CN111313465A - 含光伏与混合储能装置的柔性牵引供电系统能量管理方法 - Google Patents

含光伏与混合储能装置的柔性牵引供电系统能量管理方法 Download PDF

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CN111313465A CN202010154126.XA CN202010154126A CN111313465A CN 111313465 A CN111313465 A CN 111313465A CN 202010154126 A CN202010154126 A CN 202010154126A CN 111313465 A CN111313465 A CN 111313465A
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Abstract

本发明公开了一种含光伏与混合储能装置的柔性牵引供电系统能量管理方法，具体为：将能量管理优化过程分为日前和日内两个时间尺度：日前优化阶段，以日综合成本最低建立目标函数，基于牵引变电所负荷过程数据和光伏预测输出功率建立约束条件，求解完成牵引供电系统日前能量优化管理；在日内优化阶段，以系统供电偏差最小建立目标函数，基于牵引负荷和光伏输出的超短期预测误差建立约束条件，进而建立预测控制模型，实现能量管理优化。本发明提高光伏和列车再生制动能量利用率、减少电气化铁路电费成本，克服光伏不确定性和牵引负荷随机波动性造成的供电能力偏差，能量管理优化方法更好地满足实际需求。

Description

含光伏与混合储能装置的柔性牵引供电系统能量管理方法
技术领域
本发明属于牵引供电系统能量管理技术领域，具体涉及一种含光伏与混合储能装置的柔性牵引供电系统能量管理方法。
背景技术
近年来我国电气化铁路里程飞速发展，截至2018年，中国高速铁路运营里程已超过29000公里，每天运行车次超过3400对。同时，2018年中国高铁牵引供电系统耗电量约为240.9亿千瓦时，其中电能损失超过18.7亿千瓦时(约占高铁全年总耗电量的7.78％)，因此降低铁路运输中的综合能耗势在必行。此外牵引负荷具有冲击性、随机波动性的特点，这使得电气化铁路以负序为主的电能质量问题更加突出，在经济性方面，还大大增加了铁路运营部门需要支付的两部制电价中的电度电费和需量电费。同时，由于传统牵引供电系统中电分相的存在，机车在过分相时失去牵引动力，仅靠惯性通过电分相，造成列车速度严重损失；并且该过程伴随着过电压、拉弧等电气暂态过程，以川藏铁路为例，若采用传统牵引供电方案，全线约有5％长度的“无电区”，增加了列车的运行风险。基于交-直-交变流系统的柔性牵引供电系统的提出解决了传统电气化铁路中电能质量问题和电分相问题，同时具备牵引负荷的潮流可控的特性，牵引变电所供电能力大大提高。
我国尤其是我国中西部地区光照资源丰富，以2018年为例，全国光伏发电弃光电量高达54.9亿千瓦时，光伏发电就近消纳问题突出。考虑到高速动车组巨大的再生制动能量，以CRH380AL为例，再生制动瞬时功率可达20MW，这部分能量未能得到有效利用，将铁路沿线光伏以及由电池和超级电容组成的混合储能系统通过变流器的直流环节接入柔性牵引供电系统，不仅可以提高再生制动能量利用率，就近消纳风光等可再生能源，而且可以对牵引负荷进行削峰填谷，以获取更大的经济效益，可谓一举多得。然而光伏输出受多种因素的影响，具有不确定性，牵引负荷也具有随机波动性，现有的牵引供电系统并不具备对冲击性负荷进行主动控制及调节的能力，这对牵引供电系统的实时控制提出了挑战。对于含光伏和混合储能装置的柔性牵引供电系统，计及光伏不确定性以及牵引负荷随机波动性的能量管理问题亟待解决。
发明内容
本发明针对集成光伏与混合储能装置的柔性牵引供电系统，目的是为了提高光伏和列车再生制动能量利用率，减少铁路电费成本，且克服了日内实际运行时光伏的不确定性以及牵引负荷的随机波动性的影响，使优化运行策略更加贴近日前计划运行值。为此提供了一种含光伏与混合储能装置的柔性牵引供电系统能量管理方法。
本发明的含光伏与混合储能装置的柔性牵引供电系统能量管理方法，将能量管理优化过程分为日前和日内两个时间尺度，具体包括以下步骤：
步骤1：在日前优化阶段，获取牵引变电所负荷过程数据和光伏预测输出功率；
步骤2：根据电费参数和步骤1得到的牵引变电所负荷过程数据和光伏预测输出功率，建立日前优化模型的目标函数；
步骤3：根据混合储能装置和光伏系统的容量、功率参数，基于步骤1得到的牵引变电所负荷过程数据和光伏预测输出功率，建立日前优化模型的约束条件，并将约束条件线性化；
步骤4：根据步骤2得到的目标函数和步骤3得到的约束条件，建立混合整数规划模型，求解得到混合储能装置最优充放电功率、混合储能装置荷电状态、背靠背变流器最优潮流功率，即完成牵引供电系统日前能量优化管理；
步骤5：在日内优化阶段，将步骤4求解得到的背靠背变流器最优潮流功率作为参考，建立日内优化模型的目标函数；
步骤6：采集第k时刻牵引变电所牵引侧实际功率，混合储能装置实际充放电功率、混合储能装置荷电状态，光伏实际输出功率，并获取牵引负荷和光伏输出的超短期预测误差序列；
步骤7：根据混合储能装置的功率参数以及剩余容量，基于步骤6得到的牵引负荷和光伏输出的超短期预测误差，建立日内优化模型的约束条件；
步骤8：根据步骤5得到的目标函数和步骤7得到的约束条件，建立预测控制模型，求解得到k+1,k+2,…,k+N时刻混合储能装置的输出功率调整量序列，并将混合储能装置的输出功率调整量序列的第一个值应用到混合储能装置的控制系统；
步骤9：在k+1时刻，更新牵引变电所牵引侧实际功率，混合储能装置实际充放电功率、混合储能装置荷电状态、光伏实际输出功率，重复步骤6到步骤8，不断向前优化。
进一步的，步骤1中的牵引变电所负荷过程数据，根据高速铁路线路、列车和时刻表，通过负荷过程仿真软件计算得到，例如ELBAS/WEBANET专业仿真软件。光伏预测输出功率可由步骤3中光伏发电约束得到，其中的光照强度是基于天气预测信息对历史光照强度场景数据集进行削减得到的，例如场景削减法或k最近邻法。
进一步的，步骤2中的目标函数为：
Figure BDA0002403465210000021
