CN113054751A - 基于信息交互的城轨交通车地储能系统协调优化方法 - Google Patents

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Abstract

基于信息交互的城轨交通车地储能系统协调优化方法，针对牵引变电站安装有地面储能系统、同时列车上安装有车载储能系统的场景，基于线路条件、列车运行图以及牵引制动特性曲线，通过优化模型以及潮流解析得到牵引变电站、车载储能系统和地面储能系统的离线状态参数；利用通信手段，监测城轨列车、车载储能系统、地面储能系统以及牵引变电站的实时状态参数；基于实时状态参数与离线状态参数之间的偏差，实时调整控制车、地储能系统，对制动列车的再生制动能量进行高效吸收，减小能量浪费与隧道温升，同时抑制网压波动、减小变电站峰值输出功率，并且在供电系统故障时可对列车实施紧急牵引及辅助系统紧急供电。

Description

基于信息交互的城轨交通车地储能系统协调优化方法
技术领域
本发明涉及城市轨道交通再生制动能量高效利用领域，更具体地，涉及基于信息交互的城轨交通车地储能系统协调优化方法。
背景技术
为了解决交通拥堵、环境污染等社会问题，大力发展速度快、运量大、高效环保、安全可靠的城市轨道交通已成为全社会的共识。但是随着城市轨道交通线网规模的快速增长，其能耗问题也日益突出。在我国建设资源节约型、环境友好型社会的大背景下，对城轨系统进行节能降耗具有显著的经济效益和重要的生态效益。
由于城轨列车具有站间运行距离短、启停频繁等特点，其在制动阶段会产生大量的制动能量。按照能量转移方式的不同，可将制动方式分为两类：空气制动和再生制动。空气制动是以压缩空气为动力源，通过一系列拉杆和杠杆作用迫使闸瓦压向车轮，利用闸瓦和车轮踏面间的摩擦产生制动力。再生制动是在列车制动工况下将电动机切换成发电机，利用列车的惯性带动电动机转子旋转，从而将列车的动能转化为电能。
由于空气制动是通过机械摩擦产生制动力，在其被投入使用的过程中会产生闸瓦磨损、粉尘污染、隧道温升等问题，增加了城轨列车的维护成本和运营成本。另一方面，在列车自动运行系统(Automatic Train Operation，ATO)逐渐普及的背景下，投入空气制动会影响城轨列车的停车精度，阻碍列车的正常运行。因此，完全取消空气制动是未来城轨系统的发展趋势。
针对列车再生制动能量的利用，如果邻近的牵引列车无法对其进行完全吸收，则需要投入制动电阻来消耗多余的再生制动能量。这种方式会造成能量的极大浪费且散发的热量会导致隧道内温度的升高，进一步增加环控系统的运行耗电量，与节能环保的主题相悖。因此，如何高效利用城轨列车的再生制动能量成为城轨系统节能降耗的关键所在。
随着电力电子技术以及储能技术的快速发展，将储能装置引入城轨系统成为近年来的研究热点。根据安装位置的差异，储能系统在城轨线路中的应用分为地面式和车载式两种。
地面式储能系统安装于变电所或线路沿线，其安装维护不会影响列车运行且空间和重量限制较小。但是由于线路阻抗引起的电压降，当制动列车距离储能系统较远时，会出现制动能量无法传输至储能系统的现象，造成能量的浪费。
车载式储能系统安装于城轨列车的顶部或者底部，可以更好地匹配列车的运行特性甚至实现车辆的无网运行。而且车载式储能系统的能量传输不受距离的约束，可以实现再生制动能量的快速吸收。除此之外，车载储能系统还可以在供电系统故障时对列车实施紧急牵引。然而其安装受限于车辆的重量和体积，因此配置的容量有限，难以充分满足城轨列车再生制动能量回收的需求。
