重載鐵路再生制動能量利用方案研究*

劉華偉 耿安琪 何正友 胡海濤 張宏偉

(1.神華包神鐵路集團有限責任公司 包頭 014010；2.西南交通大學電氣工程學院 成都 611756)

1 引言

2019 年，全國鐵路貨運總發送量完成43.98 億噸，增長7.2%[1]。《中國制造2025》[2]提出：“需要鐵路加強科技創新和自主創新，提高智能、綠色、高端裝備比例，全面提升鐵路裝備現代化水平”。因此，通過新型技術、新裝備實現重載鐵路的節能、節電、增效，提高系統的電能質量等具有重要的理論與實際意義。列車再生制動時優先采用再生制動方式，制動過程會產生大量的再生制動能量[3]。在重載、長大坡道線路或鐵路樞紐站所，列車再生制動能量甚至可達到牽引能量的10%～30%[4]。因此，如何提高重載鐵路的再生制動利用率是實現重載鐵路節能運行的重要因素。

目前再生制動能量的吸收主要分為耗散型、能饋型和儲能型三種[5]。耗散型再生制動能量吸收方式是通過電阻消耗多余的再生制動能量，它結構簡單、實現成本較低，但是會把再生制動能量白白浪費掉。能饋型再生制動能量吸收方式是通過逆變裝置將能量回饋至交流電網供其他用電設備使用，由于電力部門反向正計的計價方式，給鐵路部門帶來了較大的經濟損失。儲能型是指在牽引供電系統中構建儲能裝置接口電路，將動車組產生的多余再生制動能量存儲到相關儲能介質中，并將其供給牽引負荷或其他負荷使用[6-7]。儲能型方案具有削峰填谷、靈活性高等優勢，是近年來研究的熱點[8]。隨著現代儲能技術的發展，儲能技術在電力系統的應用涉及發、輸、配、用各個環節[9-10]。鐵路功率調節器(Railway power conditioner，RPC)能夠對負序、諧波和無功進行就地綜合補償，適用于對高速鐵路的負序和諧波問題進行綜合治理[11]。文獻[12]通過鐵路功率調節器作為儲能系統與牽引供電系統之間的接口，在有效利用再生制動能量的同時，也能夠改善牽引變電所左右功率不平衡的問題。

神朔鐵路屬于重載、山區鐵路，由于線路上、下運行量差距大、長大坡道多，其牽引供電系統中主要面臨以下問題：①再生制動能量利用率低、系統能效低；② 電能質量差、網壓波動大。針對神朔鐵路目前出現的問題，本文從神朔線的新城川牽引變電所、南梁牽引變電所和府谷牽引變電所的實測數據出發，分析其負荷特性，并根據三座變電所負荷的特點設計了基于潮流控制技術的再生制動能量利用方案，并針對該方案的經濟性進行分析，最后得出結論。

2 神朔鐵路線路情況及負荷分析

2.1 線路情況

目前，神朔鐵路運營機車的主力車型為HXD1型9 600 kW 交流傳動機車與SS4 型6 400 kW 直流傳動機車；牽引質量為：大列1 萬 t，小列5 000 t；列車追蹤間隔最短8 min,平均每天約110 對列車，其中約有40%以上交流傳動機車(每天上線21組)。交流傳動機車具有再生制動功能，產生再生制動能量的多少受線路坡度、列車運行狀態的影響，在重載線路和存在長大坡道的線路中尤其豐富。神朔鐵路南梁至府谷區間段屬于典型的重載長大坡道段，海拔落差分別高達342 m 與425 m，區間最大坡度達1.2%。其大致位置如圖1 所示，在該區間段，坡度較大，使得列車在下坡的過程中會產生很多的再生制動能量，因此提高該區間段的再生制動能量利用率會對鐵路的經濟運行產生很大的影響。

神朔鐵路上、下行運量差距大，大量采用V/v變壓器與SS4 型直流傳動機車使其牽引供電系統面臨較為嚴重的問題。

(1) 負序嚴重：神朔鐵路屬于重載鐵路，上、下行運量差距大，而且牽引變電所采用的是V/v 變壓器，使其負序問題比較嚴重。

(2) 諧波含量高：神朔鐵路大量采用SS4 型直流傳動機車，直流傳動機車主要產生3、5、7 次諧波，導致其面臨著嚴重的諧波問題。

(3) 無功功率大、功率因數低：神朔鐵路線上采用的是直流傳動和交流傳動機車混合運行，使得整個系統的功率因數偏低。

(4) 牽引網電壓波動大：神朔鐵路均采用直接供電方式，且重載鐵路的上、下行運量差距大，長大坡道導致機車產生大量的再生制動能量返送給電網，使得變壓器二次側電壓波動劇烈。

