枢纽型牵引变电所再生制动能量利用系统能量管理及控制策略

2021-02-22黄文龙胡海涛陈俊宇葛银波石章海

电工技术学报 2021年3期

黄文龙胡海涛陈俊宇葛银波石章海

（西南交通大学电气工程学院成都 611756）

0 引言

近年来，我国电气化铁路运营里程快速增长，导致其能耗问题日益严峻。根据国家铁路局最新统计，2019年全国18个铁路局总耗电量高达755.84亿kW·h，较2018年耗电量（711亿kW·h）同比增长6.3%。同时，我国电气化铁路网络化程度高，在多条电气化铁路线路交汇的枢纽地区（如上海、北京等）形成了“一所多馈线多供电区间”的枢纽型牵引变电所（后文简称枢纽所）[1]。相较于普通牵引变电所，枢纽所的供电线路更多、行车密度更大，从而导致其能耗更高。因此，如何有效降低枢纽所的能耗是电气化铁路快速发展过程中亟待解决的问题。

新型动车组/电力机车（后文均称具有再生制动功能的电力机车为动车组）在制动过程中优先采用再生制动方式并产生了大量的再生制动能量[2]。受线路条件、行车组织等影响，铁路枢纽发出、到站的动车组数量多，动车组频繁减速制动使枢纽所再生制动能量十分丰富[3]。通常，再生制动能量被同臂牵引动车组和牵引供电设备消耗后，仍有约50%的再生制动能量经牵引变压器返送至外部电网[4]。大量再生制动能量返送电网存在如下问题：①能效低，经济性差，返送的再生制动能量按照反向不计或反向正计（算作消耗的电能）的方式进行计费，给铁路部门造成了巨大的经济损失；②加剧电能质量问题，返送的再生制动能量三相不对称，会对电网电能质量造成一定影响（网压波动、谐波、负序等）[5-6]。

目前已有的再生制动能量利用技术主要包含以下三种[7]：①直接利用；②回馈利用；③储能利用。其中，直接利用通过优化列车组织运行，使再生制动能量优先被同一供电臂上处于牵引工况的动车组使用[8-9]。但该技术会导致行车安排灵活性较差，加之在交流电气化铁路中单一牵引供电臂长度较短（一般为20km），因此，其再生制动能量利用率较低。

近年来，储能利用技术在直流供电制式的城轨交通供电系统中得到了大力发展。该技术通过储能设备存储或释放再生制动能量，实现再生制动能量回收利用同时抑制牵引网电压波动，在实际应用中表现出了优异的性能[10-11]。但由于供电制式的差异，应用于城轨交通供电系统的储能系统结构与控制策略并不适用于采用交流供电制式的电气化铁路。为此，基于铁路功率调节器（Railway Power Conditioner, RPC）的储能方案被提出[12-15]。然而，相比于城轨交通系统，电气化铁路中单次制动过程的制动功率更大、持续时间更长、累计再生制动能量更多，对储能系统的额定功率、额定容量有更大的需求，进而导致投资成本更高。

回馈利用型技术通过回馈装置将再生制动能量返送至铁路系统中其他电压等级的供电网（如地铁返送至 35kV中压环网，电气化铁路则是返送至铁路 10kV电力系统）或电动汽车充电站[16-17]。该技术目前在城轨交通供电系统中应用较多，回馈装置以三相逆变器后接滤波器的结构为主流[18-19]。同样由于供电制式的差异，单一逆变器无法实现电气化铁路再生制动能量回馈利用。为此，有研究者提出采用独立站点型回馈方案[20]，但该方案需在牵引变电所的左、右供电臂分别独立安装一套回馈装置，成本投入较大。此外，文献[3]提出了在RPC的中间直流端口并联三相逆变器的方案，该方案在实现再生制动能量回馈的同时还具备电能质量治理功能。然而，回馈利用型技术应用于电气化铁路仍面临以下问题：①再生制动能量的利用率严重依赖于铁路10kV电力系统的负荷大小；②再生制动能量冲击性强、随机性大，可能影响铁路 10kV电力系统的供电安全。

