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(bào)》上撰文指出，在城軌交通中安裝地面式超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)將有效回收列車再生制動(dòng)能量,降低系統(tǒng)運(yùn)行能耗。各個(gè)變電所、牽引/制動(dòng)列車與儲(chǔ)能系統(tǒng)通過牽引網(wǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)能量交互,組成一個(gè)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(chǔ)能系統(tǒng)容量配置綜合優(yōu)化方法。

首先建立不同列車運(yùn)行場(chǎng)景的等效電路模型,分析變電所空載電壓和制動(dòng)電阻啟動(dòng)電壓對(duì)變電所、牽引/制動(dòng)列車與儲(chǔ)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(biāo)的多目標(biāo)優(yōu)化問題,將NSGA-II優(yōu)化算法與城軌牽引供電潮流計(jì)算相結(jié)合,對(duì)供電系統(tǒng)參數(shù)與儲(chǔ)能系統(tǒng)容量配置進(jìn)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(chǔ)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(chǔ)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(yùn)行能耗、實(shí)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(dòng)：當(dāng)列車制動(dòng)時(shí)，電機(jī)工作于發(fā)電機(jī)狀態(tài)，將機(jī)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(dòng)能量相當(dāng)可觀。超級(jí)電容具有功率密度大、循環(huán)壽命長的優(yōu)點(diǎn)，因此，將超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)安裝于城軌變電所中將有效回收再生制動(dòng)能量，提高系統(tǒng)的能量利用效率。

地面式儲(chǔ)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(xiàn)對(duì)其進(jìn)行深入的研究。文獻(xiàn)[7]通過預(yù)測(cè)儲(chǔ)能裝置導(dǎo)入前各個(gè)站的瞬時(shí)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(chǔ)能系統(tǒng)的功率限制對(duì)系統(tǒng)能量流動(dòng)的影響，并且未對(duì)配置成本與節(jié)能效果進(jìn)行權(quán)衡。

文獻(xiàn)[8]和[9]分別在不同發(fā)車間隔下分析了儲(chǔ)能裝置和能饋裝置的節(jié)能效果隨容量配置的變化趨勢(shì)，但是基于各站配置容量相同的假設(shè)，實(shí)際上，各個(gè)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(xiàn)[10]基于遺傳算法，將多儲(chǔ)能系統(tǒng)的控制策略參數(shù)與容量配置方案進(jìn)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(xiàn)只是對(duì)儲(chǔ)能系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。城軌牽引供電系統(tǒng)應(yīng)該是一個(gè)有機(jī)的整體，系統(tǒng)能耗是列車、變電所和儲(chǔ)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(jìn)行分析。由于城軌系統(tǒng)中設(shè)置儲(chǔ)能系統(tǒng)后，列車再生制動(dòng)能量可以被儲(chǔ)能系統(tǒng)及時(shí)回收，列車受電弓電壓的飆升將得到有效地抑制，而制動(dòng)電阻的過早投入將導(dǎo)致制動(dòng)能量無法回饋到牽引網(wǎng)。

論文方法及創(chuàng)新點(diǎn)

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

首先，本文通過對(duì)不同的列車運(yùn)行場(chǎng)景建模分析了變電所空載電壓、制動(dòng)電阻啟動(dòng)電壓對(duì)再生制動(dòng)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(gè)復(fù)雜的非線性時(shí)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(biāo)優(yōu)化問題的帕累托最優(yōu)解集。

其中，城軌供電仿真平臺(tái)將多列車運(yùn)行工況、儲(chǔ)能系統(tǒng)模型和牽引供電系統(tǒng)直流潮流進(jìn)行同步解析，求得變電所總能耗，進(jìn)而對(duì)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行評(píng)估。NSGA-Ⅱ通過快速非支配排序?qū)ΨN群進(jìn)行分層，區(qū)分個(gè)體的非劣解水平；然后計(jì)算每個(gè)非支配層中個(gè)體的擁擠度，擁擠度比較算子根據(jù)個(gè)體的非支配層級(jí)和擁擠度選取獲勝個(gè)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(shí)現(xiàn)目標(biāo)函數(shù)的改進(jìn)，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(biāo)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(biāo)，考慮安裝地面式儲(chǔ)能裝置后，對(duì)供電系統(tǒng)參數(shù)與容量配置進(jìn)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(shí)縮短了制動(dòng)能量傳輸距離；而提高制動(dòng)電阻啟動(dòng)電壓將提高制動(dòng)能量傳輸效率。

本文基于實(shí)際地鐵線路對(duì)變電所空載電壓、制動(dòng)電阻啟動(dòng)電壓與儲(chǔ)能系統(tǒng)容量配置進(jìn)行了多目標(biāo)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(chǔ)能系統(tǒng)優(yōu)化，綜合優(yōu)化后在相同儲(chǔ)能系統(tǒng)配置成本下系統(tǒng)總能耗減小，儲(chǔ)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(chǔ)能系統(tǒng)容量配置綜合優(yōu)化