【精彩论文】计及特征次谐波治理的铁路网侧储能系统控制策略

计及特征次谐波治理的铁路网侧储能系统控制策略

贺彦强, 王英, 陈小强, 陈剑箫

（兰州交通大学 自动化与电气工程学院，甘肃 兰州 730070）

摘要：针对电气化铁路节能增效及谐波治理问题，提出一种考虑特征次谐波治理的铁路牵引网侧储能系统控制策略。首先，分析牵引网侧储能系统接入方案并对其工作模态进行划分；其次，根据牵引负荷特征次谐波分布规律，推导网侧储能系统削峰填谷及特征次谐波治理方法；然后，提出一种计及网侧特征次谐波抑制的超级电容储能系统控制策略；最后，通过多工况下仿真测试，验证了所提策略的可行性。结果表明，所提策略能有效回收再生制动能量，减小网侧功率波动，抑制网侧特征次谐波。

引文信息

贺彦强, 王英, 陈小强, 等. 计及特征次谐波治理的铁路网侧储能系统控制策略[J]. 中国电力, 2022, 55(7): 33-41.

HE Yanqiang, WANG Ying, CHEN Xiaoqiang, et al. Energy storage control strategy of railway network side considering characteristic harmonic control[J]. Electric Power, 2022, 55(7): 33-41.

引言电气化铁路产生的负序、谐波及无功等问题会严重影响公共电网的正常运行^[1-3]。在列车再生制动时会产生大量的再生制动能量，如果这部分能量直接回馈公共电网，不仅使得电气化铁路无法对这部分能量进行有效利用，不利于铁路部门节能运行^[4-6]，而且会进一步加重对公共电网的负序及谐波污染问题^[7]，因此，研究如何实现再生制动能量的回收利用，降低电气化铁路对公共电网的谐波污染有重要意义。围绕电气化铁路再生制动能量回收利用及电能质量改善问题，国内外专家从优化行车组织^[8-10]、回馈配电网^[11]以及储能介质回收利用等方面进行了研究。储能型方案具有削峰填谷、灵活性高等优点，是近年来研究的热点^[12-14]。文献[15-16]研究了飞轮储能在再生制动能量回收中的应用及其控制策略，并对其经济性进行了分析；文献[17]对城市轨道交通再生制动能量的回收利用及利用储能系统抑制牵引网电压波动的有效性进行了研究；文献[18]提出在铁路功率调节器（railway power conditioner, RPC）的中间直流侧加入储能系统，在兼顾负序治理的同时实现再生制动能量回收利用；文献[19]提出了基于RPC的超级电容储能系统分层控制策略，分别对能量管理层及变流器控制层的控制策略进行了研究；文献[20]提出了基于背靠背变流器的混合储能系统控制策略及电气化铁路电能质量优化方法，并对混合储能系统容量配置进行了研究。综上，关于储能型再生制动能量利用方案的研究，多集中在基于RPC的储能系统拓扑，然而，在RPC中间直流侧加入储能系统，会引入新的功率流动，影响RPC系统的负序补偿能力，对于在回收再生制动能量的同时，兼顾谐波治理，提高牵引供电系统节能增效的供电品质方面的研究较少，且很少涉及具体的变流器控制策略及谐波抑制方法。

鉴于此，本文提出电气化铁路网侧储能系统拓扑以及计及再生制动能量回收和谐波治理的电气化铁路牵引网侧储能系统控制策略。首先，建立基于超级电容的电气化铁路储能系统结构，并对其工作模态进行分析；其次，提出在牵引网侧接入储能系统时的网侧特征次谐波电流抑制方法，并对再生制动能量回收及谐波治理过程进行推导；根据推导结果，提出计及牵引网特征次谐波电流抑制的超级电容储能系统控制策略；最后，通过仿真验证了所提方法和控制策略的有效性。

