李彥吉，陳 鷹，李祎楊

（1中國鐵路北京局集團(tuán)有限公司唐山供電段，河北 唐山 064000；2河北盾石磁能科技有限責(zé)任公司；3石家莊工程職業(yè)學(xué)院，河北 石家莊 050000）

我國電氣化鐵路采用交流單相供電方式，是具有鮮明特點的工業(yè)用戶，沖擊性負(fù)荷對供電系統(tǒng)的影響一直存在。目前牽引供電系統(tǒng)存在的問題主要有電費支出占比巨大、再生制動能量浪費、電能質(zhì)量低下、牽引變電所主變壓器利用率低等。

牽引負(fù)荷波動頻繁是牽引供電系統(tǒng)的固有特性，為了滿足鐵路正常運行需要，牽引變壓器設(shè)計容量都偏大，造成鐵路部門需長期向電力部門多繳納基本電費；目前電力機(jī)車都采用再生制動的方式，列車制動時向電網(wǎng)回饋電能電力部門并不進(jìn)行計費，未給鐵路部門帶來任何經(jīng)濟(jì)效益，存在電能浪費的情況；由于牽引供電系統(tǒng)采用單相供電，系統(tǒng)長期存在以負(fù)序、無功、諧波為主的電能質(zhì)量問題，影響牽引供電網(wǎng)絡(luò)及機(jī)車的安全穩(wěn)定運行；由于牽引供電系統(tǒng)兩個供電臂相互獨立，能量不能交互流動，造成牽引變壓器容量利用率非常低。

2011 年，西南交通大學(xué)等單位合作研制的同相供電系統(tǒng)在四川眉山牽引變電所進(jìn)行了試驗，試驗結(jié)果驗證了RPC及其結(jié)合接觸網(wǎng)改造形成的同相供電系統(tǒng)具備對負(fù)序、無功和諧波的綜合補償功能；湖南大學(xué)于2011年研制了國內(nèi)首臺容量60 kVA的RPC 實驗樣機(jī)，通過搭建高速鐵路補償系統(tǒng)模塊實驗平臺進(jìn)行驗證[1]。

飛輪儲能技術(shù)是一種利用機(jī)械旋轉(zhuǎn)體旋轉(zhuǎn)進(jìn)行能量存儲和釋放的物理儲能方式，通過自身電機(jī)處于電動和發(fā)電狀態(tài)來實現(xiàn)電能和動能的轉(zhuǎn)換，它具有快速響應(yīng)、高功率輸出的優(yōu)勢。如果把飛輪的快速反應(yīng)能力與牽引供電系統(tǒng)變化劇烈、工況復(fù)雜的特點結(jié)合起來，將對牽引供電系統(tǒng)產(chǎn)生革命性的影響。

1 問題提出

時刻變化的單相電力機(jī)車沖擊負(fù)荷引發(fā)電能質(zhì)量負(fù)序問題，并且直接影響牽引供電系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益。負(fù)荷極值與兩部制電價中變壓器容量計費和最大需量計費密切相關(guān)，它將造成設(shè)計階段變壓器容量加大、增加容量電費，并且使得運行中需量極值加大、增加需量電費。因此降低負(fù)荷極值具有技術(shù)經(jīng)濟(jì)兼優(yōu)的功能：既可以治理負(fù)序、降低不良影響，又可以在執(zhí)行兩部制電價中取得效益，即或者降低最大需量取得效益，或者降低主變壓器容量進(jìn)而降低固定容量收費來取得效益[2]。

1.1 負(fù)序

負(fù)序電流會造成局部金屬件溫升增高，甚至?xí)?dǎo)致變壓器燒毀；使電動機(jī)的溫度上升，效率下降，能耗增加，發(fā)生振動、輸出虧耗等；還會導(dǎo)致用電設(shè)備使用壽命縮短、加速設(shè)備部件更換頻率、增加設(shè)備維護(hù)的成本[3]。文獻(xiàn)[4]針對新投運的電氣化鐵路對電網(wǎng)電能質(zhì)量的影響進(jìn)行了分析、測試，結(jié)果表明電氣化鐵路接入南疆電網(wǎng)的一座220 kV變電站三相電壓不平衡超標(biāo)，主要為負(fù)序分量達(dá)到4.2%，17 次、19 次諧波電流超標(biāo)最嚴(yán)重，影響了下游用戶的正常供電。

