本发明属于城市轨道交通再生制动能量回收领域，尤其涉及一种城市轨道交通再生制动能量回收装置的配置系统及方法。
背景技术：
地铁运营成本中地铁电能消耗占很大部分。城市轨道交通车辆普遍采用“再生制动+电阻制动+机械制动”的制动方式，再生制动将列车动能转换成电能反馈至供电网，部分再生制动的能量可以被线路上相邻车辆吸收。如再生能量不能被临车吸收，再生能量将被电阻吸收或切换为空气制动，制动能量将被白白浪费，同时还会带来隧道温升和粉尘污染等问题。为了提高列车再生制动利用率，减少运营电能消耗，降低运营成本，同时减少大气污染，一般采用在城市轨道交通系统中配置再生制动能量回收装置的方式回收利用制动能量。目前主流的再生能量回收方式分为能馈型和储能型两大类。
能馈型再生能量回收装置利用逆变器将直流供电网中多余的再生制动能量逆变成交流电，并通过能馈变压器反馈交流中压网络，供同一中压电网下其他负载应用，达到节能的目的，储能型再生能量回收方式，将储能介质通过开关设备和双向dc/dc变换器与变电所直流母线相连，在列车制动时吸收再生制动能量并在列车牵引时放出，其采用超级电容作为储能介质的吸收方式应用较为成熟。
地铁列车再生制动给地铁直流供电系统带来了极大的不稳定性，传统储能型和能馈型再生能量回收装置替代制动电阻，分别利用不同的方法，吸收由再生制动引起的供给与消耗不平衡功率(能量)，维持直流供电系统稳定。储能方式将不平衡能量存储起来留在了直流系统中，而能馈方式则将这部分能量反馈回中压环网，通过环网提供给其他负荷。这两种方式均有其优势，也存在着不足。能馈装置有容量大、占地空间小等优点。加入能馈装置后直流供电系统与交流中压环网之间的能量实现双向流动，加剧了系统能量流动的复杂性。由于中压环网负荷仍存在波动，在实际应用中，仍存在着向更高电压等级电力系统返送电的问题，同时由于中压环网与直流供电网存在多处连通，能馈装置工作时还存在环流问题。而储能方式有着接口简单不与交流电网发生关系，并有抑制网压跌落的效果，但由于能量吸收受到储能介质容量的制约，配置足够多的储能容量会大幅度提高设备体积与成本，降低设备的经济性，且，如果再生能量回收装置的容量配置过小，则在列车大功率制动时不能有效的吸收再生能量，造成制动电阻消耗增多，不利于长期节能；如果再生能量回收装置的容量配置过大，则增加了设备购置成本，造成装置容量闲置浪费。
目前，全国有超过20条地铁线路安装了再生制动能量回收装置，主要集中在北京、重庆、郑州、长沙、成都等地，但大部分线路都是在某一个或某几个牵引所内安装了再生能量回收装置，安装的目的只是单纯的能回收多少能量就回收多少未对装置的配置进行科学合理的计算。目前针对整条地铁线路的再生制动能量回收装置的计算配置尚没有科学系统的计算方法。
鉴于此，有必要提供一种能够合理配置城市轨道交通再生制动能量回收装置的城市轨道交通再生制动能量回收装置的配置系统及方法。
技术实现要素：
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种能够合理配置城市轨道交通再生制动能量回收装置的城市轨道交通再生制动能量回收装置的配置方法。
为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种城市轨道交通再生制动能量回收装置的配置方法，所述城市轨道交通再生制动能量回收装置的配置方法依次包括以下步骤：
步骤s1:首先进行列车牵引仿真计算，根据列车牵引仿真计算结果进一步进行列车供电仿真计算，求出牵引变电所n的再生制动功率sn(t)，然后根据牵引变电所n的再生制动功率sn(t)计算出牵引变电所n预设的再生制动能量回收装置的初步配置容量pn，其中n∈{1，2，3，…，n},n为总的牵引变电所个数；
