC达到下限值，不再输出有功功率进行网侧功率补偿，储能系统工作在网侧谐波吸收状态，降低牵引网谐波含量。

2 考虑牵引网压波动的车载储能系统补偿原理

2.1 山区路段列车运行特性引起牵引网电压波动

列车运行过程中，根据列车牵引变流器的瞬态电流控制策略[20]，牵引网侧目标电流为：

此外，列车运行过程中列车牵引异步电机负载转矩表示[20]为：

式中：W0为列车运行过程所受基本阻力；Wp为坡道附加阻力；d表示动车组车轮直径；N表示牵引电机数量；α为牵引电机传动比；ηGear为牵引电机传动效率。

由式(1)及式(2)可知，当列车运行于上坡或加速工况，负载转矩增大，直流侧输出功率Pd增大；下坡区段牵引电机反转，负载转矩为负值，Pd<0。根据式(2)可知，若牵引变流器直流侧电压ud保持恒定，随直流侧功率增大，I*netp随之增大，牵引网电压下降；下坡时Pd<0，列车向牵引网返送电能，牵引网电压抬升。

如加入车载储能系统，可设储能系统放电时Pbattery为正值，充电时为负值。若忽略各变流器间的传输损耗，则储能系统接入后I*netp可近似表示为：

因此储能系统接入后，可通过补偿有功功率，改善因列车工况导致的牵引网电压抬升与降落。

2.2 特定次谐波注入引起牵引网谐振过电压

当列车注入牵引网的某频率的谐波电流与牵引网谐振频率匹配，易造成车网谐振，引发牵引网谐振过电压。图3为牵引网T型等效电路[21]，将列车视为电流源IT，ZS为变电所等效阻抗，ZN1，ZN2为牵引网电气参数。

图3 牵引网T型等效电路Fig.3 Traction network type T equivalent circuit

式中：Z0，Y0分别为牵引网单位长度阻抗及导纳参数；D1，D2分别为动车组距离牵引变电所S和分区所P的距离；D为牵引网总长度。

由式(4)可知，当Zq=∞时牵引网发生谐振，故谐振条件为[21]：

此时牵引网谐振频率为：

式中：LS为牵引变电所等值电感；C0为接触网等值电容。

图3 中，若列车所等效电流源向牵引网注入与该谐振频率一致的谐波电流，此时构成谐振电路，易造成列车所在位置牵引网电压抬升。如能实现特定次谐波电流消除，即可减少谐振事故发生。图1中，本文拟通过储能系统输出补偿电流ish，实现消除牵引网谐波电流，从而抑制谐振过电压发生。

3 基于车载储能的牵引网谐波抑制

提出的基于车载储能系统进行牵引网特定次谐波电流消除原理具体如图4所示，由前分析可知，列车行驶过程中，牵引变流器产生某频率谐波inh注入牵引网，则牵引网侧谐波电流为ineth。考虑通过储能系统输出补偿电流ish实现牵引变流器交流侧谐波电流inh补偿，若使ish+inh=0可使牵引变流器不再向牵引网注入谐波电流。图4中，为实现储能系统抑制牵引网侧谐波的目的，重点在于对谐波电流的提取，并通过变流器控制策略实现对指令电流的无差跟踪。

图4 牵引网特定次谐波电流消除原理Fig.4 Principle of eliminating harmonic current of specific order in traction network

3.1 谐波电流检测

设牵引变压器二次侧电压为un(t)=Unsin(ωt)，牵引变压器二次侧电流in可写为：

式中：ip为基波电流有功分量；iq为基波电流无功分量。进行傅里叶展开可得：

式中：Ip和Iq分别为基波电流有功分量和无功分量的幅值。具体谐波电流检测原理如图5所示。

图5 单相谐波电流检测原理Fig.5 Principle single-phase harmonic current detection

3.2 谐波电流跟踪控制

准比例谐振控制(Proportional Resonant Con‐trol,PR)可以实现对某频率谐波电流的无静差跟踪。因此，考虑将多个准PR控制器并联，构成多重化准比例谐振控制器(Multiple Proportional Reso‐nance,M-PR)，即可在不同频率处对指令电流进行无差跟踪。

M-PR控制器的传递函数为：

式中：Kpm为比例系数；Krh为谐振系数；h为谐波 次数；ωc为谐振角频率hω0处的截止频率。

4 车载储能系统变流器控制策略研究

针对图1所提出的车载储能拓扑，为分别实现系统有功补偿和谐波补偿的2个控制目标，进一步对储能系统中双向DC/DC和四象限变流器控制策略进行研究。系统拓扑上由于牵引负荷所具有的大功率等特点四象限变流器采用全桥电路拓扑，并选择交错并联双向DC/DC电路以减小开关管器件的电流应力。作为储能介质的锂电池经双向DC/DC与DC/AC连接，通过控制双向DC/DC的工作模式来实现储能的充电和放电。总体电路拓扑如图6所示，图中，L1和L2为直流侧电感，LS为交流侧电感，C1为中间支撑电容，uS为车载牵引变压器二次侧电压，is为储能系统交流侧电流，Udc为支撑电容电压，Ubattery和Ibattery分别为储能介质的电压和电流，IL1和IL2为2电感电流。

