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近年來，我國(guó)電氣化鐵路運(yùn)營(yíng)里程快速增長(zhǎng)，導(dǎo)致其能耗問題日益嚴(yán)峻。根據(jù)國(guó)家鐵路局最新統(tǒng)計(jì)，2019年全國(guó)18個(gè)鐵路局總耗電量高達(dá)755.84億kW·h，較2018年耗電量（711億kW·h）同比增長(zhǎng)6.3%。

同時(shí)，我國(guó)電氣化鐵路網(wǎng)絡(luò)化程度高，在多條電氣化鐵路線路交匯的樞紐地區(qū)（如上海、北京等）形成了“一所多饋線多供電區(qū)間”的樞紐型牽引變電所（簡(jiǎn)稱樞紐所）。相較于普通牽引變電所，樞紐所的供電線路更多、行車密度更大，從而導(dǎo)致其能耗更高。因此，如何有效降低樞紐所的能耗是電氣化鐵路快速發(fā)展過程中亟待解決的問題。

新型動(dòng)車組/電力機(jī)車在制動(dòng)過程中優(yōu)先采用再生制動(dòng)方式并產(chǎn)生了大量的再生制動(dòng)能量。受線路條件、行車組織等影響，鐵路樞紐發(fā)出、到站的動(dòng)車組數(shù)量多，動(dòng)車組頻繁減速制動(dòng)使樞紐所再生制動(dòng)能量十分豐富。通常，再生制動(dòng)能量被同臂牽引動(dòng)車組和牽引供電設(shè)備消耗后，仍有約50%的再生制動(dòng)能量經(jīng)牽引變壓器返送至外部電網(wǎng)。

大量再生制動(dòng)能量返送電網(wǎng)存在如下問題：①能效低，經(jīng)濟(jì)性差，返送的再生制動(dòng)能量按照反向不計(jì)或反向正計(jì)（算作消耗的電能）的方式進(jìn)行計(jì)費(fèi)，給鐵路部門造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失；②加劇電能質(zhì)量問題，返送的再生制動(dòng)能量三相不對(duì)稱，會(huì)對(duì)電網(wǎng)電能質(zhì)量造成一定影響（網(wǎng)壓波動(dòng)、諧波、負(fù)序等）。

目前已有的再生制動(dòng)能量利用技術(shù)主要包含以下三種：①直接利用；②回饋利用；③儲(chǔ)能利用。

直接利用通過優(yōu)化列車組織運(yùn)行，使再生制動(dòng)能量?jī)?yōu)先被同一供電臂上處于牽引工況的動(dòng)車組使用。但該技術(shù)會(huì)導(dǎo)致行車安排靈活性較差，加之在交流電氣化鐵路中單一牽引供電臂長(zhǎng)度較短（一般為20km），因此，其再生制動(dòng)能量利用率較低。

近年來，儲(chǔ)能利用技術(shù)在直流供電制式的城軌交通供電系統(tǒng)中得到了大力發(fā)展。該技術(shù)通過儲(chǔ)能設(shè)備存儲(chǔ)或釋放再生制動(dòng)能量，實(shí)現(xiàn)再生制動(dòng)能量回收利用同時(shí)抑制牽引網(wǎng)電壓波動(dòng)，在實(shí)際應(yīng)用中表現(xiàn)出了優(yōu)異的性能。

但由于供電制式的差異，應(yīng)用于城軌交通供電系統(tǒng)的儲(chǔ)能系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與控制策略并不適用于采用交流供電制式的電氣化鐵路。為此，基于鐵路功率調(diào)節(jié)器（Railway Power Conditioner, RPC）的儲(chǔ)能方案被提出。然而，相比于城軌交通系統(tǒng)，電氣化鐵路中單次制動(dòng)過程的制動(dòng)功率更大、持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)、累計(jì)再生制動(dòng)能量更多，對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的額定功率、額定容量有更大的需求，進(jìn)而導(dǎo)致投資成本更高。

回饋利用型技術(shù)通過回饋裝置將再生制動(dòng)能量返送至鐵路系統(tǒng)中其他電壓等級(jí)的供電網(wǎng)（如地鐵返送至35kV中壓環(huán)網(wǎng)，電氣化鐵路則是返送至鐵路10kV電力系統(tǒng)）或電動(dòng)汽車充電站。該技術(shù)目前在城軌交通供電系統(tǒng)中應(yīng)用較多，回饋裝置以三相逆變器后接濾波器的結(jié)構(gòu)為主流。

