功率调节器(功率调整器说明)

为了充分利用交流-DC-交流电力机车产生的再生制动能量，改善V/v牵引供电系统的电能质量，提高其经济性，东南大学电气学院、中国科学院电气工程研究所、中国矿业大学(北京)机电与信息工程学院的何邦邦、高志轩、马超等科研人员在2021年第23期《电工学报》上撰文，提出了基于储能系统的混合式铁路功率调节器。储能装置通过双向DC-DC变换器与铁路功率调节器(RPC)的DC侧相连，以回收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。

自20世纪初铁路电气化开始以来，高能耗和电能质量问题一直困扰着铁路运营商。近年来，在电气化铁路节能降耗和牵引供电系统安全稳定运行方面进行了大量的研究。

在我国高速铁路和重载铁路系统中，采用四象限脉宽调制(PWM)控制方式的交流DC交流电力机车已逐渐取代交流DC电力机车成为主要车型。与交流DC电力机车相比，交流DC电力机车具有牵引功率大、功率因数高、谐波含量低和再生制动等显著优点。无功功率和低次谐波已不再是牵引供电系统的主要问题，但负序电流引起的三相电流不平衡越来越严重。

特别是在V/v牵引供电系统中，即使两个供电臂中的列车功率相同，系统仍有50%的负序电流。此外，AC-DC-AC电力机车在重载、长下坡或铁路枢纽站制动时，会产生大量的再生制动能量。如果反馈的电能能够被牵引供电系统中的牵引列车消耗掉，那么列车的电力成本可以大大降低，能源效率也可以提高。

目前，在许多考虑再生制动能量利用和负序电流补偿的方案中，日本学者提出的铁路功率调节器(Railway Power Conditioner，RPC)常被用作核心设备。这是因为RPC不仅可以平衡两个供电臂的有功功率，还可以向两个供电臂补偿一定的无功功率。为实现上述控制目标，RPC通常采用电压电流双闭环控制策略，其中电压外环通常采用PI控制，电流内环可采用滞环比较跟踪控制、基于dq坐标变换的PI控制、准谐振控制、直接模糊跟踪控制等。

近年来，为了实现再生制动能量的充分利用，提出了两种解决方案:①针对单个牵引变电所；②从整个铁路系统层面考虑。

①第一种方案是在RPC的DC侧增加电池、超级电容等储能装置，回收剩余的再生制动能量。同样，也有学者提出了一种基于RPC的分布式储能模块化多电平变换器(MMC)结构。

②方案一中，为了在整个铁路系统中共享、调节和利用再生制动能量，提高各牵引变电所的电能质量，在任意两个相邻供电臂之间安装一个RPC，由中央控制器管理所有RPC的能量。同样，也有学者提出了基于RPC和储能装置的改进型交流铁路供电系统，用于再生制动能量管理和电能质量改善。然而，RPC高昂的成本制约了上述方案的推广应用。

传统的RPC是由八个绝缘栅双极晶体管(IGBT)组成的单相背靠背交流-DC-交流变换器。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、半桥结构、四桥臂MMC结构、三桥臂和两桥臂等。

但是，由于负序补偿的容量需求过大，这些改进结构的成本仍然很高。为了实现更低的设备成本或更大的补偿容量，提出了一些混合无源补偿设备的RPC方案。由于无源补偿装置的成本远低于RPC，混合式RPC更经济。目前，混合动力RPC的设计方法很多，但这些研究还没有应用到基于RPC的再生制动能量利用方案中。

为此，东南大学电气工程学院等单位的研究人员提出了基于储能系统的混合式铁路功率调节器(ESS-HRPC)及其控制策略。

在拟建的ESS-HRPC中，再生制动能量将首先由RPC调控供牵引列车使用，如有剩余，则由储能系统回收，以实现再生制动能量的充分利用。在此基础上，RPC与一组晶闸管投切电容器(TSC)和一组晶闸管控制电抗器(TCR)一起补偿负序电流，实现三相电流平衡，提高系统经济性。

研究人员得到了以下结论:

1)通过协调控制RPC和储能系统，ESS-HRPC可以充分利用牵引供电系统中牵引列车的再生制动能量，同时可以有效补偿负序电流，有利于降低列车的电力成本，提高能源效率，保障牵引供电系统的安全稳定运行。

2)与现有的RPC+储能方案相比，本文提出的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。

此外，他们说，本课题主要研究交流-DC-交流电力机车再生制动能量的回收利用和利用ESS- HRPC对负序电流的补偿。储能介质的选择和储能装置的容量优化将在后续研究中进一步考虑。

本文编译自《电工技术学报》2021年第23期。论文题目是“基于储能系统的混合式铁路功率调节器及其控制策略”。为什么作者是邦邦、高志轩等。