步骤s2:依据再生制动能量回收装置的初步配置容量pn结合现有再生制动能量回收装置的规格及当再生制动能量回收装置在失效情况下，相邻再生制动能量回收装置能够充分吸收该失效的所述再生制动能量回收装置所要吸收的再生制动能量对所述再生制动能量回收装置进行容量优化配置，求得所述牵引变电所n所对应的所述再生制动能量回收装置的优化配置容量qn；
步骤s3:依据再生制动能量回收装置的优化配置容量qn大小对所述再生制动能量回收装置的安装总数m进行配置；
步骤s4:依据优化配置容量qn大小和所述再生制动能量回收装置的安装总数m及所述再生制动能量回收装置的位置进一步对所述牵引变电所n的所述再生制动能量回收装置的类型进行配置。
作为优选，所述步骤s1包括以下步骤：
步骤s11:列车牵引仿真计算：牵引仿真计算模块的牵引仿真算法通过车辆信息参数、动力性能参数、阻力参数、牵引特性及电制动特性参数可求得牵引能耗-速度曲线及再生能量-速度曲线；
步骤s12:列车供电仿真计算：供电仿真计算模块的供电仿真算法通过牵引仿真计算模块计算求得的牵引能耗-速度曲线及再生能量-速度曲线结合供电线路阻抗参数、牵引所位置参数和容量及发车对数可求得所述牵引变电所n的再生制动功率sn(t)；
步骤s13:再生制动能量回收装置容量初步配置计算：通过求得的所述牵引变电所n的再生制动功率sn(t)对所述牵引变电所n的所述再生制动能量回收装置的容量进行初步配置。
作为优选，所述步骤s13包括以下步骤：
步骤s131:根据列车供电仿真计算求得的所述牵引变电所n的再生制动功率sn(t)可得不同发车间隔x下所对应的再生制动功率snx(t)，其中，x∈{1，2，3，…，x}，x表示发车间隔个数，发车间隔x与地铁运行计划有关；
步骤s132:根据不同发车间隔x下的再生制动功率snx(t)求所述牵引变电所n对应发车间隔x下不同连续时间t内再生制动功率的有效值集合snx，其中t与列车最高运行有关；
步骤s133:根据有效值集合snx求得对应发车间隔x下不同连续时间t内的最大再生制动功率有效值pnx；
步骤s134:求所述牵引变电所n对应的所述再生制动能量回收装置的初步配置容量pn，其中，pn＝max{pn1,pn2,...,pnx,...,pnx}。
作为优选，所述步骤s2包括以下步骤：
步骤s21:根据所述再生制动能量回收装置的初步配置容量pn结合现有再生制动能量回收装置的规格折算出实际配置容量zn；
步骤s22:判断当再生制动能量回收装置在失效情况下，相邻再生制动能量回收装置是否能够完全吸收该失效的所述再生制动能量回收装置所要吸收的再生制动能量，若能够完全吸收，则相邻所述再生制动能量回收装置的实际配置容量zn即为优化配置容量qn；若不能完全吸收，则相邻所述再生制动能量回收装置增加整倍数的再生制动能量回收装置的容量单元值求得优化配置容量qn。
作为优选，所述步骤s22包括以下步骤：
步骤s221：根据步骤s13求出该失效的所述再生制动能量回收装置所对应的初步配置容量pn、发车间隔x及对应发车间隔x下不同连续时间t内的最大再生制动功率有效值pnx，同时求出相邻所述再生制动能量回收装置对应发车间隔x下不同连续时间t内的最大再生制动功率有效值p(n-1)x和p(n+1)x；
步骤s222：判断zn-1+zn+1≥p(n-1)x+pnx+p(n+1)x是否成立，若成立，则相邻牵引变电所n-1及牵引变电所n+1的实际容量配置zn-1和zn+1保持不变，若不成立，则执行步骤s223；