1.2 負(fù)荷率和主變壓器利用率

表1為北京局集團(tuán)公司和唐山供電段轄內(nèi)供電量、負(fù)荷率和主變壓器利用率2021年11月份的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，從表中可以看出，主變壓器的利用率最大為68%、最小為1%，在唐山供電段的唐曹線主變壓器利用率僅僅為2%。選型階段，變壓器考慮的裕量偏大。

表1 牽引變電所負(fù)荷率和變壓器利用率Table 1 Load rate and transformer utilization rate of traction substation

1.3 再生制動能量回饋電網(wǎng)

電力機(jī)車工作在再生制動狀態(tài)下時，會向電力系統(tǒng)回饋電能。再生制動能量回饋電網(wǎng)會加劇兩個供電臂負(fù)荷不平衡程度，使負(fù)序電流的影響更加嚴(yán)重，同時回饋到電網(wǎng)的能量部分不能被牽引供電系統(tǒng)所利用，造成能源的浪費。

據(jù)統(tǒng)計，2021 年，北京局集團(tuán)公司石家莊供電段轄內(nèi)30個牽引變電所中，高速鐵路13個變電所月回饋電能253萬kWh，普速鐵路17個變電所，月回饋電能261萬kWh。山區(qū)電氣化鐵路回饋電能尤為顯著，占到總電度數(shù)的21%～71%，比如邯長線新固鎮(zhèn)變電所月均87 萬kWh。按河北省最大需量電價為35元/(kW·月)，容量電價為23.3元/(kVA·月)，工業(yè)電度電費按平均0.7元/kWh計，年回饋電能費用4317.6萬元。

2 現(xiàn)狀分析

2.1 國內(nèi)外現(xiàn)狀

國內(nèi)外學(xué)者在治理牽引供電系統(tǒng)電能質(zhì)量方向已進(jìn)行了大量研究，治理方式可分為主動治理和被動治理兩類，目前的主動治理對于既有線路不太適用，且新建線路應(yīng)用后無法完全治理所有電能質(zhì)量問題。被動治理方式主要分為有源、無源補償器兩類，表2 為目前電氣化鐵路電能質(zhì)量治理的主要方法。

表2 電氣化鐵路電能質(zhì)量治理方法Table 2 Treatment methods for electric power quality of electrified railway

通過鐵路功率調(diào)節(jié)器(RPC)綜合治理電氣化鐵路電能質(zhì)量是近些年新的探索，其安裝在牽引變壓器二次側(cè)，對無功功率、負(fù)序和諧波進(jìn)行綜合補償，受到世界電鐵行業(yè)青睞。

2.2 現(xiàn)場測試

2020 年6 月2 日至6 月3 日，在邯長線新固鎮(zhèn)變電所進(jìn)行了測試，本次測試采用的儀器為BDC-5 型變電站電能質(zhì)量監(jiān)測儀。設(shè)備采集點為中控室測控屏，被測電流、電壓信號由電流互感器、電壓互感器提供。測試的數(shù)據(jù)包括牽引變電所110 kV 側(cè)進(jìn)線電壓，110 kV 側(cè)進(jìn)線電流，27.5 kV 側(cè)α 供電臂母線電壓、饋線電流，27.5 kV 側(cè)β 供電臂母線電壓、饋線電流。

圖1 為新固鎮(zhèn)變電所2020 年6 月2 日至6 月3 日實時功率曲線示，牽引負(fù)荷功率2 天最大值、平均值和最大需量值如表3 所示。

表3 新固鎮(zhèn)變電所牽引負(fù)荷統(tǒng)計Table 3 Traction load statistics of Xinguzhen substation