式中：f为目标函数，表示牵引变电所日电费成本，t为时间段，
Figure BDA0002403465210000022
为t时间段内电度电费单价，πdem为需量电费单价，
Figure BDA0002403465210000031
为t时间段内反馈至公共电网的电费单价；
Figure BDA0002403465210000032
为15分钟内柔性牵引供电系统平均负荷，
Figure BDA0002403465210000033
为由公共电网输入到柔性牵引供电系统的有功功率，
Figure BDA0002403465210000034
为由柔性牵引供电系统反馈至公共电网的有功功率；
其中：
Figure BDA0002403465210000035
式中：T为一天内总的时间段数。
进一步的，步骤3中的约束条件包括功率平衡约束、混合储能系统约束、光伏发电约束和背靠背变流器约束，具体为：
功率平衡约束条件：
Figure BDA0002403465210000036
式中：
Figure BDA0002403465210000037
为由公共电网输入到柔性牵引供电系统的网侧变流器有功功率，
Figure BDA0002403465210000038
为由牵引供电系统网侧变流器反馈至公共电网的有功功率；
Figure BDA0002403465210000039
为电池的放电功率，
Figure BDA00024034652100000310
为电池的充电功率，
Figure BDA00024034652100000311
为超级电容的放电功率，
Figure BDA00024034652100000312
为超级电容的充电功率，
Figure BDA00024034652100000313
为光伏发电的有功输出；
Figure BDA00024034652100000314
为柔性牵引供电系统牵引侧变流器牵引负荷的有功功率，
Figure BDA00024034652100000315
为再生制动的有功功率。
混合储能系统约束条件：
Figure BDA00024034652100000316
Figure BDA00024034652100000317
Figure BDA00024034652100000318
Figure BDA00024034652100000319
Figure BDA00024034652100000320
Figure BDA00024034652100000321
Figure BDA00024034652100000322
Figure BDA00024034652100000323
式中：κbat为电池的自放电率，κuc为超级电容的自放电率，,
Figure BDA00024034652100000324
为电池的放电效率，
Figure BDA00024034652100000325
为电池的充电效率，
Figure BDA0002403465210000041
为超级电容的放电效率，
Figure BDA0002403465210000042
为超级电容的充电效率，Δt为单位时间段，
Figure BDA0002403465210000043
为电池在t-1时间段储存的电能，
Figure BDA0002403465210000044
为电池在t时间段储存的电能；
Figure BDA0002403465210000045
为超级电容在t-1时间段储存的电能，
Figure BDA0002403465210000046
为超级电容在t时间段储存的电能；
Figure BDA0002403465210000047
为电池额定功率，
Figure BDA0002403465210000048
为超级电容额定功率，
Figure BDA0002403465210000049
为电池最小荷电状态，
Figure BDA00024034652100000410
为电池最大荷电状态，
Figure BDA00024034652100000411
为电池额定容量，
Figure BDA00024034652100000412
为超级电容额定容量，
Figure BDA00024034652100000413
为超级电容最小荷电状态，
Figure BDA00024034652100000414
为超级电容最大荷电状态；
Figure BDA00024034652100000415
为每日初始时段电池储存的电能，
Figure BDA00024034652100000416
为每日最后时段电池储存的电能，
Figure BDA00024034652100000417
为每天初始荷电状态，
Figure BDA00024034652100000418
为每日初始时段超级电容储存的电能，
Figure BDA00024034652100000419
为每日最后时段超级电容储存的电能，
Figure BDA00024034652100000420
为超级电容每天初始荷电状态；
Figure BDA00024034652100000421
和
Figure BDA00024034652100000422
均为二进制变量，以保证电池以及超级电容的充电和放电不能同时进行。
光伏发电约束：
Figure BDA00024034652100000423
式中：ηpv为光伏发电效率，Apv为光伏面板面积，
Figure BDA00024034652100000424
为日内各时刻光照强度。
背靠背变流器约束：
Figure BDA00024034652100000425
Figure BDA00024034652100000426
Figure BDA00024034652100000427
Figure BDA00024034652100000428
式中：
Figure BDA00024034652100000429
为背靠背变流器公共电网侧的容量，
Figure BDA00024034652100000430
为背靠背变流器牵引侧的容量。
进一步的，步骤3中约束条件线性化方法如下：
公式(1)中需量电费线性化后为下式：
Figure BDA00024034652100000431
Figure BDA00024034652100000432
式中：Ppeak为辅助变量。
