基于飞轮储能的牵引变电所能量回收和电能质量综合治理系统的设计

李彦吉，陈 鹰，李祎杨

（1中国铁路北京局集团有限公司唐山供电段，河北 唐山 064000；2河北盾石磁能科技有限责任公司；3石家庄工程职业学院，河北 石家庄 050000）

我国电气化铁路采用交流单相供电方式，是具有鲜明特点的工业用户，冲击性负荷对供电系统的影响一直存在。目前牵引供电系统存在的问题主要有电费支出占比巨大、再生制动能量浪费、电能质量低下、牵引变电所主变压器利用率低等。

牵引负荷波动频繁是牵引供电系统的固有特性，为了满足铁路正常运行需要，牵引变压器设计容量都偏大，造成铁路部门需长期向电力部门多缴纳基本电费；目前电力机车都采用再生制动的方式，列车制动时向电网回馈电能电力部门并不进行计费，未给铁路部门带来任何经济效益，存在电能浪费的情况；由于牵引供电系统采用单相供电，系统长期存在以负序、无功、谐波为主的电能质量问题，影响牵引供电网络及机车的安全稳定运行；由于牵引供电系统两个供电臂相互独立，能量不能交互流动，造成牵引变压器容量利用率非常低。

2011 年，西南交通大学等单位合作研制的同相供电系统在四川眉山牵引变电所进行了试验，试验结果验证了RPC及其结合接触网改造形成的同相供电系统具备对负序、无功和谐波的综合补偿功能；湖南大学于2011年研制了国内首台容量60 kVA的RPC 实验样机，通过搭建高速铁路补偿系统模块实验平台进行验证[1]。

飞轮储能技术是一种利用机械旋转体旋转进行能量存储和释放的物理储能方式，通过自身电机处于电动和发电状态来实现电能和动能的转换，它具有快速响应、高功率输出的优势。如果把飞轮的快速反应能力与牵引供电系统变化剧烈、工况复杂的特点结合起来，将对牵引供电系统产生革命性的影响。

1 问题提出

时刻变化的单相电力机车冲击负荷引发电能质量负序问题，并且直接影响牵引供电系统的经济效益。负荷极值与两部制电价中变压器容量计费和最大需量计费密切相关，它将造成设计阶段变压器容量加大、增加容量电费，并且使得运行中需量极值加大、增加需量电费。因此降低负荷极值具有技术经济兼优的功能：既可以治理负序、降低不良影响，又可以在执行两部制电价中取得效益，即或者降低最大需量取得效益，或者降低主变压器容量进而降低固定容量收费来取得效益[2]。

1.1 负序

负序电流会造成局部金属件温升增高，甚至会导致变压器烧毁；使电动机的温度上升，效率下降，能耗增加，发生振动、输出亏耗等；还会导致用电设备使用寿命缩短、加速设备部件更换频率、增加设备维护的成本[3]。文献[4]针对新投运的电气化铁路对电网电能质量的影响进行了分析、测试，结果表明电气化铁路接入南疆电网的一座220 kV变电站三相电压不平衡超标，主要为负序分量达到4.2%，17 次、19 次谐波电流超标最严重，影响了下游用户的正常供电。

1.2 负荷率和主变压器利用率

表1为北京局集团公司和唐山供电段辖内供电量、负荷率和主变压器利用率2021年11月份的统计数据，从表中可以看出，主变压器的利用率最大为68%、最小为1%，在唐山供电段的唐曹线主变压器利用率仅仅为2%。选型阶段，变压器考虑的裕量偏大。

表1 牵引变电所负荷率和变压器利用率Table 1 Load rate and transformer utilization rate of traction substation

1.3 再生制动能量回馈电网

电力机车工作在再生制动状态下时，会向电力系统回馈电能。再生制动能量回馈电网会加剧两个供电臂负荷不平衡程度，使负序电流的影响更加严重，同时回馈到电网的能量部分不能被牵引供电系统所利用，造成能源的浪费。