圖1 新固鎮(zhèn)變電所實時功率Fig.1 Real time power of Xinguzhen substation

從新固鎮(zhèn)變電所實時功率曲線可看出：再生制動能量非常顯著，占到總電度的50%以上；最大需量極值較大，但全天平均值不到極值的3%，最大需量最大值約為極值的一半。

同期測試到的電能質(zhì)量指標(biāo)如下：電壓不平衡度95%概率值小于2%，滿足國家標(biāo)準(zhǔn)要求；電壓不平衡度短時超過4%，輕微超標(biāo)；功率因數(shù)在0.98 以上，滿足國家標(biāo)準(zhǔn)要求；A相與C 相相電壓諧波總畸變率95%概率大值超過2%，輕微超標(biāo)；饋線電壓在25.6～27.8 kV，平均值約27.5 kV。

3 技術(shù)方案

從新固鎮(zhèn)變電所實測數(shù)據(jù)來看，需量極值較大造成需量電費劇增，再生制動能量浪費非常嚴(yán)重，并且進(jìn)一步惡劣了電能質(zhì)量。

飛輪儲能通過自身電機(jī)處于電動和發(fā)電狀態(tài)來實現(xiàn)電能和動能的轉(zhuǎn)換，飛輪本體的高速永磁電機(jī)結(jié)構(gòu)緊湊、體積小、效率高、允許頻繁充放電?？梢宰鳛橐环N新型能源儲備方式，與其他儲能技術(shù)相比，具有快速響應(yīng)、高功率輸出、頻繁充放、壽命長、無污染、維護(hù)簡單等優(yōu)點[5]。因此“RPC+飛輪儲能”的方式更為適合電氣化鐵路的運行。

3.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

通過在牽引變電所α 相供電母線和β 相供電母線上安裝高壓斷路器QF1、QF2；在高壓斷路器QF1、QF2 的出線側(cè)分別安裝27.5 kV/900 V 的單相降壓變壓器；在降壓變壓器出線側(cè)安裝背靠背變流器，兩個降壓變壓器和背靠背變流器共同組成RPC系統(tǒng)；背靠背變流器的中間直流電壓為1600 V，并在1400～1800 V 連續(xù)可調(diào)；在背靠背變流器中間直流母線中通過隔離開關(guān)和熔斷器安裝飛輪儲能系統(tǒng)。電氣接線示意圖如圖2所示。

圖2 電氣接線示意圖Fig.2 Electrical wiring diagram

采用背靠背變流機(jī)組的優(yōu)勢在于可以將兩個相位不同的供電臂并聯(lián)，實現(xiàn)互聯(lián)互通，有助于平衡兩個供電臂的負(fù)荷；另外儲能裝置通過背靠背變流機(jī)組可同時對兩個供電臂進(jìn)行削峰填谷以及能量的吸收再利用，實用性更強，節(jié)能效果更好。

在此系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，通過高壓斷路器QF1、QF2與牽引供電系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)接，屬于并聯(lián)接入，具有本質(zhì)安全特性。當(dāng)變壓器出現(xiàn)過載、短路和非電量保護(hù)動作時，當(dāng)RPC 出現(xiàn)重故障時，當(dāng)能量管理單元出現(xiàn)死機(jī)情況時，繼電保護(hù)聯(lián)跳QF1、QF2，使裝置整體與牽引供電系統(tǒng)分離，不會對既有系統(tǒng)產(chǎn)生影響。

3.2 各部件功能

系統(tǒng)主要由斷路器、隔離開關(guān)、避雷器、RPC 系統(tǒng)、飛輪儲能系統(tǒng)、能量管理單元等部件構(gòu)成。

（1） RPC 系統(tǒng)