步骤s223：判断所述牵引变电所n分别与相邻所述牵引变电所n-1及所述牵引变电所n+1的距离ln(n-1)和ln(n+1)的大小，若ln(n-1)≥ln(n+1)，则所述牵引变电所n+1的实际容量配置zn+1增加整倍数的再生制动能量回收装置的容量单元值进而求得优化配置容量qn+1，所述牵引变电所n-1的优化配置容量qn-1即为实际容量配置zn-1；若ln(n-1)≤ln(n+1)，则所述牵引变电所n-1的实际容量配置zn-1增加整倍数的再生制动能量回收装置的容量单元值进而求得优化配置容量qn-1，所述牵引变电所n+1的优化配置容量qn+1即为实际容量配置zn+1。
作为优选，所述步骤s3包括以下步骤：
步骤s31：判断所述牵引变电所n所对应的所述再生制动能量回收装置的优化配置容量qn是否小于两倍的再生制动能量回收装置的容量单元值，若是，则该牵引变电所n取消安装所述再生制动能量回收装置；若否，则该牵引变电所n按照优化配置容量qn安装所述再生制动能量回收装置；
步骤s32：根据步骤s31的判断结果求出实际的再生制动能量回收装置的安装总数m和实际的再生制动能量回收装置总配置容量
作为优选，所述步骤s4包括以下步骤：
步骤s41：根据步骤s32的计算结果求出所述再生制动能量回收装置的平均容量
步骤s42:判断所述牵引变电所n是否与主变电所相邻，若是，则所述牵引变电所n所对应的所述再生制动能量回收装置配置为储能单元，若否，则执行步骤s43；
步骤s43：判断所述牵引变电所n的再生制动能量回收装置的优化配置容量qn是否小于平均容量e，若是，则所述牵引变电所n的再生制动能量回收装置配置为储能单元；若否，则所述牵引变电所n的再生制动能量回收装置配置为能馈单元。
作为优选，所述车辆信息参数包括车辆型式、编组及载荷，所述动力性能参数包括车辆的加速度和减速度，所述阻力参数包括启动阻力和基本阻力，所述牵引特性参数包括牵引力，所述电制动特性参数包括电制动力。
作为优选，所述步骤22中相邻再生制动能量回收装置增加一倍的容量单元值。
一种城市轨道交通再生制动能量回收装置的配置系统，所述配置系统使用上述的配置方法：
该配置系统包括初步配置单元、容量优化配置单元、安装总数配置单元以及类型配置单元；
所述初步配置单元用以进行列车牵引仿真计算，根据列车牵引仿真计算结果进一步进行列车供电仿真计算，求出牵引变电所n的再生制动功率sn(t)，然后根据牵引变电所n的再生制动功率sn(t)计算出牵引变电所n预设的再生制动能量回收装置的初步配置容量pn，其中n∈{1，2，3，…，n},n为总的牵引变电所个数；所述容量优化配置单元用以依据再生制动能量回收装置的初步配置容量pn结合现有再生制动能量回收装置的规格及当再生制动能量回收装置在失效情况下，相邻再生制动能量回收装置能够充分吸收该失效的所述再生制动能量回收装置所要吸收的再生制动能量对所述再生制动能量回收装置进行容量优化配置，求得所述牵引变电所n所对应的所述再生制动能量回收装置的优化配置容量qn；
所述安装总数配置单元用以依据再生制动能量回收装置的优化配置容量qn大小对所述再生制动能量回收装置的安装总数m进行配置；
所述类型配置单元用以依据优化配置容量qn大小和所述再生制动能量回收装置的安装总数m及所述再生制动能量回收装置的位置进一步对所述牵引变电所n的所述再生制动能量回收装置的类型进行配置。
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：
1、本发明的城市轨道交通再生制动能量回收装置的配置方法通过对牵引变电所的再生制动能量回收装置的容量及数量的合理配置，使得列车在制动过程中的再生制动能量可以被充分吸收，极大的减少了制动电阻的能量消耗，实现了较好的节能效果同时避免了再生制动能量回收装置的闲置浪费减少了设备的购置成本，通过对再生制动能量回收装置类型的合理配置可以避免单一再生制动能量回收装置的不足。
