案例分享 | 混合储能型铁路功率调节系统的PHIL测试
01
应用背景
高速铁路电力机车在制动过程中产生大量的再生制动能量，这些能量可以转移到同一馈电段的其他机车上。然而，在大多数情况下，当属于同一馈电段中没有其他机车牵引消耗时，再生制动能量会通过可逆变电站流回电网，这会对上游电网造成很大干扰，并增加电力系统的调度难度。此外，若回流再生制动能量不能被有效回馈利用，那它最终将被制动电阻消耗掉，造成大量的能源浪费。因此，有效利用再生制动能量具有重要的现实意义。
目前，关于再生制动能量利用的现有方法，有三种主要的利用方法：
1）能量优化方法：能量优化方法是指通过优化调度的方式，通过协调控制同一供电臂上的多辆机车的运行，再生制动能量由同一供电臂处的机车消耗，以减少总能耗。该方法在一定程度上可以有效地利用再生制动能量，但存在能量利用率低、灵活性差等缺点。
2）能量反馈法：能量反馈方法是通过将再生制动能量被反馈到火车站的电网，然后被电梯、排气扇等其他电气设备使用。然而，再生制动能量含有丰富的谐波和负序分量，该方式将对其他电气设备造成严重威胁。
3）能量存储方法：能量存储方法是将再生制动能量存储到相关存储介质中，然后将存储的能量随后供应给牵引负载。这种方法可以实现高能量利用率和高灵活性，已成为近年来的研究热点。有许多种可用的储能方案，例如飞轮储能系统（flywheel energy storage system, FESS）、电池储能系统（battery energy storage system, BESS）、超级电容储能（Super Capacitor, SC）等。
02
解决方案
本案例采用了一种由铁路功率调节器和超级电容、锂电池储能系统构成的混合储能式铁路功率调节器（Railway Power Conditioner based on hybrid energy storage system, HESS-RPC）解决方案，相比于传统的RPC，该补偿系统不仅能完成两供电臂能量双向流通，实现电能质量的治理，还能通过铁路功率调节器和储能系统的有功功率转移，提高再生制动能量利用率并实现削峰填谷。
为什么采用PHIL测试平台
被试系统锂电系统为功率实物，被试系统铁路能量管理系统（Railway energy manage system, REMS）通过弱电信号进行测试，整个测试包含信号级测试及功率级测试，同时因为牵引供电与传动系统较难于实物模拟，为了能方便的对测试内容进行灵活变更与扩展，对测试平台进行虚实结合与模块化设计，整体系统采用PHIL的数字物理混合仿真测试形式，结合实时数字仿真和物理模拟仿真各自的优点，将REMS、供电及牵引系统、超容等设计于数字实时仿真器进行实时仿真，将锂电储能系统以实物形式进行模拟，通过四象限功率放大器进行接口连接与耦合，同时也可外接REMS及监控系统进行相应的测试。测试系统构成图如所示：
基于PHIL的HESS-RPC再生能量利用测试系统
基于HESS-RPC的再生能量利用拓扑结构与原理：
如下图1所示为HESS-RPC再生能量利用系统拓扑，本案例提出了一种由能量管理层和变流器控制层（包括RPC和DC/DC转换器）组成的分层控制架构。铁路能量管理系统（Railway energy manage system, REMS）的能量管理层通过检查机车瞬时功率PαL和PβL，决定HESS-RPC的运行模式，并向RPC和储能DC/DC变流器发送相应的有功功率指令P*αc、P*βc和P*SC以及无功功率指令Q*αc和Q*βc。铁路能量管理系统的控制层包括RPC和DC/DC变流器的功率控制指令下发。有功功率指令P*αc、P*βc和P*SC转换为电压电流信号，变流器控制器用来保持各直流母线电压的稳定性，以及实现RPC、DC/DC变流器参考电流的无误差跟踪。
图1. 基于PHIL的HESS-RPC再生能量利用系统测试平台
如图2所示，REMS基于PαL、PβL和PLim_H（调峰功率的设定值）等系统参数，能量管理层动态切换四种模式（即功率转移模式、再生制动模式、削峰放电模式和填谷充电模式）。
图2. 基于HESS-RPC再生能量利用系统工作模式
当满足转换条件时，将执行模式转换。四种运行模式和相应的过渡条件总结如下。
1） 功率转移模式：当两个馈线上的机车功率满足PαL>0、PβL>0和PLim_L≤PαL+PβL≤PLim_H（PLim-L为填谷功率的设定值，PLim-H为调峰功率的设定值）时，HESS-RPC将起到与RPC相同的作用。它将有功功率从一个馈线转移到另一个馈线，以重新平衡每个馈线的功耗，并独立补偿每个部分的无功功率。