据统计，2021 年，北京局集团公司石家庄供电段辖内30个牵引变电所中，高速铁路13个变电所月回馈电能253万kWh，普速铁路17个变电所，月回馈电能261万kWh。山区电气化铁路回馈电能尤为显著，占到总电度数的21%～71%，比如邯长线新固镇变电所月均87 万kWh。按河北省最大需量电价为35元/(kW·月)，容量电价为23.3元/(kVA·月)，工业电度电费按平均0.7元/kWh计，年回馈电能费用4317.6万元。

2 现状分析

2.1 国内外现状

国内外学者在治理牵引供电系统电能质量方向已进行了大量研究，治理方式可分为主动治理和被动治理两类，目前的主动治理对于既有线路不太适用，且新建线路应用后无法完全治理所有电能质量问题。被动治理方式主要分为有源、无源补偿器两类，表2 为目前电气化铁路电能质量治理的主要方法。

表2 电气化铁路电能质量治理方法Table 2 Treatment methods for electric power quality of electrified railway

通过铁路功率调节器(RPC)综合治理电气化铁路电能质量是近些年新的探索，其安装在牵引变压器二次侧，对无功功率、负序和谐波进行综合补偿，受到世界电铁行业青睐。

2.2 现场测试

2020 年6 月2 日至6 月3 日，在邯长线新固镇变电所进行了测试，本次测试采用的仪器为BDC-5 型变电站电能质量监测仪。设备采集点为中控室测控屏，被测电流、电压信号由电流互感器、电压互感器提供。测试的数据包括牵引变电所110 kV 侧进线电压，110 kV 侧进线电流，27.5 kV 侧α 供电臂母线电压、馈线电流，27.5 kV 侧β 供电臂母线电压、馈线电流。

图1 为新固镇变电所2020 年6 月2 日至6 月3 日实时功率曲线示，牵引负荷功率2 天最大值、平均值和最大需量值如表3 所示。

表3 新固镇变电所牵引负荷统计Table 3 Traction load statistics of Xinguzhen substation

图1 新固镇变电所实时功率Fig.1 Real time power of Xinguzhen substation

从新固镇变电所实时功率曲线可看出：再生制动能量非常显著，占到总电度的50%以上；最大需量极值较大，但全天平均值不到极值的3%，最大需量最大值约为极值的一半。

同期测试到的电能质量指标如下：电压不平衡度95%概率值小于2%，满足国家标准要求；电压不平衡度短时超过4%，轻微超标；功率因数在0.98 以上，满足国家标准要求；A相与C 相相电压谐波总畸变率95%概率大值超过2%，轻微超标；馈线电压在25.6～27.8 kV，平均值约27.5 kV。

3 技术方案

从新固镇变电所实测数据来看，需量极值较大造成需量电费剧增，再生制动能量浪费非常严重，并且进一步恶劣了电能质量。

飞轮储能通过自身电机处于电动和发电状态来实现电能和动能的转换，飞轮本体的高速永磁电机结构紧凑、体积小、效率高、允许频繁充放电。可以作为一种新型能源储备方式，与其他储能技术相比，具有快速响应、高功率输出、频繁充放、寿命长、无污染、维护简单等优点[5]。因此“RPC+飞轮储能”的方式更为适合电气化铁路的运行。

3.1 系统整体结构

通过在牵引变电所α 相供电母线和β 相供电母线上安装高压断路器QF1、QF2；在高压断路器QF1、QF2 的出线侧分别安装27.5 kV/900 V 的单相降压变压器；在降压变压器出线侧安装背靠背变流器，两个降压变压器和背靠背变流器共同组成RPC系统；背靠背变流器的中间直流电压为1600 V，并在1400～1800 V 连续可调；在背靠背变流器中间直流母线中通过隔离开关和熔断器安装飞轮储能系统。电气接线示意图如图2所示。

图2 电气接线示意图Fig.2 Electrical wiring diagram

采用背靠背变流机组的优势在于可以将两个相位不同的供电臂并联，实现互联互通，有助于平衡两个供电臂的负荷；另外储能装置通过背靠背变流机组可同时对两个供电臂进行削峰填谷以及能量的吸收再利用，实用性更强，节能效果更好。

