一种基于储能系统的混合铁路功率调节器及其控制策略

何棒棒 高志宣 马 超

一种基于储能系统的混合铁路功率调节器及其控制策略

何棒棒1高志宣2马 超3

（1. 东南大学电气工程学院 南京 210096 2. 中国科学院电工研究所 北京 100190 3. 中国矿业大学（北京）机电与信息工程学院 北京 100083）

为充分利用交直交型电力机车产生的再生制动能量，提高V/v牵引供电系统的电能质量，并提高其经济性，提出一种基于储能系统的混合铁路功率调节器（ESS-HRPC）。储能装置通过双向DC-DC变换器与铁路功率调节器（RPC）的直流侧相连接，以回收利用多余的再生制动能量。一组晶闸管投切电容器（TSC）和一组晶闸管控制电抗器（TCR）用于辅助RPC提供无功功率，以降低负序电流补偿的成本。首先，分析ESS-HRPC的结构组成和工作原理，研究TCR、TSC和RPC的装置容量配置，推导系统电压、电流和功率关系；然后，设计ESS-HRPC各部分的给定参考信号和控制策略；最后，通过三种系统工况仿真验证所提ESS-HRPC及其控制策略的可行性和有效性。

再生制动能量 铁路功率调节器 负序电流补偿 储能系统 电气化铁路

0 引言

自20世纪初铁路电气化开始，高能耗和电能质量问题就一直困扰着铁路运营企业[1-3]。近年来，许多研究都致力于实现电气化铁路的节能降耗和牵引供电系统的安全稳定运行。

在我国高速铁路和重载铁路系统中，采用四象限脉宽调制（Pulse Width Modulation, PWM）控制方式的交直交型电力机车已逐步取代交直型电力机车成为主要车型[4-6]。由于交直交型电力机车相对于交直型电力机车具有牵引功率大、功率因数高、低次谐波含量低且能再生制动等显著优点[7-8]，无功功率和低次谐波不再成为牵引供电系统的主要问题，而因负序电流导致的三相电流不平衡问题却日益严重[9-11]。尤其在V/v牵引供电系统中，即使两供电臂内的列车功率相同，系统仍然存在50%的负序电流[12]。另外，交直交型电力机车在重载、长大下坡道或铁路枢纽站所制动时会产生大量的再生制动能量[13-14]。若这些反馈的电能可以在牵引供电系统内部被牵引列车消耗，就能大大降低列车用电成本，提高能源效率。

目前，在许多考虑再生制动能量利用并补偿负序电流的方案中，日本学者提出的铁路功率调节器（Railway Power Conditioner, RPC）常作为核心设备。这是由于RPC不但可以平衡两个供电臂的有功功率，还可向两个供电臂补偿一定的无功功率[15-16]。为实现上述控制目标，RPC多采用电压电流双闭环控制策略[17]，其中电压外环通常采用PI控制，而电流内环则可采用滞环比较跟踪控制[12]、基于dq坐标变换的PI控制[18]、准谐振控制[19]、直接模糊跟踪控制[20]等方式。

近年来，为实现再生制动能量的全利用，提出了两种解决方案：①针对于单个牵引变电站；②从整个铁路系统层面进行考虑。第①种方案是在RPC的直流侧增加电池、超级电容等储能装置，以回收利用剩余的再生制动能量[9, 21-23]。类似地，文献[24]提出了一种基于分散式储能模块化多电平变换器（Modular Multilevel Converter, MMC）结构的RPC。第②种方案中，为共享、调控和利用整个铁路系统内部的再生制动能量并改善各个牵引变电所的电能质量，在任意两个相邻的供电臂之间装设RPC，并利用中央控制器对所有的RPC进行能量管理[25]。类似地，文献[3]提出了一种基于RPC和储能装置的改进交流铁路供电系统，用于再生制动能量管理和电能质量改善。但RPC造价高昂[26-28]，限制了上述方案的推广和应用。

传统的RPC是由8个绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT）构成的单相背靠背AC-DC-AC变换器[1]。近10年来，相继提出了一些改进的拓扑结构，如两相三线结构[29]，半桥结构[30]，四桥臂、三桥臂和两桥臂的MMC结构[31]等。尽管如此，由于负序补偿的容量需求过大，这些改进结构的成本依旧很高。为实现更低的装置成本或更大的补偿容量，提出了一些与无源补偿装置混合的RPC方案[26-28, 32-34]。由于无源补偿装置的成本远小于RPC，因此混合RPC更具经济性[1, 28]。虽然目前有许多设计混合RPC的方法，但是这些研究都没有被应用到基于RPC的再生制动能量利用方案中。

