一種基于儲能系統的混合鐵路功率調節器及其控制策略

何棒棒 高志宣 馬 超

一種基于儲能系統的混合鐵路功率調節器及其控制策略

何棒棒1高志宣2馬 超3

（1. 東南大學電氣工程學院 南京 210096 2. 中國科學院電工研究所 北京 100190 3. 中國礦業大學（北京）機電與信息工程學院 北京 100083）

為充分利用交直交型電力機車產生的再生制動能量，提高V/v牽引供電系統的電能質量，并提高其經濟性，提出一種基于儲能系統的混合鐵路功率調節器（ESS-HRPC）。儲能裝置通過雙向DC-DC變換器與鐵路功率調節器（RPC）的直流側相連接，以回收利用多余的再生制動能量。一組晶閘管投切電容器（TSC）和一組晶閘管控制電抗器（TCR）用于輔助RPC提供無功功率，以降低負序電流補償的成本。首先，分析ESS-HRPC的結構組成和工作原理，研究TCR、TSC和RPC的裝置容量配置，推導系統電壓、電流和功率關系；然后，設計ESS-HRPC各部分的給定參考信號和控制策略；最后，通過三種系統工況仿真驗證所提ESS-HRPC及其控制策略的可行性和有效性。

再生制動能量 鐵路功率調節器 負序電流補償 儲能系統 電氣化鐵路

0 引言

自20世紀初鐵路電氣化開始，高能耗和電能質量問題就一直困擾著鐵路運營企業[1-3]。近年來，許多研究都致力于實現電氣化鐵路的節能降耗和牽引供電系統的安全穩定運行。

在我國高速鐵路和重載鐵路系統中，采用四象限脈寬調制（Pulse Width Modulation, PWM）控制方式的交直交型電力機車已逐步取代交直型電力機車成為主要車型[4-6]。由于交直交型電力機車相對于交直型電力機車具有牽引功率大、功率因數高、低次諧波含量低且能再生制動等顯著優點[7-8]，無功功率和低次諧波不再成為牽引供電系統的主要問題，而因負序電流導致的三相電流不平衡問題卻日益嚴重[9-11]。尤其在V/v牽引供電系統中，即使兩供電臂內的列車功率相同，系統仍然存在50%的負序電流[12]。另外，交直交型電力機車在重載、長大下坡道或鐵路樞紐站所制動時會產生大量的再生制動能量[13-14]。若這些反饋的電能可以在牽引供電系統內部被牽引列車消耗，就能大大降低列車用電成本，提高能源效率。

目前，在許多考慮再生制動能量利用并補償負序電流的方案中，日本學者提出的鐵路功率調節器（Railway Power Conditioner, RPC）常作為核心設備。這是由于RPC不但可以平衡兩個供電臂的有功功率，還可向兩個供電臂補償一定的無功功率[15-16]。為實現上述控制目標，RPC多采用電壓電流雙閉環控制策略[17]，其中電壓外環通常采用PI控制，而電流內環則可采用滯環比較跟蹤控制[12]、基于dq坐標變換的PI控制[18]、準諧振控制[19]、直接模糊跟蹤控制[20]等方式。

近年來，為實現再生制動能量的全利用，提出了兩種解決方案：①針對于單個牽引變電站；②從整個鐵路系統層面進行考慮。第①種方案是在RPC的直流側增加電池、超級電容等儲能裝置，以回收利用剩余的再生制動能量[9, 21-23]。類似地，文獻[24]提出了一種基于分散式儲能模塊化多電平變換器（Modular Multilevel Converter, MMC）結構的RPC。第②種方案中，為共享、調控和利用整個鐵路系統內部的再生制動能量并改善各個牽引變電所的電能質量，在任意兩個相鄰的供電臂之間裝設RPC，并利用中央控制器對所有的RPC進行能量管理[25]。類似地，文獻[3]提出了一種基于RPC和儲能裝置的改進交流鐵路供電系統，用于再生制動能量管理和電能質量改善。但RPC造價高昂[26-28]，限制了上述方案的推廣和應用。