RPC 系統(tǒng)的作用是將兩個相位不同的供電臂實現(xiàn)功率融通，同時為儲能裝置和牽引供電系統(tǒng)建立能量流動的橋梁。降壓變壓器將AC27.5 kV降壓為900 V，變流器將其變換為DC1600 V，為儲能裝置建立接入環(huán)境；將一側(cè)供電臂的再生制動能量通過RPC 系統(tǒng)轉(zhuǎn)移到另一側(cè)供電臂或向儲能裝置充電；儲能裝置的能量可以通過RPC 系統(tǒng)傳輸至指定供電臂。

（2） 飛輪儲能系統(tǒng)

通過飛輪充放電實現(xiàn)對再生制動能量的回收再利用，同時降低變壓器輸出功率。當(dāng)線路中有車制動時，飛輪進(jìn)入充電狀態(tài)，通過加速旋轉(zhuǎn)將再生電能進(jìn)行存儲；當(dāng)線路中有車牽引時，飛輪進(jìn)入放電狀態(tài)，通過降速將自身儲存能量進(jìn)行釋放。設(shè)計中采用6 臺1500 V 飛輪組成2 MW 的儲能系統(tǒng)，技術(shù)指標(biāo)如表4。

表4 單臺飛輪儲能裝置規(guī)格參數(shù)表Table 4 Specifications and parameters of single flywheel energy storage device

（3） 能量管理單元

能量管理單元可以準(zhǔn)確、高效下發(fā)指令，協(xié)調(diào)各子系統(tǒng)能量流動，起到指揮中樞的作用，同時具備監(jiān)測各設(shè)備運行狀態(tài)并記錄、與遠(yuǎn)動系統(tǒng)通信的功能。通過采集各路饋線的電壓、電流來判斷線路工況，對系統(tǒng)下發(fā)相應(yīng)控制策略；實現(xiàn)飛輪儲能系統(tǒng)連鎖保護(hù)和自身死機(jī)保護(hù)，保障整體系統(tǒng)安全運行；監(jiān)測控制各斷路器，監(jiān)測各個子系統(tǒng)的工作狀態(tài)并對故障進(jìn)行記錄；實現(xiàn)成套系統(tǒng)與鐵路既有遠(yuǎn)動系統(tǒng)的接入。

（4） 控制保護(hù)設(shè)備

控制保護(hù)設(shè)備出現(xiàn)系統(tǒng)裝置故障時，執(zhí)行微機(jī)保護(hù)相關(guān)動作要求，保護(hù)外部牽引網(wǎng)正常工作不受影響。

3.3 系統(tǒng)控制邏輯

能量管理單元作為最上層的控制系統(tǒng)，將采集的線路信息進(jìn)行處理，然后下發(fā)執(zhí)行指令給RPC 和飛輪儲能系統(tǒng)，RPC 和飛輪儲能系統(tǒng)分別具備各自底層的控制邏輯。

（1） 能量流動

能量流動分為單臂充電、單臂放電、單臂削峰、轉(zhuǎn)移模式、待機(jī)模式，在上述五個工況基礎(chǔ)上根據(jù)飛輪系統(tǒng)的儲電量進(jìn)一步判斷細(xì)分工況。圖3～圖6 為不同模式下的能量流動系統(tǒng)簡圖。

圖3 單臂充電Fig.3 Single arm charging

圖4 單臂放電Fig.4 Single arm discharge

圖5 轉(zhuǎn)移模式Fig.5 Transfer mode

圖6 待機(jī)模式Fig.6 Standby mode

（2） 控制策略

飛輪儲能系統(tǒng)采用了基于直流母線電壓的控制邏輯，原理圖如圖7所示。

圖7 飛輪儲能控制邏輯原理圖Fig.7 Logic schematic diagram of flywheel energy storage control

飛輪儲能系統(tǒng)有充電、維持、放電三種工作狀態(tài)，可根據(jù)直流母線電壓的高低自動響應(yīng)充放電動作。

①當(dāng)母線電壓抬高，電壓值U>U2+a時，飛輪儲能系統(tǒng)處于充電狀態(tài)，吸收外部電能進(jìn)行存儲，充電的功率隨母線電壓的升高而增大。