公式(10)线性化后为下式：
Figure BDA00024034652100000433
式中：
Figure BDA0002403465210000051
和
Figure BDA0002403465210000052
均为二进制变量，以保证电池以及超级电容的充电和放电不能同时进行。
公式(13)公式(15)线性化后如下：
Figure BDA0002403465210000053
Figure BDA0002403465210000054
Figure BDA0002403465210000055
Figure BDA0002403465210000056
式中：
Figure BDA0002403465210000057
和
Figure BDA0002403465210000058
均为二进制辅助变量，以保证同一时刻通过变流器的功率输出为单向输出。
进一步的，步骤4中通过混合整数优化求解器求解日前优化模型，求解结果传送至日内优化模型作为参考值。
进一步的，步骤5中目标函数如下：
Figure BDA0002403465210000059
式中，
Figure BDA00024034652100000510
为k+pΔt*时刻柔性牵引供电系统电网侧进线功率参考值，由日前优化步骤4获得，
Figure BDA00024034652100000511
为k+pΔt*时刻电池荷电状态参考值，由日前优化步骤4获得，
Figure BDA00024034652100000512
为超级电容k+pΔt*时刻荷电状态参考值，由日前优化步骤4获得，
Figure BDA00024034652100000513
为k时刻预测k+pΔt*时刻柔性牵引供电系统网侧进线功率，
Figure BDA00024034652100000514
为k时刻预测k+pΔt*时刻电池荷电状态，
Figure BDA00024034652100000515
为k时刻预测k+pΔt*时刻超级电容荷电状态，
Figure BDA00024034652100000516
为k时刻预测k+pΔt*时刻电池输出功率增量，
Figure BDA00024034652100000517
为k时刻预测k+pΔt*时刻超级电容输出功率增量；ωp为电网侧进线功率追踪误差权重系数，ωbat为电池荷电状态追踪误差权重系数，ωuc为超级电容荷电状态追踪误差权重系数；λbat为电池输出功率增量权重系数；λuc为超级电容输出功率增量权重系数，Δt*为日内优化单位时间段。
进一步的，步骤7中约束条件如下：
功率平衡约束：
Figure BDA0002403465210000061
式中，Ppv(k)为k时刻采集得到的光伏输出功率，Ptl(k)为k时刻采集的柔性牵引供电系统牵引侧功率，Pbat(k)为k时刻采集到的的电池输出功率，Puc(k)为k时刻采集的超级电容输出功率，ΔPpv(k+jΔt*|k)为k时刻预测(k+(j-1)Δt*,k+jΔt*]时段的光伏输出功率预测误差，ΔPtl(k+jΔt*|k)为k时刻预测(k+(j-1)Δt*,k+jΔt*]时段的牵引负荷预测误差。
混合储能系统约束条件：
Figure BDA0002403465210000062
Figure BDA0002403465210000063
Figure BDA0002403465210000064
Figure BDA0002403465210000065
Figure BDA0002403465210000066
Figure BDA0002403465210000067
Figure BDA0002403465210000068
Figure BDA0002403465210000069
ΔPbat(k+jΔt*|k)＝ΔPbat,dis(k+jΔt*|k)-ΔPbat,ch(k+jΔt*|k) (33)
ΔPuc(k+jΔt*|k)＝ΔPuc,dis(k+jΔt*|k)-ΔPuc,ch(k+jΔt*|k) (34)
式中，Ebat(k+pΔt*|k)为电池在k时刻预测k+pΔt*时间段储存的电能，Ebat(k+(p-1)Δt*|k)电池在k时刻预测k+(p-1)Δt*时间段储存的电能；Euc(k+pΔt*|k)为超级电容在k时刻预测k+pΔt*时间段储存的电能，Euc(k+(p-1)Δt*|k)超级电容在k时刻预测k+(p-1)Δt*时间段储存的电能；ΔPbat,ch(k+jΔt*|k)为k时刻预测k+pΔt*时刻电池充电功率增量，ΔPbat,dis(k+jΔt*|k)为k时刻预测k+pΔt*时刻电池放电功率增量；ΔPuc,ch(k+jΔt*|k)为k时刻预测k+pΔt*时刻超级电容充电功率增量，ΔPuc,dis(k+jΔt*|k)为k时刻预测k+pΔt*时刻拆机电容放电功率增量，
Figure BDA0002403465210000071
和
Figure BDA0002403465210000072
均为二进制变量，以保证日内调整后电池以及超级电容的充电和放电不能同时进行。
进一步的，步骤9中通过混合整数优化求解器求解模型。
为表征系统日式实际运行与日前计划的偏离程度，定义平均相对偏差(AVE)为一次优化时域内牵引变电所电网侧进线功率日内实际值与日前计划值的偏差绝对值得与日前计划值的比率之和的平均值：
Figure BDA0002403465210000073
式中，Pgrid,intra为牵引变电所电网侧进线功率日内实际值，Pgrid,ref为日前优化求得的牵引变电所电网侧进线功率参考值，M为优化时域内的时间段数。
本发明的有益效果是：
1、本发明将能量管理优化策略分为日前和日内两个时间尺度，兼顾系统运行经济性和能量供给平衡，满足了牵引负荷的随机性和冲击性，也适应了柔性牵引供电系统各类设备的响应特性；
2、本发明的日前优化以减少铁路运行电费成本为目标，降低了所需支付的两部制电价中的电度电费和需量电费，实现光伏消纳，提高列车再生制动能量利用率；
3、本发明的日内能量管理优化考虑了柔性牵引供电系统日内实际运行中光伏的不确定性和牵引负荷的随机波动性的影响，消除了光伏和牵引负荷的预测误差引起的供电能力偏差，使得系统能量管理优化方法更好地满足实际需求。
附图说明
图1为本发明中集成光伏和混合储能装置的柔性牵引供电系统示意图。
图2为本发明流程示意图。
