CN109066739B - 一种牵引供电系统再生制动能量储能介质功率及容量配置方法 - Google Patents

一种牵引供电系统再生制动能量储能介质功率及容量配置方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种牵引供电系统再生制动能量储能介质功率及容量配置方法，包括获取牵引供电所的负荷特性，根据负荷特性得到二次侧的总有功功率、牵引有功功率、再生有功功率和总再生电量，建立储能介质的约束模型，建立储能系统的经济模型，建立储能介质功率及容量配置目标函数和进行数值求解等步骤。本发明提出的方法，给出了实际工程设计中对牵引变电所再生制动能量储能介质功率及容量的计算方法，解决了牵引供电系统储能介质的功率及容量配置问题。

Description

一种牵引供电系统再生制动能量储能介质功率及容量配置 方法
技术领域
本发明涉及牵引供电系统领域，特别是一种牵引供电系统再生制动能量储能介质功率及容量配置方法。
背景技术
高速铁路牵引供电系统具有可再生、分布广、能耗高、规律强、波动大等特点，每年消耗大量的电能。2017年全国18个铁路局总耗电量高达668亿千瓦时，其中损耗电量高达48亿千瓦时。高速动车组在制动过程中，优先采用再生制动方式，产生了大量的再生制动能量。据统计，从北京南到天津的动车组每天可产生的再生制动能量约为33.291MWh，每年可产生的再生制动能量高达120GWh。这部分再生制动能量中仅有小部分能量被其他牵引动车组和制动电阻消耗，其余再生制动能量将返送回电力系统。然而，根据现行的电气化铁路电费计量方式，返送回电力系统的再生制动能量不参与电量计费，给铁路部门造成了大量的经济损失。储能型再生制动能量回收方案具有削峰填谷，灵活性高等优势，因此成为近年来研究的热点。经济性是考察储能型再生制动能量回收方案可行性的重要指标，因此，合理配置储能系统的功率和容量至关重要。
发明内容
本发明的目的是提供一种牵引供电系统再生制动能量储能介质功率及容量配置方法，为牵引供电系统再生制动能量储存系统的设计提供参考。
实现本发明目的的技术方案如下：
一种牵引供电系统再生制动能量储能介质功率及容量配置方法，包括
步骤1.获取牵引变电所在T时间段内的负荷特性，得到左侧供电臂有功功率Palpha(t)、右侧供电臂有功功率Pbeta(t)和牵引变电所一次侧总有功功率
Figure GDA0002301595210000014
步骤2.根据左侧供电臂有功功率Palpha(t)，右侧供电臂有功功率Pbeta(t)和牵引变电所一次侧总有功功率
Figure GDA0002301595210000015
得到牵引变电所二次侧总有功功率
Figure GDA0002301595210000016
牵引变电所二次侧牵引有功功率
Figure GDA0002301595210000017
牵引变电所二次侧再生有功功率
Figure GDA0002301595210000018
和牵引变电所二次侧总再生电量
Figure GDA0002301595210000019
Figure GDA0002301595210000012
Figure GDA0002301595210000013
Figure GDA0002301595210000021
步骤3.根据二次侧牵引有功功率
Figure GDA0002301595210000029
二次侧再生有功功率
Figure GDA00023015952100000210
和储能介质的充放电特性建立储能介质的约束模型，包括
3-1.建立储能介质充放电功率约束模型：
Figure GDA0002301595210000022
Figure GDA0002301595210000023
式中：pch(t)表示t时刻储能介质的充电功率；
Figure GDA00023015952100000211
表示储能介质的额定充电功率；
Figure GDA0002301595210000024
Figure GDA0002301595210000025
式中：pdisch(t)表示t时刻储能介质的放电功率；
Figure GDA00023015952100000212
表示储能介质的额定放电功率；
3-2.建立储能介质容量约束模型：
Figure GDA0002301595210000026
Figure GDA0002301595210000027
0≤ηch≤1 (11)
0≤ηdisch≤1 (12)
0≤t0＜t＜T (13)