因此，本文提出一种基于储能系统的混合铁路功率调节器（Hybrid Railway Power Conditioner based on Energy Storage System, ESS-HRPC）及其控制策略。在所提ESS-HRPC中，再生制动能量将优先被RPC调控给牵引列车使用，若仍有剩余则利用储能系统进行回收，以实现再生制动能量的全利用。在此基础上，RPC与一组晶闸管投切电容器（Thyristor-Switched Capacitor, TSC）和一组晶闸管控制电抗器（Thyristor-Controlled Reactor, TCR）共同完成对负序电流的补偿，以实现三相电流平衡，并提高系统经济性。

1 系统描述与建模

1.1 ESS-HRPC的拓扑结构及工作原理

基于V/v牵引系统的ESS-HRPC拓扑结构及其简化模型如图1所示。牵引供电系统有a相和b相两个供电臂。110kV三相电压经V/v变压器降压为两个27.5kV的单相电压。ESS-HRPC由两台双绕组降压变压器（T1），两台三绕组降压变压器（T2），一组TSC（TSC1, TSC2,…, TSC），一组TCR（TCR1, TCR2,…, TCR），两个并联的RPC（RPC1和RPC2），一个双向DC-DC变换器和储能装置组成。RPC2用于实现两供电臂间的能量交互（包括调控再生制动能量和平衡两供电臂的有功功率），并为储能系统提供直流接口；储能系统用于存储和释放再生制动能量；通过协调控制RPC2和储能系统可实现再生制动能量的全利用。在此基础上，TSC和RPC1左侧变流器向a相供电臂提供无功功率，TCR和RPC1右侧变流器向b相供电臂提供无功功率，以补偿负序电流。针对上述目标制定的能量管理原则为：

图1 基于V/v牵引系统的ESS-HRPC拓扑结构及其简化模型

（1）列车产生的再生制动能量优先经RPC2调控给牵引供电系统内部的牵引列车使用。

（2）考虑牵引列车的利用后，若仍有剩余的再生制动能量，则存储到储能系统中；一旦列车需要从电网取电，储能装置中存储的电能将立即通过双向DC-DC变换器和RPC2释放给牵引列车。

（3）在再生制动能量调控的基础上，RPC2需要平衡两供电臂的有功功率，TSC、TCR和RPC1还需同时提供一定的无功功率，以实现三相电流平衡。

1.2 符号说明

图1a中，A、B、C分别为三相电流；a、b分别为a相和b相供电臂电压，且有a=b=27.5kV；a、b分别为a相和b相供电臂电流；aL、bL分别为两个供电臂内的列车负载电流；Ra、Rb分别为RPC向两个供电臂提供的补偿电流；Ca为TSC向a相供电臂提供的无功电流；Cb为TSC向b相供电臂提供的无功电流；R1a、R1b分别为RPC1左、右侧变流器输出电流；R2a、R2b分别为RPC2左、右侧变流器输出电流。

TSC为流过TSC的总电流；TR为双向晶闸管，为防止产生谐波和电流畸变，TR工作时只相当于一个双向开关，s表示TR的开关状态且当s=1时，TSC被接入，当s=0时，TSC被旁路；C为TSC的等效电容，其大小按二进制正序排列，即

TCR为流过TCR的总电流；s表示TR的开关状态且当s=1时，TCR被接入，当s=0时，TCR被旁路；L为TCR的等效电感，其大小按二进制逆序排列，即

图1b中，a、a分别为a相供电臂的总有功和无功功率；b、b分别为b相供电臂的总有功和无功功率；aL、bL分别为两个供电臂内列车的有功功率，由于交直交型电力机车的功率因数近似为1[12, 35]，因此本文按照列车功率因数为1来设计ESS-HRPC及其控制策略，对列车本身产生的无功功率的补偿思路则在讨论部分给出；Ra、Ra分别为RPC向a相供电臂输出的有功和无功功率；Rb、Rb分别为RPC向b相供电臂输出的有功和无功功率；ESS为储能系统的输出功率；Ca、Cb分别为TSC和TCR输出的无功功率。

1.3 TSC、TCR和RPC1的装置容量配置

由于TR只工作于导通和关断两种开关状态，因此TCR和TSC只能有级（不连续）地向供电臂提供无功功率。实际上，ESS-HRPC必须能无级（连续）地补偿无功功率以适应系统的各种运行工况。而RPC1可以实现无功功率的无级补偿，但装置成本要远高于TEC和TCR。因此通过合理配置TSC、TCR和RPC1的装置容量，既可以满足系统无功补偿的需要，又能保证经济性。

