混合式再生制动能量利用装置的城轨供电系统配置方法与流程

1.本发明属于城市轨道牵引供电系统领域，具体涉及一种混合式再生制动能量利用装置的城轨供电系统配置方法。


背景技术：

2.随着经济的快速发展，我国城市化建设的规模日益扩大，城市轨道交通正处于快速发展阶段。城市轨道交通发车密度大、站间距较短，列车因频繁启动、制动而产生大量的制动能量。目前，城市轨道交通内的电力机车均具有再生制动功能。大力发展城市轨道牵引供电系统节能问题的研究并采取相关措施可以有效减少城市用电量，从而实现节能减排，具有经济、社会效益。
3.国内外学者提出了包括储能型和逆变回馈型在内的地面再生制动能量利用装置，并在实际城市轨道交通牵引供电系统中进行了应用。目前，人们对线路中再生制动能量利用装置的研究大多着眼于其中一种特定的装置。由于两种地面再生制动能量利用装置的特点不同，如果能有效协同储能型与逆变回馈型再生制动能量利用装置，在线路沿线合理设置，不但可以解决剩余过多再生制动能量的问题，而且可以产生良好的经济效益。因此，研究如何通过混合式地面再生制动能量利用装置吸收利用列车的再生制动能量、稳定牵引网压、节约能源从而保障城市轨道交通的安全、节能地运营是十分有必要的。


技术实现要素：

4.为解决上述问题，本发明提供了一种混合式再生制动能量利用装置的城轨供电系统配置方法。
5.本发明的混合式再生制动能量利用装置的城轨供电系统配置方法，包括以下步骤：
6.步骤1：对含混合式地面再生制动能量利用装置的城轨供电系统系统建模。
7.步骤2：对城轨供电系统中混合式地面再生制动能量利用装置进行配置，建立直流侧节点电导矩阵与交流侧导纳矩阵。模拟实际列车运行工况进行牵引计算，并进行城轨供电计算。
8.步骤3：根据潮流计算校核该配置方案是否满足各项约束条件，并计算该配置下城轨供电系统中混合式地面再生制动能量利用装置的投资成本与系统能耗。
9.步骤4：以城轨供电系统的成本最小与能耗最小为优化目标，利用nsga
‑ⅱ
算法求得城轨供电系统中最优的混合式地面再生制动能量利用装置的配置方案。
10.步骤1具体为：对城轨牵引供电系统的直流侧与交流侧中压网络进行建模，考虑牵引变电所、牵引网以及列车等部分；牵引变电所采用24脉波整流机组，利用戴维南等效电路将其建模为理想电压源串联电阻的形式；列车采用功率源进行建模，牵引时其值为正，制动为负；牵引网包括馈线、上下行接触网和上下行钢轨，为简化直流侧节点电导矩阵，将其建模为“接触网
‑
钢轨
‑
地”的三层模型。
11.步骤2具体为：
12.(1)输入相关仿真参数，根据行车计划，由牵引计算得到列车的位置
‑
时间关系、取流
‑
时间关系信息。
13.(2)根据城市轨道交直流供电系统的拓扑结构建立直流侧电导矩阵g，交流侧导纳矩阵y，并设置潮流计算的迭代次数k、收敛精度ε；设置地面再生制动能量利用装置相关参数；直流侧节点包括牵引变电所直流侧节点与列车节点，牵引变电所有整流机组整流、储能装置充电、储能装置放电、逆变回馈装置工作以及装置均关断五种工作状态；列车的初始电流由第(1)步中的牵引计算得到；交流侧节点包括中心变电所、降压所和牵引变电所交流侧节点。
14.(3)初始化各牵引变电所的状态为整流状态，初始化直流侧与交流侧参数。
15.(4)根据牵引变电所状态更新直流侧电压u
d
、电流i
d
参数。
16.(5)根据g、u
d
、i
d
进行直流侧潮流计算，直至直流侧电压收敛。
17.(6)更新牵引变电所状态，若状态不合理，转至步骤(5)，否则继续。
18.(7)根据y及直流侧的收敛结果进行交流侧潮流计算，直至交流侧电压收敛。
19.(8)判断是否达到设置的仿真时间，若未达到，转至步骤(4)，否则仿真计算结束。
20.步骤3具体为：
21.以降低系统中再生制动能量利用装置成本和系统能耗为目标，优化目标函数为：
[0022][0023]
式中，f(x)为优化目标，f1(x)为系统中再生制动能量利用装置的成本，f2(x)为系统全日能耗，x为优化变量，ω为可行域。
[0024]
x＝[s1,s2,
…
,s
m
,a1,a2,
…
,a
m
,b1,b2,
…
,b
m
]
ꢀꢀ
(2)
[0025]
式中，s
i
为第i座牵引变电所中地面再生制动能量利用装置的安装容量mva，其取值为等差的离散变量，即s
i
＝[0,0.5,1,
…
]，s
i
＝0代表该牵引变电所不安装再生制动能量利用装置；a
i
、b
i
分别代表第i个牵引变电所中逆变回馈装置与储能装置的配置变量。
