- 頭條車地一體化優化配置，可實現軌道車輛高效經濟運行2019-07-31 作者：韋紹遠、姜久春等 | 來源：《電工技術學報》 | 點擊率：導語目前，國內外還沒有針對軌道車輛車地一體化容量配置問題的研究。為了實現儲能式有軌電車系統的經濟運行，北京交通大學電氣工程學院的研究人員韋紹遠、姜久春等，提出了軌道車輛車地一體化配置模型，分析并推導了包含車載儲能系統全壽命周期和地面能量補給的綜合成本函數；結合儲能系統的安全工作區間和總質量等約束條件，采用基于自然選擇的混合粒子群優化算法對綜合成本函數進行尋優，求解得到了可以實現有軌電車系統經濟運行的優化配置方案。有關研究成果發表于2019年《電工技術學報》第2期，論文題目為“儲能式有軌電車車地一體化配置模型”。
我國在鐵路機車制造業基礎上，通過技術引進、消化吸收、自主創新，在新型供電制式與車載儲能技術等關鍵領域取得突破，形成了目前的新型儲能式軌道車輛。選擇具有長壽命、寬溫度、高倍率等特性的車載儲能系統，不僅響應節能環保的號召，還可以降低系統成本。
目前，儲能技術在電力系統、電動汽車等領域已經開展了許多深入的研究。為了匹配功率和能量的綜合需求，選用功率型和能量型的儲能元件混合使用可以實現它們的特性互補。儲能系統可以很好地平抑電力系統中的負荷波動，對其配置優化主要是基于整組能量與成本之間的權衡，不需要涉及如車載儲能系統中的質量邊界和體積邊界，且對于儲能元件特性也沒有嚴格要求。
針對電動汽車中的混合儲能系統，目前的方法都是基于工況預測、拓撲比較、能量調度等角度進行最優化設計。如采用動態規劃對公交車車載混合儲能系統進行拓撲分析和優化配置，同時考慮能量管理策略以及全壽命周期成本。相比于電動汽車，軌道車輛對儲能系統的功率等級和電壓等級的要求明顯更高，且在此高功率工況下，儲能元件的充放電效率明顯降低，循環壽命急劇縮短，從而直接影響車輛的性能和運行。
近年來，國內外也逐步開展了關于軌道車輛車載儲能系統容量配置的研究。如采用雨流法建立儲能元件的循環壽命模型，推導包含初始成本和運行成本的多目標函數，并利用遺傳算法對此配置模型進行尋優求解，最終得到輕軌車輛車載儲能系統的優化配置。
顯然，電動汽車和儲能式軌道車輛存在著一個共性的問題，即如何尋找一個最優配置以實現車載儲能系統的高能效和低成本。現有的優化模型都是基于在滿足車輛運行能耗需求的條件下追求成本最小的配置方案，這對于實際應用具有一定的指導意義。
然而，由于儲能式軌道車輛運行的規律性、高功率和高能量，使得地面充電站的功率和容量也必須能夠匹配車載儲能系統的充電需求。而且，地面能量補給是保證儲能式軌道車輛系統正常運營的關鍵，是整個儲能系統能量轉換的重要組成。因此，為了實現整個軌道網絡的經濟運行就需要聯合考慮車載儲能系統的容量配置和地面充電站的功率匹配，這也是軌道交通車載儲能優化配置有別于電動汽車的最大特點。
目前，國內外還沒有針對軌道車輛車地一體化容量配置問題的研究。為了實現儲能式有軌電車系統的經濟運行，北京交通大學電氣工程學院的研究人員韋紹遠、姜久春等，提出了軌道車輛車地一體化配置模型，分析并推導了包含車載儲能系統全壽命周期和地面能量補給的綜合成本函數；結合儲能系統的安全工作區間和總質量等約束條件，采用基于自然選擇的混合粒子群優化算法對綜合成本函數進行尋優，求解得到了可以實現有軌電車系統經濟運行的優化配置方案。有關研究成果發表于2019年《電工技術學報》第2期，論文題目為“儲能式有軌電車車地一體化配置模型”。
基于現有運行的純超級電容儲能“站站充”模式，他們從經濟性的角度分析了以超級電容和鋰電池混合的車載儲能系統，以及超級電容系統“站站充”和鋰電池“首末充”的能量補給模式。出于降低地面充電站容量的設計目標，該配置方案采用的模糊控制不僅要合理地分配儲能系統的功率以實現儲能元件的特性互補，更要通過增配的鋰電池系統來調節超級電容系統的放電深度，以減小其對充電站的高功率需求。最后，通過對有軌電車實際運行工況進行算例分析，進一步驗證了所提優化配置模型的有效性和經濟性。
據了解，車載儲能系統回站的SOC主要取決于儲能系統容量和車輛能耗，對于規律運行的軌道車輛，車載儲能系統的容量配置將直接決定能量補給的功率和時間。因此，需要在儲能系統成本和充電站成本中進行權衡才能實現系統的經濟運行。與純超級電容方案相比，混合儲能方案在日均綜合成本上降低了15.6%，對充電站容量的需求降低了68%。
