湘潭大學(xué)信息與工程學(xué)院、湖南大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院的研究人員馬茜、郭昕、羅培、張志文，在2019年第4期《電工技術(shù)學(xué)報》上撰文（論文標(biāo)題為“基于超級電容儲能的新型鐵路功率調(diào)節(jié)器協(xié)調(diào)控制策略設(shè)計”），為綜合解決牽引供電系統(tǒng)電能質(zhì)量問題，并提高電力機車再生制動能量利用率，在鐵路功率調(diào)節(jié)器中增加超級電容儲能系統(tǒng)，提出一種基于超級電容儲能的新型鐵路功率調(diào)節(jié)器。
為進一步提高該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的再生制動能量利用率和削峰填谷的控制精度，并有效控制超級電容的充放電，從而減少系統(tǒng)損耗，深入研究超級電容與鐵路功率調(diào)節(jié)器之間的功率轉(zhuǎn)移特征，通過構(gòu)建兩種控制方式的等效電路，對比分析兩種控制方式精度問題和超級電容放電失控問題，進而提出基于超級電容儲能的新型鐵路功率調(diào)節(jié)器協(xié)調(diào)控制策略。仿真結(jié)果證明了所提協(xié)調(diào)控制策略的正確性及有效性。
為解決電氣化鐵路面臨的負(fù)序、諧波和無功問題，國內(nèi)外學(xué)者進行了大量的研究。無源濾波器（Passive Filter, PF）作為最早的諧波與無功補償裝置，因其成本低而得到了廣泛應(yīng)用。靜止無功補償器（Static Var Compensator, SVC）可以動態(tài)補償無功，但會引入諧波電流。靜止同步補償器（Static Synchronous Compensators, STATCOM）能夠?qū)恳到y(tǒng)進行綜合補償，但STATCOM需要安裝在三相高壓側(cè)，經(jīng)濟性低。
日本學(xué)者提出的鐵路功率調(diào)節(jié)器（Railway Power Conditioner, RPC），通過重新分配牽引變壓器出口處有功潮流，并獨立補償各相的無功和諧波，能有效解決兩相或單相牽引供電系統(tǒng)的主要電能質(zhì)量問題，具有較高的研究價值。目前很多學(xué)者對RPC進行了大量的研究，并在RPC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、信號檢測方法以及補償原理方面取得了很大的進展。
高速交流機車在制動過程中會產(chǎn)生很大的再生制動能量。若兩臂中只有一臂為再生制動狀態(tài)，則RPC可以通過功率轉(zhuǎn)移將再生制動能量轉(zhuǎn)移至牽引側(cè)，實現(xiàn)再生制動能量的利用；若兩臂均為再生制動狀態(tài)，則RPC只能將再生制動能量反送給電網(wǎng)。由此可見，RPC不能完全解決再生制動能量的問題。
高速鐵路牽引供電系統(tǒng)具有牽引負(fù)荷峰位功率越來越大的問題，這使得牽引變壓器的額定功率增大，但實際運行中，牽引變壓器負(fù)荷率并不大，這降低了牽引變壓器的利用率。RPC可以通過功率轉(zhuǎn)移來平衡兩臂有功功率，這在一定程度上削弱了負(fù)載峰位負(fù)荷的影響，提高了變壓器的利用率。
但是，RPC不能將谷時功率存儲，用于補償峰時負(fù)荷的需求，因此，RPC在解決牽引變壓器的容量利用率較低的問題上略顯不足。本文采用了一種由鐵路功率調(diào)節(jié)器和超級電容儲能系統(tǒng)構(gòu)成的新型儲能式鐵路功率調(diào)節(jié)器（Railway Power Conditioner based on Super Capacitor energy storage system, SC-RPC），相比于傳統(tǒng)的RPC，該補償系統(tǒng)不僅能完成兩供電臂能量雙向流通，實現(xiàn)電能質(zhì)量的治理，還能通過鐵路功率調(diào)節(jié)器和儲能系統(tǒng)的有功功率轉(zhuǎn)移，提高再生制動能量利用率并實現(xiàn)削峰填谷。
RPC的控制方法很多，就電流控制而言，有采用PI控制，也有采用PR控制，還有采用滯環(huán)控制。但SC-RPC控制方法的研究還未見文獻報道，考慮到SC-RPC相對RPC而言，增加了超級電容（Super Capacitor, SC），其控制的復(fù)雜程度大大增加，因此，有必要對其控制策略進行深入研究。
針對上述問題，本文提出一種基于超級電容儲能的新型鐵路功率調(diào)節(jié)器協(xié)調(diào)控制策略，該協(xié)調(diào)控制策略不僅可以有效控制RPC與SC之間有功功率的轉(zhuǎn)移，還能實現(xiàn)多種模式轉(zhuǎn)換，提高再生制動能量利用率以及牽引變壓器削峰填谷的精度，并有效控制超級電容的充放電，減少其損耗，從而提高SC-RPC系統(tǒng)的經(jīng)濟性。
圖1 SC-RPC補償系統(tǒng)
圖2 能量模式的關(guān)系轉(zhuǎn)換圖
圖7 SC-RPC協(xié)調(diào)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
圖10 SC-RPC上層控制單元流程
結(jié)論
本文提出了一種基于超級電容儲能的新型鐵路功率調(diào)節(jié)器協(xié)調(diào)控制策略，其特點為：
1）系統(tǒng)控制切換條件由兩供電臂牽引負(fù)荷的狀態(tài)和大小，通過上層控制中心的協(xié)調(diào)，可以完成四種能量管理模式的控制和轉(zhuǎn)換。
2）在系統(tǒng)處于再生制動能量控制模式、削峰放電模式和填谷充電模式時，RPC兩臂采用功率控制，SC采用直流電壓和電流控制，可以消除功率控制誤差。在系統(tǒng)處于功率轉(zhuǎn)移模式時，RPC兩臂采用功率和直流電壓控制，SC采用恒功率控制，可以有效解決超級電容放電失控問題。