傳統的RPC是由8個絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT）構成的單相背靠背AC-DC-AC變換器[1]。近10年來，相繼提出了一些改進的拓撲結構，如兩相三線結構[29]，半橋結構[30]，四橋臂、三橋臂和兩橋臂的MMC結構[31]等。盡管如此，由于負序補償的容量需求過大，這些改進結構的成本依舊很高。為實現更低的裝置成本或更大的補償容量，提出了一些與無源補償裝置混合的RPC方案[26-28, 32-34]。由于無源補償裝置的成本遠小于RPC，因此混合RPC更具經濟性[1, 28]。雖然目前有許多設計混合RPC的方法，但是這些研究都沒有被應用到基于RPC的再生制動能量利用方案中。

因此，本文提出一種基于儲能系統的混合鐵路功率調節器（Hybrid Railway Power Conditioner based on Energy Storage System, ESS-HRPC）及其控制策略。在所提ESS-HRPC中，再生制動能量將優先被RPC調控給牽引列車使用，若仍有剩余則利用儲能系統進行回收，以實現再生制動能量的全利用。在此基礎上，RPC與一組晶閘管投切電容器（Thyristor-Switched Capacitor, TSC）和一組晶閘管控制電抗器（Thyristor-Controlled Reactor, TCR）共同完成對負序電流的補償，以實現三相電流平衡，并提高系統經濟性。

1 系統描述與建模

1.1 ESS-HRPC的拓撲結構及工作原理

基于V/v牽引系統的ESS-HRPC拓撲結構及其簡化模型如圖1所示。牽引供電系統有a相和b相兩個供電臂。110kV三相電壓經V/v變壓器降壓為兩個27.5kV的單相電壓。ESS-HRPC由兩臺雙繞組降壓變壓器（T1），兩臺三繞組降壓變壓器（T2），一組TSC（TSC1, TSC2,…, TSC），一組TCR（TCR1, TCR2,…, TCR），兩個并聯的RPC（RPC1和RPC2），一個雙向DC-DC變換器和儲能裝置組成。RPC2用于實現兩供電臂間的能量交互（包括調控再生制動能量和平衡兩供電臂的有功功率），并為儲能系統提供直流接口；儲能系統用于存儲和釋放再生制動能量；通過協調控制RPC2和儲能系統可實現再生制動能量的全利用。在此基礎上，TSC和RPC1左側變流器向a相供電臂提供無功功率，TCR和RPC1右側變流器向b相供電臂提供無功功率，以補償負序電流。針對上述目標制定的能量管理原則為：

圖1 基于V/v牽引系統的ESS-HRPC拓撲結構及其簡化模型

（1）列車產生的再生制動能量優先經RPC2調控給牽引供電系統內部的牽引列車使用。

（2）考慮牽引列車的利用后，若仍有剩余的再生制動能量，則存儲到儲能系統中；一旦列車需要從電網取電，儲能裝置中存儲的電能將立即通過雙向DC-DC變換器和RPC2釋放給牽引列車。

（3）在再生制動能量調控的基礎上，RPC2需要平衡兩供電臂的有功功率，TSC、TCR和RPC1還需同時提供一定的無功功率，以實現三相電流平衡。

1.2 符號說明

圖1a中，A、B、C分別為三相電流；a、b分別為a相和b相供電臂電壓，且有a=b=27.5kV；a、b分別為a相和b相供電臂電流；aL、bL分別為兩個供電臂內的列車負載電流；Ra、Rb分別為RPC向兩個供電臂提供的補償電流；Ca為TSC向a相供電臂提供的無功電流；Cb為TSC向b相供電臂提供的無功電流；R1a、R1b分別為RPC1左、右側變流器輸出電流；R2a、R2b分別為RPC2左、右側變流器輸出電流。

TSC為流過TSC的總電流；TR為雙向晶閘管，為防止產生諧波和電流畸變，TR工作時只相當于一個雙向開關，s表示TR的開關狀態且當s=1時，TSC被接入，當s=0時，TSC被旁路；C為TSC的等效電容，其大小按二進制正序排列，即