②當(dāng)母線電壓拉低，電壓值U

③當(dāng)母線電壓值在牽引網(wǎng)空載電壓附近波動時，設(shè)定該電壓值為飛輪的維持區(qū)域[U2-a，U2+a]，飛輪執(zhí)行維持轉(zhuǎn)速指令，使其荷電狀態(tài)SOC 值處于一個設(shè)定值。

4 應(yīng)用效果

4.1 電能質(zhì)量治理情況

基于飛輪儲能的牽引變電所能量回收和電能質(zhì)量綜合治理系統(tǒng)于2021 年5 月26 日投運后，對牽引網(wǎng)電能質(zhì)量起到了很大改善作用。

（1） 電壓不平衡度

圖8 為新固鎮(zhèn)變電所2021 年5 月26 日—6 月2 日三相電壓不平衡度趨勢圖，能量回收和電能質(zhì)量綜合治理系統(tǒng)投運后變電所三相電壓不平衡度指標(biāo)較好，完全符合國家標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖8 新固鎮(zhèn)變電所三相電壓不平衡度趨勢圖Fig.8 Trend chart of three phase voltage unbalance of Xinguzhen Substation

從圖9～10中可看出系統(tǒng)未投運時三相電壓不平衡度的極大值短時會超過4%，系統(tǒng)投運后，新固鎮(zhèn)變電所三相電壓不平衡度短時極大值、95%概率值均未超過國家標(biāo)準(zhǔn)限值，改善效果明顯。

圖9 三相電壓不平衡度極大值趨勢對比圖Fig.9 Trend comparison diagram of three phase voltage unbalance

圖10 三相電壓不平衡度95%概率值趨勢對比圖Fig.10 Trend comparison diagram of 95%probability value of three phase voltage unbalance

（2） 電壓總諧波畸變率(THD)

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 14549—1993 電能質(zhì)量公用電網(wǎng)諧波》，110 kV 公用電網(wǎng)電壓總畸變率的95%概率大值應(yīng)不大于2%。

圖11 為新固鎮(zhèn)變電所電壓總畸變率趨勢圖，5 月26 日—6 月2 日系統(tǒng)投入后電壓總畸變率趨勢，電壓總畸變率指標(biāo)較好，完全符合國家標(biāo)準(zhǔn)要求。

圖11 新固鎮(zhèn)變電所電壓總畸變率趨勢圖Fig.11 Trend chart of total voltage distortion rate of Xinguzhen substation

從圖12 可看出，投運系統(tǒng)后新固鎮(zhèn)變電所電壓總諧波畸變率，不論是極大值、95%概率大值均符合國家標(biāo)準(zhǔn)要求，相比系統(tǒng)未投運時95%概率大值輕微超標(biāo)有很好的改善。

圖12 投入前后電壓總諧波畸變率對比Fig.12 Comparison diagram of total harmonic distortion rate of voltage before and after Input

（3） 功率因數(shù)

（4） 饋線電壓波動

饋線電壓的大小直接影響到機(jī)車牽引電機(jī)的出力和運行速度，一般要求饋線電壓在19～31 kV，否則將影響機(jī)車正常運行。

由表5 可看出，α 相、β 相電壓在系統(tǒng)投入前后指標(biāo)均符合《鐵路技術(shù)管理規(guī)程》要求，系統(tǒng)投入后使α 相、β 相電壓變化范圍縮小，飛輪系統(tǒng)通過在列車制動時儲能從而抑制牽引網(wǎng)壓抬升，列車牽引時釋能以補償牽引網(wǎng)壓跌落，對電壓波動起到了一定調(diào)節(jié)作用，供電質(zhì)量更高。

表5 牽引變電所饋線電壓Table 5 Feeder voltage of traction substation

4.2 再生制動能量利用情況

飛輪儲能系統(tǒng)通過接收能量管理單元調(diào)度指令來工作，當(dāng)線路有車制動時，飛輪儲能系統(tǒng)吸收電能；當(dāng)線路處于牽引工況時，飛輪儲能系統(tǒng)釋放電能，其充放電動作與牽引網(wǎng)負(fù)荷波動保持一致。

