超级电容在高速铁路再生制动能量存储中的应用及控制

张友鹏，杨宏伟，赵珊鹏,2

（1兰州交通大学自动化与电气工程学院，甘肃 兰州 730070；2兰州交通大学甘肃省轨道交通电气自动化工程实验室，甘肃 兰州 730070）

高速列车在制动过程中，采用以再生制动为主的制动方式，制动过程中产生大量再生制动能[1-2]。由于这部分能量包含大量负序分量，严重危害电力设备的安全运行，电力部门对这部分能量采取“反送正计”的惩罚性收费，对铁路部门带来一定的经济损失[3-4]，因此研究再生制动能的回收利用对提高电力设备安全运行，降低铁路系统的运营成本具有十分重要的意义。

目前，既有的高速铁路再生制动能利用方式通常有两种：一种是通过优化列车运行状态，使同一供电臂下制动列车产生的再生制动能供给牵引列车使用[5-7]，另一种是通过回馈装置将再生制动能反馈至铁路内部配电系统，供用电设备消耗[8-10]。这两种利用方式虽然使再生制动能得到利用，但都存在不足，前者利用率低且灵活性差，后者反馈的再生制动能中含有大量谐波与负序分量，对用电设备容易造成影响。

在以上两种方式对再生制动能已经利用的前提下，采用储能设备对剩余再生制动能进行存储，能够进一步减少返回电网的再生制动能，同时在列车牵引时释放能量，达到削峰填谷的目的，提高再生制动能的利用率。由于高速铁路再生制动过程具有制动功率小、制动时间较长、制动能量小的特点，可选用功率型储能器件对其能量进行存储，相对于高功率电池（如钛酸锂电池），超级电容具有使用寿命超长（百万次以上）、充放电效率高（大于90%）、技术成熟等优点，是一种具有良好发展前景的电力储能装置，已广泛地应用于电力、工业以及交通等领域[11-12]，因此提出采用超级电容对剩余再生制动能进行存储的利用方案。将超级电容（SC）通过双向DC/DC 变流器与铁路功率调节器（RPC）直流侧连接在一起，对其控制策略进行研究，从而实现再生制动能的存储与降低网侧负序电流的功能。

1 再生制动能量存储方案

1.1 拓扑结构

图1 为基于SC 的再生制动能量存储方案拓扑结构，该结构主要由三部分组成：①牵引供电系统，这部分的作用是通过V/x 牵引变压器将220 kV/110 kV 三相电压变为两相27.5 kV 的单相电压分别供给两牵引供电臂；②RPC 作为SC 储能系统与铁路牵引供电系统的接口电路，用于治理负序，同时为储能装置的接入提供稳定的直流电压；③储能装置，以SC 作为储能介质，通过双向DC/DC 变流器与RPC 直流侧连接，用于存储剩余再生制动能，通过控制DC/DC 变流器的工作状态，实现能量的存储与释放。

图1 基于SC 的再生制动能量储能方案拓扑结构Fig.1 Topological of regenerative braking energy storage scheme based on SC

1.2 能量管理状态

储能装置投入运行后，超级电容将具备3 种能量状态，分别为充电状态、放电状态与保持状态，各个状态之间可相互转换。图2 为其能量状态转换图，Pα和Pβ分别为 α、β 供电臂负载功率，PE和Pe分别为超级电容存储的功率和额定功率。其中，功率大于0 表示牵引状态，功率小于0 表示制动状态。

图2 能量状态转换图Fig.2 Diagram of energy state transition

（1）充电状态：当供电臂两侧产生的再生制动功率大于牵引功率或供电臂两侧均为再生制动功率时 (Pα+Pβ＜ 0)，超级电容进行充电，吸收剩余的再生制动能。

（2）放电状态：当供电臂两侧产生的再生制动功率小于牵引功率或供电臂两侧均为牵引功率时(Pα+Pβ＞ 0)，超级电容进行放电，释放存储的能量。

（3）保持状态：当超级电容存储的能量达到额定值或存储能量后不需要释放能量时（PE=Pe或Pα≤0, Pβ≤0），超级电容进入充电保持状态；当超级电容释放能量后且不需要吸收能量时（PE=0 且Pα+Pβ≥0），超级电容进入放电保持状态。

