交流电气化铁路相邻变电所间再生制动能量复合利用技术

吕顺凯

（株洲中车时代电气股份有限公司供电系统事业部，湖南 株洲 412001）

0 引言

截至2021年底，全国铁路营业里程达到15万km，电气化率73.3%，总耗电量超800亿kW·h［1］。《铁路“十三五”发展规划》提出“采取铁路综合节能与效能管理措施，发展先进适用的节能减排技术，加强再生制动能量利用技术和能耗综合管理系统研究，进一步降低铁路能耗水平”［2］。

关于如何高效利用大功率交流传动电力机车与高速动车组产生的再生制动能量［3］，当前研究主要集中在3个方面：行车优化、转移利用、存储利用。行车优化无须新增设备，但受供电区间限制，作用范围有限，且一定程度影响运营管理灵活性，难以普遍应用［4］；与10 kV贯通线等其他转移利用方案相比，相邻变电所间转移利用优势明显，节能效果较为显著，典型示范工程正在运用考核［5-6］；近年来，随着储能技术的进步和储能产业规模的快速发展，存储利用成本逐年下降，投资回收期大幅缩短，已初步具备在交流电气化铁路应用的经济性［7-9］。为进一步提高再生制动能量利用率，基于能量转移和储能技术融合，目前已有学者提出10 kV转移利用+储能利用方案［10］，但对于相邻变电所间转移利用+储能利用方案未见相关文献研究。

为此，提出1种交流电气化铁路相邻牵引变电所间再生制动能量复合利用技术，分析系统构成及其工作原理，研究能量管理方案和控制策略，并结合现场实测数据对节能效果进行仿真验证。

1 再生制动能量复合利用系统构成及工作原理

1.1 系统构成

再生制动能量复合利用系统主要由变电所采集单元、双向变流子系统、储能子系统、控制单元、保护单元等构成（见图1）。系统采用分布式设计，2个牵引变电所各设置1台变电所采集单元，分区所安装双向变流子系统、储能子系统、控制单元、保护单元等主体设备。各项设备的主要功能为：

图1 再生制动能量复合利用系统构成

（1）变电所采集单元实时检测2个牵引变电所牵引变压器高压和低压侧的电压与电流信号，计算获取有功功率等电气参数，并通过有线或无线通信专网传输至控制单元，用于再生制动能量复合利用控制。

（2）双向变流子系统主要由高压开关、变压器、单相交-直-交四象限变流器机组等构成，交流端口并联接入两侧牵引变电所的27.5 kV馈线电源，同时在直流端口接入储能子系统，兼顾两侧牵引变电所再生制动能量的转移和存储利用。

（3）储能子系统由双向DC/DC变流器机组和储能介质等构成，DC/DC变流器控制再生制动能量在储能介质中的存储和释放，储能介质可选择高倍率锂电池、飞轮或超级电容等。

（4）控制单元依据2个牵引变电所的实时功率和储能介质的荷电状态（State of Charge，SOC）等信息，按照预定控制策略，智能选择和切换系统工作模式，协同控制各端口功率潮流，最大化利用再生制动能量。

（5）保护单元实时监测系统各子部件的运行状态，采用设备健康管理技术和多级保护机制，实现全方位故障导向安全，确保再生制动能量复合利用系统和既有牵引供电系统运行安全。

1.2 工作原理

接入再生制动能量复合利用系统后，包含既有牵引供电系统在内的功率潮流见图2，其中PL和PR分别为1#和2#牵引变电所供电区间内全部机车负荷有功功率之和，以从牵引供电系统取能为功率正方向；P1和P2分别为1#和2#牵引变电所的总有功功率，以从电网取能为功率正方向；P3和P4分别为双向变流子系统左侧和右侧输出有功功率，以向牵引供电系统输出为功率正方向；P5为储能子系统充放电功率，以放电为功率正方向。

图2 再生制动能量复合利用系统功率潮流

暂不考虑功率传输损耗，按照供需平衡原则可知，图2中各处功率间的关系为：

以1#牵引变电所为例（2#牵引变电所同理）分析复合利用工作原理，具体如下：

（1）当1#牵引变电所负荷总功率PL为正值时，再生制动能量复合利用系统实时转移来自2#牵引变电所同时刻的再生电能，且/或由储能介质释放前期存储的再生电能，向1#牵引变电所输出正值功率P3，1#牵引变电所由电网获取的总有功功率P1相应减少，减少电表计量的正向电量。