为控制方便，不妨令TSC和TCR接入供电臂后能提供的无功功率大小相等且为Q，则有

式中，为电网角频率；1为T1的电压比。

此时，TSC和TCR就可以由一组开关状态1,2,…,s进行控制，且有

显然，当1=2=…=s=1时，TSC和TCR向供电臂提供的无功功率最大。由式（1）～式（3）可得，TSC和TCR能补偿的最大无功功率为

1.4 电压、电流和功率关系

以A相电压为基准，且设

根据V/v牵引变压器的特性可得其一次和二次电压、电流关系为

式中，为V/v变压器电压比。

如图1a所示，根据基尔霍夫电流定律可得

其中

式中，2为T2的电压比。

若忽略损耗，图1b中的功率关系可表达为

由于RPC2不吸收也不释放有功功率，即满足有功功率平衡，于是可得

根据V/v牵引系统的负序电流补偿原理，补偿后两供电臂的功率关系[36-37]应满足

由式（12）～式（14）整理可得

2 控制策略

根据上述分析和计算可知：系统控制的关键是由采集得到的列车功率信息和电压电流信号，确定各部分输出有功或无功功率的参考值，进而通过设计相应的控制策略对各变换器或电力电子开关进行控制，使得ESS-HRPC能有效调控和利用列车的再生制动能量，并补偿负序电流。

2.1 储能系统的功率控制

储能系统是储存还是释放再生制动能量取决于两个供电臂内列车功率之和的正负性，而其充放电功率的大小则不但与列车功率之和有关，还需要考虑储能系统自身的工作状态。即当aL+bL≥0时，储能系统放电，其放电功率的大小应取自储能系统的实时最大放电功率ESS_omax与两个供电臂所需电功率之和aL+bL的最小值；当aL+bL＜0时，储能系统应充电，其充电功率的大小应取自储能系统的实时最大充电功率ESS_imax与需要存储的再生制动功率|aL+bL|的最小值。由上述分析可得

由式（16）可知，储能系统自身的充电功率限制会影响再生制动能量的实际回收利用效果。若实时最大充电功率小于需要存储的再生制动功率，则会有部分再生制动能量由于无法及时存储而反馈回电网。因此，若想在系统任何工况下再生制动能量都能被完全吸收，那么储能装置的实时最大充电功率应大于需要存储的最大再生制动功率。通过控制双向DC-DC变换器，结合式（16），可实现对储能装置的充放电控制。

2.2 TSC和TCR的控制

通过控制各TR的导通与关断，可以控制TSC和TCR向两个供电臂提供的无功功率。具体步骤为：根据采集的列车有功功率和式（15），可以计算得到ESS-HRPC需要向两个供电臂提供的无功功率大小。由于无功功率由TSC、TCR和RPC1共同提供，因此只要确定TSC和TCR需要提供的部分，就可以得到TSC和TCR中各TR的开关状态s，进而控制TSC和TCR。

由式（1）～式（3）和式（12）可得

其中

式中，|Ra|由RPC1左侧变流器提供；|Rb|由RPC1右侧变流器提供；且|Ra|和|Rb|都不应超过TSC1或TCR1投入后能提供的无功功率值1，即

根据式（3）、式（15）、式（17）和式（18），可得开关状态s的计算公式为

式中，[ ]为向下取整函数。

于是，TSC和TCR的控制框图如图2所示。

图2 TSC和TCR的控制框图

2.3 RPC1和RPC2的控制

由2.2节分析可知，RPC1只发出无功功率，且其左、右侧变流器的无功功率给定值分别为Ra和Rb。由式（12）和式（15）中的功率关系，结合图1，可整理得到RPC1左、右侧变流器的电流给定值，即

RPC1的控制框图如图3所示，为了保证RPC的正常工作，还需要增加对其直流侧电压的控制。图中，电压经过锁相环（Phase Locked Loop, PLL）环节产生电压同步信号；RPC1的左右两侧变流器均采用电流滞环比较跟踪控制产生脉冲波；Udc1为RPC1的直流侧电压。

RPC2只传输有功功率，且其左、右侧变流器的有功功率给定值分别为Ra和Rb。根据有功功率平衡原理，RPC2的左侧变流器可以采用定有功功率控制，右侧变流器采用定直流侧电压控制。由式（12）和式（15）中的功率关系，可整理得到RPC2左侧变流器的电流给定值为