[0026][0027]
每个牵引变电所不安装或仅安装一种再生制动能量利用装置，故对牵引变电所中的装置数量进行如下约束：
[0028][0029]
式中，m为线路中牵引变电所的数量。
[0030]
系统中再生制动能量利用装置成本f1为：
[0031][0032]
式中，c
efs
、c
ess
分别为逆变回馈装置、储能装置的成本；c
efs,i
(s
i
)、c
ess,i
(s
i
)分别为
第i个牵引变电所中逆变回馈装置与储能装置的成本，其大小受s
i
影响；其中，再生制动能量利用装置成本f1的计算方式为：
[0033]
c＝c0+p
×
s
i
ꢀꢀ
(6)
[0034]
式中，c0为基本元件成本，p是装置每mva的元件成本；逆变回馈装置与储能装置成本的计算方式相同，但c0与p的取值不同。
[0035]
系统全日能耗f2为：
[0036][0037]
式中，p(t)为地铁主变电所在时刻t从电力系统获取的有功功率总和；p
j
(t)为第j个主变电所在时刻t从电力系统获取的有功功率；n为主变电所数量；t
d
为列车每日的持续运营时间。
[0038]
地面再生制动能量利用装置的工作特性约束包括逆变回馈装置的工作电流、工作电压约束、逆变回馈装置启动电压的取值范围约束、储能装置的工作电流约束以及储能装置的荷电状态约束，约束条件如下所示：
[0039][0040]
式中，i
defs,i
、u
defs,i
、u
efs,i
、i
dess,i
、soc
ess,i
分别代表第i个牵引变电所中逆变回馈装置的直流侧电流、直流侧电压、启动电压、储能装置的直流侧电流、荷电状态；i
max
、u
max
、i
ess,max
分别代表逆变回馈装置的最大允许工作电流、最大允许工作电压，储能装置的最大允许工作电流；u
efs,min
、u
efs,max
分别代表逆变回馈装置启动电压的下限值、上限值；soc
ess,min
、soc
ees,max
分别为储能装置允许的最小、最大soc。
[0041]
为保证供电系统安全可靠平稳地运行和潮流计算结果的有效性，直流牵引网压及钢轨电位应满足相应的约束条件，潮流计算结果应满足收敛条件，故有
[0042][0043]
式中，u
d
代表直流侧牵引网电压；u
d,min
、u
d,max
分别代表直流牵引网电压波动的下限值、上限值；u
r
代表钢轨电位；p
si
、q
si
、p
si’、q
si’分别代表第i个牵引变电所根据潮流方程计算与该次迭代中交流侧的有功功率、无功功率；k为潮流计算的迭代次数；ε代表潮流计算的收敛精度。
[0044]
步骤4具体为：
[0045]
(1)输入nsga
‑ⅱ
算法的种群数量z、最大迭代次数g、交叉概率以及变异概率等参数，输入i
efs,max
、u
efs,max
、i
ess,max
、u
min
、u
max
、soc
min
、soc
max
城市轨道牵引供电系统的地面再生制动能量利用装置的装置约束条件，输入u
d,min
、u
d,max
城市轨道牵引供电系统的运行约束条
件。
[0046]
(2)遍历供电系统线路的m个牵引变电所，初始化混合式地面再生制动能量利用装置的配置方案的父代种群，包括装置的安装容量与配置变量z组，计算目标函数f1；进行城轨供电计算，根据仿真结果计算目标函数f2。
[0047]
(3)根据个体之间的支配关系对z组种群进行快速非支配排序，经过选择、交叉、变异生成第一代子种群，计算目标函数f1；进行城轨供电计算，根据仿真结果计算目标函数f2。
[0048]
(4)得到父、子代种群，经过快速非支配排序以及种群个体拥挤度的计算，选取合适个体进入下一代，得到新父代种群。
[0049]
(5)判断迭代次数是否达到g，若没有，转到步骤(4)，否则继续。
[0050]
(6)求解结束，输出最优解集。
[0051]
本发明与现有技术相比的有益技术效果为：
[0052]
1)本发明所提方法考虑了城轨供电系统中逆变回馈装置与储能装置在实际应用时各自的优缺点，结合各装置优点，在线路中同时配置两种装置，减少供电系统中装置的成本与系统的能耗，改善系统的节能效果，为城轨供电系统中混合式地面再生制动能量利用装置的配置提供参考。
[0053]
2)利用本发明建立的城轨供电算法及优化模型，可以求解城轨供电系统中不同再生制动能量利用装置配置方案下的系统能耗，为城轨供电系统的实施提供理论支持。
附图说明
[0054]
图1为本发明方法的流程图。