式中：eES(t)表示t时刻储能介质的容量；EES表示储能介质的额定容量；ηch表示储能介质的充电效率；ηdisch表示储能介质的放电效率；
3-3.建立储能介质荷电状态约束模型：
0≤SOC(t)≤1 (15)
式中：SOC(t)表示t时刻储能介质的荷电状态；
步骤4.建立储能系统的经济模型，包括
4-1.建立储能系统经济成本模型：
C＝nconv(p)×Mconv+nes(p,e)×Mes+Mm+Mo (16)
式中：C表示储能系统的总成本；nconv(p)表示储能变流器数量；Mconv表示单位功率储能变流器的价格；nes(p,e)表示储能介质数量；Mes表示单位功率和容量储能介质的价格；Mm表示储能系统维护成本；Mo表示研发成本、基建成本、运输成本和原材料成本；
4-2.建立储能系统经济收益模型：
F＝Fe+Ff+Fa (17)
其中：
Fe＝ne×Me (18)
Ffc＝nfc×Mfc (19)
Figure GDA0002301595210000031
Fa＝ne×Ma (21)
式中：F表示储能系统的经济收益；Fe表示使用储能系统后减少的电度电费；ne表示使用储能系统后节约的电量；Me表示电度电费单价；Ff表示使用储能系统后减少的基本电费，包括按容量计费Ffc或按需量计费Ffd：如按容量计费，则令Ff＝Ffc；如按需量计费，则令Ff＝Ffd；nfc表示计费容量；Mfc表示单位容量的价格；Dsub表示牵引变电所最大需量；Mfd表示单位需量的价格；STT表示牵引变压器的容量；Fa表示使用储能系统后减少的附加电费；Ma表示附加电费单价；
步骤5.根据储能介质的约束模型和储能系统的经济模型，建立储能介质功率及容量配置目标函数，该函数以最大收益为目标：
Figure GDA0002301595210000032
式中：
Figure GDA0002301595210000037
表示储能介质额定容量；
步骤6.对储能介质功率及容量配置目标函数进行数值求解，当目标函数取得最大收益点时，对应的额定充电功率
Figure GDA0002301595210000038
放电功率
Figure GDA0002301595210000039
和额定容量
Figure GDA00023015952100000310
即为储能介质最优功率和容量：
Figure GDA0002301595210000035
式中：Mm表示储能介质容量配置目标函数的最大值；
Figure GDA00023015952100000311
表示在最大收益点处对应的储能介质额定充电功率；
Figure GDA0002301595210000049
表示在最大收益点处对应的储能介质额定放电功率；
Figure GDA00023015952100000410
表示在最大收益点处对应的储能介质额定容量。
本发明提出的方法，给出了实际工程设计中对牵引变电所再生制动能量储能介质功率及容量的计算方法，解决了牵引供电系统储能介质的功率及容量配置问题。在对牵引供电系统再生制动能量储能介质的功率及容量进行联合求解的同时考虑经济性进行优化配置。并且，本发明方法是基于现场实测数据对再生制动能量储能介质的功率及容量进行配置，更符合实际需求，可以为牵引供电系统再生制动能量储存系统的设计提供参考。
具体实施方式
本发明的具体实施方式如下：
步骤1.获取牵引变电所在T时间段(通常取T＝24小时)内的负荷特性，得到左侧供电臂有功功率Palpha(t)、右侧供电臂有功功率Pbeta(t)和牵引变电所一次侧总有功功率
Figure GDA00023015952100000411
步骤2.根据左侧供电臂有功功率Palpha(t)，右侧供电臂有功功率Pbeta(t)和牵引变电所一次侧总有功功率
Figure GDA00023015952100000412
得到牵引变电所二次侧总有功功率
Figure GDA00023015952100000413
牵引变电所二次侧牵引有功功率
Figure GDA00023015952100000414
牵引变电所二次侧再生有功功率
Figure GDA00023015952100000415
和牵引变电所二次侧总再生电量
Figure GDA00023015952100000416
Figure GDA0002301595210000041
Figure GDA0002301595210000042
Figure GDA0002301595210000043
Figure GDA0002301595210000044
步骤3.根据二次侧牵引有功功率
Figure GDA00023015952100000417
二次侧再生有功功率和储能介质的充放电特性建立储能介质的约束模型，包括