目前世界范围内储能系统在城轨领域的应用可分为以下三类：一是以吸收再生制动能量为目的，对地面/车载储能系统进行单一的设计与控制，例如：专利申请CN107895960提出采用强化学习的方法对城轨系统中的地面储能装置进行优化控制；专利申请CN109787364提出采用固定功率比例策略、固定功率阈值策略、基于能量交互的固定功率比例/阈值策略对城轨车载储能系统进行能量管理。二是出于其他目的将车-地储能系统应用于城轨领域，例如专利申请CN111806235公开一种车地一体储能系统及控制方法主要用于列车在极端情况下的应急供电；专利申请CN108988447提出利用车-地储能装置为到站后的储能式有轨电车进行联合充电。三是提出利用车-地储能系统吸收列车再生制动能量的概念，但是未考虑车载-地面储能系统间、多个地面储能系统间、储能系统与变电站、列车之间的耦合关系。例如专利申请CN109617207只是提出在预测到地面无法吸收剩余再生制动能量时开启车载超级电容储能模式，但是未考虑不同储能系统间、储能系统与列车、变电所之间的信息交互。
专利申请CN106809027公开了列车的制动回收系统和方法以及采用该制动回收系统的列车，实现车载储能系统(双向DC/DC变换器和超级电容)和地面储能系统(开关柜和蓄电池模块)对制动能量回收存储，并且制动能量在车载储能系统、地面储能系统以及牵引站之间的分配是由控制器根据牵引网电压与预设电压阈值之间的关系来控制的，然而面向多列车应用场景时，控制电压阈值较多造成控制系统复杂；车载储能系统和地面储能系统之间，各控制器根据预设阈值离散化操作，对于牵引电网电压的变化无法给出协调优化控制策略，因此会出现再生失效故障。
因此，对城轨交通车地储能系统之间的功率协调优化方法进行研究，实现不同运行状态下再生制动能量的回收及利用，具有较高的社会效益和经济效益。
发明内容
为解决现有技术中存在的不足，本发明的目的在于，提供一种基于信息交互的城轨交通车地储能系统协调优化方法，通过储能系统间、储能系统与牵引变电站、列车间的信息共享，优化牵引供电系统中的能量流动，实现再生制动能量的回收及利用，避免再生失效的发生。
本发明采用如下的技术方案。
基于信息交互的城轨交通车地储能系统协调优化方法，适用于牵引变电站安装有地面储能系统，同时列车上安装车载储能系统的场景，基于线路条件、列车运行图以及牵引制动特性曲线，通过优化模型以及潮流解析得到牵引变电站、车载储能系统和地面储能系统的离线状态参数；
基于信息交互，实现由控制中心获取城轨列车、车载储能系统、地面储能系统以及牵引变电站的实时状态参数，基于实时状态参数与离线状态参数之间的偏差，控制中心实时调整车载储能系统、地面储能系统以及列车间交互的功率分配值，控制车载储能系统和地面储能系统对制动列车的再生制动能量进行吸收。
优选地，
列车的状态参数包括：速度、位置、功率；
车载储能系统和地面储能系统的状态参数包括：电压、荷电状态；
牵引变电站的状态参数包括：空载电压。
协调优化方法的步骤如下：
步骤1，基于线路条件、列车运行图以及牵引制动特性曲线建立离线状态参数的优化模型，对车载储能系统、各地面储能系统的容量进行优化配置，同时对车载储能系统、各地面储能系统以及列车间交互的功率分配进行离线优化，获取各时刻下城轨列车、车载储能系统、地面储能系统以及牵引变电站的离线状态参数；
步骤2，基于信息交互，由控制中心获取某时刻下城轨交通各子系统中，列车、车载储能系统、地面储能系统以及牵引变电站的实时状态参数；
步骤3，当各子系统中，实时状态参数与离线状态参数的偏差超出设定阈值时，由控制中心对车载储能系统、各地面储能系统以及列车间交互的功率分配进行实时优化，更新功率分配值；
步骤4，基于信息交互，城轨列车、车载储能系统、地面储能系统从控制中心获取更新的功率分配值；
步骤5，车载储能系统、各地面储能系统根据更新的功率分配值，分别对车载储能系统、地面储能系统的DC/DC变换器进行控制，从而实现列车再生制动能量的吸收利用。
优选地，在步骤1中，离线状态参数的优化模型满足以下关系式：
min F＝Cw(nwsi,nwpi)+Co(nos,nop)+Cwdd(nwsi,nwpi)+Codd(nos,nop)+Ce
s.t.Pbk＝∑Pwi+Po+Pm
