自20世纪初铁路电气化开始，高能耗和电能质量问题就一直困扰着铁路运营企业。近年来，许多研究都致力于实现电气化铁路的节能降耗和牵引供电系统的安全稳定运行。

在我国高速铁路和重载铁路系统中，采用四象限脉宽调制（Pulse Width Modulation, PWM）控制方式的交直交型电力机车已逐步取代交直型电力机车成为主要车型。由于交直交型电力机车相对于交直型电力机车具有牵引功率大、功率因数高、低次谐波含量低且能再生制动等显著优点，无功功率和低次谐波不再成为牵引供电系统的主要问题，而因负序电流导致的三相电流不平衡问题却日益严重。

尤其在V/v牵引供电系统中，即使两供电臂内的列车功率相同，系统仍然存在50%的负序电流。另外，交直交型电力机车在重载、长大下坡道或铁路枢纽站所制动时会产生大量的再生制动能量。若这些反馈的电能可以在牵引供电系统内部被牵引列车消耗，就能大大降低列车用电成本，提高能源效率。

目前，在许多考虑再生制动能量利用并补偿负序电流的方案中，日本学者提出的铁路功率调节器（Railway Power Conditioner, RPC）常作为核心设备。这是由于RPC不但可以平衡两个供电臂的有功功率，还可向两个供电臂补偿一定的无功功率。为实现上述控制目标，RPC多采用电压电流双闭环控制策略，其中电压外环通常采用PI控制，而电流内环则可采用滞环比较跟踪控制、基于dq坐标变换的PI控制、准谐振控制、直接模糊跟踪控制等方式。

近年来，为实现再生制动能量的全利用，提出了两种解决方案：①针对于单个牵引变电站；②从整个铁路系统层面进行考虑。

第①种方案是在RPC的直流侧增加电池、超级电容等储能装置，以回收利用剩余的再生制动能量。类似地，有学者提出了一种基于分散式储能模块化多电平变换器（Modular Multilevel Converter, MMC）结构的RPC。

第②种方案中，为共享、调控和利用整个铁路系统内部的再生制动能量并改善各个牵引变电所的电能质量，在任意两个相邻的供电臂之间装设RPC，并利用中央控制器对所有的RPC进行能量管理。类似地，有学者提出了一种基于RPC和储能装置的改进交流铁路供电系统，用于再生制动能量管理和电能质量改善。但RPC造价高昂，限制了上述方案的推广和应用。

传统的RPC是由8个绝缘栅双极型晶体管（Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT）构成的单相背靠背AC-DC-AC变换器。近10年来，相继提出了一些改进的拓扑结构，如两相三线结构，半桥结构，四桥臂、三桥臂和两桥臂的MMC结构等。

尽管如此，由于负序补偿的容量需求过大，这些改进结构的成本依旧很高。为实现更低的装置成本或更大的补偿容量，提出了一些与无源补偿装置混合的RPC方案。由于无源补偿装置的成本远小于RPC，因此混合RPC更具经济性。虽然目前有许多设计混合RPC的方法，但是这些研究都没有被应用到基于RPC的再生制动能量利用方案中。

因此，东南大学电气工程学院等单位的科研人员提出一种基于储能系统的混合铁路功率调节器（Hybrid Railway Power Conditioner based on Energy Storage System, ESS-HRPC）及其控制策略。

在所提ESS-HRPC中，再生制动能量将优先被RPC调控给牵引列车使用，若仍有剩余则利用储能系统进行回收，以实现再生制动能量的全利用。在此基础上，RPC与一组晶闸管投切电容器（Thyristor-Switched Capacitor, TSC）和一组晶闸管控制电抗器（Thyristor-Controlled Reactor, TCR）共同完成对负序电流的补偿，以实现三相电流平衡，并提高系统经济性。

研究人员得到的结论如下：

1）通过协调控制RPC与储能系统，ESS-HRPC能实现再生制动能量在牵引供电系统内部被牵引列车充分利用，同时还可以有效补偿负序电流，有利于降低列车用电成本，提高能源效率，并保障牵引供电系统的安全稳定运行。

2）相比于现有的RPC+储能方案，本文所提出的ESS-HRPC能更经济地解决三相电流不平衡等电能质量问题，具有一定的工程应用价值。

另外，他们表示，本课题主要研究了利用ESS- HRPC实现交直交型电力机车再生制动能量的回收利用和对负序电流的补偿，对于储能介质的选择和储能装置的容量优化等问题将在后续研究中进一步考虑。

本文编自2021年第23期《电工技术学报》，论文标题为“一种基于储能系统的混合铁路功率调节器及其控制策略”，作者为何棒棒、高志宣 等。