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  • 頭條城軌交通電池儲(chǔ)能系統(tǒng)能量管理和容量配置優(yōu)化的新方法
    2020-10-15 作者:秦強(qiáng)強(qiáng)、郭婷婷、林飛、楊中平、熊師  |  來(lái)源:《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》  |  點(diǎn)擊率:
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    導(dǎo)語(yǔ)北京交通大學(xué)電氣工程學(xué)院、北京海博創(chuàng)源科技有限公司的研究人員秦強(qiáng)強(qiáng)、郭婷婷、林飛、楊中平、熊師,在2019年《電工技術(shù)學(xué)報(bào)》增刊1上撰文(論文標(biāo)題為“基于能量轉(zhuǎn)移的城軌交通電池儲(chǔ)能系統(tǒng)能量管理和容量配置優(yōu)化”)指出,電池儲(chǔ)能系統(tǒng)用于城軌交通中可有效回收列車(chē)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(duì)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(chǔ)能裝置性能,同時(shí)對(duì)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(duì)城市軌道交通發(fā)展起到越來(lái)越重要的作用。將電池儲(chǔ)能系統(tǒng)安裝于地鐵供電系統(tǒng),可以有效回收列車(chē)再生制動(dòng)能量和抑制直流網(wǎng)電壓波動(dòng)。

    目前,電池儲(chǔ)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(xiàn)、名古屋鐵路、湖西線(xiàn)北陸本線(xiàn)、鹿兒島谷山線(xiàn)、神戶(hù)市西神-山手線(xiàn)、青梅線(xiàn)、東武野田線(xiàn);韓國(guó)地鐵5號(hào)線(xiàn);意大利米蘭地鐵3號(hào)線(xiàn)、羅馬火車(chē)站-機(jī)場(chǎng)線(xiàn);美國(guó)費(fèi)城等。

    近年來(lái),國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)城軌交通電池儲(chǔ)能系統(tǒng)在能量管理和容量配置等方面展開(kāi)了廣泛深入的研究。

    文獻(xiàn)[5-7]研究了地面式電池儲(chǔ)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)致電池過(guò)充或過(guò)放,在儲(chǔ)能系統(tǒng)待機(jī)期間進(jìn)行小電流充/放電,調(diào)整電池荷電狀態(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(huì)加速電池壽命衰減;
    • 考慮電池的壽命,文獻(xiàn)[6]提出動(dòng)態(tài)閾值策略,根據(jù)電池的SOC調(diào)整儲(chǔ)能系統(tǒng)的放電閾值(V-SOC控制),將電池SOC控制在某一范圍;
    • 文獻(xiàn)[7]中,通過(guò)分析電池的充電特性,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)電池SOC調(diào)整電池的最大放電電流,使電池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(chǔ)能系統(tǒng)的節(jié)能效果。

    對(duì)于如何確定電池儲(chǔ)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(wèn)題,也有學(xué)者做了相應(yīng)研究,文獻(xiàn)[8-9]根據(jù)離線(xiàn)測(cè)得的城軌交通變電所的日負(fù)荷曲線(xiàn),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(duì)電池儲(chǔ)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。

    • 一是未能充分考慮電池儲(chǔ)能系統(tǒng)本身的特點(diǎn),與超級(jí)電容等功率型元件不同,鋰電池儲(chǔ)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(zhǎng)供電區(qū)間或發(fā)車(chē)密度較高時(shí)還可以為列車(chē)提供牽引能量,改善供電網(wǎng)電壓跌落明顯的問(wèn)題,降低牽引變電所的設(shè)計(jì)容量。
    • 二是儲(chǔ)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,電池儲(chǔ)能系統(tǒng)最優(yōu)的容量配置方案是不同的,同時(shí)優(yōu)化電池儲(chǔ)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(chē)和電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的城軌交通供電系統(tǒng)仿真平臺(tái),結(jié)合城軌交通負(fù)載特性和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(tái),同時(shí)優(yōu)化電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的能量管理策略控制參數(shù)和容量配置方案。

    城軌交通電池儲(chǔ)能系統(tǒng)能量管理和容量配置優(yōu)化的新方法

    圖1 直流供電系統(tǒng)仿真平臺(tái)

    結(jié)論

    本文首先建立了包含列車(chē)和電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的城軌交通供電系統(tǒng)仿真平臺(tái),綜合考慮城軌交通負(fù)載特性和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。綜合電池實(shí)際運(yùn)行特性,考慮放電深度對(duì)電池使用壽命的影響,建立了電池壽命預(yù)測(cè)模型,用于評(píng)估儲(chǔ)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)化電池儲(chǔ)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(xiàn)路數(shù)據(jù)進(jìn)行了仿真分析,為改善城軌列車(chē)制動(dòng)能量回收和提高供電能力提供了支持。

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