SOCmin≤SOC≤SOCmax
|iess|≤Ilim
Umin≤ULine≤Umax
KVL方程
VCR方程
式中，
F为离线优化模型的目标函数，表示线路年均成本，包括：
地面储能系统的成本Cw、车载储能系统的成本Co；地面储能系统DC/DC变换器的成本Cwdd、车载储能系统DC/DC变换器的成本Codd；年度电费成本Ce；
nwsi表示地面储能系统中储能元件的串联数量，
nwpi表示地面储能系统中储能元件的并联数量，
其中，nwsi、nwpi均为地面储能系统成本Cw的决策变量，nwsi、nwpi也均为地面储能系统DC/DC变换器的成本Cwdd的决策变量，
nos表示车载储能系统中储能元件的串联数量，
nop表示车载储能系统中储能元件的并联数量，
其中，nos、nop均为车载储能系统的成本Co的决策变量，nos、nop也均为车载储能系统DC/DC变换器的成本Codd的决策变量，
Pwi表示地面储能系统分配的功率，为中间变量，
Po表示车载储能系统分配的功率，为中间变量，
Pm表示列车之间交互的功率，为中间变量，
Pbk表示列车的制动功率，
其中，Pwi、Po、Pm、Pbk均为离线状态参数，
iess表示储能系统工作时的充放电电流，
Ilim表示储能系统的最大充放电电流，该值与储能系统安装位置无关，仅与储能系统的设计参数有关，
SOCmin表示储能系统工作的荷电状态下限，
SOCmax表示储能系统工作的荷电状态上限；
ULine表示牵引网电压，
Umin表示牵引网电压的下限，
Umax表示牵引网电压的上限，
KVL方程表示牵引供电系统需要满足的基尔霍夫电压方程约束；
VCR方程表示牵引供电系统各个电路元件需要满足的电压-电流约束方程。
优选地，步骤2包括：
步骤2.1，利用通信手段，控制中心采集当前采样时刻下，列车的实时速度、实时位置和实时功率；
步骤2.2，利用通信手段，控制中心还要采集当前采样时刻下，车载储能系统的实时电压和实时荷电状态、地面储能系统的实时电压和实时荷电状态；
步骤2.3，利用通信手段，控制中心还要采集当前采样时刻下，牵引变电站的实时空载电压；
步骤2.4，控制中心对所采集的实时状态参数进行降噪处理及存储操作。
优选地，步骤3包括：
步骤3.1，设定各状态参数的偏差阈值；
步骤3.2，计算各子系统的实时状态参数与离线状态参数之间的偏差；
步骤3.3，当实时状态参数与离线状态参数的偏差超出设定阈值时，将各子系统的实时状态参数输入到功率分配的实时优化模型中，更新功率分配结果。
在步骤3.3中，功率分配的实时优化模型满足如下关系式：
min G＝G1+G2
Figure BDA0002992550780000061
Figure BDA0002992550780000062
SOCmin≤SOC≤SOCmax
|iess|≤Ilim
Umin≤ULine≤Umax
KVL方程
VCR方程
式中，
G为功率分配的实时优化模型的目标函数，包含G1、G2两部分，
G1表示t时刻列车产生的再生制动功率与各子系统实时吸收的再生制动功率的差值的绝对值，
G2表示各子系统实时更新后的功率分配值与离线计算的功率分配值的差值的绝对值之和，
P* bk(t)表示t时刻下列车的实时制动功率，
P* wi(t)表示t时刻下地面储能系统分配的实时功率，
P* o(t)表示t时刻下车载储能系统分配的实时功率，
P* m(t)表示t时刻下列车之间交互的实时功率，
Pwi(t)表示t时刻下地面储能系统分配的离线功率，
Po(t)表示t时刻下车载储能系统分配的离线功率，
Pm(t)表示t时刻下列车之间交互的离线功率，
其中，P* bk(t)、P* wi(t)、P* o(t)、P* m(t)均为更新后的实时状态参数，Pwi(t)、Po(t)、Pm(t)均为离线状态参数；
iess表示储能系统工作时的充放电电流，
Ilim表示储能系统的最大充放电电流，该值与储能系统安装位置无关，仅与储能系统的设计参数有关，