2、本发明的城市轨道交通再生制动能量回收装置的配置方法通过对列车的牵引计算分析和供电计算分析，结合列车线路条件、行车计划等因素在全线路上合理配置再生制动能量回收装置，并充分考虑了相邻再生制动能量回收装置的容量吸收情况，某套装置失效因素的影响，对再生制动能量回收装置的容量进行进一步优化配置，建立一套城市轨道交通全线再生能量回收装置的容量配置及优化体系，实现更优的再生制动能量回收效果。
附图说明
图1为本发明城市轨道交通再生制动能量回收装置的配置流程图；
图2为本发明所述城市轨道交通再生制动能量回收装置容量初步配置流程图；
图3为图2中步骤s13的流程图；
图4为本发明所述城市轨道交通再生制动能量回收装置容量优化配置流程图；
图5为本发明所述城市轨道交通再生制动能量回收装置数量及类型配置流程图。
具体实施方式
下面，通过示例性的实施方式对本发明进行具体描述。然而应当理解，在没有进一步叙述的情况下，一个实施方式中的元件、结构和特征也可以有益地结合到其他实施方式中。
如图1所示，本发明提出一种城市轨道交通再生制动能量回收装置的配置方法，所述城市轨道交通再生制动能量回收装置的配置方法依次包括以下步骤：
步骤s1:首先进行列车牵引仿真计算，根据列车牵引仿真计算结果进一步进行列车供电仿真计算，求出牵引变电所n的再生制动功率sn(t)，然后根据牵引变电所n的再生制动功率sn(t)计算出牵引变电所n预设的再生制动能量回收装置的初步配置容量pn，其中n∈{1，2，3，…，n},n为总的牵引变电所个数；
步骤s2:依据再生制动能量回收装置的初步配置容量pn结合现有再生制动能量回收装置的规格及当再生制动能量回收装置在失效情况下，相邻再生制动能量回收装置能够充分吸收该失效的所述再生制动能量回收装置所要吸收的再生制动能量对所述再生制动能量回收装置进行容量优化配置，求得所述牵引变电所n所对应的所述再生制动能量回收装置的优化配置容量qn；
步骤s3:依据再生制动能量回收装置的优化配置容量qn大小对所述再生制动能量回收装置的安装总数m进行配置；
步骤s4:依据优化配置容量qn大小和所述再生制动能量回收装置的安装总数m及所述再生制动能量回收装置的位置进一步对所述牵引变电所n的所述再生制动能量回收装置的类型进行配置。
其中，优选地，每个所述牵引变电所内安装一套所述再生制动能量回收装置，本发明的所述城市轨道交通再生制动能量回收装置的配置方法通过对所述牵引变电所的所述再生制动能量回收装置的容量及数量的合理配置，使得列车在制动过程中的再生制动能量可以被充分吸收，极大的减少了制动电阻的能量消耗，实现了较好的节能效果同时避免了所述再生制动能量回收装置的闲置浪费减少了设备的购置成本，通过对所述再生制动能量回收装置的类型的合理配置可以避免单一所述再生制动能量回收装置存在的不足。
如图2所示，所述步骤s1包括以下步骤：
步骤s11:列车牵引仿真计算：牵引仿真计算模块的牵引仿真算法通过车辆信息参数、动力性能参数、阻力参数、牵引特性及电制动特性参数可求得包括牵引能耗-速度曲线、再生制动能量-速度曲线、速度-运行时间曲线及再生制动能量-速度曲线等特性曲线；其中所述车辆信息参数包括车辆型式、编组及载荷；所述动力性能参数包括车辆的加速度和减速度；所述阻力参数包括启动阻力和基本阻力；所述牵引特性参数包括牵引力；所述电制动特性参数包括电制动力。
步骤s12:列车供电仿真计算：供电仿真计算模块的供电仿真算法优选通过牵引仿真计算模块计算求得的所述牵引能耗-速度曲线及所述再生制动能量-速度曲线结合供电线路阻抗参数、牵引所位置参数和容量及发车对数等参数可求得所述牵引变电所n的再生制动功率sn(t)；