图3为实施例中本发明方法日前优化与传统牵引变电所电网侧进线功率对比示意图。
图4为实施例中单一日前优化方法与计划参考进线功率对比示意图。
图5为实施例中本发明方法与计划参考进线功率对比示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。
本发明针对的柔性牵引供电系统结构如图1所示，一种含光伏与混合储能装置的柔性牵引供电系统能量管理方法流程如图2所示，具体步骤为：
步骤1：日前优化阶段，利用牵引负荷过程仿真软件，例如德国SIGNON公司的ELBAS/WEBANET软件，输入高速铁路线路、列车与时刻表参数，仿真得到一天牵引变电所负荷过程数据。
根据天气预测信息，输入相似阳光辐照强度场景，基于场景削减法对阳光辐照强度场景进行场景削减，得到预测光照强度场景，并依据光伏约束生成一天光伏预测功率。
步骤2：根据电费参数，建立优化模型的目标函数；电费参数包括电度电费、电费电费、以及反馈电网回电网电费。
目标函数表达式为：
Figure BDA0002403465210000081
式中：f为目标函数，表示牵引变电所日电费成本，t为时间段，
Figure BDA0002403465210000082
为t时间段内电度电费单价，πdem为需量电费单价，
Figure BDA0002403465210000083
为t时间段内反馈至公共电网的电费单价；
Figure BDA0002403465210000084
为15分钟内柔性牵引供电系统平均负荷，
Figure BDA0002403465210000085
为由公共电网输入到柔性牵引供电系统的有功功率，
Figure BDA0002403465210000086
为由柔性牵引供电系统反馈至公共电网的有功功率；
其中：
Figure BDA0002403465210000087
式中：T为一天内总的时间段数。
步骤3：根据混合储能装置和光伏系统的额定功率和容量参数，基于步骤1得到的牵引变电所负荷过程数据和光伏预测功率输出，建立优化模型的约束条件，并将优化模型的约束条件线性化。其中的约束条件包括功率平衡约束、混合储能系统约束、光伏发电约束、背靠背变流器约束。
约束条件如下：
功率平衡约束条件：
Figure BDA0002403465210000088
式中：
Figure BDA0002403465210000089
为由公共电网输入到柔性牵引供电系统的网侧变流器有功功率，
Figure BDA00024034652100000810
为由牵引供电系统网侧变流器反馈至公共电网的有功功率；
Figure BDA00024034652100000811
为电池的放电功率，
Figure BDA00024034652100000812
为电池的充电功率，
Figure BDA00024034652100000813
为超级电容的放电功率，
Figure BDA00024034652100000814
为超级电容的充电功率，
Figure BDA00024034652100000815
为光伏发电的有功输出；
Figure BDA00024034652100000816
为柔性牵引供电系统牵引侧变流器牵引负荷的有功功率，
Figure BDA00024034652100000817
为再生制动的有功功率。
混合储能系统约束条件：
Figure BDA0002403465210000091
Figure BDA0002403465210000092
Figure BDA0002403465210000093
Figure BDA0002403465210000094
Figure BDA0002403465210000095
Figure BDA0002403465210000096
Figure BDA0002403465210000097
Figure BDA0002403465210000098
式中：κbat为电池的自放电率，κuc为超级电容的自放电率，,
Figure BDA0002403465210000099
为电池的放电效率，
Figure BDA00024034652100000910
为电池的充电效率，
Figure BDA00024034652100000911
为超级电容的放电效率，
Figure BDA00024034652100000912
为超级电容的充电效率，Δt为单位时间段，
Figure BDA00024034652100000913
为电池在t-1时间段储存的电能，
Figure BDA00024034652100000914
为电池在t时间段储存的电能；
Figure BDA00024034652100000915
为超级电容在t-1时间段储存的电能，
Figure BDA00024034652100000916
为超级电容在t时间段储存的电能；
Figure BDA00024034652100000917
为电池额定功率，
Figure BDA00024034652100000918
为超级电容额定功率，
Figure BDA00024034652100000919
为电池最小荷电状态，
Figure BDA00024034652100000920
为电池最大荷电状态，
Figure BDA00024034652100000921
为电池额定容量，
Figure BDA00024034652100000922
为超级电容额定容量，
Figure BDA00024034652100000923
为超级电容最小荷电状态，
Figure BDA00024034652100000924
为超级电容最大荷电状态；
Figure BDA00024034652100000925
为每日初始时段电池储存的电能，
Figure BDA00024034652100000926
为每日最后时段电池储存的电能，
Figure BDA00024034652100000927
为每天初始荷电状态，
Figure BDA00024034652100000928
为每日初始时段超级电容储存的电能，
Figure BDA00024034652100000929
为每日最后时段超级电容储存的电能，
Figure BDA00024034652100000930
为超级电容每天初始荷电状态；