SOCmin表示储能系统工作的荷电状态下限，
SOCmax表示储能系统工作的荷电状态上限；
ULine表示牵引网电压，
Umin表示牵引网电压的下限，
Umax表示牵引网电压的上限，
KVL方程表示牵引供电系统需要满足的基尔霍夫电压方程约束；
VCR方程表示牵引供电系统各个电路元件需要满足的电压-电流约束方程。
优选地，步骤4包括：
步骤4.1，利用通信手段，控制中心将当前时刻下更新的列车间交互的功率分配值发送给城轨列车；
步骤4.2，利用通信手段，控制中心将当前时刻下更新的车载储能系统功率分配值发送给车载储能系统；
步骤4.3，利用通信手段，控制中心将当前时刻下更新的地面储能系统功率分配值发送给地面储能系统。
优选地，
控制中心通过控制车载储能系统DC/DC变换器和地面储能系统DC/DC变换器，对制动列车的再生制动能量进行吸收；
DC/DC变换器采用功率外环、电流内环的双环反馈控制策略。
优选地，
车载储能系统、地面储能系统的储能元件包括但不限于电池、超级电容、锂电容、飞轮及它们的混合。
本发明的有益效果在于，与现有技术相比：
1、采用车载储能系统取代车载制动电阻用于城轨列车再生制动能量的回收，减小能量浪费以及隧道温升的同时可以抑制网压波动，减小变电站峰值输出功率，还可以在供电系统故障时对列车实施紧急牵引以及辅助系统紧急供电；
2、将车载储能系统与地面储能系统同时引入城市轨道交通，可以同时发挥车、地储能系统的各自优势，在突破车辆对储能装置体积、重量限制的同时，还可以减小传输距离对再生制动能量吸收的影响，充分满足城轨列车再生制动能量回收的需求，实现节能稳压、改善列车运行性能、减小机械制动系统维护成本的目的；
3、利用通信手段实现城轨各子系统间的信息共享，通过不同系统间的实时信息交换，对储能系统进行协调优化控制，从而避免再生失效的发生。
附图说明
图1为本发明优先实施例中，城轨交通牵引供电系统构成示意图；
图2为本发明基于信息交互的城轨交通车地储能系统协调优化方法的流程图；
图3为本发明基于信息交互的城轨交通车地储能系统协调优化方法的功率分配控制示意图；
图4为本发明基于信息交互的城轨交通车地储能系统协调优化方法中各储能装置DC/DC变换器的控制图。
具体实施方式
下面结合附图对本申请作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本申请的保护范围。
本发明实施例中的城轨交通牵引供电系统构成如图1所示，该线路设置多座10kV/35kV牵引变电站，在每座牵引变电站配置地面储能系统；牵引电网中同时接入多辆列车，每辆列车上均配置车载储能系统，并且取消列车的车载制动电阻。
基于信息交互的城轨交通车地储能系统协调优化方法，适用于牵引变电站安装有地面储能系统，同时列车上安装车载储能系统的场景，基于线路条件、列车运行图以及牵引制动特性曲线，通过优化模型以及潮流解析得到牵引变电站、车载储能系统和地面储能系统的离线状态参数。
基于信息交互，实现由控制中心获取城轨列车、车载储能系统、地面储能系统以及牵引变电站的实时状态参数，基于实时状态参数与离线状态参数之间的偏差，控制中心实时调整车载储能系统、地面储能系统以及列车间交互的功率分配值，控制车载储能系统和地面储能系统对制动列车的再生制动能量进行吸收。
本优选实施例中，信息交互的内容包括：
(1)控制中心获取列车、车载储能系统、地面储能系统以及牵引变电站的实时状态参数；
(2)列车、车载储能系统、地面储能系统以及牵引变电站从控制中心获取功率分配值。
具体地，
列车的状态参数包括：速度、位置、功率；
车载储能系统和地面储能系统的状态参数包括：电压、荷电状态；
牵引变电站的状态参数包括：空载电压。
本发明优选实施例中，离线状态参数与实时状态参数中的变量相同，均为列车的速度、位置、功率、储能系统的电压、荷电状态(SOC)、变电站空载电压等，离线状态参数为离线状态下根据线路条件、列车运行图以及牵引制动特性曲线离线计算得到的各变量数值；而实时状态参数则是利用通信手段实时获得的各变量数值。