TCR為流過TCR的總電流；s表示TR的開關狀態且當s=1時，TCR被接入，當s=0時，TCR被旁路；L為TCR的等效電感，其大小按二進制逆序排列，即

圖1b中，a、a分別為a相供電臂的總有功和無功功率；b、b分別為b相供電臂的總有功和無功功率；aL、bL分別為兩個供電臂內列車的有功功率，由于交直交型電力機車的功率因數近似為1[12, 35]，因此本文按照列車功率因數為1來設計ESS-HRPC及其控制策略，對列車本身產生的無功功率的補償思路則在討論部分給出；Ra、Ra分別為RPC向a相供電臂輸出的有功和無功功率；Rb、Rb分別為RPC向b相供電臂輸出的有功和無功功率；ESS為儲能系統的輸出功率；Ca、Cb分別為TSC和TCR輸出的無功功率。

1.3 TSC、TCR和RPC1的裝置容量配置

由于TR只工作于導通和關斷兩種開關狀態，因此TCR和TSC只能有級（不連續）地向供電臂提供無功功率。實際上，ESS-HRPC必須能無級（連續）地補償無功功率以適應系統的各種運行工況。而RPC1可以實現無功功率的無級補償，但裝置成本要遠高于TEC和TCR。因此通過合理配置TSC、TCR和RPC1的裝置容量，既可以滿足系統無功補償的需要，又能保證經濟性。

為控制方便，不妨令TSC和TCR接入供電臂后能提供的無功功率大小相等且為Q，則有

式中，為電網角頻率；1為T1的電壓比。

此時，TSC和TCR就可以由一組開關狀態1,2,…,s進行控制，且有

顯然，當1=2=…=s=1時，TSC和TCR向供電臂提供的無功功率最大。由式（1）～式（3）可得，TSC和TCR能補償的最大無功功率為

1.4 電壓、電流和功率關系

以A相電壓為基準，且設

根據V/v牽引變壓器的特性可得其一次和二次電壓、電流關系為

式中，為V/v變壓器電壓比。

如圖1a所示，根據基爾霍夫電流定律可得

其中

式中，2為T2的電壓比。

若忽略損耗，圖1b中的功率關系可表達為

由于RPC2不吸收也不釋放有功功率，即滿足有功功率平衡，于是可得

根據V/v牽引系統的負序電流補償原理，補償后兩供電臂的功率關系[36-37]應滿足

由式（12）～式（14）整理可得

2 控制策略

根據上述分析和計算可知：系統控制的關鍵是由采集得到的列車功率信息和電壓電流信號，確定各部分輸出有功或無功功率的參考值，進而通過設計相應的控制策略對各變換器或電力電子開關進行控制，使得ESS-HRPC能有效調控和利用列車的再生制動能量，并補償負序電流。

2.1 儲能系統的功率控制

儲能系統是儲存還是釋放再生制動能量取決于兩個供電臂內列車功率之和的正負性，而其充放電功率的大小則不但與列車功率之和有關，還需要考慮儲能系統自身的工作狀態。即當aL+bL≥0時，儲能系統放電，其放電功率的大小應取自儲能系統的實時最大放電功率ESS_omax與兩個供電臂所需電功率之和aL+bL的最小值；當aL+bL＜0時，儲能系統應充電，其充電功率的大小應取自儲能系統的實時最大充電功率ESS_imax與需要存儲的再生制動功率|aL+bL|的最小值。由上述分析可得

由式（16）可知，儲能系統自身的充電功率限制會影響再生制動能量的實際回收利用效果。若實時最大充電功率小于需要存儲的再生制動功率，則會有部分再生制動能量由于無法及時存儲而反饋回電網。因此，若想在系統任何工況下再生制動能量都能被完全吸收，那么儲能裝置的實時最大充電功率應大于需要存儲的最大再生制動功率。通過控制雙向DC-DC變換器，結合式（16），可實現對儲能裝置的充放電控制。

2.2 TSC和TCR的控制

通過控制各TR的導通與關斷，可以控制TSC和TCR向兩個供電臂提供的無功功率。具體步驟為：根據采集的列車有功功率和式（15），可以計算得到ESS-HRPC需要向兩個供電臂提供的無功功率大小。由于無功功率由TSC、TCR和RPC1共同提供，因此只要確定TSC和TCR需要提供的部分，就可以得到TSC和TCR中各TR的開關狀態s，進而控制TSC和TCR。

