图1 基于V/v牵引系统的ESS-HRPC拓扑结构及其简化模型
Fig.1 Topological structure and its simplified model of ESS-HRPC based on the V/v traction system
摘要 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。
关键词：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
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。
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,…, TSCm），一组TCR（TCR1, TCR2,…, TCRm），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
Fig.1 Topological structure and its simplified model of ESS-HRPC based on the V/v traction system
（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。
图1a中，iA、iB、iC分别为三相电流；ua、ub分别为a 相和b 相供电臂电压，且有Ua=Ub=27.5kV；ia、ib 分别为a 相和b 相供电臂电流；iaL、ibL分别为两个供电臂内的列车负载电流；iRa、iRb 分别为RPC向两个供电臂提供的补偿电流；iCa 为TSC向a相供电臂提供的无功电流；iCb 为TSC向b 相供电臂提供的无功电流；iR1a、iR1b 分别为RPC1左、右侧变流器输出电流；iR2a、iR2b 分别为RPC2左、右侧变流器输出电流。
iTSC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，sCk表示TRCk的开关状态且当sCk=1时，TSCk被接入，当sCk=0时，TSCk被旁路；Ck为TSCk的等效电容，其大小按二进制正序排列，即
（1）iTCR为流过TCR的总电流；sLk表示TRLk的开关状态且当sLk=1时，TCRk被接入，当sLk=0时，TCRk被旁路；Lk为TCRk的等效电感，其大小按二进制逆序排列，即
（2）
图1b中，Pa、Qa 分别为a 相供电臂的总有功和无功功率；Pb、Qb 分别为b 相供电臂的总有功和无功功率；PaL、PbL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；PRa、QRa 分别为RPC向a 相供电臂输出的有功和无功功率；PRb、QRb 分别为RPC向b 相供电臂输出的有功和无功功率；PESS为储能系统的输出功率；QCa、QCb 分别为TSC和TCR输出的无功功率。
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TSCk和TCRk接入供电臂后能提供的无功功率大小相等且为Qk，则有
（3）式中，w 为电网角频率；K1为T1的电压比。
此时，TSC和TCR就可以由一组开关状态s1, s2,…, sm进行控制，且有
（4）显然，当s1=s2=…=sm=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
（5）
式（5）所得结果为TSC和TCR的装置容量STSC和STCR。结合上述分析，为保证ESS-HRPC能无级地提供无功功率且最小化装置成本，选RPC1的装置容量SRPC1=2Q1（其左、右两个变流器容量均为Q1）。于是ESS-HRPC能向各供电臂提供的最大无功功率为2mQ1，且TSC、TCR和RPC1的装置容量比STSC
STCRSRPC1=(2m-1)(2m-1)2。
以A相电压为基准，且设
（6）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
（7）
（8）式中，K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
（9）其中
（10）
（11）式中，K2为T2的电压比。
若忽略损耗，图1b中的功率关系可表达为
（12）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
（13）
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
（14）由式（12）～式（14）整理可得
（15）
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。
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PaL+PbL≥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PESS_omax与两个供电臂所需电功率之和PaL+PbL的最小值；当PaL+PbL＜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PESS_imax与需要存储的再生制动功率|PaL+PbL|的最小值。由上述分析可得
（16）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。
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sk，进而控制TSC和TCR。
由式（1）～式（3）和式（12）可得
（17）其中
式中，|QRa|由RPC1左侧变流器提供；|QRb|由RPC1右侧变流器提供；且|QRa|和|QRb|都不应超过TSC1或TCR1投入后能提供的无功功率值Q1，即
（18）根据式（3）、式（15）、式（17）和式（18），可得开关状态sk的计算公式为
（19）
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
Fig.2 Control block diagram of the TSC and TCR
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QRa和QRb。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
（20）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。
图3 RPC1的控制框图
Fig.3 Control block diagram of the RPC1
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PRa 和PRb。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
（21）
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，Udc2为RPC2的直流侧电压。
图4 PRC2的控制框图
Fig.4 Control block diagram of the PRC2
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m=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
工况位置列车状态列车功率/MW 1a 供电臂制动-6 b 供电臂牵引3 2a 供电臂牵引4 b 供电臂牵引6 3a 供电臂牵引3 b 供电臂牵引9
表2 仿真系统的主要参数
Tab.1 Main parameters of the simulation system
参 数数值(型号) 三相电压/kV110 电网频率/Hz50 V/v变压器电压比11027.5 双绕组变压器T1电压比27.52 三绕组变压器T2电压比27.522 RPC交流侧电感/mH2 交流侧电阻/mW1 直流侧电容/mF20 直流侧参考电压/kV3.5 TSC等效电容C1, C2, C3, C4/mF199, 398, 796, 1592 TCR等效电感L1, L2, L3, L4/mH50.9, 25.5, 12.7, 6.37 双向DC-DC变换器电容/mF1 电感/mH1 开关频率/kHz10 储能装置储能介质类型锂电池 额定容量/(A·h)500
