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在采用鐵路功率調(diào)節(jié)器解決電氣化鐵路電能質(zhì)量問(wèn)題時(shí)，為了提高再生制動(dòng)能量的利用率，提出一種由鐵路功率調(diào)節(jié)器和充電機(jī)充電超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)構(gòu)成的新型儲(chǔ)能式鐵路功率調(diào)節(jié)器。
 
該系統(tǒng)不僅能實(shí)現(xiàn)兩供電臂能量雙向流通，還能通過(guò)鐵路功率調(diào)節(jié)器和儲(chǔ)能系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制，提高再生制動(dòng)能量利用率并實(shí)現(xiàn)削峰填谷功能。首先分析系統(tǒng)工作原理，構(gòu)建再生制動(dòng)工況下的等效電路，推導(dǎo)再生制動(dòng)能量利用率表達(dá)式；然后分析該系統(tǒng)能夠提高再生制動(dòng)能量利用率并實(shí)現(xiàn)削峰填谷功能的原因；最后搭建仿真模型和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，多種工況下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了所提新型補(bǔ)償系統(tǒng)的正確性及有效性。

 
目前，我國(guó)已成為世界上高速鐵路運(yùn)營(yíng)最快、里程最長(zhǎng)的國(guó)家，重載和高速已成為現(xiàn)在鐵路的發(fā)展方向[1,2]。隨著高速鐵路的發(fā)展，無(wú)功和低次諧波已不再是主要問(wèn)題，而負(fù)序的問(wèn)題則日益嚴(yán)重，給供電系統(tǒng)的安全和穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)[3-7]。
 
為減少電氣化鐵路負(fù)序的影響，目前主要采取靜止無(wú)功補(bǔ)償器（Static Var Compensator, SVC）[8,9]、靜止無(wú)功發(fā)生器（Static Var Generator, SVG）[10,11]、鐵路功率調(diào)節(jié)器（Railwaystatic Power Conditioner, RPC）等方法。SVC和SVG能部分解決負(fù)序問(wèn)題，但由于不能在兩供電臂之間平衡有功，所以治理效果沒(méi)有RPC好。因此，采用RPC在治理負(fù)序問(wèn)題具有良好的應(yīng)用前景[12-17]。
 
高速交流機(jī)車在制動(dòng)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生很大的再生制動(dòng)能量[18]。當(dāng)一個(gè)橋臂為再生制動(dòng)狀態(tài)，另一個(gè)橋臂為牽引狀態(tài)時(shí)，RPC通過(guò)功率轉(zhuǎn)移將再生制動(dòng)能量轉(zhuǎn)移至牽引側(cè)，可以實(shí)現(xiàn)再生制動(dòng)能量的利用；當(dāng)兩側(cè)均為再生制動(dòng)狀態(tài)時(shí)，RPC只能將再生制動(dòng)能量反送給電網(wǎng)，此時(shí)的再生制動(dòng)能量利用率為零，并對(duì)電網(wǎng)造成了較大的沖擊。由此可見(jiàn)，RPC不能完全解決再生制動(dòng)能量的問(wèn)題。
 
目前，高速鐵路牽引供電系統(tǒng)具有牽引負(fù)荷峰位功率越來(lái)越大的問(wèn)題[19,20]，因此，牽引變壓器的額定功率就必然會(huì)很大，但實(shí)際運(yùn)行中，牽引變壓器負(fù)荷率并不大，這就使得牽引變壓器的利用率較低，這導(dǎo)致了牽引變壓器的經(jīng)濟(jì)性較差。
 
RPC可以通過(guò)功率轉(zhuǎn)移來(lái)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(shí)功率存儲(chǔ)，用于補(bǔ)償峰時(shí)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(wèn)題上略顯不足。
 
針對(duì)以上方案的不足，本文提出一種由RPC和充電機(jī)充電超級(jí)電容（SuperCapacitor, SC）儲(chǔ)能系統(tǒng)構(gòu)成的新型儲(chǔ)能式鐵路功率調(diào)節(jié)器（SC-RPC）。相比于傳統(tǒng)的RPC，該拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中RPC用于治理負(fù)序，SC用于存儲(chǔ)和釋放再生制動(dòng)能量[21-23]，提高了再生制動(dòng)能量的利用率，通過(guò)SC與RPC的協(xié)同控制將存儲(chǔ)的谷時(shí)功率用于補(bǔ)償峰時(shí)負(fù)荷的需求，改善了峰值功率對(duì)牽引變壓器的沖擊，減少其安裝容量，提高其經(jīng)濟(jì)性。
 
本文分析了新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在各種模式下的工作原理，構(gòu)建了SC-RPC與RPC補(bǔ)償系統(tǒng)在再生制動(dòng)工況下的等效電路，推導(dǎo)出兩種補(bǔ)償系統(tǒng)的再生能量利用率?，對(duì)比分析得出了SC-RPC再生能量利用率較高的原因。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了本文所提出的新型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的正確性和有效性。
 
圖1  SC-RPC拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

 
圖18  實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)物圖

 
結(jié)論
 
為了有效解決電氣化鐵路再生制動(dòng)能量利用率較低的問(wèn)題，本文提出一種基于充電機(jī)充電超級(jí)電容儲(chǔ)能的新型鐵路功率調(diào)節(jié)器（SC-RPC）。引入了削峰功率設(shè)定值和填谷功率設(shè)定值，分析了各種工況下的工作原理，構(gòu)建SC-RPC與RPC的等效電路，推導(dǎo)出兩種補(bǔ)償系統(tǒng)的再生制動(dòng)能量利用率的關(guān)系式。
 
仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明SC-RPC不僅能夠解決負(fù)序問(wèn)題，還能提高再生制動(dòng)能量的利用率，利用谷時(shí)電能補(bǔ)償峰時(shí)電能，不僅改善了峰值負(fù)荷對(duì)變壓器的沖擊，而且提高了其容量利用率，具有一定的工程應(yīng)用價(jià)值。