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[摘 要]随着电力电子技术以及控制技术的发展，以高速、重载为代表的电气化铁路获得到了快速发展。由于电气化铁路列车牵引负荷属于单相非对称性负荷，在接入电力系统运行后，会给公用电网带来负序和谐波污染等电能质量问题。当列车再生制动时，会将绝大多数制动能量送到电力系统，为此电力部门对反送的制动能量采取“反送正计”的收费方式，不利于铁路部门的高效经济运行。因此下面文章对其采用的再生制动能量回馈系统进行了简要的分析，以供参考。
[关键词]电气化铁路；再生制动能量回馈；控制技术
中图分类号：U270 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）03-0004-01
1 铁路交流传动机车制动能量利用技术
1.1 储能型再生制动能量回收技术
储能型再生制动能量回收技术是列车再生制动的时候通过过PWM变流器将再生制动能量储存到储能装置，而列车牵引运行时将储存的能量通过PWM变流器释放出来。储能型回收技术的能量利用率高达70%，这相比于电阻型制动装置极大地提高了再生制动能量的利用率，同时还可以起到稳定牵引网压得功能，是一种较为经济、高效的利用方式。储能型制动能量回收技术依据储能元件性质的不同，可分为蓄电池储能、超级电容储能、超导储能和飞轮储能。
1.2 能耗型再生制动能量回收技术
能耗型回收方式的原理是将机车产生的再生制动能量通过大功率电阻转化为热量，电阻制动装置由二极管不可控整流器、斩波器P，LC滤波电路、制动电阻R等组成。再生制动工况下，由于再生制动功率对电网的冲击效应，会造成牵引网电压急剧升高。当牵引网压瞬时值大于给定参考值时，电阻制动装置启动运行，并依据机车制动能量的大小来控制斩波器P的导通时间，从而可以调节电阻制动装置所吸收的制动能量，稳定了牵引网压。根据第一章相关统计数据显示各牵引所检测到的制动能量达数十MW，因此电阻制动装置连接方式上应该采取多路并联方式，斩波器的控制需采用多重斩波。
交流传动列车采用的电阻制动装置可以安装在列车上，也可以安装在变电所或者接触网上。如果将大功率电阻制动装置安装在列车上，会给列车增加额外的负重，增加列车的牵引功耗。若将大功率电阻制动装置装设在接触网上或者变电所处，同一供电区间内会有很多辆列车制动，需要安装大量的电阻制动装置，而且该装置还会从变电所吸收额外的能量，达不到节能的效果。由上面的分析可知，电阻制动装置控制简单、安装方便、技术成熟而被广泛应用，但无论装设在变电所还是装设在列车上，都达不到节能的效果。
1.3 能馈型再生制动能量回收技术
能馈型再生制动能量回收技术主要包括直接回馈型和回馈装置回馈型
1.4 交流机车制动能量回收技术比较
如果考虑到装置的使用寿命，那么可以选择回馈装置型、飞轮储能型、超级电容储能型三种；如果考虑谐波的影响，可以选择飞轮储能型、超级电容储能型和蓄电池储能型；如果考虑到技术要求，那么可以选择独立站点回馈型回收方式。考虑到高速铁路动车组运行的安全可靠性以及回馈装置长远的经济收益，综合考虑各项因素回馈装置型回收技术是一种较为合理的再生制动能量利用方式。
2 能量回馈装置的控制技术研究
2.1 运行过程
为了分析能量回馈装置控制系统的运行过程，图1给出了独立站点型能量回馈装置的控制系统示意图。示意图中主要包括相位鉴别仪、电流互感器、电压互感器、电能计量单元以及两个系统控制器，下面来分析系统的工作原理。
能量回馈装置的控制系统主要分为两部分：一部分是电能计量单元，用于计量电能的输送量；另一部分是系统控制部分，用于控制能量回馈装置的正常运转。控制系统的工作流程如下：相位鉴别仪检测网侧电压与电流的相位差，根据相位的检测结果向系统控制器1发送指令信号，若相位差检测结果为0度，那么系统控制器1会输出闭锁信号，使单相脉冲整流器与逆变器处于待机状态。如果相位差检测结果为180度，那么系统控制器1便会输出启动信号使能量回馈装置启动工作。电流互感器的作用是将采样得到的电信号发送给电流变送器，再经过电流变送器的处理得到能被系统控制单元所能识别的电信号，并产生驱动单相脉冲整流器的驱动信号。电压互感器则是采样中间直流环节的电压值，提供电压环的反馈信号；上位机的功能是接收系统控制器传输来的电流信号，并设定反馈电压与反馈电流的数值而予以显示。