综合来说，以上三种再生制动能量利用技术各有优缺点，在实际应用时需要结合牵引变电所的负荷特性进行选择与组合。由于枢纽所附近一般建设有铁路 10kV配电所，用于给区间内的大型站场和沿线铁路信号设备等供电，其负荷功率通常较大（可达数兆瓦）且较为稳定，同时其功率峰、谷值在时间上的分布趋势与牵引供电系统负荷的时间分布较为一致。已有研究提出了综合配备储能型和回馈型技术的再生制动能量利用方法[3]，但其仅提及相关方案，未深入研究系统的全部工况及能量管理方案，也没有考虑回馈功率与铁路 10kV负荷（后文简称10kV负荷）不匹配对铁路10kV电力系统供电安全造成的影响。

为此，本文提出枢纽所再生制动能量利用系统能量管理及控制策略。首先，研究再生制动能量利用系统的拓扑结构和运行原理并制定功率分配策略，在此基础上划分系统的四种运行模式并分析典型工况的能量流动；然后，研究考虑动态功率分配的分层控制策略；最后通过仿真验证所提能量管理及控制策略的正确性和有效性。

1 再生制动能量利用系统

1.1 系统结构及功能

电气化铁路枢纽所再生制动能量利用系统的拓扑如图1所示，包括背靠背变流器、能馈系统和储能系统三部分。

图1 枢纽所再生制动能量利用系统Fig.1 Regenerative braking energy utilization system in hub traction substation

各部分的功能如下：

1）背靠背变流器。连接隔离变压器与牵引供电臂，可平衡两供电臂功率，为外接潮流装置提供稳定的直流电压。

2）能馈系统。三相并网逆变器将直流电逆变为三相工频交流电，经升压变压器连接铁路 10kV电力系统能量回馈点向其回馈电能。

3）储能系统。可切换充/放电工作模式，用于消纳回馈后剩余的再生制动能量或为供电臂负荷提供电能。

以上三部分协调控制，可以使再生制动能量在储能系统与牵引供电系统之间双向流动或根据10kV负荷的功率需求为其供电。同时，为保证铁路10kV电力系统对一级负荷供电的可靠性，能量回馈点将只设置于综合负荷电力贯通线路。

1.2 运行原理

动车组在牵引和再生制动工况下功率因数近似为1和-1，因此本文仅考虑有功功率[21]。在枢纽所接入再生制动能量利用系统后，整个系统（包括牵引供电系统、再生制动能量利用系统和铁路10kV电力系统）的功率潮流如图 2所示。图中，Pg220为220kV电网功率，PoutL、PoutR分别为左、右供电臂功率，PL、PR分别为左、右供电臂负荷功率，PrpcL、PrpcR分别为背靠背变流器左、右臂补偿功率，Pf为能馈系统回馈功率，Psc为储能系统充/放电功率，Pg10为铁路10kV电力系统功率，Pload为10kV负荷功率。

图2 再生制动能量利用系统功率潮流Fig.2 Power flows diagram of regenerative braking energy utilization system

通过分析可知，供电臂负荷与 10kV负荷处的能量供需关系决定了再生制动能量利用系统中功率产生与消纳的平衡。若规定图2中箭头方向为功率流动正方向，则供电臂负荷与 10kV负荷处的功率关系为

再生制动能量利用系统在传统 RPC结构的基础上接入了能馈系统与储能系统，变流器由原来的两组增加为四组，使得系统功率流动更加复杂。为保证该拓扑结构下两供电臂有功功率的平衡，需分别对两供电臂进行有功补偿。设有功平衡后两供电臂的有功功率Pout为