1  网侧储能系统结构及工作模态1.1  电气化铁路网侧接入超级电容储能方案分析

电气化铁路超级电容储能方案如图1所示，该系统主要由储能变压器、变流器单元以及储能介质超级电容（super capacitor, SC）组成。牵引变电所将电网110 kV三相电压变换为2个27.5 kV的单相电，经牵引网传输给列车，驱动列车运行；储能变压器高压侧跨接于27.5 kV牵引馈线上，低压侧与变流器单元经滤波电感 L_s 相连；变流器单元直流侧与超级电容相连，通过控制流过变流器单元的电流，即可实现供电臂再生制动能量的回收利用、功率调节及牵引网侧特征次谐波抑制。为简化分析，本文将储能系统接入点设置在牵引变电所出口处。

图1  牵引供电系统网侧储能方案拓扑Fig.1  Topology of energy storage scheme of traction power supply system
图1中： P_α 为供电臂功率； P′_α 为牵引变电所功率； P_ci 为第i辆列车运行功率，为正表示列车牵引，为负表示列车再生制动； P_store 为储能系统充放电时的基波功率，充电为正，放电为负； u_α 为牵引网电压；u_s 为储能变压器低压侧电压； i_s 为流过变流器单元交流侧的电流； U_dc 为变流器单元中间直流电压。1.2  工作模态分析未加入储能系统时，供电臂上主要负载为列车，以是否有再生制动能量回馈到牵引变电所来区分，可将 P_α 划分为2种情况：（1） P_α ＜0 ，该供电臂处于再生制动工况；（2）P_α ⩾0 ，该供电臂处于非再生制动工况。加入储能系统后，设定超级电容有效利用荷电状态（state of charge, SOC）范围为： S_ocmin⩽S_oc⩽S_ocmax ，其中， S_ocmax 、 S_ocmin 为超级电容荷电状态的上下限。

为有效回收再生制动能量，同时平抑功率波动，实现谐波治理，根据供电臂所处工况、储能系统充放电目标基波功率 P^*_store 以及超级电容SOC，结合牵引网侧特征次谐波抑制，将储能系统划分为图2所示的4种工作模态。

图2  储能系统工作模态分析

Fig.2  Working mode analysis of energy storage system

图2中： P_{t_max} 为储能系统放电阈值； P_{t_min} 为储能系统充电阈值； S_ocave 为超级电容荷电状态中间阈值。（1）牵引功率补偿模态。当 S_ocmax＞S_oc＞S_ocmin 且 P_α＞P_{t_max} 时，储能系统具备放电条件，为列车提供一部分牵引功率，减小列车对牵引变电所的功率需求。（2）有源滤波(储能系统充电)模态。当 S_oc⩽S_ocmin 或 P_{t_min}＜P_α ＜P_{t_max} 时，储能系统涓流充电，提取网侧谐波能量，存储于超级电容中。（3）再生制动能量回收模态。当 S_ocmax＞S_oc＞ S_ocmin 且 P_α ＜0 时，储能系统具备充电条件，回收再生制动能量。

（4）有源滤波(储能系统放电)模态。当 S_oc⩾S_ocmax 或 P_{t_min}＜P_α ＜P_{t_max} 时，储能系统涓流放电，提取网侧谐波电流，通过变流器单元进行有源滤波。

2  牵引网侧特征次谐波抑制方法牵引网侧特征次谐波电流抑制方法如图3所示。设网侧瞬时电压 u_α 恒定，可表示为

式中： U_α 为网侧电压有效值。

图3  牵引网侧特征次谐波电流抑制方法

Fig.3  Characteristic harmonic current suppression method on the traction network side