由式（1）～式（3）和式（12）可得

其中

式中，|Ra|由RPC1左側變流器提供；|Rb|由RPC1右側變流器提供；且|Ra|和|Rb|都不應超過TSC1或TCR1投入后能提供的無功功率值1，即

根據式（3）、式（15）、式（17）和式（18），可得開關狀態s的計算公式為

式中，[ ]為向下取整函數。

于是，TSC和TCR的控制框圖如圖2所示。

圖2 TSC和TCR的控制框圖

2.3 RPC1和RPC2的控制

由2.2節分析可知，RPC1只發出無功功率，且其左、右側變流器的無功功率給定值分別為Ra和Rb。由式（12）和式（15）中的功率關系，結合圖1，可整理得到RPC1左、右側變流器的電流給定值，即

RPC1的控制框圖如圖3所示，為了保證RPC的正常工作，還需要增加對其直流側電壓的控制。圖中，電壓經過鎖相環（Phase Locked Loop, PLL）環節產生電壓同步信號；RPC1的左右兩側變流器均采用電流滯環比較跟蹤控制產生脈沖波；Udc1為RPC1的直流側電壓。

RPC2只傳輸有功功率，且其左、右側變流器的有功功率給定值分別為Ra和Rb。根據有功功率平衡原理，RPC2的左側變流器可以采用定有功功率控制，右側變流器采用定直流側電壓控制。由式（12）和式（15）中的功率關系，可整理得到RPC2左側變流器的電流給定值為

RPC2同樣采用滯環比較跟蹤控制方式產生脈沖波，其控制框圖如圖4所示。圖中，dc2為RPC2的直流側電壓。

圖4 PRC2的控制框圖

3 仿真分析

3.1 仿真條件

為了驗證所提ESS-HRPC及其控制策略的可行性和有效性，在Matlab中搭建了圖1所示系統進行仿真驗證，取=4。同時為展示ESS-HRPC的動態和穩態特性，在三種系統運行工況下進行仿真，每種工況下的列車功率見表1。開始時系統運行在工況1；在0.6s時切換到工況2；在1.0s時切換到工況3。仿真系統的主要參數見表2。

表1 各系統工況下的列車功率

Tab.1 The train power under each system condition

表2 仿真系統的主要參數

Tab.1 Main parameters of the simulation system

3.2 仿真結果及分析

仿真波形如圖5所示，圖中，grid為整個牽引變電站從公共電網獲取的電功率。

3.2.1 工況1：aL=-6MWbL=3MW

a相供電臂內列車制動，b相供電臂內列車牽引，且制動功率大于牽引功率。若系統不含ESS- HRPC，將有-6MW的再生制動功率反饋到電網，同時將從電網獲取3MW電功率。而若經ESS-HRPC調控后，3MW的再生制動能量將從a相供電臂調控給b相供電臂的列車使用，剩余的3MW再生制動功率會經RPC2左側變流器存儲到儲能系統。如圖5a工況1所示，Ra、Rb和ESS的仿真結果基本與各自的參考值相同，由于調控后兩供電臂既不向電網反饋電能，也不從電網獲取電能，grid基本為0。故而此時無需進行負序電流補償，即RPC1提供的無功功率基本為0，TSC和TCR的四個開關狀態也均為0，如圖5b～圖5d工況1所示。對比圖5d和圖5e工況1可知，經ESS-HRPC調控后三相電流由明顯不平衡變為基本為0。在整個過程中，RPC1和RPC2的直流側電壓基本保持在3.5kV，如圖5f工況1所示。

