為解決電氣化鐵路面臨的負(fù)序、諧波和無(wú)功問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究。無(wú)源濾波器（Passive Filter, PF）作為最早的諧波與無(wú)功補(bǔ)償裝置，因其成本低而得到了廣泛應(yīng)用。靜止無(wú)功補(bǔ)償器（Static Var Compensator, SVC）可以動(dòng)態(tài)補(bǔ)償無(wú)功，但會(huì)引入諧波電流。靜止同步補(bǔ)償器（Static Synchronous Compensators, STATCOM）能夠?qū)恳到y(tǒng)進(jìn)行綜合補(bǔ)償，但STATCOM需要安裝在三相高壓側(cè)，經(jīng)濟(jì)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(guò)重新分配牽引變壓器出口處有功潮流，并獨(dú)立補(bǔ)償各相的無(wú)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(wèn)題，具有較高的研究?jī)r(jià)值。目前很多學(xué)者對(duì)RPC進(jìn)行了大量的研究，并在RPC的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、信號(hào)檢測(cè)方法以及補(bǔ)償原理方面取得了很大的進(jìn)展。

高速交流機(jī)車(chē)在制動(dòng)過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生很大的再生制動(dòng)能量。若兩臂中只有一臂為再生制動(dòng)狀態(tài)，則RPC可以通過(guò)功率轉(zhuǎn)移將再生制動(dòng)能量轉(zhuǎn)移至牽引側(cè)，實(shí)現(xiàn)再生制動(dòng)能量的利用；若兩臂均為再生制動(dòng)狀態(tài)，則RPC只能將再生制動(dòng)能量反送給電網(wǎng)。由此可見(jiàn)，RPC不能完全解決再生制動(dòng)能量的問(wèn)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(lái)越大的問(wèn)題，這使得牽引變壓器的額定功率增大，但實(shí)際運(yùn)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(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。本文采用了一種由鐵路功率調(diào)節(jié)器和超級(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（Railway Power Conditioner based on Super Capacitor energy storage system, SC-RPC），相比于傳統(tǒng)的RPC，該補(bǔ)償系統(tǒng)不僅能完成兩供電臂能量雙向流通，實(shí)現(xiàn)電能質(zhì)量的治理，還能通過(guò)鐵路功率調(diào)節(jié)器和儲(chǔ)能系統(tǒng)的有功功率轉(zhuǎn)移，提高再生制動(dòng)能量利用率并實(shí)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(jiàn)文獻(xiàn)報(bào)道，考慮到SC-RPC相對(duì)RPC而言，增加了超級(jí)電容（Super Capacitor, SC），其控制的復(fù)雜程度大大增加，因此，有必要對(duì)其控制策略進(jìn)行深入研究。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出一種基于超級(jí)電容儲(chǔ)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(shí)現(xiàn)多種模式轉(zhuǎn)換，提高再生制動(dòng)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(jí)電容的充放電，減少其損耗，從而提高SC-RPC系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。

圖1 SC-RPC補(bǔ)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(jí)電容儲(chǔ)能的新型鐵路功率調(diào)節(jié)器協(xié)調(diào)控制策略，其特點(diǎn)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(guò)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(dòng)能量控制模式、削峰放電模式和填谷充電模式時(shí)，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(shí)，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(jí)電容放電失控問(wèn)題。