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自20世紀(jì)初鐵路電氣化開始，高能耗和電能質(zhì)量問題就一直困擾著鐵路運(yùn)營企業(yè)。近年來，許多研究都致力于實(shí)現(xiàn)電氣化鐵路的節(jié)能降耗和牽引供電系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

在我國高速鐵路和重載鐵路系統(tǒng)中，采用四象限脈寬調(diào)制（Pulse Width Modulation, PWM）控制方式的交直交型電力機(jī)車已逐步取代交直型電力機(jī)車成為主要車型。由于交直交型電力機(jī)車相對于交直型電力機(jī)車具有牽引功率大、功率因數(shù)高、低次諧波含量低且能再生制動等顯著優(yōu)點(diǎn)，無功功率和低次諧波不再成為牽引供電系統(tǒng)的主要問題，而因負(fù)序電流導(dǎo)致的三相電流不平衡問題卻日益嚴(yán)重。

尤其在V/v牽引供電系統(tǒng)中，即使兩供電臂內(nèi)的列車功率相同，系統(tǒng)仍然存在50%的負(fù)序電流。另外，交直交型電力機(jī)車在重載、長大下坡道或鐵路樞紐站所制動時會產(chǎn)生大量的再生制動能量。若這些反饋的電能可以在牽引供電系統(tǒng)內(nèi)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(bǔ)償負(fù)序電流的方案中，日本學(xué)者提出的鐵路功率調(diào)節(jié)器（Railway Power Conditioner, RPC）常作為核心設(shè)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(bǔ)償一定的無功功率。為實(shí)現(xiàn)上述控制目標(biāo)，RPC多采用電壓電流雙閉環(huán)控制策略，其中電壓外環(huán)通常采用PI控制，而電流內(nèi)環(huán)則可采用滯環(huán)比較跟蹤控制、基于dq坐標(biāo)變換的PI控制、準(zhǔn)諧振控制、直接模糊跟蹤控制等方式。

近年來，為實(shí)現(xiàn)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(tǒng)層面進(jìn)行考慮。

第①種方案是在RPC的直流側(cè)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。類似地，有學(xué)者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(jié)構(gòu)的RPC。

第②種方案中，為共享、調(diào)控和利用整個鐵路系統(tǒng)內(nèi)部的再生制動能量并改善各個牽引變電所的電能質(zhì)量，在任意兩個相鄰的供電臂之間裝設(shè)RPC，并利用中央控制器對所有的RPC進(jìn)行能量管理。類似地，有學(xué)者提出了一種基于RPC和儲能裝置的改進(jìn)交流鐵路供電系統(tǒng)，用于再生制動能量管理和電能質(zhì)量改善。但RPC造價高昂，限制了上述方案的推廣和應(yīng)用。

傳統(tǒng)的RPC是由8個絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT）構(gòu)成的單相背靠背AC-DC-AC變換器。近10年來，相繼提出了一些改進(jìn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如兩相三線結(jié)構(gòu)，半橋結(jié)構(gòu)，四橋臂、三橋臂和兩橋臂的MMC結(jié)構(gòu)等。

盡管如此，由于負(fù)序補(bǔ)償?shù)娜萘啃枨筮^大，這些改進(jìn)結(jié)構(gòu)的成本依舊很高。為實(shí)現(xiàn)更低的裝置成本或更大的補(bǔ)償容量，提出了一些與無源補(bǔ)償裝置混合的RPC方案。由于無源補(bǔ)償裝置的成本遠(yuǎn)小于RPC，因此混合RPC更具經(jīng)濟(jì)性。雖然目前有許多設(shè)計混合RPC的方法，但是這些研究都沒有被應(yīng)用到基于RPC的再生制動能量利用方案中。

因此，東南大學(xué)電氣工程學(xué)院等單位的科研人員提出一種基于儲能系統(tǒng)的混合鐵路功率調(diào)節(jié)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(yōu)先被RPC調(diào)控給牽引列車使用，若仍有剩余則利用儲能系統(tǒng)進(jìn)行回收，以實(shí)現(xiàn)再生制動能量的全利用。在此基礎(chǔ)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(fù)序電流的補(bǔ)償，以實(shí)現(xiàn)三相電流平衡，并提高系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性。

研究人員得到的結(jié)論如下：

1）通過協(xié)調(diào)控制RPC與儲能系統(tǒng)，ESS-HRPC能實(shí)現(xiàn)再生制動能量在牽引供電系統(tǒng)內(nèi)部被牽引列車充分利用，同時還可以有效補(bǔ)償負(fù)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(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2）相比于現(xiàn)有的RPC+儲能方案，本文所提出的ESS-HRPC能更經(jīng)濟(jì)地解決三相電流不平衡等電能質(zhì)量問題，具有一定的工程應(yīng)用價值。

另外，他們表示，本課題主要研究了利用ESS- HRPC實(shí)現(xiàn)交直交型電力機(jī)車再生制動能量的回收利用和對負(fù)序電流的補(bǔ)償，對于儲能介質(zhì)的選擇和儲能裝置的容量優(yōu)化等問題將在后續(xù)研究中進(jìn)一步考慮。

本文編自2021年第23期《電工技術(shù)學(xué)報》，論文標(biāo)題為“一種基于儲能系統(tǒng)的混合鐵路功率調(diào)節(jié)器及其控制策略”，作者為何棒棒、高志宣 等。