在此系统结构中，通过高压断路器QF1、QF2与牵引供电系统进行联接，属于并联接入，具有本质安全特性。当变压器出现过载、短路和非电量保护动作时，当RPC 出现重故障时，当能量管理单元出现死机情况时，继电保护联跳QF1、QF2，使装置整体与牵引供电系统分离，不会对既有系统产生影响。

3.2 各部件功能

系统主要由断路器、隔离开关、避雷器、RPC 系统、飞轮储能系统、能量管理单元等部件构成。

（1） RPC 系统

RPC 系统的作用是将两个相位不同的供电臂实现功率融通，同时为储能装置和牵引供电系统建立能量流动的桥梁。降压变压器将AC27.5 kV降压为900 V，变流器将其变换为DC1600 V，为储能装置建立接入环境；将一侧供电臂的再生制动能量通过RPC 系统转移到另一侧供电臂或向储能装置充电；储能装置的能量可以通过RPC 系统传输至指定供电臂。

（2） 飞轮储能系统

通过飞轮充放电实现对再生制动能量的回收再利用，同时降低变压器输出功率。当线路中有车制动时，飞轮进入充电状态，通过加速旋转将再生电能进行存储；当线路中有车牵引时，飞轮进入放电状态，通过降速将自身储存能量进行释放。设计中采用6 台1500 V 飞轮组成2 MW 的储能系统，技术指标如表4。

表4 单台飞轮储能装置规格参数表Table 4 Specifications and parameters of single flywheel energy storage device

（3） 能量管理单元

能量管理单元可以准确、高效下发指令，协调各子系统能量流动，起到指挥中枢的作用，同时具备监测各设备运行状态并记录、与远动系统通信的功能。通过采集各路馈线的电压、电流来判断线路工况，对系统下发相应控制策略；实现飞轮储能系统连锁保护和自身死机保护，保障整体系统安全运行；监测控制各断路器，监测各个子系统的工作状态并对故障进行记录；实现成套系统与铁路既有远动系统的接入。

（4） 控制保护设备

控制保护设备出现系统装置故障时，执行微机保护相关动作要求，保护外部牵引网正常工作不受影响。

3.3 系统控制逻辑

能量管理单元作为最上层的控制系统，将采集的线路信息进行处理，然后下发执行指令给RPC 和飞轮储能系统，RPC 和飞轮储能系统分别具备各自底层的控制逻辑。

（1） 能量流动

能量流动分为单臂充电、单臂放电、单臂削峰、转移模式、待机模式，在上述五个工况基础上根据飞轮系统的储电量进一步判断细分工况。图3～图6 为不同模式下的能量流动系统简图。

图3 单臂充电Fig.3 Single arm charging

图4 单臂放电Fig.4 Single arm discharge

图5 转移模式Fig.5 Transfer mode

图6 待机模式Fig.6 Standby mode

（2） 控制策略

飞轮储能系统采用了基于直流母线电压的控制逻辑，原理图如图7所示。

图7 飞轮储能控制逻辑原理图Fig.7 Logic schematic diagram of flywheel energy storage control

飞轮储能系统有充电、维持、放电三种工作状态，可根据直流母线电压的高低自动响应充放电动作。

①当母线电压抬高，电压值U>U2+a时，飞轮储能系统处于充电状态，吸收外部电能进行存储，充电的功率随母线电压的升高而增大。

②当母线电压拉低，电压值U

③当母线电压值在牵引网空载电压附近波动时，设定该电压值为飞轮的维持区域[U2-a，U2+a]，飞轮执行维持转速指令，使其荷电状态SOC 值处于一个设定值。

4 应用效果

4.1 电能质量治理情况

基于飞轮储能的牵引变电所能量回收和电能质量综合治理系统于2021 年5 月26 日投运后，对牵引网电能质量起到了很大改善作用。

（1） 电压不平衡度

图8 为新固镇变电所2021 年5 月26 日—6 月2 日三相电压不平衡度趋势图，能量回收和电能质量综合治理系统投运后变电所三相电压不平衡度指标较好，完全符合国家标准要求。

图8 新固镇变电所三相电压不平衡度趋势图Fig.8 Trend chart of three phase voltage unbalance of Xinguzhen Substation