RPC2同样采用滞环比较跟踪控制方式产生脉冲波，其控制框图如图4所示。图中，dc2为RPC2的直流侧电压。

图4 PRC2的控制框图

3 仿真分析

3.1 仿真条件

为了验证所提ESS-HRPC及其控制策略的可行性和有效性，在Matlab中搭建了图1所示系统进行仿真验证，取=4。同时为展示ESS-HRPC的动态和稳态特性，在三种系统运行工况下进行仿真，每种工况下的列车功率见表1。开始时系统运行在工况1；在0.6s时切换到工况2；在1.0s时切换到工况3。仿真系统的主要参数见表2。

表1 各系统工况下的列车功率

Tab.1 The train power under each system condition

表2 仿真系统的主要参数

Tab.1 Main parameters of the simulation system

3.2 仿真结果及分析

仿真波形如图5所示，图中，grid为整个牵引变电站从公共电网获取的电功率。

3.2.1 工况1：aL=-6MWbL=3MW

a相供电臂内列车制动，b相供电臂内列车牵引，且制动功率大于牵引功率。若系统不含ESS- HRPC，将有-6MW的再生制动功率反馈到电网，同时将从电网获取3MW电功率。而若经ESS-HRPC调控后，3MW的再生制动能量将从a相供电臂调控给b相供电臂的列车使用，剩余的3MW再生制动功率会经RPC2左侧变流器存储到储能系统。如图5a工况1所示，Ra、Rb和ESS的仿真结果基本与各自的参考值相同，由于调控后两供电臂既不向电网反馈电能，也不从电网获取电能，grid基本为0。故而此时无需进行负序电流补偿，即RPC1提供的无功功率基本为0，TSC和TCR的四个开关状态也均为0，如图5b～图5d工况1所示。对比图5d和图5e工况1可知，经ESS-HRPC调控后三相电流由明显不平衡变为基本为0。在整个过程中，RPC1和RPC2的直流侧电压基本保持在3.5kV，如图5f工况1所示。

3.2.2 工况2：aL=4MW，bL=6MW

两供电臂内的列车均处于牵引状态，且功率不相同。若系统不含ESS-HRPC，整个牵引系统将从电网获取10MW电功率。而若经ESS-HRPC调控后，在工况1存储的3MW的再生制动能量将在储能系统中释放，并经RPC2传输给两个供电臂，同时保证调控后两个供电臂的有功功率相等（均为3.6MW）。如图5a工况2所示，Ra、Rb和ESS的仿真结果基本与各自的参考值相同，grid=7.20MW。无功补偿方面，TSC和TCR提供了大部分的无功功率，少量的无功功率由RPC1提供，仿真结果如图5b和图5c工况2所示。相应地，TSC和TCR的四个开关状态(1,2,3,4)为(0, 0, 0, 1)，如图5d工况2所示。对比图5d和图5e工况2可得，经ESS-HRPC调控后，三相电流由明显不平衡变为基本平衡。整个过程中，RPC1和RPC2的直流侧电压经过一个短暂的调整后基本保持在3.5kV，如图5f工况2所示。

3.2.3 工况3：aL=3MW，bL=9MW

两供电臂内的列车均处于牵引状态，且功率不相等。由于列车没有产生再生制动能量且储能系统没有存储电能，因此只进行负序电流补偿。首先RPC2将3MW电能从a相供电臂调控给b相供电臂，使得调控后两供电臂的有功功率均为6MW。如图5a工况3所示，Ra、Rb和ESS的仿真结果基本与各自的参考值相同，grid与两列车牵引功率和基本相等，为12.01MW。然后进行无功补偿，TSC和TCR提供了大部分的无功功率，少量的无功功率由RPC1提供，仿真结果如图5b和图5c工况3所示。相应地，TSC和TCR的四个开关状态(1,2,3,4)为(1, 0, 1, 1)，如图5d工况3所示。对比图5d和图5e工况3可得；经ESS-HRPC调控后三相电流由明显不平衡变为基本平衡。RPC1和RPC2的直流侧电压快速调整后基本保持在3.5kV，如图5f工况3所示。

根据上述仿真结果可知，ESS-HRPC能实现再生制动能量的有效利用和负序电流的补偿。同时，仿真结果还表明，ESS-HRPC具有较好的动态特性，能够快速地从一种工况切换到另一种工况。