圖1 變電所位置示意圖

2.2 負荷分析

為了探明重載鐵路再生制動能量的分布情況，以及電能質量的相關數據，對神朔鐵路的南梁、新城川以及府谷三座牽引變電所進行了測試，測試時間為一天，數據根據IEEE Std1459TM-2010[13]中所定義的有功功率、無功功率、視在功率和功率因數的計算方法進行計算。

2.2.1 再生制動能量測試結果

圖2～4 分別為南梁、新城川和府谷牽引變電所左、右供電臂的一天的功率情況。神朔鐵路屬于重載鐵路，該線路上、下行運量差距很大，導致變電所兩條供電臂上的功率相差很大。

從圖2～4 中可以看出，三座牽引變電所的兩條供電臂在牽引功率和再生功率上都有比較大的差別，由于三座牽引變電所的變壓器均采用V/v 接線方式，而V/v 變壓器屬于一種不平衡變壓器，這就會使牽引變電所三相側產生很大的負序電流，從而惡化了牽引供電系統的電能質量。

圖2 南梁牽引變電所左、右臂功率

圖3 新城川牽引變電所左、右臂功率

圖4 府谷牽引牽引變電所左、右臂功率

根據牽引變電所左、右供電臂的實測功率，可以得到神朔鐵路南梁-府谷區間內三座牽引變電所的三相側、牽引側日返送再生電量，如圖5 所示。在三座牽引變電所的6 條供電臂中，新城川-孤山川供電臂日返送再生電量最多，該供電臂每天產生的再生制動電量為2.08 萬kW·h；新城川牽引變電所相比于其他兩個變電所再生制動能量相對較多，該變電所每天可以向電網返送的電量為2.39 萬kW·h。隨著更多采用再生制動方式制動的交流傳動機車投入運行，該區間每天產生的再生制動能量還會進一步增加。

圖5 南梁-府谷區間再生返送電量分布圖

表1、2 分別是三座牽引變電所110 kV 側、27.5 kV 側再生制動能量的統計情況，根據表中的數據可以看出，三座變電所的再生制動能量最大功率較大，并且單次再生制動產生的電量較大。以新城川牽引變電所為例，圖6a 是新城川牽引變電所兩條供電臂一天內再生制動的功率分布情況，橫坐標為再生制動持續時間，縱坐標為再生制動過程中的平均功率。若定義再生制動能量的持續時間小于200 s 為短時間制動，大于200 s 為長時間制動；定義再生制動能量的制動平均功率大于 1 MW 為大功率制動，小于1 MW 為小功率制動，則新城川變電所的再生制動能量主要集中在短時間小功率區間內。新城川變電所絕大部分再生制動工況的再生制動電量主要集中在400 kW·h 以下，如圖6b 所示。

表1 110 kV 側再生制動能量情況表

表2 27.5 kV 側再生制動能量情況表

圖6 新城川牽引變電所再生制動能量分布情況

2.2.2 電能質量測試結果

由于再生制動能量直接返送給電網，使得牽引變電所的電能質量問題也比較嚴重。以新城川牽引變電所為例，圖7 表示了新城川牽引變電所三相電壓不平衡度的情況；表3 中U1、U2、U0和ub分別代表正序電壓、負序電壓、零序電壓和電壓不平衡度；表4 統計了新城川變電所三相側、牽引側諧波電流的情況。根據圖中以及表中數據顯示，新城川牽引變電所的每一相電壓都有較大的畸變，三相電壓不平衡度最大值為5.51%，三相諧波電流最大值分別為70.4 A、74.23 A 和47.58 A。當然其他兩座變電所也有較為嚴重的電能質量問題，其中南梁牽引變電所三相電壓不平衡度最大值為6.42%，三相諧波電流最大值分別為62.98 A、53.01 A 和41.22 A；府谷牽引變電所三相電壓不平衡度最大值為14.16%。

圖7 新城川牽引變電所三相電壓THD

表3 新城川牽引變電所電壓不平衡度趨勢

表4 新城川牽引變電所諧波電流趨勢

3 技術方案

根據第2 節的實測數據，可以得出南梁至府谷區間段的再生制動能量比較豐富，但是再生制動能量利用率低，且三座牽引變電所的電能質量較差。為了提高再生制動能量利用率，并改善牽引變電所的電能質量，文獻[14]提出一種高速鐵路牽引供電系統儲能方案，左、右供電臂的功率通過RPC 進行平衡，即