2.2 能量回馈系统并网电流的限制策略
交流传动机车在实际制动过程中，受制动车辆数量以及制动车辆型号的影响，它们所产生的剩余制动能量亦有所不同，lOkV铁路供电系统根据其贯通线路上所接负载功率的大小，它额外所需要的剩余制动能量也就有所不同。为了减小回馈装置对l0kV供电系统的冲击，需要对并网电流的幅值加以限制。系统中需要针对两个地方进行电能的计量，一是牵引所的27.5kV侧，它所计量的是反馈到接触网的再生制动能量；另一个是lOkV铁路供电系统侧，它所计量的是lOkV供电网络所需要的电能。将这两组测量的电能数据发送到计量控制单元，电能计量控制单元会对接收到的数据进行处理，进而计算得到1OkV网络所吸收的电能。需要分别测量回馈装置输出的三相并网电流与1OkV供电网络的负载电流，将测量结果发送到电流计算与限制单元，并依据电流比较单元的分析结果确定是否对并网电流采取限制措施。
2.3 带有LCL滤波器的能量回馈系统并网控制策略分析
并网逆变系统根据其类型及控制目的的不同需要采取不同的控制策略，而控制策略的不同主要体现在并网逆变器的外环控制上。常见的并网逆变器的外环控制方法可以分为恒功率控制、恒压频控制以及下垂控制。恒功率控制的目的是让逆变器输出的有功功率和无功功率等于给定的参考功率。即在电网频率与电压在合理范围内波动时，逆变器输出的有功功率與无功功率保持不变。恒功率控制实质上是将有功与无功解耦后分别进行控制。恒压频控制是通过调节频率调节器来维持系统输出频率的稳定，并通过电压调节器来调节系统输出的无功功率，相当于电力系统中的平衡节点。下垂控制则是模拟发电机组功频静特性的一种控制方法，它是通过调节电压的频率与幅值来控制逆变器的输出功率，反过来也可以通过调节逆变器输出功率来控制电压的频率与幅值。相比与传统的单L型滤波器，LCL型并网滤波器各相多了一组电容支路，因此电压与电流的采样位置就有了多种选择，增加了系统控制方法的多样性。并网逆变器的控制根据其输出端采样信号的不同可以分为电压型控制与电流型控制。
综上所述，在电气化铁路再生制动能量存在巨大利用价值的研究背景下，本文研究了一种采用交-直-交变流器的独立站点型回馈装置，提升了交流传动机车制再生动能量的利用率。
参考文献
[1] 张欣. 电气化铁路列车独立站点型再生制动能量回馈装置研究[D]. 西南交通大学，2017.
[关键词]电气化铁路；再生制动能量回馈；控制技术
中图分类号：U270 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2018）03-0004-01
1 铁路交流传动机车制动能量利用技术
1.1 储能型再生制动能量回收技术
储能型再生制动能量回收技术是列车再生制动的时候通过过PWM变流器将再生制动能量储存到储能装置，而列车牵引运行时将储存的能量通过PWM变流器释放出来。储能型回收技术的能量利用率高达70%，这相比于电阻型制动装置极大地提高了再生制动能量的利用率，同时还可以起到稳定牵引网压得功能，是一种较为经济、高效的利用方式。储能型制动能量回收技术依据储能元件性质的不同，可分为蓄电池储能、超级电容储能、超导储能和飞轮储能。
1.2 能耗型再生制动能量回收技术
能耗型回收方式的原理是将机车产生的再生制动能量通过大功率电阻转化为热量，电阻制动装置由二极管不可控整流器、斩波器P，LC滤波电路、制动电阻R等组成。再生制动工况下，由于再生制动功率对电网的冲击效应，会造成牵引网电压急剧升高。当牵引网压瞬时值大于给定参考值时，电阻制动装置启动运行，并依据机车制动能量的大小来控制斩波器P的导通时间，从而可以调节电阻制动装置所吸收的制动能量，稳定了牵引网压。根据第一章相关统计数据显示各牵引所检测到的制动能量达数十MW，因此电阻制动装置连接方式上应该采取多路并联方式，斩波器的控制需采用多重斩波。
交流传动列车采用的电阻制动装置可以安装在列车上，也可以安装在变电所或者接触网上。如果将大功率电阻制动装置安装在列车上，会给列车增加额外的负重，增加列车的牵引功耗。若将大功率电阻制动装置装设在接触网上或者变电所处，同一供电区间内会有很多辆列车制动，需要安装大量的电阻制动装置，而且该装置还会从变电所吸收额外的能量，达不到节能的效果。由上面的分析可知，电阻制动装置控制简单、安装方便、技术成熟而被广泛应用，但无论装设在变电所还是装设在列车上，都达不到节能的效果。
