智能充電機(jī)充電蓄電池儲能系統(tǒng)能量管理在城軌交通的容量配置優(yōu)化的方法有哪些？
2019-8-12 10:29:47??????點(diǎn)擊：
智能充電機(jī)充電蓄電池儲能系統(tǒng)用于城軌交通中可有效回收列車剩余再生制動(dòng)能量，抑制直流網(wǎng)電壓波動(dòng)。
基于城軌交通負(fù)載特性和智能充電機(jī)充電蓄電池高能量密度特性，提出基于能量轉(zhuǎn)移的放電閾值動(dòng)態(tài)調(diào)整策略，利用智能充電機(jī)充電蓄電池將城軌運(yùn)行低峰期和平峰期回收的制動(dòng)能量部分轉(zhuǎn)移到高峰期，在節(jié)能的同時(shí)可有效減少牽引變電所的峰值功率，降低牽引變電所的建設(shè)容量以及成本。
結(jié)合所提控制策略以及仿真模型，利用智能算法，以經(jīng)濟(jì)效率和峰值功率減小率作為目標(biāo)函數(shù)對能量管理策略控制參數(shù)和容量配置結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化，提高儲能裝置性能，同時(shí)對不同權(quán)重系數(shù)的優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行分析，為不同目標(biāo)需求下權(quán)重系數(shù)設(shè)置提供理論依據(jù)。
地鐵具有運(yùn)量大、速度快、安全準(zhǔn)時(shí)等優(yōu)點(diǎn)，對城市軌道交通發(fā)展起到越來越重要的作用。將智能充電機(jī)充電蓄電池儲能系統(tǒng)安裝于地鐵供電系統(tǒng)，可以有效回收列車再生制動(dòng)能量和抑制直流網(wǎng)電壓波動(dòng)。
目前，智能充電機(jī)充電蓄電池儲能系統(tǒng)在城軌交通上已得到實(shí)際應(yīng)用，如日本東武鐵道、古町線、名古屋鐵路、湖西線北陸本線、鹿兒島谷山線、神戶市西神-山手線、青梅線、東武野田線；韓國地鐵5號線；意大利米蘭地鐵3號線、羅馬火車站-機(jī)場線；美國費(fèi)城等。
近年來，國內(nèi)外學(xué)者針對城軌交通智能充電機(jī)充電蓄電池儲能系統(tǒng)在能量管理和容量配置等方面展開了廣泛深入的研究。
文獻(xiàn)[5-7]研究了地面式智能充電機(jī)充電蓄電池儲能系統(tǒng)的能量管理策略。
其中文獻(xiàn)[5]采用固定充放電閾值策略，為了防止多次充放電不平衡導(dǎo)致智能充電機(jī)充電蓄電池過充或過放，在儲能系統(tǒng)待機(jī)期間進(jìn)行小電流充/放電，調(diào)整智能充電機(jī)充電蓄電池荷電狀態(tài)（State of Charge, SOC），將其維持在某一值附近，但這種不必要的充放電會加速智能充電機(jī)充電蓄電池壽命衰減；
考慮智能充電機(jī)充電蓄電池的壽命，文獻(xiàn)[6]提出動(dòng)態(tài)閾值策略，根據(jù)智能充電機(jī)充電蓄電池的SOC調(diào)整儲能系統(tǒng)的放電閾值（V-SOC控制），將智能充電機(jī)充電蓄電池SOC控制在某一范圍；
文獻(xiàn)[7]中，通過分析智能充電機(jī)充電蓄電池的充電特性，提出了一種最大功率點(diǎn)跟蹤的控制策略（I-SOC控制），根據(jù)智能充電機(jī)充電蓄電池SOC調(diào)整智能充電機(jī)充電蓄電池的最大放電電流，使智能充電機(jī)充電蓄電池SOC維持在最大功率點(diǎn)附近，在相同的容量配置下，可增大儲能系統(tǒng)的節(jié)能效果。
對于如何確定智能充電機(jī)充電蓄電池儲能系統(tǒng)在城軌交通供電系統(tǒng)安裝的位置及其容量，即容量配置優(yōu)化問題，也有學(xué)者做了相應(yīng)研究，文獻(xiàn)[8-9]根據(jù)離線測得的城軌交通變電所的日負(fù)荷曲線，在實(shí)現(xiàn)削峰填谷的前提下，以經(jīng)濟(jì)效率為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，對智能充電機(jī)充電蓄電池儲能系統(tǒng)配置進(jìn)行優(yōu)化。
然而上述研究依然存在一些不足。