则得到背靠背变流器左、右臂参考功率分别为

式中，PrpcL_ref为背靠背变流器左臂参考功率；PrpcR_ref为背靠背变流器右臂参考功率。

联立式（3）与式（4）可得

为避免再生制动能量在能馈系统工作时对铁路10kV电力系统造成冲击，参考回馈功率Pf_ref为

式中，Pre为回馈后剩余的再生制动功率；Pfm为回馈功率阈值，约束了回馈功率上限。

储能介质荷电状态（State of Charge, SOC）满足充放电要求（不满足要求则参考功率为0）时，为使储能系统能够按需进行充、放电，其参考功率Psc_ref表示为

式中，Psc_max为储能介质充电功率阈值（Psc_max＞0），约束了储能系统充电功率上限；Psc_min为储能介质放电功率阈值（Psc_min＜0），约束了储能系统放电功率上限。

2 能量管理方案

2.1 功率分配策略

电气化铁路枢纽所再生制动功率波动大，定功率回馈易造成系统回馈过度或回馈不足，采用动态功率分配（即根据 10kV负荷功率需求与可回馈再生制动能量对系统各部分功率进行分配）可以解决该问题。为提高再生制动能量利用率，设计再生制动能量的分配策略如下：

1）再生制动能量优先在牵引供电系统内同臂利用或异臂转移利用。

2）牵引供电系统内部利用后，剩余再生制动能量进入能馈系统为10kV负荷供电。

3）牵引供电系统和能馈系统利用后，剩余再生制动能量由储能系统存储。

4）若进行上述三步后仍有再生制动能量剩余，剩余能量经牵引变压器返送回220kV电网。

2.2 系统工作模式

为使系统动态功率分配更加合理，需准确选择系统运行模式并实现不同模式间的快速切换。若以Ps表示左、右供电臂平衡后的供电臂负荷总功率，则Ps＞0表示供电臂负荷处于牵引工况，Ps＜0表示供电臂负荷处于制动工况。负荷总功率的正负状态由两臂动车组牵引（包含惰行）与制动两种运行工况的不同组合组成，见表1。为避免赘述，后文分析中将只考虑左臂牵引、右臂制动的情况。

表1 供电臂负荷运行工况Tab.1 Operating conditions of power supply arm loads

通过判定能馈系统与储能系统的工况（工作或空闲）可以将再生制动能量利用系统运行模式分为四种：①空闲模式；②储能模式；③能馈模式；④能馈+储能模式。系统运行时，能量管理逻辑将根据Ps、储能介质 SOC、储能介质 SOC上限 SOCmax、储能介质 SOC下限 SOCmin以及Pre对系统运行模式进行选择，当满足过渡条件时执行模式切换。四种运行模式和相应的过渡条件如图3所示，其中各运行模式的特点为：

图3 再生制动能量利用系统运行模式Fig.3 Operation modes of regenerative braking energy utilization system

1）空闲模式。该模式下能馈系统与储能系统均空闲，牵引供电系统与铁路 10kV电力系统之间无能量联系。

2）储能模式。该模式下能馈系统空闲，储能系统存储或释放再生制动能量。

3）能馈模式。该模式下储能系统空闲，能馈系统将再生制动能量回馈至铁路 10kV电力系统供10kV负荷使用。

4）能馈+储能模式。该模式下能馈系统与储能系统均工作，能馈系统将再生制动能量回馈至铁路10kV电力系统，同时储能系统进行再生制动能量的存储或释放。

2.3 典型工况分析

确定系统运行模式后，能量管理逻辑将根据每种模式下Ps、Pload、Pre、Pfm、Psc_max及Psc_min之间的功率关系划分系统的 12种运行工况并进行功率分配，各工况对应的参考功率详见表 2。表中，Pg220_ref为220kV电网参考功率，Pg10_ref为铁路10kV电力系统参考功率。为充分体现系统每种运行模式的工作特点，选择各模式下的典型工况进行能量分析，相应功率潮流如图4所示。

表2 12种运行工况参考功率Tab.2 Reference power of 12 operating conditions

图4 典型工况功率潮流Fig.4 Power flows in typical operating conditions

1）工况2。系统处于空闲模式，储能系统和能馈系统均空闲，牵引负荷大于制动负荷，系统功率潮流如图4a所示。再生制动能量经异臂转移利用后无法满足牵引负荷功率需求，220kV电网提供其功率需求缺额；同时，铁路10kV电力系统独立为10kV负荷供电。