2）再生制动模式：当机车仅在两个馈线中的一个馈线处（即PαL<0或PβL<0）处于再生制动状态时，再生制动能量首先通过RPC从制动侧传输到牵引侧的机车。如果仍有多余的制动能量，它将通过直流-直流转换器存储到混合储能中。然而，当两个馈线处的机车都处于再生制动状态（即PαL<0和PβL<0，以及|PαL|+|PβL|≤PSCM）时（PSCM表示DC/DC转换器的最大功率），在这种情况下，所有再生制动能量将通过DC/DC变流器转移到混合储能。
3）削峰放电模式：当机车功率较高且超过调峰功率设定值（即PαL>0、PβL>0和PαL+PβL≥PLim_H）时，此时调峰放电模式激活。混合储能释放的能量将输送至机车。通过这种方式，可以避免由于峰值电力需求超过合同需求而造成的处罚。
4）填谷充电模式：当机车功率低或馈线中没有机车时（即PαL≥0、PβL≥0和PαL+PβL<plim_l< span="">），混合储能将由馈线充电。
能量管理层的目标是根据机车的运行状态生成功率指令。变流器控制层的目标是快速准确地跟踪上述功率指令。
03
工况测试
工况1（再生制动模式）：
如图3（a）所示，处于α相的机车处于制动状态（PαL=−6 MW），处于β相的机车则处于牵引状态（PβL=3 MW）。在HESS-RPC激活之前，α相（−6 MW）的制动能量激增回电网A相和C相，处于β相的机车需要从电网B相和C相中吸收3 MW的功率。因此，电网侧（Pgrid）的总功率为-3 MW。
a）电网侧有功功率、α相β相负载功率及混合储能功率 (5MW/div)
b）投切SC及BAT后混合储能的功率（PSC、PBAT）(5MW/div)
（c） 投切RPC后VV变压器三相初级电流（iABC）(20A/div)
（d） RPC的直流链路电压（Vdc）(2000V/div)
（e） SC（VSC）的电压
图3. 再生制动模式的测试结果
在再生制动模式下运行。制动能量通过RPC从α相传输到β相，剩余的制动能量（3 MW）通过直流-直流转换器为储能充电。从图3（b）中可以看出，当SC投入使用时，制动能量（3 MW）由超级电容吸收，当启动外部实物锂电池柜时，制动能量（3 MW）由电池柜吸收，此时超级电容功率降为0。从图3（c）中可以看出，当RPC投入使用时，三相一次电流从严重不对称变为几乎为零。这意味着没有制动能量返回到电网；处于β相的机车由处于α相的机车的制动能量提供。如图3（d）所示，所提出的控制策略可以使RPC的直流电压稳定。从图3（e）中可以注意到， SC的电压在HESS-RPC操作后逐渐增加。这表明直流-直流转换器在降压模式下工作，ESS由制动能量充电。
工况2（功率传输模式）：
如图4（a）所示，机车在α相和β相的功率分别为4和8MW。因此，HESS-RPC在功率传输模式下运行。在RPC投切后α相和β相的功率均变换为了6MW。而电网提供的能量几乎没有变化。图4（b）中所示的三相一次电流在RPC投切后从严重不平衡变为几乎对称。代表功率传输模式正常运行。
（a） 电网侧有功功率（Pgrid）、两相负载功率（Pα和Pβ）以及HESS的功率（PESS）
（b） 三相初级电流（iABC）
图4. 功率传输模式的测试结果
工况3（调峰放电模式）：
如图5（a）所示，机车在α相和β相的功率分别为12和7MW。电网侧的总功率为19MW，明显大于调峰功率的设定值（16MW）。
（a） 电网侧有功功率（Pgrid）、两相负载功率（Pα和Pβ）以及HESS的功率（PESS）(10MW/div)
（b） 三相初级电流（iABC）
（c） 蓄电池放电功率（PBAT）与超级电容放电功率（PSC）
图5. 调峰放电模式的测试结果
在调峰模式下运行时，牵引能量通过RPC从α相传输到β相，其传递能量为(12MW+9MW)-2*8MW=3MW，剩余的牵引能量（3 MW）由储能放电提供。此时两桥臂功率可以通过RPC调节达到平衡，从图5（a）中可以看出，当SC投入使用时，剩余牵引能量（3 MW）由混合储能系统提供，此时电网功率降低为16MW，符合调峰要求。如图5（b）中所示的三相一次电流在RPC投切后从严重不平衡变为几乎对称，如图5（c）中牵引能量（3 MW）率先由超级电容提供，当启动外部实物锂电池柜时，牵引能量（3 MW）由电池柜放电提供，此时超级电容功率降为0。代表调峰放电模式正常运行。
04
测试总结
通过本PHIL测试平台，完成了对HESS-RPC的能量管理策略及超级电容、磷酸铁锂的响应性能验证及测试。针对能量存储方法，后期还可接入飞轮储能、氢储能等不同的储能进行相关性能测试与验证，为不同类型储能的选择及容量配比提供参考依据；同时也可扩展为多牵引供电所和多车辆的储能接入测试。
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