3.2.2 工況2：aL=4MW，bL=6MW

兩供電臂內的列車均處于牽引狀態，且功率不相同。若系統不含ESS-HRPC，整個牽引系統將從電網獲取10MW電功率。而若經ESS-HRPC調控后，在工況1存儲的3MW的再生制動能量將在儲能系統中釋放，并經RPC2傳輸給兩個供電臂，同時保證調控后兩個供電臂的有功功率相等（均為3.6MW）。如圖5a工況2所示，Ra、Rb和ESS的仿真結果基本與各自的參考值相同，grid=7.20MW。無功補償方面，TSC和TCR提供了大部分的無功功率，少量的無功功率由RPC1提供，仿真結果如圖5b和圖5c工況2所示。相應地，TSC和TCR的四個開關狀態(1,2,3,4)為(0, 0, 0, 1)，如圖5d工況2所示。對比圖5d和圖5e工況2可得，經ESS-HRPC調控后，三相電流由明顯不平衡變為基本平衡。整個過程中，RPC1和RPC2的直流側電壓經過一個短暫的調整后基本保持在3.5kV，如圖5f工況2所示。

3.2.3 工況3：aL=3MW，bL=9MW

兩供電臂內的列車均處于牽引狀態，且功率不相等。由于列車沒有產生再生制動能量且儲能系統沒有存儲電能，因此只進行負序電流補償。首先RPC2將3MW電能從a相供電臂調控給b相供電臂，使得調控后兩供電臂的有功功率均為6MW。如圖5a工況3所示，Ra、Rb和ESS的仿真結果基本與各自的參考值相同，grid與兩列車牽引功率和基本相等，為12.01MW。然后進行無功補償，TSC和TCR提供了大部分的無功功率，少量的無功功率由RPC1提供，仿真結果如圖5b和圖5c工況3所示。相應地，TSC和TCR的四個開關狀態(1,2,3,4)為(1, 0, 1, 1)，如圖5d工況3所示。對比圖5d和圖5e工況3可得；經ESS-HRPC調控后三相電流由明顯不平衡變為基本平衡。RPC1和RPC2的直流側電壓快速調整后基本保持在3.5kV，如圖5f工況3所示。

根據上述仿真結果可知，ESS-HRPC能實現再生制動能量的有效利用和負序電流的補償。同時，仿真結果還表明，ESS-HRPC具有較好的動態特性，能夠快速地從一種工況切換到另一種工況。

4 討論

4.1 所提方案采用兩個RPC的優勢

現有的RPC＋儲能方案[21-22]采用一個RPC和一個儲能裝置實現列車再生制動能量的回收利用和牽引供電系統負序電流的補償，而本文所提的ESS- HRPC中設置了兩個RPC，即RPC1和RPC2。實際上，本文若采用一個RPC也可以實現上述功能。但需要指出和說明的是：由于在實際工程應用中，RPC通常采用多重并聯的模塊化結構，以增強系統集成度[8]，因此這些方案給出的都只是原理性結構。但較之于單個RPC，本文采用兩個RPC進行分析和設計的主要優勢如下：

（1）減少實際工程應用中三端口變換器的使用。由于“RPC+儲能”這種三端口變換器結構中存在一個直流母線，其母線電壓的波動也較單個RPC的直流側嚴重，且系統穩定性問題更突出。因此，從工程應用時采用模塊化結構的角度來看，現有方案的每個子模塊都需要采用這種三端口結構。而本文所提ESS-HRPC由于降低了有源RPC的容量，因此同容量子模塊的數目不但較現有方案少，且RPC1的直流側不需要接入儲能裝置，所以系統中三端口變換器的使用數量也將明顯低于現有方案。

（2）本文所提ESS-HRPC較現有方案增加了無源補償裝置，因此若仍采用單個RPC來考慮，其控制策略將更為復雜。而若采用RPC1和RPC2分別補償系統無功功率和控制有功功率，其各自控制參考量的計算和處理也將較單個RPC簡單，有益于提高系統可靠性。

4.2 所提方案兼顧補償列車無功功率的思路

鑒于交直交型電力機車的功率因數較高，因此本文對所提系統進行分析、計算和控制策略設計的過程中，只考慮了列車的有功功率，而忽略其產生的無功功率。但實際上，列車運行時總會向接觸網注入一部分無功功率。若考慮采用本文所提系統對這部分無功功率進行吸收，只需要在RPC1的控制策略中加入對列車無功功率的補償并適當增加RPC1的容量即可實現。具體思路如下：