[0055]
图2为本发明所述城轨供电计算算法流程。
[0056]
图3为本发明所述城轨供电系统配置方法优化求解流程。
具体实施方式
[0057]
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。
[0058]
本发明的混合式再生制动能量利用装置的城轨供电系统配置方法流程图如图1所示，包括以下步骤：
[0059]
步骤1：对含混合式地面再生制动能量利用装置的城轨供电系统系统建模。
[0060]
对城市轨道牵引供电系统的直流侧与交流侧中压网络进行建模，主要考虑牵引变电所、牵引网以及列车等部分。
[0061]
牵引变电所采用24脉波整流机组，利用戴维南等效电路将其建模为理想电压源串联电阻的形式。此外，牵引变电所中还装有地面再生制动能量利用装置。当牵引变电所中安装地面式储能装置时，储能装置有关断、充电和放电三种状态。其中，充电与放电过程分别存在恒压与恒功率两种工作状态：牵引网压未达到储能装置充放电阈值时，装置关断；当线路中有列车制动时，制动能量抬升牵引网压，当牵引网电压高于充电阈值时，储能装置进入恒压充电模式，并维持牵引网压与充电阈值相等，充电电流不断变化从而维持牵引网压的稳定，故此时可将储能装置等效为恒电压源。随着列车再生制动能量的增加，储能装置的充电电流不断增大，充电功率随之增加，当功率达到其额定功率时，储能装置进入恒功率充电模式，此时储能装置以额定功率工作，故此时储能装置等效为恒功率源。储能装置放电过程
的模型与充电模型类似，同样分别等效为电压源与功率源。
[0062]
当牵引变电所中安装逆变回馈装置时，逆变回馈装置有关断和工作两种状态，其工作过程分为恒压与恒功率两种状态：牵引网压未达到逆变回馈装置启动电压时，装置关断；当电力机车制动造成牵引网电压升高并达到装置启动电压时，逆变回馈装置进入恒压运行状态，吸收直流侧剩余再生制动能量并稳定牵引网网压，电流发生变化，故此时的逆变回馈装置可等效为恒电压源；当再生制动能量持续增多，装置运行功率达到其额定功率，逆变回馈装置进入恒功率运行状态，此工作状态下的逆变回馈装置等效为恒功率源。
[0063]
列车采用功率源进行建模，牵引时其值为正，制动为负。供电计算的过程中，列车每秒功率恒定，列车取流大小根据当前时刻的牵引网电压求得。
[0064]
牵引网包括馈线、上下行接触网、上下行钢轨等，为简化直流侧节点电导矩阵，将其建模为“接触网
‑
钢轨
‑
地”的三层模型。
[0065]
步骤2：对城轨供电系统中混合式地面再生制动能量利用装置进行配置，建立直流侧节点电导矩阵与交流侧导纳矩阵，模拟实际列车运行工况进行牵引计算，并进行城轨供电计算。参照图2所示，具体为：
[0066]
(1)输入相关仿真参数，根据行车计划，由牵引计算得到列车的位置
‑
时间关系、取流
‑
时间关系信息。
[0067]
(2)根据城市轨道交直流供电系统的拓扑结构建立直流侧电导矩阵g，交流侧导纳矩阵y，并设置潮流计算的迭代次数k、收敛精度ε等；设置地面再生制动能量利用装置相关参数；直流侧节点包括牵引变电所直流侧节点与列车节点，牵引变电所有整流机组整流、储能装置充电、储能装置放电、逆变回馈装置工作以及装置均关断五种工作状态；列车的初始电流由第(1)步中的牵引计算得到；交流侧节点包括中心变电所、降压所和牵引变电所交流侧节点；。
[0068]
(3)初始化各牵引变电所的状态为整流状态，初始化直流侧与交流侧参数。
[0069]
(4)根据牵引变电所状态更新直流侧电压u
d
、电流i
d
参数。
[0070]
(5)根据g、u
d
、i
d
进行直流侧潮流计算，直至直流侧电压收敛。
[0071]
(6)更新牵引变电所状态，若状态不合理，转至步骤(5)，否则继续。
[0072]
(7)根据y及直流侧的收敛结果进行交流侧潮流计算，直至交流侧电压收敛。
[0073]
(8)判断是否达到设置的仿真时间，若未达到，转至步骤(4)，否则仿真计算结束。
[0074]
步骤3：根据潮流计算校核该配置方案是否满足各项约束条件，并计算该配置下城轨供电系统中混合式地面再生制动能量利用装置的投资成本与系统能耗。
[0075]
以降低系统中再生制动能量利用装置成本和系统能耗为目标，优化目标函数为：
[0076][0077]
式中，f(x)为优化目标，f1(x)为系统中再生制动能量利用装置的成本，f2(x)为系统全日能耗，x为优化变量，ω为可行域。
[0078]
x＝[s1,s2,
…
,s
m