一是未能充分考慮智能充電機(jī)充電蓄電池儲能系統(tǒng)本身的特點(diǎn)，與超級電容等功率型元件不同，鋰智能充電機(jī)充電蓄電池儲能系統(tǒng)除了可以回收剩余再生制動(dòng)能量之外，其高能量密度使其在長供電區(qū)間或發(fā)車密度較高時(shí)還可以為列車提供牽引能量，改善供電網(wǎng)電壓跌落明顯的問題，降低牽引變電所的設(shè)計(jì)容量。
二是儲能系統(tǒng)的能量管理策略和容量配置優(yōu)化方案是相互影響的，在不同的能量管理策略下，智能充電機(jī)充電蓄電池儲能系統(tǒng)最優(yōu)的容量配置方案是不同的，同時(shí)優(yōu)化智能充電機(jī)充電蓄電池儲能系統(tǒng)的能量管理策略和容量配置方案，正是本文的研究重點(diǎn)。
本文首先建立了包含列車和智能充電機(jī)充電蓄電池儲能系統(tǒng)的城軌交通供電系統(tǒng)仿真平臺，結(jié)合城軌交通負(fù)載特性和智能充電機(jī)充電蓄電池高能量密度特性，提出基于能量轉(zhuǎn)移的改進(jìn)能量管理策略。最后采用智能優(yōu)化算法以及結(jié)合搭建的地鐵供電系統(tǒng)仿真平臺，同時(shí)優(yōu)化智能充電機(jī)充電蓄電池儲能系統(tǒng)的能量管理策略控制參數(shù)和容量配置方案。
圖1 直流電源供電系統(tǒng)仿真平臺
結(jié)論
本文首先建立了包含列車和智能充電機(jī)充電蓄電池儲能系統(tǒng)的城軌交通供電系統(tǒng)仿真平臺，綜合考慮城軌交通負(fù)載特性和智能充電機(jī)充電蓄電池的高能量密度特性，提出了基于能量轉(zhuǎn)移的放電閾值動(dòng)態(tài)調(diào)整策略，減小了變電站峰值功率，降低建設(shè)成本。綜合智能充電機(jī)充電蓄電池實(shí)際運(yùn)行特性，考慮放電深度對智能充電機(jī)充電蓄電池使用壽命的影響，建立了智能充電機(jī)充電蓄電池壽命預(yù)測模型，用于評估儲能系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效率。
最后以經(jīng)濟(jì)效率和峰值功率減小率為目標(biāo)函數(shù)，提出了基于遺傳算法的可同時(shí)優(yōu)化智能充電機(jī)充電蓄電池儲能系統(tǒng)能量管理策略參數(shù)和容量配置方案的方法，最后利用實(shí)際線路數(shù)據(jù)進(jìn)行了仿真分析，為改善城軌列車制動(dòng)能量回收和提高供電能力提供了支持。
基于城軌交通負(fù)載特性和智能充電機(jī)充電蓄電池高能量密度特性，提出基于能量轉(zhuǎn)移的放電閾值動(dòng)態(tài)調(diào)整策略，利用智能充電機(jī)充電蓄電池將城軌運(yùn)行低峰期和平峰期回收的制動(dòng)能量部分轉(zhuǎn)移到高峰期，在節(jié)能的同時(shí)可有效減少牽引變電所的峰值功率，降低牽引變電所的建設(shè)容量以及成本。
結(jié)合所提控制策略以及仿真模型，利用智能算法，以經(jīng)濟(jì)效率和峰值功率減小率作為目標(biāo)函數(shù)對能量管理策略控制參數(shù)和容量配置結(jié)果進(jìn)行優(yōu)化，提高儲能裝置性能，同時(shí)對不同權(quán)重系數(shù)的優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行分析，為不同目標(biāo)需求下權(quán)重系數(shù)設(shè)置提供理論依據(jù)。
地鐵具有運(yùn)量大、速度快、安全準(zhǔn)時(shí)等優(yōu)點(diǎn)，對城市軌道交通發(fā)展起到越來越重要的作用。將智能充電機(jī)充電蓄電池儲能系統(tǒng)安裝于地鐵供電系統(tǒng)，可以有效回收列車再生制動(dòng)能量和抑制直流網(wǎng)電壓波動(dòng)。
目前，智能充電機(jī)充電蓄電池儲能系統(tǒng)在城軌交通上已得到實(shí)際應(yīng)用，如日本東武鐵道、古町線、名古屋鐵路、湖西線北陸本線、鹿兒島谷山線、神戶市西神-山手線、青梅線、東武野田線；韓國地鐵5號線；意大利米蘭地鐵3號線、羅馬火車站-機(jī)場線；美國費(fèi)城等。
近年來，國內(nèi)外學(xué)者針對城軌交通智能充電機(jī)充電蓄電池儲能系統(tǒng)在能量管理和容量配置等方面展開了廣泛深入的研究。
文獻(xiàn)[5-7]研究了地面式智能充電機(jī)充電蓄電池儲能系統(tǒng)的能量管理策略。