Figure BDA00024034652100000931
和
Figure BDA00024034652100000932
均为二进制变量，以保证电池以及超级电容的充电和放电不能同时进行。
光伏发电约束：
Figure BDA00024034652100000933
式中：ηpv为光伏发电效率，Apv为光伏面板面积，
Figure BDA00024034652100000934
为日内各时刻光照强度。
背靠背变流器约束：
Figure BDA0002403465210000101
Figure BDA0002403465210000102
Figure BDA0002403465210000103
Figure BDA0002403465210000104
式中：
Figure BDA0002403465210000105
为背靠背变流器公共电网侧的容量，
Figure BDA0002403465210000106
为背靠背变流器牵引侧的容量。
约束条件线性化方法如下：
公式(1)中需量电费线性化后为下式：
Figure BDA0002403465210000107
Figure BDA0002403465210000108
式中：Ppeak为辅助变量。
公式(10)线性化后为下式：
Figure BDA0002403465210000109
式中：
Figure BDA00024034652100001010
和
Figure BDA00024034652100001011
均为二进制变量，以保证电池以及超级电容的充电和放电不能同时进行。
公式(13)公式(15)线性化后如下：
Figure BDA00024034652100001012
Figure BDA00024034652100001013
Figure BDA00024034652100001014
Figure BDA00024034652100001015
式中：
Figure BDA00024034652100001016
和
Figure BDA00024034652100001017
均为二进制辅助变量，以保证同一时刻通过变流器的功率输出为单向输出。
步骤4：根据步骤2得到的目标函数和步骤3得到的约束条件，建立混合整数规划模型(MILP)，利用优化软件，例如Matlab环境下的混合整数优化求解器CPLEX，求解该混合整数线性规划模型，求解得到一天内时间步长为t的混合储能装置最优充放电功率、混合储能装置荷电状态、背靠背变流器最优潮流功率，即完成牵引供电系统日前能量优化管理；
步骤5：在日内优化阶段，将步骤4求解得到的背靠背变流器最优潮流功率作为参考，建立日内优化模型的目标函数，目标函数如下：
Figure BDA0002403465210000111
式中，
Figure BDA0002403465210000112
为k+pΔt*时刻柔性牵引供电系统电网侧进线功率参考值，由日前优化步骤4获得，
Figure BDA0002403465210000113
为k+pΔt*时刻电池荷电状态参考值，由日前优化步骤4获得，
Figure BDA0002403465210000114
为超级电容k+pΔt*时刻荷电状态参考值，由日前优化步骤4获得，
Figure BDA0002403465210000115
为k时刻预测k+pΔt*时刻柔性牵引供电系统网侧进线功率，
Figure BDA0002403465210000116
为k时刻预测k+pΔt*时刻电池荷电状态，
Figure BDA0002403465210000117
为k时刻预测k+pΔt*时刻超级电容荷电状态，
Figure BDA0002403465210000118
为k时刻预测k+pΔt*时刻电池输出功率增量，
Figure BDA0002403465210000119
为k时刻预测k+pΔt*时刻超级电容输出功率增量；ωp为电网侧进线功率追踪误差权重系数，ωbat为电池荷电状态追踪误差权重系数，ωuc为超级电容荷电状态追踪误差权重系数；λbat为电池输出功率增量权重系数；λuc为超级电容输出功率增量权重系数，Δt*为日内优化单位时间段。
步骤6：利用安装在牵引变电所的测量装置，采集第k时刻牵引变电所牵引侧实际功率，混合储能装置实际充放电功率、混合储能装置荷电状态，光伏实际输出功率，并获取k+1,k+2,…，k+N牵引负荷和光伏输出的超短期预测误差序列，超短期预测误差服从正态分布。
步骤7：根据混合储能装置的功率参数以及剩余容量，基于步骤6得到的牵引负荷和光伏输出的超短期预测误差，建立日内优化模型的约束条件，约束条件包括功率平衡修正约束，混合储能系统修正约束，约束条件如下：
功率平衡约束：
Figure BDA00024034652100001110
式中，Ppv(k)为k时刻采集得到的光伏输出功率，Ptl(k)为k时刻采集的柔性牵引供电系统牵引侧功率，Pbat(k)为k时刻采集到的的电池输出功率，Puc(k)为k时刻采集的超级电容输出功率，ΔPpv(k+jΔt*|k)为k时刻预测(k+(j-1)Δt*,k+jΔt*]时段的光伏输出功率预测误差，ΔPtl(k+jΔt*|k)为k时刻预测(k+(j-1)Δt*,k+jΔt*]时段的牵引负荷预测误差。
混合储能系统约束条件：
Figure BDA0002403465210000121
Figure BDA0002403465210000122
Figure BDA0002403465210000123
Figure BDA0002403465210000124
Figure BDA0002403465210000125
Figure BDA0002403465210000126
Figure BDA0002403465210000127
Figure BDA0002403465210000128
ΔPbat(k+jΔt*|k)＝ΔPbat,dis(k+jΔt*|k)-ΔPbat,ch(k+jΔt*|k) (33)
ΔPuc(k+jΔt*|k)＝ΔPuc,dis(k+jΔt*|k)-ΔPuc,ch(k+jΔt*|k) (34)