值得注意的是，本领域技术人员可以任意选择列车、车载储能系统、地面储能系统以及牵引变电站中不同类型的状态参数，本发明中使用的状态参数仅是一种优选但非限制性的实施方式，本领域技术人员可以选择更多或者更少的状态参数，并且以上状态参数的替代均落入本发明的发明构思范围之内。
如图2，协调优化方法的步骤如下：
步骤1，基于线路条件、列车运行图以及牵引制动特性曲线建立离线状态参数的优化模型，对车载储能系统、各地面储能系统的容量进行优化配置，同时对车载储能系统、各地面储能系统以及列车间交互的功率分配进行离线优化，获取各时刻下城轨列车、车载储能系统、地面储能系统以及牵引变电站的离线状态参数。
具体地，在步骤1中，离线状态参数的优化模型满足以下关系式：
min F＝Cw(nwsi,nwpi)+Co(nos,nop)+Cwdd(nwsi,nwpi)+Codd(nos,nop)+Ce
s.t.Pbk＝∑Pwi+Po+Pm
SOCmin≤SOC≤SOCmax
|iess|≤Ilim
Umin≤ULine≤Umax
KVL方程
VCR方程
式中，
F为离线状态参数优化模型的目标函数，表示线路年均成本，包括：
地面储能系统的成本Cw、车载储能系统的成本Co；地面储能系统DC/DC变换器的成本Cwdd、车载储能系统DC/DC变换器的成本Codd；年度电费成本Ce；
nwsi表示地面储能系统中储能元件的串联数量，
nwpi表示地面储能系统中储能元件的并联数量，
其中，nwsi、nwpi均为地面储能系统成本Cw的决策变量，nwsi、nwpi也均为地面储能系统DC/DC变换器的成本Cwdd的决策变量，
nos表示车载储能系统中储能元件的串联数量，
nop表示车载储能系统中储能元件的并联数量，
其中，nos、nop均为车载储能系统的成本Co的决策变量，nos、nop也均为车载储能系统DC/DC变换器的成本Codd的决策变量，
Pwi表示地面储能系统分配的功率，为中间变量，
Po表示车载储能系统分配的功率，为中间变量，
Pm表示列车之间交互的功率，为中间变量，
Pbk表示列车的制动功率，
其中，Pwi、Po、Pm、Pbk均为离线状态参数，
iess表示储能系统工作时的充放电电流，
Ilim表示储能系统的最大充放电电流，该值与储能系统安装位置无关，仅与储能系统的设计参数有关，
SOCmin表示储能系统工作的SOC下限，
SOCmax表示储能系统工作的SOC上限；
ULine表示牵引网电压，
Umin表示牵引网电压的下限，
Umax表示牵引网电压的上限，
KVL方程表示牵引供电系统需要满足的基尔霍夫电压方程约束；
VCR方程表示牵引供电系统各个电路元件需要满足的电压-电流约束方程。
步骤2，基于信息交互，由控制中心获取某时刻下城轨交通各子系统中，列车、车载储能系统、地面储能系统以及牵引变电站的实时状态参数。
如图3，本发明优选实施例中，在牵引变电站、地面储能系统、车载储能系统内均配置有数据采集装置，该装置按照控制中心模块发出的采集信号实现实时状态参数的采集以及远传，所采集的实时状态参数依据参数来源、采样时刻进行编码，该编码具有唯一性。
具体地，步骤2包括：
步骤2.1，利用通信手段，控制中心采集当前采样时刻下，列车的实时速度、实时位置和实时功率；
本优选实施例中，列车的实时功率为列车制动所需的实时功率。
步骤2.2，利用通信手段，控制中心还要采集当前采样时刻下，车载储能系统的实时电压和实时荷电状态、地面储能系统的实时电压和实时荷电状态；
步骤2.3，利用通信手段，控制中心还要采集当前采样时刻下，牵引变电站的实时空载电压；
步骤2.4，控制中心对所采集的实时状态参数进行降噪处理及存储操作。
步骤3，当各子系统中，实时状态参数与离线状态参数的偏差超出设定阈值时，由控制中心对车载储能系统、各地面储能系统以及列车间交互的功率分配进行实时优化，更新功率分配值。