不妨設兩供電臂內列車產生的無功功率分別為aL和bL，由于RPC1負序電流補償需要向兩供電臂提供的無功功率分別為Ra和Rb，因此考慮補償列車無功功率后，RPC1應向兩供電臂提供的無功功率分別為Ra-aL和Rb-bL。由于|Ra-aL|≤|Ra|+|aL|≤1+|aL|，|Rb-bL|≤|Rb|+|bL|≤1+|bL|，所以RPC1的裝置容量RPC1需要在21基礎上增加2max{|aL|, |bL|}。

4.3 所提方案的經濟性分析

相較于現有的RPC+儲能方案，本文所提出的ESS-HRPC系統采用TSC和TCR代替一部分RPC的容量用于產生無功功率，以降低整個系統用于負序電流補償的有源設備容量。根據1.3節分析結合仿真案例可知：從無功功率補償角度來看，無源補償裝置（TSC、TCR）和RPC的容量占比分別為15/16和1/16。在不考慮裝置裕度、損耗和維護成本的基礎上，四象限PWM變流器設備成本約為20萬元/(MV·A)[13]，而無源補償裝置成本僅約為 3.3萬元/Mvar[38]。據此，與RPC＋儲能方案相比，本方案中用于無功功率補償的成本可降低約78.28%，更具經濟性。

5 結論

針對電氣化鐵路系統中再生制動能量的回收利用和改善電能質量的問題，本文研究了基于RPC、儲能系統、TSC和TCR的ESS-HRPC方案及其控制策略，剖析了其能量管理原則和負序電流補償方法，并通過基于三種系統工況的動態仿真進行了方案驗證，得到的結論如下：

1）通過協調控制RPC與儲能系統，ESS-HRPC能實現再生制動能量在牽引供電系統內部被牽引列車充分利用，同時還可以有效補償負序電流，有利于降低列車用電成本，提高能源效率，并保障牽引供電系統的安全穩定運行。

2）相比于現有的RPC+儲能方案，本文所提出的ESS-HRPC能更經濟地解決三相電流不平衡等電能質量問題，具有一定的工程應用價值。

需要指出的是，本文主要研究了利用ESS- HRPC實現交直交型電力機車再生制動能量的回收利用和對負序電流的補償，對于儲能介質的選擇和儲能裝置的容量優化等問題將在后續研究中進一步考慮。

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A Hybrid Railway Power Conditioner Based on Energy Storage System and Its Control Strategy

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（1. School of Electrical Engineering Southeast University Nanjing 210096 China 2. Institute of Electrical Engineering Chinese Academy of Sciences Beijing 100190 China 3. School of Mechanical Electronic & Information Engineering China University of Mining and Technology Beijing 100083 China）

To fully utilize the regenerative braking energy generated by AC-DC-AC electric locomotives and economically improve the power quality of the V/v traction system, a hybrid railway power conditioner based on energy storage system (ESS-HRPC) is proposed in this paper. The ESS is connected to the DC side of the RPC via a bidirectional DC-DC converter for recycling and utilizing the surplus regenerative braking energy. A set of thyristor-switched capacitors (TSCs) and a set of thyristor-controlled reactors (TCRs) are used to assist the RPC in providing reactive power, so that the cost for the negative sequence current compensation can be reduced. Firstly, the structure and basic principle of the ESS-HRPC are analyzed, the equipment capacity ratio of the TCRs, TSCs and RPC is studied, the capacity of the RPC for reactive power compensation is analyzed, and the relationship of voltage, current and power is derived. Then, the reference signals and control strategy of each component in the ESS-HRPC are designed. Finally, the feasibility and effectiveness of the proposed ESS-HRPC and its control strategy are verified by three system simulations.

Regenerative braking energy, railway power conditioner (RPC), negative sequence current compensation, energy storage system, electrified railway

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.L90037

TM922.3

神華集團有限責任公司科技創新資助項目（CSIE16024877）。

2020-05-27

2021-01-14

何棒棒 男，1994年生，博士研究生，研究方向為交直流配電系統穩定性評估與提升、牽引供電系統再生制動能量利用及電能質量改善。E-mail: he_bangbang@163.com（通信作者）

高志宣 男，1991年生，博士，研究方向為電氣化鐵路節能、電能路由器。E-mail: gaozhixuan8577@163.com

（編輯 陳 誠）