（2）当1#牵引变电所负荷总功率PL为负值时，再生制动能量复合利用系统向2#牵引变电所实时转移该所同时刻牵引所需能量，且/或由储能介质吸收再生电

通过表1分析可知，各种工作模式的特点分别为： 能，从1#牵引变电所输入负值功率P3，1#牵引变电所向电网回馈的总有功功率P1相应减少，实现再生制动能量实时转移利用和/或存储待利用。

2 能量管理方案

2.1 能量管理策略

为有效提升再生制动能量在牵引供电系统内部的直接利用率和总体利用率，设计优先级排序的动态能量管理策略。根据各牵引变电所牵引负荷功率需求与再生制动能量回馈情况，计及储能介质SOC，对再生制动能量复合利用系统2个交流和1个直流端口的功率潮流进行实时协同控制。考虑利用优先级的能量管理策略说明如下：

（1）将单个牵引变电所供电范围内全部负荷的有功功率进行代数和归一化处理，确保再生制动能量首先在本所内部利用。即当且仅当牵引变电所高压进线计量侧测得的三相总有功功率之和小于0时，才认为该所存在可对外利用的再生制动能量，方可进行所间转移或存储。

（2）牵引变电所可对外利用的再生制动能量优先通过双向变流子系统，实时转移至相邻变电所，被牵引负荷消纳。所间转移有功功率既不大于该所的再生功率，也不大于相邻变电所的牵引所需功率。

（3）将相邻牵引变电所间转移利用后剩余的再生制动能量同步存入储能子系统，待牵引利用。

（4）如果再生制动能量还有盈余，盈余能量经牵引变压器回馈公共电网。

2.2 系统工作模式

为实现再生制动能量高效复合利用，控制单元需准确识别系统运行模式并实现不同模式间的快速转换。暂不考虑各子系统额定功率及储能介质容量等约束，依据1#牵引变电所的总有功功率P1、2#牵引变电所的总有功功率P2、储能介质实时SOC、SOC上限SOCmax、SOC下限SOCmin等判据和约束条件，划分了23种工况。再生制动能量复合利用系统运行模式对应划分为4种：待机模式；转移工作模式；储能工作模式；转移+储能工作模式。将4种运行模式与对应各种工况条件及各端口相应功率潮流控制进行整理见表1。（1）待机模式下，双向变流子系统与储能子系统均空闲，再生制动能量复合利用系统与2个变电所之间无能量流动。

表1 系统运行模式识别与功率潮流控制

（2）转移工作模式下，双向变流子系统工作，储能子系统空闲，再生制动能量复合利用系统将某变电所的再生制动能量转移至相邻变电所实时利用。

（3）储能工作模式下，双向变流子系统单侧或双侧同时工作，储能子系统工作，再生制动能量复合利用系统依据1#和2#牵引变电所的负荷情况，存储或释放再生制动能量。

（4）转移+储能工作模式下，双向变流子系统与储能子系统均工作，再生制动能量复合利用系统将某牵引变电所的再生制动能量转移至相邻牵引变电所实时利用，同步存储或释放再生制动能量。

2.3 典型工况分析

选取系统4种运行模式下各1例典型工况进行分析，相应功率潮流见图3。

图3 系统4种运行模式下的典型工况潮流

（1）工况4条件下，1#和2#牵引变电所均处于牵引用电状态，储能介质SOC低于下限值。系统处于待机模式，1#和2#牵引变电所的牵引用电全部由电网提供。

（2）工况8条件下，1#牵引变电所处于再生回馈状态，2#牵引变电所处于牵引用电状态，1#牵引变电所再生功率小于2#牵引变电所牵引功率，储能介质SOC低于下限值。系统处于转移工作模式，将再生制动能量由1#牵引变电所向2#牵引变电所转移利用。