如图3，本发明优选实施例中，牵引变电站、地面储能系统、车载储能系统内配置的数据采集装置还能够接收控制中心模块发出的储能系统功率分配值，各功率分配值根据实时状态参数的编码进行对应传送。
控制中心模块还向各储能系统发送状态信息以及控制指令，控制指令用于对车载储能系统、各地面储能系统以及列车间交互的功率分配进行实时优化，更新功率分配结果。
具体地，步骤3包括：
步骤3.1，设定各状态参数的偏差阈值；
步骤3.2，计算各子系统的实时状态参数与离线状态参数之间的偏差；
步骤3.3，当实时状态参数与离线状态参数的偏差超出设定阈值时，将各子系统的实时状态参数输入到功率分配的实时优化模型中，更新功率分配结果。
在步骤3.3中，功率分配的实时优化模型满足如下关系式：
min G＝G1+G2
Figure BDA0002992550780000121
Figure BDA0002992550780000122
SOCmin≤SOC≤SOCmax
|iess|≤Ilim
Umin≤ULine≤Umax
KVL方程
VCR方程
式中，
G为功率分配的实时优化模型的目标函数，包含G1、G2两部分，
G1表示t时刻列车产生的再生制动功率与各子系统实时吸收的再生制动功率的差值的绝对值，
G2表示各子系统实时更新后的功率分配值与离线计算的功率分配值的差值的绝对值之和，
P* bk(t)表示t时刻下列车的实时制动功率，
P* wi(t)表示t时刻下地面储能系统分配的实时功率，
P* o(t)表示t时刻下车载储能系统分配的实时功率，
P* m(t)表示t时刻下列车之间交互的实时功率，
Pwi(t)表示t时刻下地面储能系统分配的离线功率，
Po(t)表示t时刻下车载储能系统分配的离线功率，
Pm(t)表示t时刻下列车之间交互的离线功率，
其中，P* bk(t)、P* wi(t)、P* o(t)、P* m(t)均为更新后的实时状态参数，Pwi(t)、Po(t)、Pm(t)均为离线状态参数；
iess表示储能系统工作时的充放电电流，
Ilim表示储能系统的最大充放电电流，该值与储能系统安装位置无关，仅与储能系统的设计参数有关，
SOCmin表示储能系统工作的SOC下限，
SOCmax表示储能系统工作的SOC上限；
ULine表示牵引网电压，
Umin表示牵引网电压的下限，
Umax表示牵引网电压的上限，
KVL方程表示牵引供电系统需要满足的基尔霍夫电压方程约束；
VCR方程表示牵引供电系统各个电路元件需要满足的电压-电流约束方程。
步骤4，基于信息交互，城轨列车、车载储能系统、地面储能系统以及牵引变电站从控制中心获取更新的功率分配值。
具体地，步骤4包括：
步骤4.1，利用通信手段，控制中心将当前时刻下更新的列车间交互的功率分配值发送给城轨列车；
步骤4.2，利用通信手段，控制中心将当前时刻下更新的车载储能系统功率分配值发送给车载储能系统；
步骤4.3，利用通信手段，控制中心将当前时刻下更新的地面储能系统功率分配值发送给地面储能系统。
步骤5，车载储能系统、各地面储能系统根据更新的功率分配值，分别对车载储能系统、地面储能系统的DC/DC变换器进行控制，从而实现列车再生制动能量的高效吸收利用。
具体地，控制中心通过控制车载储能系统DC/DC变换器和地面储能系统DC/DC变换器，对制动列车的再生制动能量进行吸收；DC/DC变换器采用功率外环、电流内环的双环反馈控制策略。
如图4，DC/DC变换器采用功率外环、电流内环的双环反馈控制策略。其中功率外环不仅满足子系统内的功率配置，而且能够稳定牵引网电压；电流内环调节储能元件充放电电流，减小了控制复杂性、提高了控制稳定性。该控制策略下，PWM为控制输出。
具体地，车载储能系统、地面储能系统的储能元件包括但不限于电池、超级电容、锂电容、飞轮及它们的混合。
本发明的有益效果在于，与现有技术相比：
