西南交通大学电气工程学院的研究人员黄文龙、胡海涛、陈俊宇、葛银波、石章海，在2021年第3期《电工技术学报》上撰文，针对电气化铁路枢纽型牵引变电所再生制动频繁、再生能量大且利用率低等问题，结合枢纽型牵引变电所的负荷特性，研究能量回馈与储能结合的再生制动能量利用系统能量管理及控制策略。
研究结果表明，提出的能量管理及控制策略能有效协调控制再生制动能量按需转移、回馈、存储和释放，可实现枢纽型牵引变电所再生制动能量的高效利用。
近年来，我国电气化铁路运营里程快速增长，导致其能耗问题日益严峻。根据国家铁路局最新统计，2019年全国18个铁路局总耗电量高达755.84亿kW·h，较2018年耗电量（711亿kW·h）同比增长6.3%。
同时，我国电气化铁路网络化程度高，在多条电气化铁路线路交汇的枢纽地区（如上海、北京等）形成了“一所多馈线多供电区间”的枢纽型牵引变电所（简称枢纽所）。相较于普通牵引变电所，枢纽所的供电线路更多、行车密度更大，从而导致其能耗更高。因此，如何有效降低枢纽所的能耗是电气化铁路快速发展过程中亟待解决的问题。
新型动车组/电力机车在制动过程中优先采用再生制动方式并产生了大量的再生制动能量。受线路条件、行车组织等影响，铁路枢纽发出、到站的动车组数量多，动车组频繁减速制动使枢纽所再生制动能量十分丰富。通常，再生制动能量被同臂牵引动车组和牵引供电设备消耗后，仍有约50%的再生制动能量经牵引变压器返送至外部电网。
大量再生制动能量返送电网存在如下问题：①能效低，经济性差，返送的再生制动能量按照反向不计或反向正计（算作消耗的电能）的方式进行计费，给铁路部门造成了巨大的经济损失；②加剧电能质量问题，返送的再生制动能量三相不对称，会对电网电能质量造成一定影响（网压波动、谐波、负序等）。
目前已有的再生制动能量利用技术主要包含以下三种：①直接利用；②回馈利用；③储能利用。
直接利用通过优化列车组织运行，使再生制动能量优先被同一供电臂上处于牵引工况的动车组使用。但该技术会导致行车安排灵活性较差，加之在交流电气化铁路中单一牵引供电臂长度较短（一般为20km），因此，其再生制动能量利用率较低。
近年来，储能利用技术在直流供电制式的城轨交通供电系统中得到了大力发展。该技术通过储能设备存储或释放再生制动能量，实现再生制动能量回收利用同时抑制牵引网电压波动，在实际应用中表现出了优异的性能。
但由于供电制式的差异，应用于城轨交通供电系统的储能系统结构与控制策略并不适用于采用交流供电制式的电气化铁路。为此，基于铁路功率调节器（Railway Power Conditioner, RPC）的储能方案被提出。然而，相比于城轨交通系统，电气化铁路中单次制动过程的制动功率更大、持续时间更长、累计再生制动能量更多，对储能系统的额定功率、额定容量有更大的需求，进而导致投资成本更高。
回馈利用型技术通过回馈装置将再生制动能量返送至铁路系统中其他电压等级的供电网（如地铁返送至35kV中压环网，电气化铁路则是返送至铁路10kV电力系统）或电动汽车充电站。该技术目前在城轨交通供电系统中应用较多，回馈装置以三相逆变器后接滤波器的结构为主流。
同样由于供电制式的差异，单一逆变器无法实现电气化铁路再生制动能量回馈利用。为此，有研究者提出采用独立站点型回馈方案，但该方案需在牵引变电所的左、右供电臂分别独立安装一套回馈装置，成本投入较大。
此外，有学者提出了在RPC的中间直流端口并联三相逆变器的方案，该方案在实现再生制动能量回馈的同时还具备电能质量治理功能。然而，回馈利用型技术应用于电气化铁路仍面临以下问题：①再生制动能量的利用率严重依赖于铁路10kV电力系统的负荷大小；②再生制动能量冲击性强、随机性大，可能影响铁路10kV电力系统的供电安全。
综合来说，以上三种再生制动能量利用技术各有优缺点，在实际应用时需要结合牵引变电所的负荷特性进行选择与组合。由于枢纽所附近一般建设有铁路10kV配电所，用于给区间内的大型站场和沿线铁路信号设备等供电，其负荷功率通常较大（可达数兆瓦）且较为稳定，同时其功率峰、谷值在时间上的分布趋势与牵引供电系统负荷的时间分布较为一致。
已有研究提出了综合配备储能型和回馈型技术的再生制动能量利用方法，但其仅提及相关方案，未深入研究系统的全部工况及能量管理方案，也没有考虑回馈功率与铁路10kV负荷不匹配对铁路10kV电力系统供电安全造成的影响。
为此，针对电气化铁路枢纽型牵引变电所再生制动能量利用问题，西南交通大学电气工程学院的研究人员提出枢纽所再生制动能量利用系统能量管理及控制策略。
图1 枢纽所再生制动能量利用系统
首先，研究再生制动能量利用系统的拓扑结构和运行原理并制定功率分配策略，在此基础上划分系统的四种运行模式并分析典型工况的能量流动；然后，研究考虑动态功率分配的分层控制策略；最后通过仿真验证所提能量管理及控制策略的正确性和有效性。
图2 再生制动能量利用系统控制原理
科研人员最后得出如下结论：
1）枢纽型牵引变电所再生制动能量利用系统能量管理及控制策略能够根据系统功率特点及设备状态完成四种运行模式的控制和切换，且可以根据负荷工况及储能介质SOC对系统进行动态功率潮流分配，实现再生制动能量的合理利用。
2）相比于定功率回馈控制方法，本能量管理及控制策略实现了回馈功率的动态分配，避免了回馈过度和回馈不足对铁路10kV电力系统供电安全造成的影响。
本文主要研究了电气化铁路枢纽型牵引变电所再生制动能量利用系统能量管理及控制策略，对于系统中储能介质的容量配置、回馈功率的最优化及系统的保护方案等问题将是下一步的研究方向。
以上研究成果发表在2021年第3期《电工技术学报》，论文标题为“枢纽型牵引变电所再生制动能量利用系统能量管理及控制策略”，作者为黄文龙、胡海涛 等。