式中，Ebat(k+pΔt*|k)为电池在k时刻预测k+pΔt*时间段储存的电能，Ebat(k+(p-1)Δt*|k)电池在k时刻预测k+(p-1)Δt*时间段储存的电能；Euc(k+pΔt*|k)为超级电容在k时刻预测k+pΔt*时间段储存的电能，Euc(k+(p-1)Δt*|k)超级电容在k时刻预测k+(p-1)Δt*时间段储存的电能；ΔPbat,ch(k+jΔt*|k)为k时刻预测k+pΔt*时刻电池充电功率增量，ΔPbat,dis(k+jΔt*|k)为k时刻预测k+pΔt*时刻电池放电功率增量；ΔPuc,ch(k+jΔt*|k)为k时刻预测k+pΔt*时刻超级电容充电功率增量，ΔPuc,dis(k+jΔt*|k)为k时刻预测k+pΔt*时刻拆机电容放电功率增量，
Figure BDA0002403465210000129
和
Figure BDA00024034652100001210
均为二进制变量，以保证日内调整后电池以及超级电容的充电和放电不能同时进行。
步骤8：根据步骤5得到的目标函数和步骤7得到的约束条件，建立预测控制的二次规划模型，利用优化软件，例如Matlab环境下的混合整数优化求解器CPLEX，求解步骤该二次规划，得到k+1,k+2,…,k+N时刻混合储能装置的输出功率调整量序列，并将混合储能装置的输出功率调整量序列的第一个值应用到混合储能装置的控制系统。
步骤9：在k+1时刻，更新牵引变电所牵引侧实际功率，混合储能装置实际充放电功率、混合储能装置荷电状态、光伏实际输出功率，重复步骤6到步骤8，不断滚动向前优化，即完成牵引供电系统日内能量管理优化。为表征系统日式实际运行与日前计划的偏离程度，定义平均相对偏差(AVE)为一次优化时域内牵引变电所电网侧进线功率日内实际值与日前计划值的偏差绝对值得与日前计划值的比率之和的平均值：
Figure BDA0002403465210000131
式中，Pgrid,intra为牵引变电所电网侧进线功率日内实际值，Pgrid,ref为日前优化求得的牵引变电所电网侧进线功率参考值，M为优化时域内的时间段数。
实施例
本发明中集成混合储能装置与光伏的电气化铁路牵引供电系统拓扑结构如图1所示，其储能系统参数如表1所示：
表1储能系统参数
Figure BDA0002403465210000132
其他部分参数，光伏发电站光伏面积为10000m2，光伏效率12％，光伏变流器容量2MVA；背靠背变流器电网侧容量为25MVA，牵引侧容量为30MVA。
以既有牵引供电系统(牵引变电所出口有分相的牵引供电系统模型)和本发明方法日前优化进行对比；两种模型中高铁线路、列车以及时刻表参数保持一致，牵引所负荷数据由负荷过程仿真软件计算得到，例如ELBAS/WEBANET软件。
传统牵引供电系统电费成本计算方法如下：
Figure BDA0002403465210000133
Figure BDA0002403465210000134
式中：
Figure BDA0002403465210000135
和
Figure BDA0002403465210000136
分别为牵引所左、右供电臂消耗有功功率；
Figure BDA0002403465210000137
为传统牵引供电模式15分钟内牵引所平均负荷，
Figure BDA0002403465210000138
和
Figure BDA0002403465210000139
为牵引所左、右供电臂反馈回电网有功功率。
经过仿真计算后，其结果如表2所示。
表2优化结果
Figure BDA0002403465210000141
表2展现了两种方法下的单个牵引变电所的计算结果；根据表2可知，集成了混合储能装置和光伏的牵引供电系统日前能量管理优化方法，每日电费成本远小于传统牵引供电系统优化方法，电度电费减少了21.3％，需量电费减少了38.7％，反馈电网电费减少了91％，总成本减少了32.7％。传统牵引供电系统中反馈回电网电费由列车再生制动能量造成，反馈回电网电费的降低表明了列车再生制动能量率提高。
两种方法，两小时时间段内的电网侧进线功率曲线如图3所示；由图3和表2可以看出本发明方法，即集成了混合储能装置与光伏的牵引供电系统的能量管理优化方法，可以实现电费成本最优化。
以单一时间尺度能量管理策略和本发明方法日前-日内多时间尺度能量管理优化方法进行对比，日内光伏输出和牵引负荷预测误差服从正态分布，经过仿真计算后，两小时时间段内单一时间尺度能量管理优化电网侧进线功率曲线如图4所示，本发明提出的日前日内多时间尺度能量管理优化电网侧进线功率曲线如图5所示。
两种方法的平均相对偏差如表3所示：
表3两种方法平均相对偏差
Figure BDA0002403465210000142
由图4、图5和表2可以看出本发明方法，集成了光伏和混合储能装置的柔性牵引供电系统的多时间尺度的能量管理优化方法，减小了光伏和牵引负荷预测误差造成的供电偏差，降低了光伏的不确定性和牵引负荷的随机波动性的影响。
本发明考虑将光伏发电系统以及混合储能系统接入柔性牵引供电系统的背靠背变流器的直流环节，使用日前经济运行与日内误差校正的多时间尺度能量管理优化方法，实现对牵引负荷进行削峰填谷以及光伏的就近消纳，降低铁路运营部门电费成本；同时计及光伏的不确定性和牵引负荷的随机波动性，消除光伏和牵引负荷预测误差造成的供电偏差，使该牵引供电系统能量管理方法更加贴近实际，为未来电气化铁路中储能系统和可再生能源的接入与工程应用提供基础。

Claims (6)

1.含光伏与混合储能装置的柔性牵引供电系统能量管理方法，其特征在于，将能量管理优化过程分为日前和日内两个时间尺度，具体包括以下步骤：
步骤1：在日前优化阶段，获取牵引变电所负荷过程数据和光伏预测输出功率；
步骤2：根据电费参数和步骤1得到的牵引变电所负荷过程数据和光伏预测输出功率，建立日前优化模型的目标函数；
步骤3：根据混合储能装置和光伏系统的容量、功率参数，基于步骤1得到的牵引变电所负荷过程数据和光伏预测输出功率，建立日前优化模型的约束条件，并将优化模型的约束条件线性化；
步骤4：根据步骤2得到的目标函数和步骤3得到的约束条件，建立混合整数规划模型，求解得到混合储能装置最优充放电功率、混合储能装置荷电状态、背靠背变流器最优潮流功率，即完成牵引供电系统日前能量优化管理；
步骤5：在日内优化阶段，将步骤4求解得到的背靠背变流器最优潮流功率作为参考，建立日内优化模型的目标函数；
