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在采用鐵路功率調節器解決電氣化鐵路電能質量問題時，為了提高再生制動能量的利用率，提出一種由鐵路功率調節器和充電機充電超級電容儲能系統構成的新型儲能式鐵路功率調節器。
 
該系統不僅能實現兩供電臂能量雙向流通，還能通過鐵路功率調節器和儲能系統的協調控制，提高再生制動能量利用率并實現削峰填谷功能。首先分析系統工作原理，構建再生制動工況下的等效電路，推導再生制動能量利用率表達式；然后分析該系統能夠提高再生制動能量利用率并實現削峰填谷功能的原因；最后搭建仿真模型和實驗平臺，多種工況下的實驗結果表明了所提新型補償系統的正確性及有效性。

 
目前，我國已成為世界上高速鐵路運營最快、里程最長的國家，重載和高速已成為現在鐵路的發展方向[1,2]。隨著高速鐵路的發展，無功和低次諧波已不再是主要問題，而負序的問題則日益嚴重，給供電系統的安全和穩定運行帶來了嚴峻的挑戰[3-7]。
 
為減少電氣化鐵路負序的影響，目前主要采取靜止無功補償器（Static Var Compensator, SVC）[8,9]、靜止無功發生器（Static Var Generator, SVG）[10,11]、鐵路功率調節器（Railwaystatic Power Conditioner, RPC）等方法。SVC和SVG能部分解決負序問題，但由于不能在兩供電臂之間平衡有功，所以治理效果沒有RPC好。因此，采用RPC在治理負序問題具有良好的應用前景[12-17]。
 
高速交流機車在制動過程中會產生很大的再生制動能量[18]。當一個橋臂為再生制動狀態，另一個橋臂為牽引狀態時，RPC通過功率轉移將再生制動能量轉移至牽引側，可以實現再生制動能量的利用；當兩側均為再生制動狀態時，RPC只能將再生制動能量反送給電網，此時的再生制動能量利用率為零，并對電網造成了較大的沖擊。由此可見，RPC不能完全解決再生制動能量的問題。
 
目前，高速鐵路牽引供電系統具有牽引負荷峰位功率越來越大的問題[19,20]，因此，牽引變壓器的額定功率就必然會很大，但實際運行中，牽引變壓器負荷率并不大，這就使得牽引變壓器的利用率較低，這導致了牽引變壓器的經濟性較差。
 
RPC可以通過功率轉移來平衡兩臂有功功率，這在一定程度上削弱了負載峰位負荷的影響，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。
 
針對以上方案的不足，本文提出一種由RPC和充電機充電超級電容（SuperCapacitor, SC）儲能系統構成的新型儲能式鐵路功率調節器（SC-RPC）。相比于傳統的RPC，該拓撲結構中RPC用于治理負序，SC用于存儲和釋放再生制動能量[21-23]，提高了再生制動能量的利用率，通過SC與RPC的協同控制將存儲的谷時功率用于補償峰時負荷的需求，改善了峰值功率對牽引變壓器的沖擊，減少其安裝容量，提高其經濟性。
 
本文分析了新型拓撲結構在各種模式下的工作原理，構建了SC-RPC與RPC補償系統在再生制動工況下的等效電路，推導出兩種補償系統的再生能量利用率?，對比分析得出了SC-RPC再生能量利用率較高的原因。仿真和實驗結果表明了本文所提出的新型拓撲結構的正確性和有效性。
 
圖1  SC-RPC拓撲結構

 
圖18  實驗裝置實物圖

 
結論
 
為了有效解決電氣化鐵路再生制動能量利用率較低的問題，本文提出一種基于充電機充電超級電容儲能的新型鐵路功率調節器（SC-RPC）。引入了削峰功率設定值和填谷功率設定值，分析了各種工況下的工作原理，構建SC-RPC與RPC的等效電路，推導出兩種補償系統的再生制動能量利用率的關系式。
 
仿真和實驗結果表明SC-RPC不僅能夠解決負序問題，還能提高再生制動能量的利用率，利用谷時電能補償峰時電能，不僅改善了峰值負荷對變壓器的沖擊，而且提高了其容量利用率，具有一定的工程應用價值。