仿真波形如图5所示，图中，Pgrid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：PaL=-6MW，PbL=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，PRa、PRb 和PESS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，Pgrid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。
图5 仿真波形
Fig.5 Simulation waveforms
3.2.2 工况2：PaL=4MW，PbL=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，PRa、PRb 和PESS的仿真结果基本与各自的参考值相同，Pgrid=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(s1, s2, s3, s4)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：PaL=3MW，PbL=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，PRa、PRb和PESS的仿真结果基本与各自的参考值相同，Pgrid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(s1, s2, s3, s4)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。
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。
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QaL和QbL，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QRa 和QRb，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QRa-QaL和QRb-QbL。由于|QRa-QaL|≤|QRa|+|QaL|≤Q1+|QaL|，|QRb-QbL|≤|QRb|+|QbL|≤Q1+|QbL|，所以RPC1的装置容量SRPC1需要在2Q1基础上增加2max{|QaL|, |QbL|}。
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。
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。
参考文献
[1] Mousavi Gazafrudi S M, Tabakhpour Langerudy A, Fuchs E F, et al. Power quality issues in railway electrification: a comprehensive perspective[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2015, 62(5): 3081-3090.
[2] Brenna M, Foiadelli F, Kaleybar H J. The evolution of railway power supply systems toward smart micro- grids: the concept of the energy hub and integration of distributed energy resources[J]. IEEE Electrification Magazine, 2020, 8(1): 12-23.
[3] Gao Zhixuan, Lu Qiwei, Wang Cong, et al. Energy- storage-based smart electrical infrastructure and regenerative braking energy management in AC-fed railways with neutral zones[J]. Energies, 2019, 12(21): 4053.
[4] 周净轩, 罗隆福, 王海龙. 基于双星型多电平潮流控制器与YNvd变压器的同相供电系统[J]. 电力系统保护与控制, 2019, 47(8): 9-16.
Zhou Jingxuan, Luo Longfu, Wang Hailong. Co-phase power supply system based on double star multilevel power flow controller and YNvd transformer[J]. Power System Protection and Control, 2019, 47(8): 9-16.
[5] Zhang Dinghua, Zhang Zhixue, Wang Weian, et al. Negative sequence current optimizing control based on railway static power conditioner in V/v traction power supply system[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2016, 31(1): 200-212.
[6] Lu Qiwei, He Bangbang, Gao Zhixuan, et al. An optimized regulation scheme of improving the effective utilization of the regenerative braking energy of the whole railway line[J]. Energies, 2019, 12(21): 4166.
[7] 解绍锋, 李群湛. 高速列车再生制动对负序影响研究[J]. 铁道学报, 2011, 33(7): 14-18.
Xie Shaofeng, Li Qunzhan. Study on impact of hign-speed train regenerative braking on negative sequence[J]. Journal of the China Railway Society, 2011, 33(7): 14-18.
[8] 唐宏伟, 唐杰, 林立. 新型电气化铁路电能质量管理系统[J]. 电力系统保护与控制, 2017, 45(17): 84-91.
Tang Hongwei, Tang Jie, Lin Li. New power quality management system in electrical railway[J]. Power System Protection and Control, 2017, 45(17): 84-91.
[9] 马茜, 郭昕, 罗培, 等. 一种基于超级电容储能系统的新型铁路功率调节器[J]. 电工技术学报, 2018, 33(6): 84-91.
Ma Qian, Guo Xin, Luo Pei, et al. A novel railway power conditioner based on super capacitor energy storage system[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2018, 33(6): 84-91.
[10] 常文寰, 王果. 组合式同相供电系统容量配置优化及分析[J]. 电力系统保护与控制, 2016, 44(23): 94-101.
Chang Wenhuan, Wang Guo. Optimizing and analyzing of capacity configuration in combined co-phase power supply system[J]. Power System Protection and Control, 2016, 44(23): 94-101.
[11] 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.