2 储能方案控制策略

储能方案由RPC 与储能装置共同组成，具有补偿负序电流与存储能量的功能，因此有必要对其控制策略进行深入研究。

2.1 负序电流补偿原理

以C 相为公共相，A 相电压为相角基准，则α供电臂和β 供电臂的电流可表示为[13]

式中，Iα和Iβ分别为 α 供电臂和 β 供电臂基波电流有效值。

设V/x 牵引变压器变比为KV/x，则电网侧的三相电流为

由式(2)可得补偿前电网侧三相电压、电流相量图，如图3(a)所示。由图可知，补偿前三相电流存在明显的负序分量。

为消除负序，应对两供电臂电流进行有功和无功补偿，其补偿过程具体如下。

图3 补偿原理相量图Fig.3 Phasor diagram of compensation principle

（1）有功电流补偿

假设α 供电臂为轻载侧，β 供电臂为重载侧，当RPC 带有储能装置后，轻载侧将转移有功电流，重载侧将得到有功电流，补偿后两供电臂电流

其中，IES为储能装置补偿的有功电流。

补偿有功电流后的电流、电压相量图如图3(b)所示，其中I'A和I'B为补偿后的A 相和B 相电流。

（2）无功电流补偿

补偿有功电流后，A、B 两相电流拥有相同的有效值，但电流仍不平衡。在此基础上，在α 供电臂补偿一个超前A 相电流90°的无功电流，在β 供电臂补偿一个滞后B 相电流90°的无功电流，补偿的无功电流大小为IAr=IBr=I'Atan30°，如图3(c)所示。其中A、B、C分别为补偿后的 A、B、C 三相电流，分别与A、B、C同相位。

2.2 储能型RPC 控制策略

根据2.1 节所提出的负序电流补偿原理，可以得到储能型RPC 控制策略。设两牵引供电臂的瞬时电流分别为iα和iβ，则

式中，Iα，Iβ分别为两供电臂基波电流有效值；Iαh和Iβh分别为两供电臂h次谐波电流有效值；φαh和φβh分别为两供电臂h次谐波电流相位。

对α 供电臂负载电流乘以电压同步信号，即

由式(5)可以看出，其中包含直流分量与交流分量两部分，β 供电臂同理。通过低通滤波器分别提取出两供电臂直流分量，并与储能装置补偿的有功电流相加，可以得到总补偿有功电流

根据式(6)，结合图3(c)，得到总补偿后的两供电臂电流幅值

将I''A和I''B分别与三相电压中A、和B经锁相环产生的同步信号 sin(ωt)和 sin(ωt-120°)相乘，得到完全补偿后的两牵引供电臂电流理论值iα和iβ

从而得到储能型RPC 两供电臂补偿电流参考值irα和irβ分别为

式中，KRPC为RPC 降压变压器变比。

储能型RPC 两变流器与储能装置要正常工作，应使中间直流侧电压保持稳定。因此对储能型RPC 两变流器采用双环控制，在原有补偿电流的基础上，增加一个电压外环控制，从而得到两个变流器的实际参考电流。为了保证RPC 两变流器具有较快的响应速度，采用滞环比较的方法产生脉冲波来控制两变流器[14]，控制框图如图4 所示。

2.3 储能装置控制策略

储能装置主要由双向DC/DC 变换器和超级电容两部分组成。其中双向DC/DC 变换器是核心部件，超级电容通过双向DC/DC 变换器与RPC 直流侧连接在一起，通过对双向DC/DC 变换器的控制可以实现超级电容对再生制动能的存储与释放。

为了更加有效地控制能量的回收利用，采用电流闭环控制方法对双向DC/DC变换器进行控制[15]。根据超级电容充放电功率期望值P*ES计算电流期望值I*ES，将实际电流IES与期望电流I*ES做差比较，再将误差经PI后得到控制信号。