同樣由于供電制式的差異，單一逆變器無(wú)法實(shí)現(xiàn)電氣化鐵路再生制動(dòng)能量回饋利用。為此，有研究者提出采用獨(dú)立站點(diǎn)型回饋方案，但該方案需在牽引變電所的左、右供電臂分別獨(dú)立安裝一套回饋裝置，成本投入較大。

此外，有學(xué)者提出了在RPC的中間直流端口并聯(lián)三相逆變器的方案，該方案在實(shí)現(xiàn)再生制動(dòng)能量回饋的同時(shí)還具備電能質(zhì)量治理功能。然而，回饋利用型技術(shù)應(yīng)用于電氣化鐵路仍面臨以下問題：①再生制動(dòng)能量的利用率嚴(yán)重依賴于鐵路10kV電力系統(tǒng)的負(fù)荷大?。虎谠偕苿?dòng)能量沖擊性強(qiáng)、隨機(jī)性大，可能影響鐵路10kV電力系統(tǒng)的供電安全。

綜合來說，以上三種再生制動(dòng)能量利用技術(shù)各有優(yōu)缺點(diǎn)，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)需要結(jié)合牽引變電所的負(fù)荷特性進(jìn)行選擇與組合。由于樞紐所附近一般建設(shè)有鐵路10kV配電所，用于給區(qū)間內(nèi)的大型站場(chǎng)和沿線鐵路信號(hào)設(shè)備等供電，其負(fù)荷功率通常較大（可達(dá)數(shù)兆瓦）且較為穩(wěn)定，同時(shí)其功率峰、谷值在時(shí)間上的分布趨勢(shì)與牽引供電系統(tǒng)負(fù)荷的時(shí)間分布較為一致。

已有研究提出了綜合配備儲(chǔ)能型和回饋型技術(shù)的再生制動(dòng)能量利用方法，但其僅提及相關(guān)方案，未深入研究系統(tǒng)的全部工況及能量管理方案，也沒有考慮回饋功率與鐵路10kV負(fù)荷不匹配對(duì)鐵路10kV電力系統(tǒng)供電安全造成的影響。

為此，針對(duì)電氣化鐵路樞紐型牽引變電所再生制動(dòng)能量利用問題，西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院的研究人員提出樞紐所再生制動(dòng)能量利用系統(tǒng)能量管理及控制策略。

圖1 樞紐所再生制動(dòng)能量利用系統(tǒng)

首先，研究再生制動(dòng)能量利用系統(tǒng)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和運(yùn)行原理并制定功率分配策略，在此基礎(chǔ)上劃分系統(tǒng)的四種運(yùn)行模式并分析典型工況的能量流動(dòng)；然后，研究考慮動(dòng)態(tài)功率分配的分層控制策略；最后通過仿真驗(yàn)證所提能量管理及控制策略的正確性和有效性。

圖2 再生制動(dòng)能量利用系統(tǒng)控制原理

科研人員最后得出如下結(jié)論：

1）樞紐型牽引變電所再生制動(dòng)能量利用系統(tǒng)能量管理及控制策略能夠根據(jù)系統(tǒng)功率特點(diǎn)及設(shè)備狀態(tài)完成四種運(yùn)行模式的控制和切換，且可以根據(jù)負(fù)荷工況及儲(chǔ)能介質(zhì)SOC對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)功率潮流分配，實(shí)現(xiàn)再生制動(dòng)能量的合理利用。

2）相比于定功率回饋控制方法，本能量管理及控制策略實(shí)現(xiàn)了回饋功率的動(dòng)態(tài)分配，避免了回饋過度和回饋不足對(duì)鐵路10kV電力系統(tǒng)供電安全造成的影響。

本文主要研究了電氣化鐵路樞紐型牽引變電所再生制動(dòng)能量利用系統(tǒng)能量管理及控制策略，對(duì)于系統(tǒng)中儲(chǔ)能介質(zhì)的容量配置、回饋功率的最優(yōu)化及系統(tǒng)的保護(hù)方案等問題將是下一步的研究方向。

以上研究成果發(fā)表在2021年第3期《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》，論文標(biāo)題為“樞紐型牽引變電所再生制動(dòng)能量利用系統(tǒng)能量管理及控制策略”，作者為黃文龍、胡海濤 等。