1.3 能馈型再生制动能量回收技术
能馈型再生制动能量回收技术主要包括直接回馈型和回馈装置回馈型
1.4 交流机车制动能量回收技术比较
如果考虑到装置的使用寿命，那么可以选择回馈装置型、飞轮储能型、超级电容储能型三种；如果考虑谐波的影响，可以选择飞轮储能型、超级电容储能型和蓄电池储能型；如果考虑到技术要求，那么可以选择独立站点回馈型回收方式。考虑到高速铁路动车组运行的安全可靠性以及回馈装置长远的经济收益，综合考虑各项因素回馈装置型回收技术是一种较为合理的再生制动能量利用方式。
2 能量回馈装置的控制技术研究
2.1 运行过程
为了分析能量回馈装置控制系统的运行过程，图1给出了独立站点型能量回馈装置的控制系统示意图。示意图中主要包括相位鉴别仪、电流互感器、电压互感器、电能计量单元以及两个系统控制器，下面来分析系统的工作原理。
能量回馈装置的控制系统主要分为两部分：一部分是电能计量单元，用于计量电能的输送量；另一部分是系统控制部分，用于控制能量回馈装置的正常运转。控制系统的工作流程如下：相位鉴别仪检测网侧电压与电流的相位差，根据相位的检测结果向系统控制器1发送指令信号，若相位差检测结果为0度，那么系统控制器1会输出闭锁信号，使单相脉冲整流器与逆变器处于待机状态。如果相位差检测结果为180度，那么系统控制器1便会输出启动信号使能量回馈装置启动工作。电流互感器的作用是将采样得到的电信号发送给电流变送器，再经过电流变送器的处理得到能被系统控制单元所能识别的电信号，并产生驱动单相脉冲整流器的驱动信号。电压互感器则是采样中间直流环节的电压值，提供电压环的反馈信号；上位机的功能是接收系统控制器传输来的电流信号，并设定反馈电压与反馈电流的数值而予以显示。
2.2 能量回馈系统并网电流的限制策略
交流传动机车在实际制动过程中，受制动车辆数量以及制动车辆型号的影响，它们所产生的剩余制动能量亦有所不同，lOkV铁路供电系统根据其贯通线路上所接负载功率的大小，它额外所需要的剩余制动能量也就有所不同。为了减小回馈装置对l0kV供电系统的冲击，需要对并网电流的幅值加以限制。系统中需要针对两个地方进行电能的计量，一是牵引所的27.5kV侧，它所计量的是反馈到接触网的再生制动能量；另一个是lOkV铁路供电系统侧，它所计量的是lOkV供电网络所需要的电能。将这两组测量的电能数据发送到计量控制单元，电能计量控制单元会对接收到的数据进行处理，进而计算得到1OkV网络所吸收的电能。需要分别测量回馈装置输出的三相并网电流与1OkV供电网络的负载电流，将测量结果发送到电流计算与限制单元，并依据电流比较单元的分析结果确定是否对并网电流采取限制措施。
2.3 带有LCL滤波器的能量回馈系统并网控制策略分析
并网逆变系统根据其类型及控制目的的不同需要采取不同的控制策略，而控制策略的不同主要体现在并网逆变器的外环控制上。常见的并网逆变器的外环控制方法可以分为恒功率控制、恒压频控制以及下垂控制。恒功率控制的目的是让逆变器输出的有功功率和无功功率等于给定的参考功率。即在电网频率与电压在合理范围内波动时，逆变器输出的有功功率與无功功率保持不变。恒功率控制实质上是将有功与无功解耦后分别进行控制。恒压频控制是通过调节频率调节器来维持系统输出频率的稳定，并通过电压调节器来调节系统输出的无功功率，相当于电力系统中的平衡节点。下垂控制则是模拟发电机组功频静特性的一种控制方法，它是通过调节电压的频率与幅值来控制逆变器的输出功率，反过来也可以通过调节逆变器输出功率来控制电压的频率与幅值。相比与传统的单L型滤波器，LCL型并网滤波器各相多了一组电容支路，因此电压与电流的采样位置就有了多种选择，增加了系统控制方法的多样性。并网逆变器的控制根据其输出端采样信号的不同可以分为电压型控制与电流型控制。
综上所述，在电气化铁路再生制动能量存在巨大利用价值的研究背景下，本文研究了一种采用交-直-交变流器的独立站点型回馈装置，提升了交流传动机车制再生动能量的利用率。
参考文献
[1] 张欣. 电气化铁路列车独立站点型再生制动能量回馈装置研究[D]. 西南交通大学，2017.