设下坡工况列车制动功率为PMzd，爬坡、加速工况下列车牵引功率为PMqy，交直交牵引传动系统传动效率为ηm，则有功传输状态下储能系统目标有功功率为：

谐波补偿模式下由于储能系统仅输出谐波补偿电流，不进行有功补偿，则

图6 中采用电压电流双闭环控制策略对双向DC/DC进行控制。储能介质输出有功电流指令为：

四象限变流器控制采用瞬态直接电流控制，则图6中储能系统有功电流指令为：

图6 储能系统变流器控制策略Fig.6 Control strategy of converter unit in energy storage system

式中：λ为谐波补偿系数。得到四象限变流器交流侧参考电流为：

根据上文分析，采用M-PR控制器进行内环控制实现对目标电流的无静差跟踪，调制信号uab由式(15)计算得到：

5 测试验证与分析

根据图1所提出的系统拓扑图，搭建Matlab/Simulink仿真模型进行验证分析。具体仿真中对象为CRH2型高速列车，因本文仅讨论利用车载储能系统改善牵引网电压波动的有效性，因此取其中一个基本动力单元作为研究对象进行测试验证与分析。

5.1 测试条件

仿真测试模型参数如表1所示。

表1 模型参数Table 1 Model parameters

5.2 模型验证

图7 所示分别为CRH2列车在爬坡及下坡工况下的单个电机电磁转矩、负载转矩以及牵引网侧电压曲线。可以看出，爬坡时负载转矩增大，列车牵引功率增大，牵引网电压出现了一定的降落；下坡工况下牵引电机反转向网侧输入功率，此时牵引网侧输出功率为负值，牵引网电压出现一定程度的抬升，模型仿真结果与文献[20]所述一致，所搭建模型满足实际运行情况。

5.3 测试分析

根据前文所述，储能系统主要通过有功补偿改善列车运行过程中因工况引起的牵引网电压波动，当系统SOC超过充放电阈值，进行牵引网侧谐波电流补偿，从而抑制牵引网谐振过电压的发生。具体的有功补偿及谐波补偿测试与分析结果如下。

5.3.1 有功补偿

1)牵引功率补偿

图8 爬坡工况仿真结果Fig.8 Traction network power under uphill conditions

可以看出接入车载储能系统后，储能系统承担了部分峰值功率，牵引网出力减小，同时牵引网侧电压降落有所改善。

2)制动能量回收

当PM<0，储能系统对列车制动工况产生的制动能量进行回收。图9为储能系统接入前后牵引网输出功率及牵引网电压有效值曲线，储能系统吸收全部制动功率，同时看出牵引网电压抬升情况有所改善，达到了列车在下坡工况再生制动能量回收和牵引网侧电压稳定的目的。

图9 下坡工况仿真结果Fig.9 Traction network power under downhill condition

5.3.2 谐波补偿

1)有源滤波

图10 (a)，10(b)所示为制动工况下网侧电流波形及频谱分析，可看出此时网侧电流发生了畸变，波形THD达到20.56%，在其谐波含量中，低次谐波集中在3，5，7，9和11次等，高次谐波主要分布在45，47，49，51，53和55次，测试结果与文献[3]中一致。对牵引变压器二次侧进行谐波电流检测后，提取出的制动工况下基波电流inp1频谱及谐波电流inh1频谱分别如图10(c)和10(d)所示。谐波电流的频谱分布与图10(b)基本吻合，实现了谐波电流与基波电流提取。

图10 补偿前制动工况网侧电流波形及频谱Fig.10 Traction current waveform and frequency spectrum of the braking condition without compensation

补偿后牵引网侧电流及频谱如图11所示，图中储能系统有源滤波功能启动后，网侧电流畸变得到较大程度改善，电流THD由20.56%降至7.34%，列车运行过程中产生的特定次谐波电流得到消除。

图11 补偿后制动工况网侧电流波形及频谱Fig.11 Traction current waveform and frequency spectrum of the braking condition after compensation

2)谐波吸收

补偿前牵引网侧电流波形及频谱如图12(a)和12(b)所示，牵引工况网侧电流谐波分布与制动工况类似，但含量均有下降。对牵引变压器二次侧进行谐波电流检测，提取出的牵引工况下谐波电流inh2频谱及基波电流inp2频谱如图12(c)和12(d)所示。

图12 补偿前牵引工况网侧电流波形及频谱Fig.12 Traction current waveform and frequency spectrum of the traction condition without compensation

利用储能系统对牵引变压器二次侧谐波进行吸收后，网侧电流波形及频谱如图13所示，可看出网侧电流畸变有明显改善，网侧电流THD由15.72%降至1.79%，可见储能系统接入后实现了对牵引网侧特定次谐波的消除。

图13 补偿后牵引工况网侧电流波形及频谱Fig.13 Traction current waveform and frequency spectrum of the traction condition after compensation

3)谐振过电压抑制

当列车向牵引网注入的某频率谐波电流与牵引网谐振频率一致，列车会与牵引网发生耦合谐振，此时牵引网电压如图14所示，网侧电压发生畸变并出现一定程度的抬升，峰值达到43.4 kV。1.65 s处进行谐波补偿，列车端电压下降至正常值。

图14 牵引网电压变化波形Fig.14 Variation of traction network voltage waveform

综上，本文所提出的方案及控制策略可有效降低因工况导致的牵引网电压波动，实现再生制动能量回收，并针对高速列车牵引网特定次谐波电流进行抑制，有效抑制车网谐振过电压的发生。

6 结论

1)本文所建立的车侧接入储能方案能够达到再生制动能量回收再利用的目的，实现节能增效。

2)所提出的方案能够有效改善山区路段因列车工况引起的牵引网电压波动，保障行车安全。

3)研究的牵引网谐波电流抑制方法，可利用储能系统输出补偿电流对牵引变流器产生的谐波进行消除，降低网侧电流谐波含量，减少谐振过电压的发生。

需要指出的是，对于储能介质容量的配置，与实际线路结合的充放电阈值的最优化和储能设备自身重量对列车可能产生的影响等问题是下一步的研究方向。