图4 储能型RPC 控制框图Fig.4 Control diagram of energy storage RPC

将PI 调节后的控制信号通过PWM 调制方式可产生控制双向DC/DC 变换器工作模式的脉冲信号。双向DC/DC 变换器有升压与降压两种工作模式，当超级电容需要吸收能量时，双向DC/DC 变换器工作在降压模式，即Buck 状态；当超级电容需要释放能量时，双向DC/DC 变换器工作在升压模式，即Boost 状态[16]。控制原理如图5 所示。

图5 双向DC/DC 变换器控制框图Fig.5 Control schematic diagram of bidirectional DC/DC converter

3 仿真分析

3.1 仿真条件

为了验证所提方案及控制策略对再生制动能存储与负序电流补偿的有效性，利用Matlab/Simulink 仿真软件进行仿真分析，搭建如图1 所示结构的仿真模型，储能方案仿真参数见表1。

3.2 仿真结果

为更好说明超级电容的三种状态，给定图6(a)和图6(b)所示α、β 供电臂运行工况以模拟不同的场景。由图可见，α 供电臂在0.02 s 时为制动工况，产生大小为5 MW的再生制动功率，β供电臂在0.02 s 时为牵引工况，且在0.02 s 与0.5 s 分别产生大小为2.2 MW 和8.8 MW 的牵引功率。图6(c)所示为总功率波形图，为了实现再生制动能的有效存储，当总功率为负时，超级电容充电，当总功率为正时，超级电容放电。

由于RPC 可以实现两供电臂之间的功率转移，因此在 0.02 ～ 0.5 s 之间，RPC 首先将 α 供电臂2.2 MW 的再生制动功率转移至β 供电臂供牵引列车使用，此时再生制动功率仍有剩余，超级电容开始动作，对剩余的再生制动功率进行储存；在0.5 ～1 s 之间，α 供电臂产生的再生制动功率小于β 供电臂所需的牵引功率，因此RPC 将全部再生制动功率转移至β 供电臂后，牵引列车仍需向牵引供电系统吸收能量，此时超级电容开始放电，向牵引列车提供所需能量。

表1 储能方案仿真参数Table 1 Parameters of energy storage scheme

图7 所示为超级电容电压波形图。由图可见，在0.02 ～0.5 s 期间，因为α 供电臂仍有再生制动功率流向电网，因此超级电容进入充电状态，吸收再生制动能量，电压开始上升，在0.21 s 时，超级电容存储能量至额定容量，不再吸收能量，进入充电保持状态；在0.5 s 时，α 供电臂上产生的再生制动功率满足不了所需的牵引功率，此时超级电容进入放电状态，向牵引列车提供所存储的能量，电压开始下降；在0.71 s 时，超级电容能量释放完毕，进入放电保持状态。

图6 供电臂负载波形Fig.6 Load waveform of power supply arms

图7 超级电容电压波形Fig.7 Super capacitor voltage waveform

图8 补偿前后三相电流波形Fig.8 Three-phase current waveform before and after compensation

图8(a)和(b)所示分别为采用储能方案补偿前后网侧三相电流的波形图。由图可知，采用储能方案前三相电流存在明显的负序分量，电流明显不平衡；采用储能方案后三相电流负序分量得到明显改善，电流不平衡度从42.5%减少到1.6%，负序补偿效果明显，从而验证了本文所采取的补偿策略的有效性。

4 结 论

为了提高电气化铁路再生制动能的利用率，提出了基于SC 的再生制动能量存储方案，剖析了储能方案的拓扑结构并对其控制策略进行了研究，通过仿真得到如下结论。

（1）所提出的方案采用RPC 作为接口电路，实现了能量的双向流动，可以对高速列车产生的再生制动能进行存储与释放，提高再生制动能的利用率，达到了节能降耗的目的。

（2）所提出的控制策略能够对负序电流进行有效补偿，解决高速铁路中存在的电流负序问题，对网侧电能质量具有明显改善作用。

（3）从存储再生制动能与改善网侧电能质量两方面角度出发来降低铁路部门运营成本，所提出的控制策略可以为超级电容储能在高速铁路中的应用提供一定的理论依据，如何对储能装置的容量合理配置以实现经济利益最大化，将是下一步研究的重点。