北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院的研究人員諸斐琴、楊中平等，在2019年第3期《電工技術(shù)學(xué)報》上撰文指出，在城軌交通中安裝地面式超級電容儲能系統(tǒng)將有效回收列車再生制動能量,降低系統(tǒng)運行能耗。各個變電所、牽引/制動列車與儲能系統(tǒng)通過牽引網(wǎng)進行實時能量交互,組成一個復(fù)雜的多能源耦合系統(tǒng),因此,為了提高牽引供電系統(tǒng)的整體能量效率,減少投資成本,該文提出供電系統(tǒng)參數(shù)與儲能系統(tǒng)容量配置綜合優(yōu)化方法。

首先建立不同列車運行場景的等效電路模型,分析變電所空載電壓和制動電阻啟動電壓對變電所、牽引/制動列車與儲能系統(tǒng)之間能量傳遞效率與有效傳輸距離的影響;其次,建立以系統(tǒng)能耗和配置成本為目標的多目標優(yōu)化問題,將NSGA-II優(yōu)化算法與城軌牽引供電潮流計算相結(jié)合,對供電系統(tǒng)參數(shù)與儲能系統(tǒng)容量配置進行綜合優(yōu)化;最后,基于北京地鐵八通線算例,求解綜合優(yōu)化的帕累托最優(yōu)解集。

結(jié)果表明,相比于單一儲能系統(tǒng)優(yōu)化,綜合優(yōu)化在投資成本相近的情況下有效提高了儲能系統(tǒng)的節(jié)能率。

研究背景

隨著城市軌道交通的快速發(fā)展，如何降低城軌列車運行能耗、實現(xiàn)節(jié)能減排，越來越受到人們的關(guān)注。目前，城軌列車普遍采用再生制動：當列車制動時，電機工作于發(fā)電機狀態(tài)，將機械能轉(zhuǎn)化為電能，回饋到牽引網(wǎng)中。由于城軌線路站間距短，列車啟停頻繁，再生制動能量相當可觀。超級電容具有功率密度大、循環(huán)壽命長的優(yōu)點，因此，將超級電容儲能系統(tǒng)安裝于城軌變電所中將有效回收再生制動能量，提高系統(tǒng)的能量利用效率。

地面式儲能系統(tǒng)的選址和容量配置是其應(yīng)用于城軌交通系統(tǒng)需要解決的重要問題，目前已有大量文獻對其進行深入的研究。文獻[7]通過預(yù)測儲能裝置導(dǎo)入前各個站的瞬時再生能量來確定容量配置方案，然而這種配置方法未考慮儲能系統(tǒng)的功率限制對系統(tǒng)能量流動的影響，并且未對配置成本與節(jié)能效果進行權(quán)衡。

文獻[8]和[9]分別在不同發(fā)車間隔下分析了儲能裝置和能饋裝置的節(jié)能效果隨容量配置的變化趨勢，但是基于各站配置容量相同的假設(shè)，實際上，各個變電所分布在地鐵沿線的不同位置，線路坡道、站間距各不相同，因此各站配置的最優(yōu)容量也存在差異。

文獻[10]基于遺傳算法，將多儲能系統(tǒng)的控制策略參數(shù)與容量配置方案進行協(xié)同優(yōu)化，在保證整體節(jié)能效果的前提下有效降低了容量配置需求。

論文所解決的問題及意義

目前大多數(shù)文獻只是對儲能系統(tǒng)的參數(shù)進行了優(yōu)化。城軌牽引供電系統(tǒng)應(yīng)該是一個有機的整體，系統(tǒng)能耗是列車、變電所和儲能系統(tǒng)參數(shù)綜合作用的結(jié)果，節(jié)能效果的提升也應(yīng)該從系統(tǒng)的角度進行分析。由于城軌系統(tǒng)中設(shè)置儲能系統(tǒng)后，列車再生制動能量可以被儲能系統(tǒng)及時回收，列車受電弓電壓的飆升將得到有效地抑制，而制動電阻的過早投入將導(dǎo)致制動能量無法回饋到牽引網(wǎng)。

論文方法及創(chuàng)新點

本文將變電所輸出特性、制動電阻控制曲線和儲能系統(tǒng)容量配置進行綜合地考慮，通過等效電路模型分析各部分參數(shù)對系統(tǒng)能量流動的影響，提出基于NSGA-II算法的供電系統(tǒng)參數(shù)與儲能系統(tǒng)容量配置多目標優(yōu)化方法。

首先，本文通過對不同的列車運行場景建模分析了變電所空載電壓、制動電阻啟動電壓對再生制動能量回收效率和傳輸距離的影響。由于城軌牽引供電系統(tǒng)是一個復(fù)雜的非線性時變系統(tǒng)，本文將采用精英策略的非支配排序遺傳算法（ElitistNon-dominatedSortingGA,NSGA-II）與城軌牽引供電系統(tǒng)仿真相結(jié)合，尋求以上多目標優(yōu)化問題的帕累托最優(yōu)解集。

其中，城軌供電仿真平臺將多列車運行工況、儲能系統(tǒng)模型和牽引供電系統(tǒng)直流潮流進行同步解析，求得變電所總能耗，進而對目標函數(shù)進行評估。NSGA-Ⅱ通過快速非支配排序?qū)ΨN群進行分層，區(qū)分個體的非劣解水平；然后計算每個非支配層中個體的擁擠度，擁擠度比較算子根據(jù)個體的非支配層級和擁擠度選取獲勝個體組成新的父代種群，由此保持種群多樣性；最后，通過選擇、交叉和變異的遺傳操作實現(xiàn)目標函數(shù)的改進，產(chǎn)生新一代種群，多次迭代直至滿足終止條件，得到多目標優(yōu)化問題的帕累托最優(yōu)解集。

結(jié)論

本文以提高城軌牽引供電系統(tǒng)整體能量效率為目標，考慮安裝地面式儲能裝置后，對供電系統(tǒng)參數(shù)與容量配置進行綜合分析與優(yōu)化。模型分析表明，提高空載電壓將有效減少線路損耗，但同時縮短了制動能量傳輸距離；而提高制動電阻啟動電壓將提高制動能量傳輸效率。

本文基于實際地鐵線路對變電所空載電壓、制動電阻啟動電壓與儲能系統(tǒng)容量配置進行了多目標綜合優(yōu)化，得到帕累托最優(yōu)曲線。結(jié)果表明，相比于單一儲能系統(tǒng)優(yōu)化，綜合優(yōu)化后在相同儲能系統(tǒng)配置成本下系統(tǒng)總能耗減小，儲能系統(tǒng)得到更加有效的利用，其節(jié)能率提高了3.7%。

城軌交通牽引供電系統(tǒng)參數(shù)與儲能系統(tǒng)容量配置綜合優(yōu)化