式中，Pout為左、右供電臂平衡之后的功率；PL、PR分別為左、右供電臂平衡之前的功率；PESS為儲能系統的功率。

當系統只通過RPC 平衡左右供電臂功率時，式(1)中的PESS等于0。根據該公式和三座牽引變電所的實測數據，可以得到左右供電臂僅通過RPC 平衡之后向牽引變電所三相側返送的總電量。其中，南梁牽引變電所三相側返送的再生制動能量為0.62 萬kW·h，新城川牽引變電所三相側返送的再生制動能量為1.63 萬kW·h，府谷牽引變電所三相側返送的再生制動能量為0.73 萬kW·h。根據計算結果不難發現，新城川變電所在通過RPC 平衡之后，返送的再生制動能量依舊較多，而南梁牽引變電所和府谷牽引變電所在平衡后返送的再生制動能量相對較少。

根據圖5 中各供電臂再生制動能量分布情況，以及圖8 中牽引變電所經過RPC 平衡后的三相側返送再生制動能量來看，新城川牽引變電所的再生制動能量相對較多，因此優先考慮在新城川牽引變電所增加儲能裝置來進一步提升再生制動能量利用率，該方案的拓撲如圖9 所示。由于南梁和府谷牽引變電所處返送的再生制動能量相對較少，因此可以不在這兩處加入儲能裝置，若在資金允許的條件下，也可以增加合適的儲能裝置來進一步提高再生制動能量利用率。本文以只在新城川牽引變電所加入儲能系統為例進行展開。

圖8 牽引變電所經過RPC 平衡后三相側再生制動能量分布圖

由于該方案在三座牽引變電所處都接入了RPC裝置，所以能夠同時實現三座牽引變電所的再生制動能量回收利用、諧波治理、無功治理、負序平衡、負序治理和網壓波動抑制，其中包含了測試區間段的6 條供電臂。

分區所的存在使得各牽引變電所相互獨立，各設備沒有耦合，可以進行自主控制，使得再生制動能量儲存系統的安全性大大提高。后期若因為線路運量增加，需要在南梁和府谷牽引變電所處加入儲能裝置，會使系統的投資成本變高。

圖9 再生制動能量利用方案拓撲圖

4 儲能介質選取

針對神朔鐵路南梁-府谷區間段，其再生制動能量的最大功率較大，且大部分再生制動能量的持續時間比較短，但是每次制動過程產生的電量卻比較大。圖10 為新城川變電所其中一段時間的再生制動功率情況，其中再生制動過程持續227 s，最大再生功率為8.75 MW，再生制動電量為393.538 kW·h。為了能夠最大提高再生制動能量利用率，就需要增大儲能系統的容量和功率，但是增大容量和功率的同時成本也會大幅上升。

圖10 再生制動功率圖

蓄電池的能量密度較大，但是功率密度較小[15]，不能很好地滿足重載鐵路再生制動能量的特性；超級電容容器的功率密度較大，但是能量密度較小，雖然用超級電容器可以滿足再生制動能量的大功率需求，但是由于容量限制，使得其在提升再生制動能量利用率方面不會太理想。結合圖6a、6b，可以看出，單獨使用超級電容器或者蓄電池都無法滿足新城川牽引變電所的再生制動能量特性。

綜上所述，混合儲能系統可以將系統中各個儲能介質的優缺點進行互補，它具有較高的效率和較好的經濟性，與此同時兼具動態性能良好、能量密度和功率密度大的優點[16-17]。蓄電池和超級電容器組成的混合儲能系統，既能夠滿足再生制動能量的功率特點，又能夠滿足再生制動能量的能量特點，并且超級電容器響應速度快、循環壽命高，能夠吸收變化較快的功率，從而有效地提高蓄電池的壽命。

5 經濟性分析

參考文獻[4，18-19]中儲能介質、變流器的成本，可以得到如表5 所示的經濟性參數。方案投資成本主要包括固定成本、研發成本、儲能裝置成本和維護保養成本，為了計算簡便，這里只考慮固定成本和儲能裝置成本。在牽引供電系統中裝設再生制動能量儲能系統的收益包括直接收益和間接收益兩個部分，其中直接收益包括：節省電度電費和附加電費帶來的收益；牽引變壓器容量減緩升級和節省基本電費帶來的收益。本文只考慮直接收益中節省電度電費和基本電費帶來的收益。

其中基本電費的計算方法如式(2)所示，電度電費的計算方法如式(3)所示。

表5 成本參數表

圖11 為超級電容器和蓄電池實時的充放電功率，通過對混合儲能的目標功率進行濾波，然后作為蓄電池的功率，可以使蓄電池功率較為平滑，一方面能夠彌補蓄電池動態性能差的特點，另一方面能夠減少蓄電池日循環次數，從而延長蓄電池的壽命。

圖11 蓄電池和超級電容器功率對比(超級電容器：容量150 kW·h、功率5 MW；蓄電池：容量1 900 kW·h、功率4 MW)

