电气化铁路同相储能供电系统能量管理及容量配置策略

张建雄

摘要：国内电气化铁路普遍采用工频单相交流供电制式，电力牵引负荷波动性大、不对称性强，机车取流情况实时变化，导致牵引变电所的日平均负荷功率与短时最大负荷功率相差甚大。目前，由于交直交型列车得到广泛应用，使谐波和功率因数问题得到有效改善，而随着列车牵引功率的提高，负序问题愈发严重。为解决负序问题，通常采用异相有源补偿和同相有源补偿两种方式，异相有源补偿方案虽取得了一定的负序补偿效果，但未能取消牵引变电所出口处存在的电分相，不利于系统的高效安全运行。组合式同相供电技术由国内学者首次提出，牵引变电所采用单相牵引变压器、借助匹配变压器辅以必要的负序补偿装置，在消除电分相的同时取得了良好的负序治理效果。本文主要分析电气化铁路同相储能供电系统能量管理及容量配置。

关键词：充放电阈值；负序补偿；储能容量；削峰填谷；再生制动能量利用

引言

目前，储能技术在铁路中的应用研究主要集中在再生制动能量回收利用和牵引负荷削峰填谷两方面。同相供电时，将储能装置与牵引母线挂接，可实现削峰填谷，进而改善负序。基于此，以飞轮作为储能设备，将日负荷以15min为周期分为96段，根据每段负荷峰谷特点设置储能装置启动阈值的方案被提出，但该方案改善负序的能力有限，不适于电能质量较差的线路，且飞轮储能造价和维护成本较高。超级电容以其高功率密度、高循环充放电寿命和极低维护量的特点，被广泛应用于城轨交通，回收利用再生制动能量和稳定电压。为改善这一不足，结合组合式同相供电技术的优越性和超级电容良好的性能特点，一种用于电气化铁路的同相储能供电方案被提出，基于此，一种储能式同相供电控制策略被提出，该策略实现了再生制动能量的高效利用，但其负序治理能量依旧有限，也未能给出储能容量配置方法。

1、系统介绍

系统主要由牵引变压器、匹配变压器、基于多电平换流器（MMC）的储能系统以及测控单元组成。MMC可工作在高电压、大功率的场合，其中，储能系统包括系统侧变流器、超级电容储能装置和负荷侧变流器。牵引变压器采用单相变压器，实现牵引变电所供电范围内同相供电，取消牵引变电所出口处的电分相环节；匹配变压器与储能系统构成有功补偿支路；测控单元测得牵引变电所运行负荷功率数据，主要包括牵引母线电压、电流、功率等，并通过对比阈值功率与实测负荷实现对储能系统启停实时控制。系统利用储能装置的削峰特性，借助双向换流器：一方面在实测负荷大于阈值时，通过储能系统对牵引母线转移有功功率来降低负序电流；另一方面，在实测负荷小于阈值或列车制动时对储能装置充电。

2、再生制动能量利用方案对比分析

国内外许多学者对如何提高再生制动能量利用率和牵引电网的性能特性进行了全面深入的研究，重点是再生能量的运输组织、储存和利用以及配置和利用。列车运行组织优化的能量利用方案、铁路电力系统基于铁路电流调节器的储能方案、高速铁路基于超级电容器的再生制动储能方案、电气化铁路飞轮储能技术的能量管理方案、利用交流/直流牵引网装置将再生制动能量从27.5kv牵引网恢复到10 kV铁路电力的利用方案，以及通过安装铁路实现变电站间再生制动能量相互利用的方案上述方案按使用模式分类，比较分析如下:(1)储能利用方案。根据储能地点的不同，储能利用方案主要包括在机车上安装储能装置和在地面安装储能装置。由于储能库的性能和能量密度以及机车的施工空间，大规模利用再生制动能量的条件还不成熟。牵引站分批安装超级电容器、飞轮、电池或其他储能装置，可以有效提高再生制动能量的利用，并具有峰值松动、充填、减少需求和提高电网质量等附加功能。由于电气化铁路再生制动性能和能量需求大，储能成本高，系统构成复杂，有必要进一步研究配置方案、最优容量、投资成本和安全性。(2)能源规划和利用。根据能量映射的类型，有两种能量映射和使用方案:a .27.5kv铁路供电系统再生制动能量传输至10 kV线路；b .两个变电站之间再生制动能量的传输和利用。将再生电力转移到输电线路可以实现电气化铁路的内部利用。调度性能很高，无需安装储能。但是，有必要评估通道的吸收能力以及输出谐波对敏感负荷的影响。两个相邻变电站间再生制动能量的规划，既能充分利用现有铁路电力网，又无需建造新的27.5kv/10kv电压转换通道，还能相应扩大供电区，间接实现列车布局的利用方案，在没有储能等设施的情况下实时利用再生高效制动能量。该系统构建简单，安全性高，投资成本低。