根据瞬时功率理论，网侧电流可视为基波电流与各谐波电流的叠加^[21-22]，即

式中：h=1表示基波，h ＞ 1表示谐波次数； ω 为基波角频率； φ_h 为h次谐波相位。对于网侧电流中第m次谐波电流，可看成有功谐波电流和无功谐波电流分量的叠加，即式中： I_mp 为第m次谐波有功电流有效值； I_mq 为第m次谐波无功电流有效值。由式（2）和式（3）可得将由式（4）计算得到的信号通过低通滤波器(low pass filter, LPF)，并乘以 sinmωt 即可得网侧第m次谐波有功电流瞬时值为式中： mωt 可由网侧瞬时电压 u_α 通过锁相环后乘以谐波次数m得到。同理可得第m次谐波无功电流瞬时值为由此可求得网侧第m次谐波电流 i_m 。由于对单个供电臂而言，其主要的谐波源为动车组，以CRH2型动车组作为供电臂主要负荷为例，其谐波含量中，低次谐波主要集中在3、5、7、9次，高次谐波主要集中在43、47、49、51、53次，忽略非特征次谐波的影响^[7,23]，牵引网侧特征次谐波电流i_ch为设储能变压器高压侧与低压侧的变比为 k ，该供电臂日平均负荷功率为 P_av ，储能系统投入后网侧功率波动范围为 ΔP ，则储能系统放电阈值 P_{t_max} 设定为 P_{t_max} = P_av+0.5ΔP ，储能系统充电阈值 P_{t_min} 设定为 P_{t_min} = P_av−0.5ΔP 。储能系统充电时目标基波功率 P^*_store 为放电时 P^*_store 为进行功率调节时，参考指令电流 i^∗_s 为得到变流器单元参考指令电流 i^∗_s 后，需要控制变流器单元对 i^∗_s 实现快速跟踪。准比例谐振控制(quasi-proportional resonant control, QPR)可实现对正弦信号的无静差跟踪^[24]，将多个准PR控制器并联，构成多重化准比例谐振控制器(M-QPR)，即可对各次谐波电流实现快速跟踪。M-QPR控制器的传递函数为式中： K_p 为比例系数； K_rh 为谐振系数； ω_c 为谐振角频率 hω₀ 处的截止频率， ω_c⩾0.4hπ ^[25]。3 储能系统控制策略计及网侧特征次谐波电流治理的超级电容储能系统运行控制策略分为变流器单元控制和工作模式判别控制2部分。3.1  变流器单元控制策略

变流器单元由四象限变流器VSC、中间支撑电容及双向DC/DC3部分组成，其控制策略如图4所示。

图4  储能系统变流器单元控制策略

Fig.4  Control strategy of converter unit in energy storage system

（1）VSC参考指令电流计算及其控制策略。

通过特征谐波计算和工作模态判别，可确定 i_ch 和 P^*_store ，从而根据式（10）得到 i^∗_s ，然后通过电流环，由M-QPR控制器对各次谐波进行无静差跟踪，同时考虑滤波电感 L_s 对输出谐波的衰减作用，减去 L_s 上的损耗，从而得到待调制信号。

（2）双向DC/DC控制策略及参考指令电流计算。

双向DC/DC拓扑如图4所示，采用电压外环，电流内环的双闭环控制策略^[26-28]。考虑谐波治理而不考虑无功补偿时，超级电容充放电功率主要包括有功功率和谐波功率2部分。忽略系统功率传输损耗，其总功率守恒，即

式中： S_store 为储能系统在牵引网侧吸收/释放的基波视在功率，若 Q_store = 0 ，则有 S_store = P_store ； P_dc 为流经储能系统中间直流环节功率； P_sav 为超级电容吸收/释放的功率； S_ch 为谐波功率。谐波畸变功率可用中间直流侧功率变化量表示，用电压外环控制进行补偿，则此时双向DC/DC的参考指令电流可表示为3.2 工作模式判别控制

工作模式判别控制是根据储能系统当前SOC以及该供电臂上的功率变化情况，控制储能系统在不同工作模式之间进行切换，以满足不同的工况需求。为防止储能系统在边界条件处发生充放电临界振荡现象，在超级电容SOC边界阈值处加入5%的充放电缓冲区，基本思路是：当储能系统充满后，储能系统将在模态1和模态4之间切换，优先放电，直到超级电容 S_oc＜(S_ocmax – 5%)，才可以进行下一次充电操作；当储能系统电量放完后，储能系统将在模态2和模态3之间进行切换，优先充电，直到超级电容 S_oc＞(S_ocmin +5%)，才可以进行下一次放电操作。设定允许充电标志位F_{lag_C}=1，允许放电标志位F_{lag_D}=1，为“1”表示允许充放电，为“0”表示禁止充放电； i′_ch=−i_ch 表示储能系统放电进行有源滤波， i′_ch=i_ch 表示储能系统提取谐波能量，进行涓流充电，存储于超级电容，具体控制策略如图5所示。