Wang Hui, Li Qunzhan, Li Jin, et al. Comprehensive compensation schemes of cophase power supply of electrified railway based on YNd transformer and static var generator[J]. Transactions of China Elec- trotechnical Society, 2020, 35(17): 3739-3749.
[12] 吴传平, 罗安, 徐先勇, 等. 采用V/v变压器的高速铁路牵引供电系统负序和谐波综合补偿方法[J]. 中国电机工程学报, 2010, 30(16): 111-117.
Wu Chuanping, Luo An, Xu Xianyong, et al. Integrative compensation method of negative phase sequence and harmonic for high-speed railway traction supply system with V/v transformer[J]. Proceedings of the CSEE, 2010, 30(16): 111-117.
[13] 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.
Hu Haitao, Chen Junyu, Ge Yinbo, et al. Research on regenerative braking energy storage and utilization[J]. Proceedings of the CSEE, 2020, 40(1): 246-256.
[14] 卢其威, 何棒棒, 吴明哲, 等. 大长坡重载列车能耗模型的建立与分析[J]. 矿业科学学报, 2018, 3(4): 371-377.
Lu Qiwei, He Bangbang, Wu Mingzhe, et al. Establishment and analysis of energy consumption model of heavy haul train on large long slope[J]. Journal of Mining Science and Technology, 2018, 3(4): 371-377.
[15] Perin I, Walker G R, Ledwich G. Load sharing and wayside battery storage for improving AC railway network performance, with generic model for capacity estimation, Part 1[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2019, 66(3): 1791-1798.
[16] 张永胜. 基于Matlab和YALMIP的V/v型牵引供电系统负序电流优化方法[J]. 电气技术, 2020, 21(2): 44-49.
Zhang Yongsheng. Negative sequence current optimization of V/v traction power supply system based on Matlab platform and YALMIP toolbox[J]. Electrical Engineering, 2020, 21(2): 44-49.
[17] 邓文丽, 戴朝华, 陈维荣, 等. 铁路功率调节器研究进展[J]. 中国电机工程学报, 2020, 40(14): 4640- 4655.
Deng Wenli, Dai Chaohua, Chen Weirong, et al. Research progress of railway power conditioner[J]. Proceedings of the CSEE, 2020, 40(14): 4640-4655.
[18] Zhang Dinghua, Zhang Zhixue, Wang Weian, et al. Negative sequence current optimizing control based on railway static power conditioner in V/v traction power supply system[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2015, 31(1): 200-212.
[19] 江友华, 刘雪莹, 赵乐, 等. 铁路功率调节器的稳定性及其控制策略研究[J]. 电网技术, 2018, 42(5): 1620-1627.
Jiang Youhua, Liu Xueying, Zhao Le, et al. Research on stability and control strategy of railway power conditioner[J]. Power System Technology, 2018, 42(5): 1620-1627.
[20] Joseph V P, Thomas J. Power quality improvement of AC railway traction using railway static power conditioner a comparative study[C]//Proceedings of 2014 International Conference on Power Signals Control and Computations, Thrissur, India, 2014: 1-6.
[21] 马茜, 郭昕, 罗培, 等. 基于超级电容储能的新型铁路功率调节器协调控制策略设计[J]. 电工技术学报, 2019, 34(4): 765-776.
Ma Qian, Guo Xin, Luo Pei, et al. A novel railway power conditioner based on super capacitor energy storage system[J]. Transactions of China Electro- technical Society, 2019, 34(4): 765-776.
[22] 魏文婧, 胡海涛, 王科, 等. 基于铁路功率调节器的高速铁路牵引供电系统储能方案及控制策略[J]. 电工技术学报, 2019, 34(6): 1290-1299.
Wei Wenjing, Hu Haitao, Wang Ke, et al. Energy storage scheme and control strategies of high-speed railway based on railway power conditioner[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2019, 34(6): 1290-1299.
[23] Cui Guiping, Luo Longfu, Liang Chonggan, et al. Supercapacitor integrated railway static power con- ditioner for regenerative braking energy recycling and power quality improvement of high-speed railway system[J]. IEEE Transactions on Transportation Electrification, 2019, 5(3): 702-714.
[24] Guo Peng, Xu Qianming, Yue Yufei, et al. Analysis and control of modular multilevel converter with split energy storage for railway traction power condi- tioner[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2020, 35(2): 1239-1255.