步骤6：采集第k时刻牵引变电所牵引侧实际功率，混合储能装置实际充放电功率、混合储能装置荷电状态，光伏实际输出功率，并获取牵引负荷和光伏输出的超短期预测误差序列；
步骤7：根据混合储能装置的功率参数以及剩余容量，基于步骤6得到的牵引负荷和光伏输出的超短期预测误差，建立日内优化模型的约束条件；
步骤8：根据步骤5得到的目标函数和步骤7得到的约束条件，建立预测控制模型，求解得到k+1,k+2,…,k+N时刻混合储能装置的输出功率调整量序列，并将混合储能装置的输出功率调整量序列的第一个值应用到混合储能装置的控制系统；
步骤9：在k+1时刻，更新牵引变电所牵引侧实际功率，混合储能装置实际充放电功率、混合储能装置荷电状态、光伏实际输出功率，重复步骤6到步骤8，不断向前优化。
2.根据权利要求1所述的含光伏与混合储能装置的柔性牵引供电系统能量管理方法，其特征在于，所述步骤2中的目标函数为：
Figure FDA0002403465200000011
式中：f为目标函数，表示牵引变电所日电费成本，t为时间段，
Figure FDA0002403465200000012
为t时间段内电度电费单价，πdem为需量电费单价，
Figure FDA0002403465200000013
为t时间段内反馈至公共电网的电费单价；
Figure FDA0002403465200000014
为15分钟内柔性牵引供电系统平均负荷，
Figure FDA0002403465200000015
为由公共电网输入到柔性牵引供电系统的有功功率，
Figure FDA0002403465200000021
为由柔性牵引供电系统反馈至公共电网的有功功率；
其中：
Figure FDA0002403465200000022
式中：T为一天内总的时间段数。
3.根据权利要求1所述的含光伏与混合储能装置的柔性牵引供电系统能量管理方法，其特征在于，所述步骤3中的约束条件包括功率平衡约束、混合储能系统约束、光伏发电约束和背靠背变流器约束，具体为：
功率平衡约束条件：
Figure FDA0002403465200000023
式中：
Figure FDA0002403465200000024
为由公共电网输入到柔性牵引供电系统的网侧变流器有功功率，
Figure FDA0002403465200000025
为由牵引供电系统网侧变流器反馈至公共电网的有功功率；
Figure FDA0002403465200000026
为电池的放电功率，
Figure FDA0002403465200000027
为电池的充电功率，
Figure FDA0002403465200000028
为超级电容的放电功率，
Figure FDA0002403465200000029
为超级电容的充电功率，
Figure FDA00024034652000000210
为光伏发电的有功输出；
Figure FDA00024034652000000211
为柔性牵引供电系统牵引侧变流器牵引负荷的有功功率，
Figure FDA00024034652000000212
为再生制动的有功功率；
混合储能系统约束条件：
Figure FDA00024034652000000213
Figure FDA00024034652000000214
Figure FDA00024034652000000215
Figure FDA00024034652000000216
Figure FDA00024034652000000217
Figure FDA00024034652000000218
Figure FDA00024034652000000219
Figure FDA00024034652000000220
式中：κbat为电池的自放电率，κuc为超级电容的自放电率，,
Figure FDA00024034652000000221
为电池的放电效率，
Figure FDA00024034652000000222
为电池的充电效率，
Figure FDA00024034652000000223
为超级电容的放电效率，
Figure FDA00024034652000000224
为超级电容的充电效率，Δt为单位时间段，
Figure FDA0002403465200000031
为电池在t-1时间段储存的电能，
Figure FDA0002403465200000032
为电池在t时间段储存的电能；
Figure FDA0002403465200000033
为超级电容在t-1时间段储存的电能，
Figure FDA0002403465200000034
为超级电容在t时间段储存的电能；
Figure FDA0002403465200000035
为电池额定功率，
Figure FDA0002403465200000036
为超级电容额定功率，
Figure FDA0002403465200000037
为电池最小荷电状态，
Figure FDA0002403465200000038
为电池最大荷电状态，
Figure FDA0002403465200000039
为电池额定容量，
Figure FDA00024034652000000310
为超级电容额定容量，
Figure FDA00024034652000000311
为超级电容最小荷电状态，
Figure FDA00024034652000000312
为超级电容最大荷电状态；
Figure FDA00024034652000000313
为每日初始时段电池储存的电能，
Figure FDA00024034652000000314
为每日最后时段电池储存的电能，
Figure FDA00024034652000000315
为每天初始荷电状态，
Figure FDA00024034652000000316
为每日初始时段超级电容储存的电能，
Figure FDA00024034652000000317
为每日最后时段超级电容储存的电能，
Figure FDA00024034652000000318
为超级电容每天初始荷电状态；
Figure FDA00024034652000000319
和
Figure FDA00024034652000000320
均为二进制变量，以保证电池以及超级电容的充电和放电不能同时进行；
光伏发电约束：
