高速動車組在制動過程中，優(yōu)先采用再生制動方式，產(chǎn)生了大量的再生能量。據(jù)統(tǒng)計(jì)，從北京南站到天津站的動車組每天可產(chǎn)生的制動能量約為33.291MW?h，每年可產(chǎn)生的制動能量高達(dá)120GW?h。

當(dāng)前，這部分再生能量主要有三種處理方式：①被同一供電臂上處于非再生工況的動車組消耗；②以熱能的形式被制動電阻消耗；③返送回電力系統(tǒng)，但電力系統(tǒng)不對其進(jìn)行計(jì)費(fèi)或反向正計(jì)。這使得再生能量未得到充分的利用，同時(shí)給鐵路部門帶來了一定的經(jīng)濟(jì)損失。因此，研究高速鐵路牽引供電系統(tǒng)再生能量的回收利用，對實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排降耗具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

目前，圍繞高速鐵路再生制動能量的回收，國內(nèi)外學(xué)者主要進(jìn)行優(yōu)化型、反饋型、儲能型再生制動能量系統(tǒng)三個(gè)方面的研究。其中，優(yōu)化型是指通過協(xié)同控制相同供電臂下其他動車組的運(yùn)行工況，使再生能量被處于非制動工況的動車組消耗，這種方法的優(yōu)點(diǎn)是能實(shí)現(xiàn)大功率再生能量的及時(shí)再利用，其不足在于再生能量的利用率不高，且靈活性較差。

反饋型是指通過設(shè)計(jì)能量回饋裝置，將再生能量反饋到其他電壓等級供電網(wǎng)絡(luò)，如10kV貫通線、400V配電網(wǎng)等，供給照明、信號系統(tǒng)等使用。該方案的優(yōu)勢在于能夠?qū)崿F(xiàn)再生能量的二次利用。然而，反饋的再生能量中含有大量負(fù)序和諧波電流，且瞬時(shí)功率較大（最高可達(dá)20MW），容易影響其他供電設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

儲能型是指在牽引供電系統(tǒng)中構(gòu)建儲能裝置接口電路，將動車組產(chǎn)生的多余再生制動能量存儲到相關(guān)儲能介質(zhì)中，并將其供給牽引負(fù)荷或其他負(fù)荷使用，儲能型方案具有削峰填谷，靈活性高等優(yōu)勢，是近年來研究的熱點(diǎn)。實(shí)現(xiàn)儲能型的關(guān)鍵在于接口電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其控制策略的設(shè)計(jì)。

鐵路功率調(diào)節(jié)器（Railway Power Conditioner, RPC）具有實(shí)現(xiàn)兩供電臂能量雙向流動，動態(tài)補(bǔ)償牽引供電系統(tǒng)負(fù)序和諧波電流，提供穩(wěn)定直流電壓，使兩供電臂共用一套儲能裝置等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛用作接口電路。然而，當(dāng)牽引供電系統(tǒng)中接入儲能裝置后，由于儲能介質(zhì)的反復(fù)充放電，引入了新的功率流動，造成了牽引供電系統(tǒng)電能質(zhì)量惡化，使得傳統(tǒng)RPC控制策略不再適用，需要對控制策略進(jìn)行改進(jìn)。

因此，為實(shí)現(xiàn)高速鐵路牽引供電系統(tǒng)再生能量的存儲利用，本文提出基于RPC的牽引供電系統(tǒng)儲能方案及其控制策略。首先，設(shè)計(jì)高速鐵路儲能方案拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并對典型運(yùn)行工況下牽引供電系統(tǒng)的能量傳輸特性進(jìn)行分析；再對含有儲能裝置的RPC電能質(zhì)量動態(tài)補(bǔ)償原理進(jìn)行推導(dǎo)，提出一種改進(jìn)的RPC控制策略；進(jìn)一步研究基于電流閉環(huán)的儲能裝置控制策略；最后通過仿真分析驗(yàn)證所提出方案和控制算法的可行性和有效性。

圖1 基于RPC的牽引供電系統(tǒng)儲能方案拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

圖2 含儲能裝置的高速鐵路牽引供電系統(tǒng)運(yùn)行工況

圖4 儲能式RPC控制原理圖

結(jié)論

針對高速鐵路牽引供電系統(tǒng)再生制動能量存儲利用問題，本文研究了基于RPC的儲能方案及其控制方法，剖析了儲能方案的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其能量傳輸特性。根據(jù)RPC電能質(zhì)量動態(tài)補(bǔ)償原理，提出了計(jì)及儲能裝置的RPC改進(jìn)控制策略，并研究了儲能裝置的控制方法，得到如下結(jié)論：

1）基于RPC的儲能方案能夠控制牽引供電系統(tǒng)與儲能裝置間能量的雙向流動，實(shí)現(xiàn)再生能量的存儲和再利用。

2）相比于傳統(tǒng)RPC控制方法，本文所提出的改進(jìn)控制算法適用于儲能裝置接入牽引供電系統(tǒng)后的不同運(yùn)行工況，且能更好地抑制牽引供電系統(tǒng)負(fù)序和諧波等電能質(zhì)量問題。

需要指出的是本文主要研究了高速鐵路牽引供電系統(tǒng)再生制動能量的存儲利用方案及控制策略，對于儲能介質(zhì)的選擇、容量的最優(yōu)化、充放電功率的最優(yōu)化及儲能裝置的能量管理策略等問題將是下一步的研究方向。