其中文獻(xiàn)[5]采用固定充放電閾值策略，為了防止多次充放電不平衡導(dǎo)致智能充電機(jī)充電蓄電池過充或過放，在儲能系統(tǒng)待機(jī)期間進(jìn)行小電流充/放電，調(diào)整智能充電機(jī)充電蓄電池荷電狀態(tài)（State of Charge, SOC），將其維持在某一值附近，但這種不必要的充放電會加速智能充電機(jī)充電蓄電池壽命衰減；
考慮智能充電機(jī)充電蓄電池的壽命，文獻(xiàn)[6]提出動(dòng)態(tài)閾值策略，根據(jù)智能充電機(jī)充電蓄電池的SOC調(diào)整儲能系統(tǒng)的放電閾值（V-SOC控制），將智能充電機(jī)充電蓄電池SOC控制在某一范圍；
文獻(xiàn)[7]中，通過分析智能充電機(jī)充電蓄電池的充電特性，提出了一種最大功率點(diǎn)跟蹤的控制策略（I-SOC控制），根據(jù)智能充電機(jī)充電蓄電池SOC調(diào)整智能充電機(jī)充電蓄電池的最大放電電流，使智能充電機(jī)充電蓄電池SOC維持在最大功率點(diǎn)附近，在相同的容量配置下，可增大儲能系統(tǒng)的節(jié)能效果。
對于如何確定智能充電機(jī)充電蓄電池儲能系統(tǒng)在城軌交通供電系統(tǒng)安裝的位置及其容量，即容量配置優(yōu)化問題，也有學(xué)者做了相應(yīng)研究，文獻(xiàn)[8-9]根據(jù)離線測得的城軌交通變電所的日負(fù)荷曲線，在實(shí)現(xiàn)削峰填谷的前提下，以經(jīng)濟(jì)效率為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，對智能充電機(jī)充電蓄電池儲能系統(tǒng)配置進(jìn)行優(yōu)化。
然而上述研究依然存在一些不足。
一是未能充分考慮智能充電機(jī)充電蓄電池儲能系統(tǒng)本身的特點(diǎn)，與超級電容等功率型元件不同，鋰智能充電機(jī)充電蓄電池儲能系統(tǒng)除了可以回收剩余再生制動(dòng)能量之外，其高能量密度使其在長供電區(qū)間或發(fā)車密度較高時(shí)還可以為列車提供牽引能量，改善供電網(wǎng)電壓跌落明顯的問題，降低牽引變電所的設(shè)計(jì)容量。
二是儲能系統(tǒng)的能量管理策略和容量配置優(yōu)化方案是相互影響的，在不同的能量管理策略下，智能充電機(jī)充電蓄電池儲能系統(tǒng)最優(yōu)的容量配置方案是不同的，同時(shí)優(yōu)化智能充電機(jī)充電蓄電池儲能系統(tǒng)的能量管理策略和容量配置方案，正是本文的研究重點(diǎn)。
本文首先建立了包含列車和智能充電機(jī)充電蓄電池儲能系統(tǒng)的城軌交通供電系統(tǒng)仿真平臺，結(jié)合城軌交通負(fù)載特性和智能充電機(jī)充電蓄電池高能量密度特性，提出基于能量轉(zhuǎn)移的改進(jìn)能量管理策略。最后采用智能優(yōu)化算法以及結(jié)合搭建的地鐵供電系統(tǒng)仿真平臺，同時(shí)優(yōu)化智能充電機(jī)充電蓄電池儲能系統(tǒng)的能量管理策略控制參數(shù)和容量配置方案。
圖1 直流電源供電系統(tǒng)仿真平臺
結(jié)論
本文首先建立了包含列車和智能充電機(jī)充電蓄電池儲能系統(tǒng)的城軌交通供電系統(tǒng)仿真平臺，綜合考慮城軌交通負(fù)載特性和智能充電機(jī)充電蓄電池的高能量密度特性，提出了基于能量轉(zhuǎn)移的放電閾值動(dòng)態(tài)調(diào)整策略，減小了變電站峰值功率，降低建設(shè)成本。綜合智能充電機(jī)充電蓄電池實(shí)際運(yùn)行特性，考慮放電深度對智能充電機(jī)充電蓄電池使用壽命的影響，建立了智能充電機(jī)充電蓄電池壽命預(yù)測模型，用于評估儲能系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)效率。
最后以經(jīng)濟(jì)效率和峰值功率減小率為目標(biāo)函數(shù)，提出了基于遺傳算法的可同時(shí)優(yōu)化智能充電機(jī)充電蓄電池儲能系統(tǒng)能量管理策略參數(shù)和容量配置方案的方法，最后利用實(shí)際線路數(shù)據(jù)進(jìn)行了仿真分析，為改善城軌列車制動(dòng)能量回收和提高供電能力提供了支持。
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