（3）工况16条件下，1#和2#牵引变电所均处于再生回馈状态，储能介质SOC低于上限值。系统处于储能工作模式，将1#和2#牵引变电所的再生制动能量存储回收利用。

（4）工况20条件下，1#牵引变电所处于再生回馈状态，2#牵引变电所处于牵引用电状态，1#牵引变电所再生功率大于2#牵引变电所牵引功率，储能介质SOC小于上限值。系统处于转移+储能工作模式，将再生制动能量由1#牵引变电所向2#牵引变电所转移利用，同时将1#牵引变电所剩余再生制动能量同步存储回收利用。

3 控制策略

考虑到再生制动能量复合利用系统需多端口协同工作，且功率潮流复杂多变，提出主从控制架构和分层控制策略（见图4）。其中，主控单元属于系统级控制层，检测1#牵引变电所采集单元、2#牵引变电所采集单元和储能介质SOC等内外部信息，经逻辑处理后下发功率指令至各从控单元；从控单元属于变流器级控制层，包括双向变流子系统从控单元和储能子系统从控单元2部分，分别控制交-直-交变流器和储能变流器；主从控制单元之间协同工作，确保复合利用控制策略正确执行。

图4 再生制动能量复合利用系统主从架构及分层控制策略

3.1 系统级控制策略

系统级控制层包括功率及状态检测、子系统额定参数设定和子系统参考功率输出3部分，功率及状态检测、子系统额定参数设定为输入量，子系统参考功率输出为输出量。系统级控制策略见图5，其中P3OV和P3SV分别为双向变流子系统左侧交流端口功率参考值和限定值，P4OV和P4SV分别为双向变流子系统右侧交流端口功率参考值和限定值，P5OV和P5SV分别为储能子系统直流端口功率参考值和限定值。投入前，依据子系统额定参数预先设置各端口功率输出限定值及储能子系统的SOCmax和SOCmin；投入后，主控单元实时检测1#和2#牵引变电所的功率及储能介质SOC等信息，选择再生制动能量复合利用系统工作模式，并根据表1中的功率潮流控制计算得出各端口功率输出初始值，再与各端口限定值进行比较，取较小值，各端口输出参考值均需满足小于等于限定值的条件约束。

图5 系统级控制策略

3.2 变流器级控制策略

3.2.1 双向变流子系统控制策略

双向变流子系统通过直流母线与储能子系统变流器连接，为保证各种工作模式下多端口功率控制的稳定性，需通过双向变流子系统两侧变流器的协同控制，共同保证直流母线电压稳定。交-直-交变流器控制策略见图6，其中UL和UR分别为左侧和右侧交流端口电压有效值；IL和IR分别为左侧和右侧交流端口输出电流有效值；Udc为直流母线电压。通过锁相环（Phase Locked Loop，PLL）与电量计算，双向变流子系统从控单元获取交流端口控制量的正交分量，再经Park坐标变换转换为dq坐标分量，经电压电流双环控制处理后，进行Park反变换，输出PWM脉冲至交-直-交变流器。

图6 交-直-交变流器控制策略

3.2.2 储能子系统控制策略

由于直流母线电压已由双向变流子系统变流器控制，因此储能子系统变流器采用功率外环电流内环控制策略。储能变流器控制策略见图7，其中UES和IES分别为储能介质的电压和电流。储能子系统从控单元接收主控单元发送的功率参考值P5OV，根据UES计算得到对应的充放电电流参考值，并控制IES跟踪指令参考值，实现储能变流器充放电控制。

图7 储能变流器控制策略

电气化铁路再生制动能量大，峰值功率高，波动性强。工程应用时应对需存储利用的再生电能功率幅值和持续时长进行详细统计分析，全面掌握再生制动能量的特性，并以全生命周期净收益最大化为目标进行测算分析，选取存储介质类型、最优功率和容量［11-13］。当单一类型的储能介质不满足其应用需求时，可采用能量密度和功率密度特性互补的多种储能介质构成混合储能介质。电池+超级电容即为其中1种常用组合，能够发挥电池能量密度高及超级电容功率密度高、响应速度快、循环寿命长的优势，有效提高储能装置的经济性。

采用协调控制策略进行电池与超级电容间的有功功率分配，电池跟踪长时慢变分量，超级电容平抑短时快变分量［14-15］。混合储能介质功率协调控制流程见图8，首先通过低通滤波提取P5OV的低频分量和高频分量，分配电池与超级电容的初始功率值；然后基于电池充放电状态调整滤波时间常数，发挥互补优势，优化整体调节能力；再根据过充过放保护分析结果，调整功率分配值；接着判别各介质分配的功率是否越限，若电池或超级电容存在越限，则由另外1种介质在允许范围内协同分担，最终确定电池功率参考值PBT和超级电容功率参考值PSC。