,a1,a2,
…
,a
m
,b1,b2,
…
,b
m
]
ꢀꢀ
(11)
[0079]
式中，s
i
为第i座牵引变电所中地面再生制动能量利用装置的安装容量mva，其取值为等差的离散变量，即s
i
＝[0,0.5,1,...]，s
i
＝0代表该牵引变电所不安装再生制动能量利用装置；a
i
、b
i
分别代表第i个牵引变电所中逆变回馈装置与储能装置的配置变量。
[0080][0081]
每个牵引变电所不安装或仅安装一种再生制动能量利用装置，故对牵引变电所中的装置数量进行如下约束：
[0082][0083]
式中，m为线路中牵引变电所的数量。
[0084]
系统中再生制动能量利用装置成本f1为：
[0085][0086]
式中，c
efs
、c
ess
分别为逆变回馈装置、储能装置的成本；c
efs,i
(s
i
)、c
ess,i
(s
i
)分别为第i个牵引变电所中逆变回馈装置与储能装置的成本，其大小受s
i
影响；其中，再生制动能量利用装置成本f1的计算方式为：
[0087]
c＝c0+p
×
s
i
ꢀꢀ
(15)
[0088]
式中，c0为基本元件成本，p是装置每mva的元件成本；逆变回馈装置与储能装置成本的计算方式相同，但c0与p取值不同。
[0089]
系统全日能耗f2为：
[0090][0091]
式中，p(t)为地铁主变电所在时刻t从电力系统获取的有功功率总和；p
j
(t)为第j个主变电所在时刻t从电力系统获取的有功功率；n为主变电所数量；t
d
为列车每日的持续运营时间。
[0092]
地面再生制动能量利用装置的工作特性约束包括逆变回馈装置的工作电流、工作电压约束、逆变回馈装置启动电压的取值范围约束、储能装置的工作电流约束以及储能装置的荷电状态约束，约束条件如下所示：
[0093][0094]
式中，i
defs,i
、u
defs,i
、u
efs,i
、i
dess,i
、soc
ess,i
分别代表第i个牵引变电所中逆变回馈装置的直流侧电流、直流侧电压、启动电压、储能装置的直流侧电流、荷电状态；i
max
、u
max
、i
ess,max
分别代表逆变回馈装置的最大允许工作电流、最大允许工作电压，储能装置的最大允许工作电流；u
efs,min
、u
efs,max
分别代表逆变回馈装置启动电压的下限值、上限值；soc
ess,min
、soc
ees,max
分别为储能装置允许的最小、最大soc。
[0095]
为保证供电系统安全可靠平稳地运行和潮流计算结果的有效性，直流牵引网压及
钢轨电位应满足相应的约束条件，潮流计算结果应满足收敛条件，故有
[0096][0097]
式中，u
d
代表直流侧牵引网电压；u
d,min
、u
d,max
分别代表直流牵引网电压波动的下限值、上限值；u
r
代表钢轨电位；p
si
、q
si
、p
si’、q
si’分别代表第i个牵引变电所根据潮流方程计算与该次迭代中交流侧的有功功率、无功功率；k为潮流计算的迭代次数；ε代表潮流计算的收敛精度。
[0098]
步骤4：以城轨供电系统的成本最小与能耗最小为优化目标，利用nsga
‑ⅱ
算法求得城轨供电系统中最优的混合式地面再生制动能量利用装置的配置方案。求解流程参见图3，具体为：
[0099]
(1)输入nsga
‑ⅱ
算法的种群数量z、最大迭代次数g、交叉概率以及变异概率等参数，输入i
efs,max
、u
efs,max
、i
ess,max
、u
min
、u
max
、soc
min
、soc
max
等城市轨道牵引供电系统的地面再生制动能量利用装置的装置约束条件，输入u
d,min
、u
d,max
等城市轨道牵引供电系统的运行约束条件。
[0100]
(2)遍历供电系统线路的m个牵引变电所，初始化混合式地面再生制动能量利用装置的配置方案的父代种群，包括装置的安装容量与配置变量(z组)，计算目标函数f1。进行城轨供电计算，根据仿真结果计算目标函数f2。
[0101]
(3)根据个体之间的支配关系对z组种群进行快速非支配排序，经过选择、交叉、变异生成第一代子种群(z组)，计算目标函数f1。进行城轨供电计算，根据仿真结果计算目标函数f2。
[0102]
(4)得到父、子代种群(2z组)，经过快速非支配排序以及种群个体拥挤度的计算，选取合适个体进入下一代(z组)，得到新父代种群。
[0103]
(5)判断迭代次数是否达到g，若没有，转到步骤(4)，否则继续。
[0104]
(6)求解结束，输出最优解集。