2）工况4。系统处于储能模式，储能系统工作，能馈系统空闲，牵引负荷大于制动负荷，系统功率潮流如图4b所示。再生制动能量经异臂转移利用和储能系统释放后仍无法满足牵引负荷功率需求，220kV电网提供其功率需求缺额。同时，铁路10kV电力系统独立为10kV负荷供电。

3）工况7。系统处于能馈模式，能馈系统工作，储能系统空闲，牵引负荷小于制动负荷，系统功率潮流如图4c所示。再生制动能量经异臂转移利用和回馈利用后，剩余部分返送220kV电网。由于回馈能量无法满足10kV负荷功率需求，铁路10kV电力系统提供其功率需求缺额。

4）工况12。系统处于能馈+储能模式，储能系统和能馈系统均工作，牵引负荷小于制动负荷，系统功率潮流如图4d所示。再生制动能量经异臂转移利用、回馈利用和能量存储后，剩余部分返送220kV电网。由于回馈能量无法满足10kV负荷功率需求，铁路10kV电力系统提供其功率需求缺额。

上述分析表明，通过合理地划分运行模式与工况，系统能够实现动态功率分配，将避免再生制动能量定功率回馈对铁路 10kV电力系统供电安全造成的影响，同时保证再生制动能量的高效利用。

3 控制策略

为可靠切换再生制动能量，利用系统的四种运行模式，同时实现再生制动能量在供电臂、储能系统及能馈系统中有效转移利用，需对以下关键量进行控制：①系统不同工况下的参考功率；②背靠背变流器左、右臂输出电流和直流母线电压；③能馈系统输出电流；④储能系统工作模式及其输入/输出功率。

考虑到再生制动能量利用系统能量流动复杂且需多个变流器协同工作，本文提出了一种分层控制策略，其控制原理图如图5所示。其中，能量管理层以动态功率分配为基础，包括功率及状态检测、系统参数设定和系统参考功率输出三部分，参考功率作为输出量驱动变流器控制的进行；变流器控制层包括背靠背变流器控制、能馈系统控制和储能系统控制三部分，各变流器模块的正确协同工作保证了能量管理层决策的有效性。

图5 再生制动能量利用系统控制原理Fig.5 Control schematic diagram of regenerative braking energy utilization system

3.1 能量管理层

在系统投入运行前，需根据供电臂负荷及10kV负荷的特点设置合适的系统参数Psc_max、Psc_min、Pfm、SOCmax和SOCmin。系统运行时，能量管理层接收来自左、右供电臂，10kV负荷和储能介质处的检测信号，经计算处理得到相应的输入功率和储能介质SOC；然后逻辑模块基于第2节中的能量管理分析结果及式（5）对输入量和设置量进行实时处理，分别判断该时刻系统的工作模式与运行工况，其运行流程如图6所示；最后，逻辑模块输出各工况下的参考功率。

3.2 变流器控制层

接收到来自能量管理层的参考功率后，变流器控制层将同时对各变流器组进行控制。由于只考虑有功功率，控制中所需的q轴参考电流均为0，具体控制方法如下：

背靠背变流器采用电压和电流控制。由于供电臂采样电压电流为单相交流量，可利用二阶广义积分器（Second-Order Generalized Integrator, SOGI）构造各输入控制量的正交分量，进而通过Park变换将控制量转换为dq0坐标系分量。该分量经控制器调节后进行Park反变换，最后被送入PWM模块产生控制脉冲。其中，锁相环（Phase Locked Loop, PLL）保证了各正弦量相位的统一。

左侧变流器为电压电流双环控制，电压环控制直流侧电压的稳定，旨在保证变流器正常工作，电流环跟踪左臂参考电流d轴分量IrpcL_refd；右侧变流器为电流控制，电流环跟踪右臂参考电流IrpcR_refd，其大小为