3-1.建立储能介质充放电功率约束模型：
Figure GDA0002301595210000045
Figure GDA0002301595210000046
式中：pch(t)表示t时刻储能介质的充电功率；
Figure GDA00023015952100000419
表示储能介质的额定充电功率；
Figure GDA0002301595210000047
Figure GDA0002301595210000048
式中：pdisch(t)表示t时刻储能介质的放电功率；
Figure GDA00023015952100000420
表示储能介质的额定放电功率；
3-2.建立储能介质容量约束模型：
Figure GDA0002301595210000051
Figure GDA0002301595210000052
0≤ηch≤1 (11)
0≤ηdisch≤1 (12)
0≤t0＜t＜T (13)
式中：eES(t)表示t时刻储能介质的容量；EES表示储能介质的额定容量；ηch表示储能介质的充电效率；ηdisch表示储能介质的放电效率；
3-3.建立储能介质荷电状态约束模型：
0≤SOC(t)≤1 (15)
式中：SOC(t)表示t时刻储能介质的荷电状态；
步骤4.建立储能系统的经济模型，包括
4-1.建立储能系统经济成本模型：
C＝nconv(p)×Mconv+nes(p,e)×Mes+Mm+Mo (16)
式中：C表示储能系统的总成本；nconv(p)表示储能变流器数量；Mconv表示单位功率储能变流器的价格；nes(p,e)表示储能介质数量；Mes表示单位功率和容量储能介质的价格；Mm表示储能系统维护成本；Mo表示研发成本、基建成本、运输成本和原材料成本；
4-2.建立储能系统经济收益模型：
F＝Fe+Ff+Fa (17)
其中：
Fe＝ne×Me (18)
Ffc＝nfc×Mfc (19)
Fa＝ne×Ma (21)
式中：F表示储能系统的经济收益；Fe表示使用储能系统后减少的电度电费；ne表示使用储能系统后节约的电量；Me表示电度电费单价；Ff表示使用储能系统后减少的基本电费，包括按容量计费Ffc或按需量计费Ffd：如按容量计费，则令Ff＝Ffc；如按需量计费，则令Ff＝Ffd；nfc表示计费容量；Mfc表示单位容量的价格；Dsub表示牵引变电所最大需量；Mfd表示单位需量的价格；STT表示牵引变压器的容量；Fa表示使用储能系统后减少的附加电费；Ma表示附加电费单价；
步骤5.根据储能介质的约束模型和储能系统的经济模型，建立储能介质功率及容量配置目标函数，该函数以最大收益为目标：
式中：
Figure GDA0002301595210000066
表示储能介质额定容量；
步骤6.对储能介质功率及容量配置目标函数进行数值求解，当目标函数取得最大收益点时，对应的额定充电功率
Figure GDA0002301595210000067
放电功率
Figure GDA0002301595210000068
和额定容量
Figure GDA0002301595210000069
即为储能介质最优功率和容量：
Figure GDA0002301595210000062
Figure GDA0002301595210000063
Figure GDA0002301595210000064
Figure GDA0002301595210000065
式中：Mm表示储能介质容量配置目标函数的最大值；
Figure GDA00023015952100000610
表示在最大收益点处对应的储能介质额定充电功率；
Figure GDA00023015952100000611
表示在最大收益点处对应的储能介质额定放电功率；
Figure GDA00023015952100000612
表示在最大收益点处对应的储能介质额定容量。

Claims (1)

1.一种牵引供电系统再生制动能量储能介质功率及容量配置方法，其特征在于，包括
步骤1.获取牵引变电所在T时间段内的负荷特性，得到左侧供电臂有功功率Palpha(t)、右侧供电臂有功功率Pbeta(t)和牵引变电所一次侧总有功功率
Figure FDA0002301595200000011
步骤2.根据左侧供电臂有功功率Palpha(t)，右侧供电臂有功功率Pbeta(t)和牵引变电所一次侧总有功功率
Figure FDA0002301595200000012
得到牵引变电所二次侧总有功功率
Figure FDA0002301595200000013
牵引变电所二次侧牵引有功功率牵引变电所二次侧再生有功功率