4 讨论

4.1 所提方案采用两个RPC的优势

现有的RPC＋储能方案[21-22]采用一个RPC和一个储能装置实现列车再生制动能量的回收利用和牵引供电系统负序电流的补偿，而本文所提的ESS- HRPC中设置了两个RPC，即RPC1和RPC2。实际上，本文若采用一个RPC也可以实现上述功能。但需要指出和说明的是：由于在实际工程应用中，RPC通常采用多重并联的模块化结构，以增强系统集成度[8]，因此这些方案给出的都只是原理性结构。但较之于单个RPC，本文采用两个RPC进行分析和设计的主要优势如下：

（1）减少实际工程应用中三端口变换器的使用。由于“RPC+储能”这种三端口变换器结构中存在一个直流母线，其母线电压的波动也较单个RPC的直流侧严重，且系统稳定性问题更突出。因此，从工程应用时采用模块化结构的角度来看，现有方案的每个子模块都需要采用这种三端口结构。而本文所提ESS-HRPC由于降低了有源RPC的容量，因此同容量子模块的数目不但较现有方案少，且RPC1的直流侧不需要接入储能装置，所以系统中三端口变换器的使用数量也将明显低于现有方案。

（2）本文所提ESS-HRPC较现有方案增加了无源补偿装置，因此若仍采用单个RPC来考虑，其控制策略将更为复杂。而若采用RPC1和RPC2分别补偿系统无功功率和控制有功功率，其各自控制参考量的计算和处理也将较单个RPC简单，有益于提高系统可靠性。

4.2 所提方案兼顾补偿列车无功功率的思路

鉴于交直交型电力机车的功率因数较高，因此本文对所提系统进行分析、计算和控制策略设计的过程中，只考虑了列车的有功功率，而忽略其产生的无功功率。但实际上，列车运行时总会向接触网注入一部分无功功率。若考虑采用本文所提系统对这部分无功功率进行吸收，只需要在RPC1的控制策略中加入对列车无功功率的补偿并适当增加RPC1的容量即可实现。具体思路如下：

不妨设两供电臂内列车产生的无功功率分别为aL和bL，由于RPC1负序电流补偿需要向两供电臂提供的无功功率分别为Ra和Rb，因此考虑补偿列车无功功率后，RPC1应向两供电臂提供的无功功率分别为Ra-aL和Rb-bL。由于|Ra-aL|≤|Ra|+|aL|≤1+|aL|，|Rb-bL|≤|Rb|+|bL|≤1+|bL|，所以RPC1的装置容量RPC1需要在21基础上增加2max{|aL|, |bL|}。

4.3 所提方案的经济性分析

相较于现有的RPC+储能方案，本文所提出的ESS-HRPC系统采用TSC和TCR代替一部分RPC的容量用于产生无功功率，以降低整个系统用于负序电流补偿的有源设备容量。根据1.3节分析结合仿真案例可知：从无功功率补偿角度来看，无源补偿装置（TSC、TCR）和RPC的容量占比分别为15/16和1/16。在不考虑装置裕度、损耗和维护成本的基础上，四象限PWM变流器设备成本约为20万元/(MV·A)[13]，而无源补偿装置成本仅约为 3.3万元/Mvar[38]。据此，与RPC＋储能方案相比，本方案中用于无功功率补偿的成本可降低约78.28%，更具经济性。

5 结论

针对电气化铁路系统中再生制动能量的回收利用和改善电能质量的问题，本文研究了基于RPC、储能系统、TSC和TCR的ESS-HRPC方案及其控制策略，剖析了其能量管理原则和负序电流补偿方法，并通过基于三种系统工况的动态仿真进行了方案验证，得到的结论如下：

1）通过协调控制RPC与储能系统，ESS-HRPC能实现再生制动能量在牵引供电系统内部被牵引列车充分利用，同时还可以有效补偿负序电流，有利于降低列车用电成本，提高能源效率，并保障牵引供电系统的安全稳定运行。

2）相比于现有的RPC+储能方案，本文所提出的ESS-HRPC能更经济地解决三相电流不平衡等电能质量问题，具有一定的工程应用价值。

需要指出的是，本文主要研究了利用ESS- HRPC实现交直交型电力机车再生制动能量的回收利用和对负序电流的补偿，对于储能介质的选择和储能装置的容量优化等问题将在后续研究中进一步考虑。

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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

神华集团有限责任公司科技创新资助项目（CSIE16024877）。

2020-05-27

2021-01-14

何棒棒 男，1994年生，博士研究生，研究方向为交直流配电系统稳定性评估与提升、牵引供电系统再生制动能量利用及电能质量改善。E-mail: he_bangbang@163.com（通信作者）

高志宣 男，1991年生，博士，研究方向为电气化铁路节能、电能路由器。E-mail: gaozhixuan8577@163.com

（编辑 陈 诚）