从图9～10中可看出系统未投运时三相电压不平衡度的极大值短时会超过4%，系统投运后，新固镇变电所三相电压不平衡度短时极大值、95%概率值均未超过国家标准限值，改善效果明显。

图9 三相电压不平衡度极大值趋势对比图Fig.9 Trend comparison diagram of three phase voltage unbalance

图10 三相电压不平衡度95%概率值趋势对比图Fig.10 Trend comparison diagram of 95%probability value of three phase voltage unbalance

（2） 电压总谐波畸变率(THD)

根据国家标准《GB/T 14549—1993 电能质量公用电网谐波》，110 kV 公用电网电压总畸变率的95%概率大值应不大于2%。

图11 为新固镇变电所电压总畸变率趋势图，5 月26 日—6 月2 日系统投入后电压总畸变率趋势，电压总畸变率指标较好，完全符合国家标准要求。

图11 新固镇变电所电压总畸变率趋势图Fig.11 Trend chart of total voltage distortion rate of Xinguzhen substation

从图12 可看出，投运系统后新固镇变电所电压总谐波畸变率，不论是极大值、95%概率大值均符合国家标准要求，相比系统未投运时95%概率大值轻微超标有很好的改善。

图12 投入前后电压总谐波畸变率对比Fig.12 Comparison diagram of total harmonic distortion rate of voltage before and after Input

（3） 功率因数

（4） 馈线电压波动

馈线电压的大小直接影响到机车牵引电机的出力和运行速度，一般要求馈线电压在19～31 kV，否则将影响机车正常运行。

由表5 可看出，α 相、β 相电压在系统投入前后指标均符合《铁路技术管理规程》要求，系统投入后使α 相、β 相电压变化范围缩小，飞轮系统通过在列车制动时储能从而抑制牵引网压抬升，列车牵引时释能以补偿牵引网压跌落，对电压波动起到了一定调节作用，供电质量更高。

表5 牵引变电所馈线电压Table 5 Feeder voltage of traction substation

4.2 再生制动能量利用情况

飞轮储能系统通过接收能量管理单元调度指令来工作，当线路有车制动时，飞轮储能系统吸收电能；当线路处于牵引工况时，飞轮储能系统释放电能，其充放电动作与牵引网负荷波动保持一致。

从图13 可以看出，牵引供电系统负荷波动频繁，在负荷波动时飞轮随之进行响应，充放电频繁动作，完全适应牵引供电系统负荷特性；而且会在很短的时间内出现充放电功率频繁转换的工况，此时飞轮亦可以快速响应从满功率充电转到满功率放电；而且在电力机车经过此牵引变电所供电区段过程中，因为转弯或上下坡的线路条件会出现多次加速减速情况，这时飞轮储能尤其可发挥其短时高频次特性，将再生电能进行充分利用。

图13 飞轮储能响应牵引网负荷变化进行充放电Fig.13 Flywheel energy storage responds to load changes for charging and discharging

项目运行期间，采用了多种计量方式相互验证的方法对牵引变电所每日牵引能耗和再生能量进行统计。计量方式包括牵引变电所内进线电度表计量、新增四路馈线电度表计量、综合自动化系统计量、录波仪计量、能量管理单元计量等，通过对比发现各种计量近似相等，并且得到了中国铁路产品质量监督检验中心验证认可。

统计项目运行期间(5 月27 日—6 月2 日)数据，如图14所示，新固镇变电所每日平均牵引电量约为76000 kWh，每日平均制动能量约为15000 kWh。

图14 牵引电能和再生电能对比Fig.14 Comparison diagram of traction electric energy and regenerative electric energy

系统平均每日利用的再生能电量约为2900 kWh，占比平均每日总制动能量的19.3%，如图15。

图15 再生能利用和再生能总量对比Fig.15 Comparison diagram of renewable energy utilization and total renewable energy

同时对比2021 年4 月24 日—4 月30 日系统未投入时牵引总电量，5 月26 日—6 月1 日系统投入期间日平均牵引电量为76326 kWh，4 月24 日—4 月30 日系统未投入期间日平均牵引电量为80627 kWh。投入系统后，每日平均牵引电量较系统投入前减少4301 kWh。