Figure FDA00024034652000000321
式中：ηpv为光伏发电效率，Apv为光伏面板面积，
Figure FDA00024034652000000322
为日内各时刻光照强度；
背靠背变流器约束：
Figure FDA00024034652000000323
Figure FDA00024034652000000324
Figure FDA00024034652000000325
Figure FDA00024034652000000326
式中：
Figure FDA00024034652000000327
为背靠背变流器公共电网侧的容量，
Figure FDA00024034652000000328
为背靠背变流器牵引侧的容量。
4.根据权利要求1所述的含光伏与混合储能装置的柔性牵引供电系统能量管理方法，其特征在于，所述步骤3中约束条件线性化方法如下：
公式(1)中需量电费线性化后为下式：
Figure FDA00024034652000000329
Figure FDA00024034652000000330
式中：Ppeak为辅助变量；
公式(10)线性化后为下式：
Figure FDA00024034652000000331
式中：
Figure FDA0002403465200000041
和
Figure FDA0002403465200000042
均为二进制辅助变量，以保证电池以及超级电容的充电和放电不能同时进行；
公式(13)公式(15)线性化后如下：
Figure FDA0002403465200000043
Figure FDA0002403465200000044
Figure FDA0002403465200000045
Figure FDA0002403465200000046
式中：
Figure FDA0002403465200000047
和
Figure FDA0002403465200000048
均为二进制辅助变量，以保证同一时刻通过变流器的功率输出为单向输出。
5.根据权利要求1所述的含光伏与混合储能装置的柔性牵引供电系统能量管理方法，其特征在于，所述步骤5中目标函数如下：
Figure FDA0002403465200000049
式中，
Figure FDA00024034652000000410
为k+pΔt*时刻柔性牵引供电系统电网侧进线功率参考值，
Figure FDA00024034652000000411
为k+pΔt*时刻电池荷电状态参考值，
Figure FDA00024034652000000412
为超级电容k+pΔt*时刻荷电状态参考值，
Figure FDA00024034652000000413
为k时刻预测k+pΔt*时刻柔性牵引供电系统网侧进线功率，
Figure FDA00024034652000000414
为k时刻预测k+pΔt*时刻电池荷电状态，
Figure FDA00024034652000000415
为k时刻预测k+pΔt*时刻超级电容荷电状态，
Figure FDA00024034652000000416
为k时刻预测k+pΔt*时刻电池输出功率增量，
Figure FDA00024034652000000417
为k时刻预测k+pΔt*时刻超级电容输出功率增量；ωp为电网侧进线功率追踪误差权重系数，ωbat为电池荷电状态追踪误差权重系数，ωuc为超级电容荷电状态追踪误差权重系数；λbat为电池输出功率增量权重系数；λuc为超级电容输出功率增量权重系数，Δt*为日内优化单位时间段。
6.根据权利要求1所述的含光伏与混合储能装置的柔性牵引供电系统能量管理方法，其特征在于，所述步骤7中约束条件如下：
功率平衡约束：
Figure FDA0002403465200000051
式中，Ppv(k)为k时刻采集得到的光伏输出功率，Ptl(k)为k时刻采集的柔性牵引供电系统牵引侧功率，Pbat(k)为k时刻采集到的的电池输出功率，Puc(k)为k时刻采集的超级电容输出功率，ΔPpv(k+jΔt*|k)为k时刻预测(k+(j-1)Δt*,k+jΔt*]时段的光伏输出功率预测误差，ΔPtl(k+jΔt*|k)为k时刻预测(k+(j-1)Δt*,k+jΔt*]时段的牵引负荷预测误差；
混合储能系统约束条件：
Figure FDA0002403465200000052
Figure FDA0002403465200000053
Figure FDA0002403465200000054
Figure FDA0002403465200000055
Figure FDA0002403465200000056
Figure FDA0002403465200000057
Figure FDA0002403465200000058
Figure FDA0002403465200000059
ΔPbat(k+jΔt*|k)＝ΔPbat,dis(k+jΔt*|k)-ΔPbat,ch(k+jΔt*|k) (33)
ΔPuc(k+jΔt*|k)＝ΔPuc,dis(k+jΔt*|k)-ΔPuc,ch(k+jΔt*|k) (34)
式中，Ebat(k+pΔt*|k)为电池在k时刻预测k+pΔt*时间段储存的电能，Ebat(k+(p-1)Δt*|k)电池在k时刻预测k+(p-1)Δt*时间段储存的电能；Euc(k+pΔt*|k)为超级电容在k时刻预测k+pΔt*时间段储存的电能，Euc(k+(p-1)Δt*|k)超级电容在k时刻预测k+(p-1)Δt*时间段储存的电能；ΔPbat,ch(k+jΔt*|k)为k时刻预测k+pΔt*时刻电池充电功率增量，ΔPbat,dis(k+jΔt*|k)为k时刻预测k+pΔt*时刻电池放电功率增量；ΔPuc,ch(k+jΔt*|k)为k时刻预测k+pΔt*时刻超级电容充电功率增量，ΔPuc,dis(k+jΔt*|k)为k时刻预测k+pΔt*时刻拆机电容放电功率增量，
Figure FDA0002403465200000061
和
Figure FDA0002403465200000062
均为二进制变量，以保证日内调整后电池以及超级电容的充电和放电不能同时进行。
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