Figure FDA0002301595200000015
和牵引变电所二次侧总再生电量
Figure FDA0002301595200000016
Figure FDA0002301595200000019
Figure FDA00023015952000000110
步骤3.根据二次侧牵引有功功率
Figure FDA00023015952000000111
二次侧再生有功功率
Figure FDA00023015952000000112
和储能介质的充放电特性建立储能介质的约束模型，包括
3-1.建立储能介质充放电功率约束模型：
Figure FDA00023015952000000113
Figure FDA00023015952000000114
式中：pch(t)表示t时刻储能介质的充电功率；
Figure FDA00023015952000000115
表示储能介质的额定充电功率；
Figure FDA00023015952000000116
Figure FDA00023015952000000117
式中：pdisch(t)表示t时刻储能介质的放电功率；
Figure FDA00023015952000000118
表示储能介质的额定放电功率；
3-2.建立储能介质容量约束模型：
Figure FDA00023015952000000119
Figure FDA00023015952000000120
0≤ηch≤1 (11)
0≤ηdisch≤1 (12)
0≤t0＜t＜T (13)
式中：eES(t)表示t时刻储能介质的容量；EES表示储能介质的额定容量；ηch表示储能介质的充电效率；ηdisch表示储能介质的放电效率；
3-3.建立储能介质荷电状态约束模型：
Figure FDA0002301595200000021
0≤SOC(t)≤1 (15)
式中：SOC(t)表示t时刻储能介质的荷电状态；
步骤4.建立储能系统的经济模型，包括
4-1.建立储能系统经济成本模型：
C＝nconv(p)×Mconv+nes(p,e)×Mes+Mm+Mo (16)
式中：C表示储能系统的总成本；nconv(p)表示储能变流器数量；Mconv表示单位功率储能变流器的价格；nes(p,e)表示储能介质数量；Mes表示单位功率和容量储能介质的价格；Mm表示储能系统维护成本；Mo表示研发成本、基建成本、运输成本和原材料成本；
4-2.建立储能系统经济收益模型：
F＝Fe+Ff+Fa (17)
其中：
Fe＝ne×Me (18)
Ffc＝nfc×Mfc (19)
Figure FDA0002301595200000022
Fa＝ne×Ma (21)
式中：F表示储能系统的经济收益；Fe表示使用储能系统后减少的电度电费；ne表示使用储能系统后节约的电量；Me表示电度电费单价；Ff表示使用储能系统后减少的基本电费，包括按容量计费Ffc或按需量计费Ffd：如按容量计费，则令Ff＝Ffc；如按需量计费，则令Ff＝Ffd；nfc表示计费容量；Mfc表示单位容量的价格；Dsub表示牵引变电所最大需量；Mfd表示单位需量的价格；STT表示牵引变压器的容量；Fa表示使用储能系统后减少的附加电费；Ma表示附加电费单价；
步骤5.根据储能介质的约束模型和储能系统的经济模型，建立储能介质功率及容量配置目标函数，该函数以最大收益为目标：
Figure FDA0002301595200000031
式中：
Figure FDA0002301595200000032
表示储能介质额定容量；
步骤6.对储能介质功率及容量配置目标函数进行数值求解，当目标函数取得最大收益点时，对应的额定充电功率
Figure FDA0002301595200000033
放电功率和额定容量
Figure FDA0002301595200000035
即为储能介质最优功率和容量：
Figure FDA0002301595200000037
Figure FDA0002301595200000038
式中：Mm表示储能介质容量配置目标函数的最大值；
Figure FDA00023015952000000310
表示在最大收益点处对应的储能介质额定充电功率；
Figure FDA00023015952000000311
表示在最大收益点处对应的储能介质额定放电功率；
Figure FDA00023015952000000312
表示在最大收益点处对应的储能介质额定容量。
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