4.3 降低最大需量效果

系统投运后，飞轮储能系统在列车处于牵引工况时辅助变压器对牵引网进行放电，此时对降低牵引变压器最大需量起到一定效果。

图16 为2 MW 飞轮储能装置削峰效果图，当线路有电力机车制动时，飞轮储能装置可以及时响应进行充电；当线路上有负荷牵引时，飞轮储能装置配合牵引变压器释放电能为牵引列车提供能量。系统可以及时获取线路工况信息并正确下发飞轮充放电指令。从图1(b)中可以看出，飞轮储能系统放电时可降低牵引变电所输出功率，具备降低最大需量的能力，增大系统容量可更有效地降低牵引变电所用电成本。

图16 降低最大需量效果Fig.16 Rendering of reducing maximum demand

4.4 两供电臂功率平衡

系统投运后将两个相位不同的供电臂实现并联，使二者间的能量可以互联互通，试验表明系统对两供电臂功率平衡起到明显作用。

从图17 可看出，在系统投运前，两供电臂负荷差值较大，不平衡度较高；在系统投运后，两供电臂负荷差值减小，在2 MW范围内甚至可以使两臂功率相同，达到很好治理负序的效果。系统可以及时追踪牵引网实时工况并下发指令，其实时性、响应速度、调整精度等均适应牵引供电系统特性。

图17 系统投入前后两供电臂功率对比Fig.17 Power comparison diagram of two power supply arms before and after the system is put into operation

从图18可看出，当线路上一个供电臂功率为0另一个供电臂处于制动工况时，此时会将制动供电臂上的能量通过系统转移给负荷为0的供电臂，通过转移前后两供电臂功率对比可看出，转移后两臂功率差值减小，在2 MW范围内功率值相等，在此种工况下起到了很好的两臂功率平衡的作用。

图18 两臂功率平衡效果Fig.18 Rendering of power balance of two power supply arms

从图19可看出，当线路上两个供电臂均为制动工况时，此时会将制动功率在两个供电臂间进行平衡，通过转移前后两供电臂功率对比可看出，转移后两臂功率差值减小，在2 MW 范围内功率值相等，在此种工况下起到了很好的两臂功率平衡的 效果。

图19 两臂功率平衡效果Fig.19 Rendering of power balance of two power supply arms

5 结论

2021年6月3日，牵引变电所能量回收和电能质量综合治理装置研究与开发项目经国家铁路产品质量监督检验中心专业人员现场检测，装置投入后其自身指标及新固镇变电所电能质量指标均符合国家标准要求，全天节电量为2852 kWh，与其他电能质量治理方式经济效益对比如表6。

表6 电能质量治理方法经济效益对比Table 6 Comparison of economic benefits of power quality control methods

牵引变电所能量回收和电能质量综合治理装置是基于飞轮储能和能量转移利用、削峰填谷和电能质量治理的综合性项目，可安装在铁路牵引所、区间所、开闭所，既可以应用在既有线路改造，又可直接应用在新建电气化铁路上。把飞轮的快速反应能力与牵引供电系统短时大负荷、电力机车复杂的运行工况紧密结合起来。吸收再利用机车制动时产生的再生电能，治理电气化铁路中以负序为主的电能质量问题，对电气化铁路节能降耗及电能质量改善具有重要意义。同时，通过将两个相位不同的供电臂进行功率融通提升了牵引变压器容量利用率，增加了供电能力，并可以降低变压器容量选型；通过该系统还可以将两个牵引变电所接触网末端进行融通、支撑接触网末端电压。

项目实施中，飞轮储能系统在降低最大需量上起到了一定的作用，但对比新固镇变电所的最大需量需求仍有很大的差距。如果在直流母线环节增加一组蓄电池，构成“RPC+飞轮储能系统+蓄电池”模式，在牵引变电所最大需量来临时投入蓄电池组瞬时放电(每天1～2次)，将实际最大需量降低到平均水平，这样的电费节约将更为可观。