式中，UrpcLd为左侧变流器交流侧d轴电压；UrpcRd为右侧变流器交流侧d轴电压。

能馈系统采用三相逆变器后接 LCL滤波器的结构，为取得较为理想的并网效果，本文采用电容电流前馈的逆变器输出侧电流闭环控制[22]。以铁路10kV电力系统A相电压为基准进行锁相，通过Park变换分别将铁路10kV电力系统电压、铁路10kV电力系统电流、滤波器电容电流、逆变器输入侧电流的dq0坐标系分量及参考回馈功率输入控制器，经控制器调节后对其进行 Park反变换，最后送入PWM模块产生控制脉冲。其中，参考回馈电流为

图6 逻辑模块运行流程Fig.6 Operation flow chart of logic module

式中，If_refd为参考回馈电流d轴分量；Ud为逆变器输出电压d轴分量。

储能系统控制通过切换 DC-DC变换器的Buck/Boost状态改变储能系统的工作模式，进而控制储能介质充/放电。确定工作模式后，控制量被送入相应模式控制器进行电流闭环控制，输出量由PWM模块调制后产生控制脉冲。其中，储能介质参考电流为

式中，Usc为储能介质端电压。

综上所述，通过建立分层控制策略，控制系统能量管理层对系统功率进行了动态分配；变流器控制层控制各子系统协同工作，稳定了背靠背变流器直流侧电压，为潮流设备提供直流能量接口的同时控制供电臂进行异臂功率转移；通过逆变器使再生制动能量以单位功率因数并网，保证并网电能质量并满足10kV负荷的动态功率需求；使DC-DC变换器根据系统需求切换工作模式，跟踪储能介质的充/放电功率，保证其输入/输出功率的准确性。

4 仿真验证

4.1 仿真条件

为验证所提再生制动能量利用系统能量管理及控制策略的正确性和有效性，基于图1所示拓扑搭建了仿真模型，其牵引供电系统、背靠背变流器、能馈系统和储能系统的电气仿真参数见表3，12种运行工况负荷的仿真参数见表 4，三种对比工况负荷的仿真参数见表5。其中，以某枢纽所10kV配电所实测负荷数据为参考，为保证再生制动能量能够以95%概率满足10kV负荷的功率需求，设置回馈功率阈值Pfm为2.39MW。

表3 仿真参数Tab.3 Parameters of simulation

（续）

表4 系统负荷仿真参数一Tab.4 Parameters 1 of system loads

表5 系统负荷仿真参数二Tab.5 Parameters 2 of system loads

4.2 仿真结果

4.2.1 空闲模式

空闲模式仿真结果如图7所示，其中图7a为该模式系统功率分配及储能介质SOC仿真结果。两供电臂负荷在工况1下不与外部进行能量交换，在工况2下虽需外部供能，但储能介质SOC小于阈值下限导致其禁放。因此两种工况下能馈系统与储能系统均处于空闲状态，即图中所示Psc=0，Pf=0；同时，220kV电网和铁路 10kV电力系统功率分别随供电臂负荷与 10kV负荷功率需求的变化而改变（Pg220=Ps，Pg10=Pload），验证了空闲模式下系统功率分配的正确性。

图7 空闲模式仿真结果Fig.7 Simulation results of idle mode

图 7b为背靠背变流器及供电臂负荷的功率曲线。工况1中PrpcL=1MW，PrpcR=-1MW，右供电臂动车组产生的再生制动能量通过背靠背变流器转移到左供电臂供牵引动车组使用，两供电臂功率相等（PoutL=PoutR=0）；工况 2中PrpcL=1.25MW，PrpcR=-1.25MW，在供电臂负荷功率达到平衡后，220kV电网平均向两供电臂提供功率缺额（PoutL=PoutR=0.25MW），验证了背靠背变流器的功率平衡作用。