從圖13 可以看出，牽引供電系統(tǒng)負(fù)荷波動頻繁，在負(fù)荷波動時飛輪隨之進(jìn)行響應(yīng)，充放電頻繁動作，完全適應(yīng)牽引供電系統(tǒng)負(fù)荷特性；而且會在很短的時間內(nèi)出現(xiàn)充放電功率頻繁轉(zhuǎn)換的工況，此時飛輪亦可以快速響應(yīng)從滿功率充電轉(zhuǎn)到滿功率放電；而且在電力機(jī)車經(jīng)過此牽引變電所供電區(qū)段過程中，因為轉(zhuǎn)彎或上下坡的線路條件會出現(xiàn)多次加速減速情況，這時飛輪儲能尤其可發(fā)揮其短時高頻次特性，將再生電能進(jìn)行充分利用。

圖13 飛輪儲能響應(yīng)牽引網(wǎng)負(fù)荷變化進(jìn)行充放電Fig.13 Flywheel energy storage responds to load changes for charging and discharging

項目運行期間，采用了多種計量方式相互驗證的方法對牽引變電所每日牽引能耗和再生能量進(jìn)行統(tǒng)計。計量方式包括牽引變電所內(nèi)進(jìn)線電度表計量、新增四路饋線電度表計量、綜合自動化系統(tǒng)計量、錄波儀計量、能量管理單元計量等，通過對比發(fā)現(xiàn)各種計量近似相等，并且得到了中國鐵路產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心驗證認(rèn)可。

統(tǒng)計項目運行期間(5 月27 日—6 月2 日)數(shù)據(jù)，如圖14所示，新固鎮(zhèn)變電所每日平均牽引電量約為76000 kWh，每日平均制動能量約為15000 kWh。

圖14 牽引電能和再生電能對比Fig.14 Comparison diagram of traction electric energy and regenerative electric energy

系統(tǒng)平均每日利用的再生能電量約為2900 kWh，占比平均每日總制動能量的19.3%，如圖15。

圖15 再生能利用和再生能總量對比Fig.15 Comparison diagram of renewable energy utilization and total renewable energy

同時對比2021 年4 月24 日—4 月30 日系統(tǒng)未投入時牽引總電量，5 月26 日—6 月1 日系統(tǒng)投入期間日平均牽引電量為76326 kWh，4 月24 日—4 月30 日系統(tǒng)未投入期間日平均牽引電量為80627 kWh。投入系統(tǒng)后，每日平均牽引電量較系統(tǒng)投入前減少4301 kWh。

4.3 降低最大需量效果

系統(tǒng)投運后，飛輪儲能系統(tǒng)在列車處于牽引工況時輔助變壓器對牽引網(wǎng)進(jìn)行放電，此時對降低牽引變壓器最大需量起到一定效果。

圖16 為2 MW 飛輪儲能裝置削峰效果圖，當(dāng)線路有電力機(jī)車制動時，飛輪儲能裝置可以及時響應(yīng)進(jìn)行充電；當(dāng)線路上有負(fù)荷牽引時，飛輪儲能裝置配合牽引變壓器釋放電能為牽引列車提供能量。系統(tǒng)可以及時獲取線路工況信息并正確下發(fā)飛輪充放電指令。從圖1(b)中可以看出，飛輪儲能系統(tǒng)放電時可降低牽引變電所輸出功率，具備降低最大需量的能力，增大系統(tǒng)容量可更有效地降低牽引變電所用電成本。

圖16 降低最大需量效果Fig.16 Rendering of reducing maximum demand

4.4 兩供電臂功率平衡

系統(tǒng)投運后將兩個相位不同的供電臂實現(xiàn)并聯(lián)，使二者間的能量可以互聯(lián)互通，試驗表明系統(tǒng)對兩供電臂功率平衡起到明顯作用。