图8 混合储能介质功率协调控制流程

4 仿真分析

4.1 仿真条件

为验证再生制动能量复合利用系统能量管理及控制策略的有效性和正确性，按照图1所示系统拓扑结构搭建仿真模型，以在某线路相邻两牵引变电所实测的24 h功率数据为依据进行仿真分析，其牵引供电系统、双向变流器子系统、储能子系统的仿真参数见表2。

表2 系统仿真参数

4.2 仿真结果

基于24 h实测数据的复合利用仿真结果见图9、图10。由图9可见，与复合利用前相比，1#和2#牵引变电所的再生功率幅值及时间分布均较大幅度减小，牵引功率一定程度降低，再生制动能量得到有效利用。由图10可见，依据2个牵引变电所的工况，双向变流子系统和储能子系统均在额定限值范围内，动态调控各端口功率潮流，且按照储能介质实时SOC及其上下限约束，实现双向变流子系统左右两侧交流端口和储能子系统直流端口间功率的协同控制，与预定控制策略相符。

图9 利用前后2个牵引变电所日有功功率趋势对比

图10 相关子系统日有功功率趋势及储能介质日SOC趋势

复合利用前后2个牵引变电所的正向电量、反向电量及储能子系统的存储电量等数据测算对比分析见表3。包括2个牵引变电所反向电量减少量21 671 kW·h和储能子系统电能减少量117 kW·h，再生制动能量复合利用系统共计利用再生电能21 788 kW·h。扣除能量转换损耗后，2个牵引变电所共计减少牵引用电20 699 kW·h。

表3 复合利用前后对比分析 kW·h

4.2.1 节能率分析

将2个牵引变电所作为1个整体，依据其正向电量变化及GB/T 13234—2018《用能单位节能量计算方法》［16］，分析得出由再生制动能量复合利用系统实现的总体节能率ε为：

式中：ES为复合利用后2个牵引变电所正向电量合计减少值，取值20 699 kW·h；EB为复合利用前2个牵引变电所正向电量合计值，取值444 530 kW·h。同理，参照式（5）可计算出1#和2#牵引变电所的节能率分别为4.25%和5.06%。

4.2.2 利用率分析

将2个牵引变电所作为1个整体，依据其反向电量变化，分析得出再生制动能量总体利用率η为：式中：E1为复合利用后2个牵引变电所反向电量合计减少值，取值21 671 kW·h；E2为复合利用前2个牵引变电所反向电量合计值，取值30 552 kW·h。同理，参照式（6）可计算出1#和2#牵引变电所的再生制动能量利用率分别为69.53%和73.09%。

更进一步分析不同利用方式对利用率的影响。将2个牵引变电所反向电量合计减少量21 671 kW·h按照转移和存储利用分类，测算得出通过转移方式利用16 162 kW·h、占比74.58%，通过存储方式利用5 509 kW·h、占比25.42%。因此，若仅采用变电所所间转移利用，利用率为52.90%；采用复合利用方式时，利用率为70.93%，较转移利用方式提升18.03%，增幅较为显著。

5 结论

提高交流电气化铁路再生电能综合利用率、降低牵引供电能源消耗，是实现铁路节能节支和绿色发展的重要举措。研究1种交流电气化铁路相邻变电所间再生制动能量复合利用系统，提出利用优先排序的能量管理与控制策略，并通过现场实测数据对节能效果进行仿真分析，得出如下结论：

（1）制定的能量管理与控制策略能够根据牵引变电所及储能子系统状态，准确完成各种运行模式的选择与切换，并按照预定优先级有效协同控制再生制动能量在牵引变电所间转移利用和存储利用。

（2）在相邻牵引变电所间转移利用基础上，系统增设可被两侧牵引变电所共享的存储利用，能够进一步提高再生制动能量利用率，降低2个牵引变电所正向牵引用电量。

交流电气化铁路再生制动能量复合利用技术能够较好地实现能量的转移和存储，而其保护方案设计及各子系统的最优化配置等问题将是下一步的研究方向。