4.2.2 储能模式

储能模式系统功率分配及储能介质 SOC仿真结果如图8所示。由图可知两种工况下供电臂负荷总功率均为正值，能馈系统处于空闲状态（Pf=0）。其中，工况3储能系统放电功率与供电臂负荷总功率相等（Psc=-Ps=-0.5MW），此时220kV电网不出力（Pg220=0）。工况 4供电臂负荷总功率上升为1.5MW，超过了储能介质放电功率阈值Psc_min，储能系统以最大功率放电（Psc=-1MW）；牵引负荷功率缺额由 220kV电网提供（Pg220=0.5MW）。同时，能馈系统处于空闲状态，铁路 10kV电力系统独立为10kV负荷供电（Pg10=Pload=2MW）。上述结果验证了系统在储能模式下功率分配的正确性。此外，储能介质在放电过程中 SOC下降率随放电功率变化而改变，验证了储能系统双向 DC-DC变换器Boost状态下放电功率跟踪的准确性。

图8 储能模式仿真结果Fig.8 Simulation results of energy storage mode

4.2.3 能馈模式

能馈模式仿真结果如图9所示，其中图9a为三相逆变器并网电压电流A相波形，由图可知两者相位相同且波形正弦程度高，能馈系统并网效果较好。图9b为该模式系统功率分配及储能介质SOC仿真结果。四种工况供电臂负荷总功率均为负值，由于前两种工况Pre=0，后两种工况Pre＞0但储能介质SOC超过安全阈值上限，致使四种工况下储能系统均处于空闲状态。对比工况5与工况6可知，回馈功率无法满足 10kV负荷功率需求时，功率缺额由铁路 10kV电力系统提供（Pg10=Pload-Pf=0.5MW）；回馈功率可以满足 10kV负荷功率需求时，铁路10kV电力系统不出力（Pg10=0）。同理，工况7与工况8中10kV负荷的功率供需亦是如此，同时剩余再生制动能量由220kV电网消纳。上述结果验证了能馈模式下系统功率分配的正确性。

图9 能馈模式仿真结果Fig.9 Simulation results of feedback mode

4.2.4 能馈+储能模式

能馈+储能模式系统功率分配及储能介质 SOC仿真结果如图10所示。四种工况供电臂负荷总功率均为负值且Pre＞0，储能介质SOC处于安全阈值范围内，能馈系统和储能系统均处于工作状态。对比工况 9与工况10可以发现，工况9回馈剩余功率全部由储能系统存储（Psc=0.11MW），未返送功率至220kV电网（Pg220=0）；工况10回馈剩余功率经储能系统存储后仍有一部分返送至 220kV电网（Pg220=0.21MW），两种工况 10kV负荷的功率缺额均由铁路10kV电力系统提供。同理，观察工况11与工况12可知，除10kV负荷由能馈系统独立供电（Pg10=0）外，其余功率分配特点分别与工况 9、工况10相同。上述仿真结果验证了能馈+储能模式下系统功率分配的正确性。此外，储能介质在充电过程中SOC上升率随充电功率变化而改变，验证了储能系统双向DC-DC变换器Buck状态下充电功率跟踪的准确性。

图10 能馈+储能模式仿真结果Fig.10 Simulation results of feedback and energy storage mode

4.2.5 功率分配效果对比

系统功率分配效果对比仿真结果如图11所示。其中图11a为回馈功率固定为1MW时系统功率分配情况，由图可知工况 13可回馈再生制动能量充足，但回馈功率无法满足 10kV负荷的功率需求（Pload=2.38MW），回馈剩余能量分别由储能系统存储和返送220kV电网（Psc=1MW，Pg220=-0.38MW），致使再生制动能量利用率较低；工况14能馈系统回馈功率超过了10kV负荷需求（Pload=0.5MW），多余回馈功率将影响铁路 10kV电力系统的供电安全；工况 15再生制动能量不能满足回馈需求（Ps=-0.5MW），导致220kV电网与铁路10kV电力系统出现环流。图11b为采用动态功率回馈后系统功率分配情况，通过对比可以发现采用动态功率回馈避免了回馈不足、回馈过度等问题，使再生制动能量利用系统的功率分配更加合理。