超級電容器與蓄電池的荷電狀態如圖12 所示，為了盡可能地延長蓄電池壽命來提高儲能系統的經濟性，將蓄電池的SoC 波動范圍設定在0.4～0.8 之間，蓄電池在這個范圍內工作，有效地契合了“淺沖淺放”的原則。由于超級電容器屬于功率型儲能元件，能量成本相對較高，為了盡可能地釋放其設定容量，因此將SoC 波動范圍設定在0.15～0.95 之間。根據圖中顯示的結果表明，兩種儲能元件的SoC、功率都在約束的范圍之內。

圖12 蓄電池和超級電容器SoC 對比(超級電容器：容量150 kW·h、功率5 MW；蓄電池：容量1 900 kW·h、功率4 MW)

通過文獻[20]對蓄電池壽命評估的方法，可以大概推算出蓄電池最大的循環壽命為7.5 年。將儲能系統的全壽命周期設定為15 年，由于超級電容器的壽命很長，所以可以假設超級電容器可以工作15年，即在全壽命周期內不用更換。蓄電池由于最大循環壽命的限制，因此需要在全壽命周期內更換一次。

考慮到南梁、新城川、府谷牽引變電所兩臂的負荷特性，RPC 最大功率設定為8 MW。經過計算南梁變電所接入RPC 之后，每天回收的再生電量為5 141.9 kW·h；府谷牽引變電所接入RPC 之后，每天回收的再生電量為9 427.6 kW·h。

系統的經濟性受到蓄電池功率、容量和超級電容器功率、容量4 個變量的影響，為了探究不同變量對系統經濟性的影響，分別將4 個變量中的2個設為定值，另外2 個設為變化量。根據表5 中的成本參數，進而得到了如圖13、14 所示的經濟性曲線。

圖13 蓄電池、超級電容器容量對經濟性的影響(蓄電池功率為：4 MW；超級電容器功率為：5 MW)

在超級電容器和蓄電池功率設置為定值的條件下，蓄電池和超級電容器容量對經濟性的影響如圖13b 所示。當超級電容器的容量為300 kW·h、蓄電池的容量為2 000 kW·h 時，牽引變電所三相側回收的再生制動電量為19 732.57 kW·h，此時再生制動能量系統在全壽命周期內產生的經濟效益最大，最大值為6 299.76 萬元，其成本為2 921 萬元。如圖13a 所示，超級電容器屬于功率型器件，其容量成本相對較高，超級電容器容量的變化對系統成本影響相對蓄電池來說較為明顯。在蓄電池容量不變的情況下，整套系統的經濟性隨著超級電容器的容量先增大，在容量增大到一定程度之后，容量的提高并不能使整套系統回收再生制動能量的水平急劇提高，這時系統的經濟性會隨著超級電容器容量的提高而降低。

圖14 蓄電池功率和超級電容器容量對經濟性的影響(蓄電池容量為：1 600 kW·h；超級電容器功率為：5 MW)

如圖14a 所示，由于蓄電池為能量型儲能元件，其功率成本相對較大，使得整套系統的成本隨著蓄電池功率的升高而急劇增大。在超級電容器功率和蓄電池容量設置為定值的條件下，圖14b 體現了蓄電池功率和超級電容器容量對經濟性的影響，當超級電容器容量保持不變時，隨著蓄電池功率的增加，系統回收再生制動能量的水平會提高，當蓄電池功率增大到一定程度時，系統會因為蓄電池的功率成本過高而降低系統的收益，因此在蓄電池功率超過某一范圍時，系統的經濟性反而會隨著蓄電池功率的增大而降低。根據圖中顯示，當蓄電池功率為3.2 MW，超級電容器容量為210 kW·h 時，系統可獲得最大收益，最大收益為5 536 萬元，其成本為3 149.3 萬元。

由于混合儲能中的儲能介質具有不同的特性，使得合理配置各個儲能介質的容量、功率變得十分重要。蓄電池和超級電容器存在性能上的互補，所以在配置儲能介質之間比例的同時，會存在經濟性上的最優值。因此，根據經濟性最大的原則來配置儲能介質的比例能夠更好地實現系統的經濟運行。

6 結論

根據實測數據的分析結果，驗證了所提出能量管理策略的有效性，以及再生制動能量利用方案具有很好的經濟性，并得出如下結論。

(1) 本文根據神朔鐵路的線路情況，提出了在三座牽引變電所設置再生制動能量利用系統的方案，并采用蓄電池和超級電容器組成的混合儲能系統回收再生制動能量。根據實測數據的分析結果表明，提出的能量管理策略能夠讓蓄電池和超級電容器在設定的功率、SoC 范圍內工作。

(2) 通過對所提方案的經濟性分析，可以得到全壽命周期下的收益。結果表明，在合理配置蓄電池和超級電容器容量、功率情況下，所提出的再生制動能量儲存方案可以有效地提高再生制動能量利用率，并且能夠在全壽命周期內取得收益。