步骤s13:再生制动能量回收装置容量初步配置计算：通过求得的所述牵引变电所n的所述再生制动功率sn(t)对所述牵引变电所n的所述再生制动能量回收装置的容量进行初步配置。
如图3所示，所述步骤s13包括以下步骤：
步骤s131:根据列车供电仿真计算求得的各所述牵引变电所的再生制动功率sn(t)可得不同发车间隔x下所对应的再生制动功率snx(t)，其中，x∈{1，2，3，…，x}，x表示发车间隔个数，发车间隔x与地铁运行计划有关；
步骤s132:根据不同发车间隔x下的所述再生制动功率snx(t)求所述牵引变电所n对应发车间隔x下不同连续时间t内再生制动功率的有效值集合stnx，其中t与列车最高运行有关；
其中，在发车间隔x下，所述牵引变电所n在连续时间t内再生制动功率的有效值为：
式中，连续时间t与列车的最高运行速度有关，一般为15～35s，因此形成所述牵引变电所n对应发车间隔x下不同连续时间t内再生制动功率的有效值集合stnx。
步骤s133:根据所述有效值集合stnx求得对应发车间隔x下不同连续时间t内的最大再生制动功率有效值pnx；
步骤s134:求所述牵引变电所n对应的所述再生制动能量回收装置的初步配置容量pn，其中，pn＝max{pn1,pn2,...,pnx,...,pnx}。
在所述再生能量回收装置容量初步配置中，考虑了发车间隔x的影响，发车间隔x的不同直接影响整条线路上的再生制动能量分布情况；考虑了连续时间t内的所述再生制动功率有效值snx，t的选择依据实际列车最高车速，直接影响单车制动过程的再生制动能量的多少。对发车间隔x和连续时间t的考虑保证了所述再生能量回收装置容量配置的实际可行性和科学性。
如图4所示，所述步骤s2包括以下步骤：
步骤s21:根据所述再生制动能量回收装置的初步配置容量pn结合现有再生制动能量回收装置的规格折算出实际配置容量zn；
基于实际生产制造和行业标准，现有所述再生制动能量回收装置的容量单元值一般为500kw，单套所述再生制动能量回收装置容量一般为0.5mw/1mw/1.5mw/2mw/2.5mw/3mw/3.5mw/4mw，容量折算原则遵循就近舍入原则，例如初步配置容量为2.665mw，则折算为2.5mw，如初步配置容量为2.825mw，则折算为3mw。
步骤s22:判断当再生制动能量回收装置在失效情况下，相邻再生制动能量回收装置是否能够完全吸收该失效的所述再生制动能量回收装置所要吸收的再生制动能量，若能够完全吸收，则相邻所述再生制动能量回收装置的实际配置容量zn即为优化配置容量qn；若不能完全吸收，则相邻所述再生制动能量回收装置增加整倍数的再生制动能量回收装置的容量单元值求得优化配置容量qn。
继续参见图4，所述步骤s22包括以下步骤：
步骤s221：根据步骤s13求出该失效的所述再生制动能量回收装置所对应的初步配置容量pn、发车间隔x及对应发车间隔x下不同连续时间t内的最大再生制动功率有效值pnx，同时求出相邻所述再生制动能量回收装置对应发车间隔x下不同连续时间t内的最大再生制动功率有效值p(n-1)x和p(n+1)x；
步骤s222：判断zn-1+zn+1≥p(n-1)x+pnx+p(n+1)x是否成立，若成立，则相邻牵引变电所n-1及牵引变电所n+1的实际容量配置zn-1和zn+1保持不变，若不成立，则执行步骤s223；