從圖17 可看出，在系統(tǒng)投運前，兩供電臂負(fù)荷差值較大，不平衡度較高；在系統(tǒng)投運后，兩供電臂負(fù)荷差值減小，在2 MW范圍內(nèi)甚至可以使兩臂功率相同，達(dá)到很好治理負(fù)序的效果。系統(tǒng)可以及時追蹤牽引網(wǎng)實時工況并下發(fā)指令，其實時性、響應(yīng)速度、調(diào)整精度等均適應(yīng)牽引供電系統(tǒng)特性。

圖17 系統(tǒng)投入前后兩供電臂功率對比Fig.17 Power comparison diagram of two power supply arms before and after the system is put into operation

從圖18可看出，當(dāng)線路上一個供電臂功率為0另一個供電臂處于制動工況時，此時會將制動供電臂上的能量通過系統(tǒng)轉(zhuǎn)移給負(fù)荷為0的供電臂，通過轉(zhuǎn)移前后兩供電臂功率對比可看出，轉(zhuǎn)移后兩臂功率差值減小，在2 MW范圍內(nèi)功率值相等，在此種工況下起到了很好的兩臂功率平衡的作用。

圖18 兩臂功率平衡效果Fig.18 Rendering of power balance of two power supply arms

從圖19可看出，當(dāng)線路上兩個供電臂均為制動工況時，此時會將制動功率在兩個供電臂間進(jìn)行平衡，通過轉(zhuǎn)移前后兩供電臂功率對比可看出，轉(zhuǎn)移后兩臂功率差值減小，在2 MW 范圍內(nèi)功率值相等，在此種工況下起到了很好的兩臂功率平衡的 效果。

圖19 兩臂功率平衡效果Fig.19 Rendering of power balance of two power supply arms

5 結(jié)論

2021年6月3日，牽引變電所能量回收和電能質(zhì)量綜合治理裝置研究與開發(fā)項目經(jīng)國家鐵路產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心專業(yè)人員現(xiàn)場檢測，裝置投入后其自身指標(biāo)及新固鎮(zhèn)變電所電能質(zhì)量指標(biāo)均符合國家標(biāo)準(zhǔn)要求，全天節(jié)電量為2852 kWh，與其他電能質(zhì)量治理方式經(jīng)濟(jì)效益對比如表6。

表6 電能質(zhì)量治理方法經(jīng)濟(jì)效益對比Table 6 Comparison of economic benefits of power quality control methods

牽引變電所能量回收和電能質(zhì)量綜合治理裝置是基于飛輪儲能和能量轉(zhuǎn)移利用、削峰填谷和電能質(zhì)量治理的綜合性項目，可安裝在鐵路牽引所、區(qū)間所、開閉所，既可以應(yīng)用在既有線路改造，又可直接應(yīng)用在新建電氣化鐵路上。把飛輪的快速反應(yīng)能力與牽引供電系統(tǒng)短時大負(fù)荷、電力機(jī)車復(fù)雜的運行工況緊密結(jié)合起來。吸收再利用機(jī)車制動時產(chǎn)生的再生電能，治理電氣化鐵路中以負(fù)序為主的電能質(zhì)量問題，對電氣化鐵路節(jié)能降耗及電能質(zhì)量改善具有重要意義。同時，通過將兩個相位不同的供電臂進(jìn)行功率融通提升了牽引變壓器容量利用率，增加了供電能力，并可以降低變壓器容量選型；通過該系統(tǒng)還可以將兩個牽引變電所接觸網(wǎng)末端進(jìn)行融通、支撐接觸網(wǎng)末端電壓。

項目實施中，飛輪儲能系統(tǒng)在降低最大需量上起到了一定的作用，但對比新固鎮(zhèn)變電所的最大需量需求仍有很大的差距。如果在直流母線環(huán)節(jié)增加一組蓄電池，構(gòu)成“RPC+飛輪儲能系統(tǒng)+蓄電池”模式，在牽引變電所最大需量來臨時投入蓄電池組瞬時放電(每天1～2次)，將實際最大需量降低到平均水平，這樣的電費節(jié)約將更為可觀。