3、再生能量利用方案

当机车再生制动时，如果铁路供电系统没有其他负荷，也没有储能或消耗装置来容纳再生制动能量，则电力通过铁路供电系统返回公共电网。该过程中再生制动能量会增加铁路供电系统的电压，影响铁路供电系统供电设备的安全运行。由于机车是单相波动的高性能负载，同时通过牵引主变压器将再生制动能量送回三相电网，加剧了联合耦合点的三相不平衡，导致谐波升高等性能质量问题。因此，有必要进行深入研究，制定最优方案，采取适当的技术措施和系统，及时充分利用再生制动能量，最大限度地发挥经济效益，同时抑制电网电压上升和公共电网三相不平衡的现象。

3.1行车调度

合理的交通规划可以在一定程度上提高再生制动能量的利用。当处于制动状态的机车与处于牵引状态的机车位于同一铁路供电系统的供电臂内时，再生制动能量优先由处于牵引状态的机车使用。但是，由于供电区的限制，在同一个供电臂上工作的机车数量有限，机车处于制动和牵引状态的可能性更小。当再生制动性能低于牵引力时，再生制动能量可以得到充分利用。当再生制动功率大于牵引功率时，再生制动能量只能部分使用，剩馀的再生电能则返回电网。因此，由于电力目前的特点和交通密度的限制，交通规划提高再生制动能量利用效率的能力有限。

3.2机车存储

机车上可以安装一定容量的储能单元，在机车再生制动时储存能量，等待牵引时间释放。机车存放方式需要进行一定程度的修改，符合“谁生产，谁使用”的原则。但由于机车空间的限制，储电能力有限，无法满足大功率再生制动的需要。而且每台机车都需要配备储能单元，改装维护成本高，不适合在电气化铁路推广应用。

3.3地面存储

地面储能模式还采用变电站或具有较大施工空间的隔墙集中处理模式，能够充分发挥合理交通规划的功能，优先考虑牵引机车的再生制动能量，然后保存剩馀制动能量，最大限度地利用所有再生制动能量。此外，牵引机车可在轨道上使用的牵引负荷电流峰值处释放存储的再生能量，有效降低了牵引变压器的安装容量需求，降低了电网的峰值功率。从上述分析中可以看出，地面储能是最可行的方案，可确保部分再生制动能量优先用于牵引机车，充分发挥合理交通规划的效率，降低储能的性能和容量需求，降低牵引变压器的安装能力。单电源峰值性能和变电站最大需求具有最佳综合效益。

结束语

随着铁路运量的增长和列车运行速度的提升，电气化铁路消耗的电量连年攀升，加强再生制动能量利用技术研究，有助于铁路节能增效和绿色发展。本文全面对比分析了现有各种再生制动能量利用可行性方案，深入研究了基于变电所间能量调度的再生制动能量利用方案，详细阐述了调度利用原理、系统构成、调度控制策略及其附加功能，并依据现场测试情况进行了工程化设计，按照典型功率曲线进行仿真计算，确定了装置最优容量及节电量，测算了项目年净收益，并提出了较为完善的安全保障措施。

参考文献：

1. 王辉，李群湛，李晋，等.基于YNd变压器与静止无功发生器的电气化铁路同相供电综合补偿方案[J].电工技术学报，2020，35(17):3739-3749.

2. 胡海涛，陈俊宇，葛银波，等.高速铁路再生制动能量储存与利用技术研究[J].中国电机工程学报，2020，40(1):246-256+391.

3. 黄小红，赵艺，李群湛，等.电气化铁路同相储能供电技术[J].西南交通大学学报，2020，55(4)：856-864.

4. 王喜军.电气化铁路飞轮储能充放电管理及其控制策略研究[D].西南交通大学，2019.

[5]刘若飞.储能式同相供电系统的建模与优化控制策略研究[D].西南交通大学，2019.