图5   储能系统工作模态判别控制策略

Fig.5  Working mode discriminant control strategy of energy storage system

4 测试验证与分析

本文以CRH2型动车组作为供电臂上的负荷及谐波源^[7,23]，搭建仿真模型，对所提策略进行验证，为定量说明储能系统工作状态，设定供电臂α在一段时间内的负荷数据如表1所示，仿真模型参数设置如表2所示。

表1  供电臂负荷参数

Table 1  Load parameters of supply arm

表2  仿真参数设置

Table 2  Simulation parameter settings

（1）算例1。

设置超级电容SOC初始值为75%，加入储能系统前后，α供电臂功率、储能系统功率以及超级电容SOC变化如图6所示。

图6  算例1：α供电臂功率、储能系统功率及超级电容SOC变化曲线

Fig.6  Case 1: change curves of supercapacitor SOC and power of α supply arm and energy storage system

加入储能系统前后，牵引变电所出口处牵引网电流谐波含量如图7所示，为方便比较，各次谐波含量统一采用谐波电流幅值表示。

图7   算例1：牵引网谐波含量对比

Fig.7  Case 1: comparison of harmonic content of traction network

从图6和图7可知：供电臂处于工况1和工况2时，储能系统工作在功率补偿模态，分别补偿0.2 MW、2.7 MW的功率，同时降低了网侧电流谐波含量；供电臂处于工况3时，储能系统处于再生制动能量回收模态，回收再生制动功率3 MW，吸收牵引变电所功率1 MW，从图7 b)可知，由于第11次谐波未作为特征次谐波处理，所以谐波含量并未降低；供电臂处于工况4时，由于供电臂上再生制动功率大于储能系统最大充电功率，因此储能系统只能回收4 MW再生制动功率，剩下的2.6 MW返送回公共电网，从图7 c)可以看出，返送回的再生制动能量中，其特征次谐波含量均降低到2 A以下。（2）算例2。

设置超级电容SOC初始值95%，表示此时电已充满，加入储能系统前后，α供电臂功率、储能系统功率及超级电容SOC变化如图8所示。

图8   算例2：α供电臂功率、储能系统功率及超级电容SOC变化曲线

Fig.8  Case 2: change curves of supercapacitor SOC and power of α supply arm and energy storage system

加入储能系统前后，供电臂处于工况4时，牵引变电所出口处牵引网电流谐波含量如图9所示。

图9  算例2：工况4时牵引网电流谐波含量

Fig.9  Case 2: harmonic content of traction network current under working condition 4

从图8可知：在供电臂处于工况1和工况2时，储能系统工作在功率补偿模态，分别为供电臂补偿0.15 MW、2.7 MW牵引功率，超级电容SOC由94.95%降低到91.20%，未低于90%的缓冲范围，不允许充电；在2.0~3.9 s时，供电臂处于再生制动工况，储能系统工作在谐波电流有源补偿模态，不回收再生制动能量，仅补偿牵引网谐波电流。从图9可知，工况4时牵引网电流特征次谐波电流含量均降低到1.5 A以下。

5  结论为实现再生制动能量的回收利用及网侧谐波治理，本文提出了一种计及再生制动能量回收和谐波治理的铁路网侧储能控制策略，通过预设工况测试验证了所提方案及控制策略的可行性和有效性，得出如下结论。（1）建立的网侧接入储能方案及控制策略能够实现再生制动能量的存储与再利用，可有效降低供电臂功率波动，提高牵引供电系统的能量利用率；（2）提出的储能系统网侧特征次谐波抑制方法，可在回收利用再生制动能量的同时，兼顾网侧特征次谐波治理，能有效降低侵入牵引变电所的特征次谐波含量。储能系统的容量配置优化、经济性分析等是进一步研究的重点。

（责任编辑　张重实）

作者介绍

贺彦强（1996—），男，通信作者，硕士研究生，从事储能技术及电能质量研究，E-mail：[e-mail];

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王英（1978—），男，博士，副教授，硕士生导师，从事电气化铁路“车网荷储”系统交通能源互联供电可靠性研究，E-mail：[e-mail].

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编辑：杨彪

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