步骤s223：判断所述牵引变电所n分别与所述相邻牵引变电所n-1及所述牵引变电所n+1的距离ln(n-1)和ln(n+1)的大小，若ln(n-1)≥ln(n+1)，则所述牵引变电所n+1的实际容量配置zn+1增加整倍数的再生制动能量回收装置的容量单元值进而求得优化配置容量qn+1，所述牵引变电所n-1的优化配置容量qn-1即为实际容量配置zn-1；若ln(n-1)≤ln(n+1)，则所述牵引变电所n-1的实际容量配置zn-1增加整倍数的再生制动能量回收装置的容量单元值进而求得优化配置容量qn-1，所述牵引变电所n+1的优化配置容量qn+1即为实际容量配置zn+1，优选地，相邻所述再生制动能量回收装置增加0.5mw，对折算容量进行微调，如果太大会造成装置容量的闲置浪费。
在再生能量回收装置容量优化配置中，考虑了所述再生制动能量回收装置实际运行的突发失效情况，对相邻所述再生制动能量回收装置分担该失效再生制动能量回收装置功率的能力进行核算，对分担能力不足的相邻所述再生制动能量回收装置适当增加容量，选择相邻再生制动能量回收装置中距离失效的所述再生制动能量回收装置装置距离最近的再生制动能量回收装置增加容量，保证了对失效装置功率的最大能力分担。同时增加的容量选择0.5mw充分考虑了实际工程经验和成本，实现较好的再生制动能量回收的效果。
如图5所示，所述步骤s3包括以下步骤：
步骤s31：判断所述牵引变电所n所对应的所述再生制动能量回收装置的优化配置容量qn是否小于两倍的再生制动能量回收装置的容量单元值(即优选为1mw)，若是，则该牵引变电所n取消安装再生制动能量回收装置；若否，则该牵引变电所n按照优化配置容量qn安装再生制动能量回收装置；
步骤s32：根据步骤s31的判断结果求出实际的所述再生制动能量回收装置的安装总数m和实际的所述再生制动能量回收装置总配置容量
参见图5，所述步骤s4包括以下步骤：
步骤s41：根据步骤s32的计算结果求出所述再生制动能量回收装置的平均容量
步骤s42:判断所述牵引变电所n是否与主变电所相邻，若是，则所述牵引变电所n所对应的所述再生制动能量回收装置配置为储能单元，若否，则执行步骤s43；
步骤s43：判断所述牵引变电所n的所述再生制动能量回收装置的优化配置容量qn是否小于平均容量e，若是，则所述牵引变电所n的所述再生制动能量回收装置配置为储能单元；若否，则所述牵引变电所n的所述再生制动能量回收装置配置为能馈单元。
通过对所述再生制动能量回收装置类型的合理配置可以避免单一再生制动能量回收装置的不足。
一种城市轨道交通再生制动能量回收装置的配置系统，所述配置系统使用上述的配置方法：
该配置系统包括初步配置单元、容量优化配置单元、安装总数配置单元以及类型配置单元，所述初步配置单元包括用以进行牵引仿真计算的牵引仿真计算模块及用以进行列车供电仿真计算的列车供电仿真模块；
所述初步配置单元用以进行列车牵引仿真计算，根据列车牵引仿真计算结果进一步进行列车供电仿真计算，求出牵引变电所n的再生制动功率sn(t)，然后根据牵引变电所n的再生制动功率sn(t)计算出牵引变电所n预设的再生制动能量回收装置的初步配置容量pn，其中n∈{1，2，3，…，n},n为总的牵引变电所个数；所述容量优化配置单元用以依据再生制动能量回收装置的初步配置容量pn结合现有再生制动能量回收装置的规格及当再生制动能量回收装置在失效情况下，相邻再生制动能量回收装置能够充分吸收该失效的所述再生制动能量回收装置所要吸收的再生制动能量对所述再生制动能量回收装置进行容量优化配置，求得所述牵引变电所n所对应的所述再生制动能量回收装置的优化配置容量qn；
所述安装总数配置单元用以依据再生制动能量回收装置的优化配置容量qn大小对所述再生制动能量回收装置的安装总数m进行配置；
所述类型配置单元用以依据优化配置容量qn大小和所述再生制动能量回收装置的安装总数m及所述再生制动能量回收装置的位置进一步对所述牵引变电所n的所述再生制动能量回收装置的类型进行配置。