[25] 卢其威, 何棒棒, 高志宣, 等. 一种基于功率调控并兼顾负序电流补偿的再生制动能量有效利用方案[C]//中国电源学会第二十三届学术年会, 深圳, 中国, 2019: 1-7.
[26] Yuan Jiaxin, Xiao Feiran, Zhang Chenmeng, et al. Collaborative unbalance compensation method for high-speed railway traction power supply system considering energy feedback[J]. IET Power Elec- tronics, 2019, 12(1): 129-137.
[27] 孟金岭, 肖勇, 王文, 等. 适用于高速电气化铁路的低成本电能质量综合补偿装置[J]. 电力系统保护与控制, 2013, 41(14): 73-80.
Meng Jinling, Xiao Yong, Wang Wen, et al. A low cost power quality compensation scheme for high- speed electric railway[J]. Power System Protection and Control, 2013, 41(14): 73-80.
[28] Zhu Zhen, Ma Fujun, Wang Xin, et al. Operation analysis and a game theoretic approach to dynamic hybrid compensator for the V/v traction system[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2019, 34(9): 8574-8587.
[29] Wu Chuanping, Luo An, Shen John, et al. A negative sequence compensation method based on a two-phase three-wire converter for a high-speed railway traction power supply system[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2012, 27(2): 706-717.
[30] Ma Fujun, Luo An, Xu Xianyong, et al. A simplified power conditioner based on half-bridge converter for high-speed railway system[J]. IEEE Transactions on Industrial Electronics, 2013, 60(2): 728-738.
[31] Xu Qianming, Ma Fujun, He Zhixing, et al. Analysis and comparison of modular railway power conditioner for high-speed railway traction system[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2017, 32(8): 6031-6048.
[32] Lao Kengweng, Wong Manchung, Dai Ningyi, et al. A systematic approach to hybrid railway power conditioner design with harmonic compensation for high-speed railway[J]. IEEE Transactions on Indu- strial Electronics, 2015, 62(2): 930-942.
[33] 罗培, 陈跃辉, 罗隆福, 等. V/v 牵引供电所电能质量控制系统非对称补偿设计及综合优化控制[J]. 中国电机工程学报, 2017, 37(1): 130-138.
Luo Pei, Chen Yuehui, Luo Longfu, et al. Asymmetric compensation design and integrated optimal control of power quality manage system for V/v traction substation[J]. Proceedings of the CSEE, 2017, 37(1): 130-138.
[34] 王鹏程, 李勇, 安柏楠, 等. 基于不对称接线平衡变压器的电气化铁路电能质量混合调节系统[J]. 电工技术学报, 2019, 34(21): 4590-4600.
Wang Pengcheng, Li Yong, An Bonan, et al. Asymmetrical connection balance transformer based hybrid power quality control system for electrical[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2019, 34(21): 4590-4600.
[35] 肖非然, 倪周, 闵永智, 等. 一种基于多智能体的多站协同高速铁路不平衡补偿方法[J]. 电工技术学报, 2020, 35(16): 3518-3528.
Xiao Feiran, Ni Zhou, Min Yongzhi, et al. Unbalanced compensation method of multi-station cooperative for high-speed railway based on multi-agent[J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2020, 35(16): 3518-3528.
[36] Ma Fujun, Wang Xin, Deng Lingfeng, et al. Multiport railway power conditioner and its management control strategy with renewable energy access[J]. IEEE Journal of Emerging and Selected Topics in Power Electronics, 2020, 8(2): 1405-1418.
[37] 黄文龙, 胡海涛, 陈俊宇, 等. 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[J]. 电工技术学报, 2021, 36(3): 588-598.
Huang Wenlong, Hu Haitao, Chen Junyu, et al. Energy management and control strategy of reg- enerative braking energy utilization system in hub traction substation[J]. Transactions of China Elec- trotechnical Society, 2021, 36(3): 588-598.
[38] Lao Kengweng, Dai Ningyi, Liu Weigang, et al. Hybrid power quality compensator with minimum DC operation voltage design for high-speed traction power systems[J]. IEEE Transactions on Power Electronics, 2013, 28(4): 2024-2036.
A Hybrid Railway Power Conditioner Based on Energy Storage System and Its Control Strategy
Abstract 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.
keywords：Regenerative braking energy, railway power conditioner (RPC), negative sequence current compensation, energy storage system, electrified railway
DOI: 10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.L90037
中图分类号：TM922.3
神华集团有限责任公司科技创新资助项目（CSIE16024877）。
收稿日期 2020-05-27
改稿日期 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）