1、采用车载储能系统取代车载制动电阻用于城轨列车再生制动能量的回收，减小能量浪费以及隧道温升的同时可以抑制网压波动，减小变电站峰值输出功率，还可以在供电系统故障时对列车实施紧急牵引以及辅助系统紧急供电；
2、将车载储能系统与地面储能系统同时引入城市轨道交通，可以同时发挥车、地储能系统的各自优势，在突破车辆对储能装置体积、重量限制的同时，还可以减小传输距离对再生制动能量吸收的影响，充分满足城轨列车再生制动能量回收的需求，实现节能稳压、改善列车运行性能、减小机械制动系统维护成本的目的；
3、利用通信手段实现城轨各子系统间的信息共享，通过不同系统间的实时信息交换，对储能系统进行协调优化控制，从而避免再生失效的发生。
本发明申请人结合说明书附图对本发明的实施示例做了详细的说明与描述，但是本领域技术人员应该理解，以上实施示例仅为本发明的优选实施方案，详尽的说明只是为了帮助读者更好地理解本发明精神，而并非对本发明保护范围的限制，相反，任何基于本发明的发明精神所作的任何改进或修饰都应当落在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.基于信息交互的城轨交通车地储能系统协调优化方法，适用于牵引变电站安装有地面储能系统，同时列车上安装车载储能系统的场景，其特征在于，
基于线路条件、列车运行图以及牵引制动特性曲线，通过优化模型以及潮流解析得到牵引变电站、车载储能系统和地面储能系统的离线状态参数；
基于信息交互，实现由控制中心获取城轨列车、车载储能系统、地面储能系统以及牵引变电站的实时状态参数，基于实时状态参数与离线状态参数之间的偏差，控制中心实时调整车载储能系统、地面储能系统以及列车间交互的功率分配值，控制车载储能系统和地面储能系统对制动列车的再生制动能量进行吸收。
2.根据权利要求1所述的基于信息交互的城轨交通车地储能系统协调优化方法，其特征在于，
所述列车的状态参数包括：速度、位置、功率；
所述车载储能系统和地面储能系统的状态参数包括：电压、荷电状态；
牵引变电站的状态参数包括：空载电压。
3.根据权利要求1和2所述的基于信息交互的城轨交通车地储能系统协调优化方法，其特征在于，
所述协调优化方法的步骤如下：
步骤1，基于线路条件、列车运行图以及牵引制动特性曲线建立离线状态参数的优化模型，对车载储能系统、各地面储能系统的容量进行优化配置，同时对车载储能系统、各地面储能系统以及列车间交互的功率分配进行离线优化，获取各时刻下城轨列车、车载储能系统、地面储能系统以及牵引变电站的离线状态参数；
步骤2，基于信息交互，由控制中心获取某时刻下城轨交通各子系统中，列车、车载储能系统、地面储能系统以及牵引变电站的实时状态参数；
步骤3，当各子系统中，实时状态参数与离线状态参数的偏差超出设定阈值时，由控制中心对车载储能系统、各地面储能系统以及列车间交互的功率分配进行实时优化，更新功率分配值；
步骤4，基于信息交互，城轨列车、车载储能系统、地面储能系统从控制中心获取更新的功率分配值；
步骤5，车载储能系统、各地面储能系统根据更新的功率分配值，分别对车载储能系统、地面储能系统的DC/DC变换器进行控制，从而实现列车再生制动能量的吸收利用。
4.根据权利要求3所述的基于信息交互的城轨交通车地储能系统协调优化方法，其特征在于，
在步骤1中，所述离线状态参数的优化模型满足以下关系式：
min F＝Cw(nwsi,nwpi)+Co(nos,nop)+Cwdd(nwsi,nwpi)+Codd(nos,nop)+Ce
s.t.Pbk＝∑Pwi+Po+Pm
SOCmin≤SOC≤SOCmax
|iess|≤Ilim
Umin≤ULine≤Umax
KVL方程
VCR方程
式中，
F为离线优化模型的目标函数，表示线路年均成本，包括：
地面储能系统的成本Cw、车载储能系统的成本Co；地面储能系统DC/DC变换器的成本Cwdd、车载储能系统DC/DC变换器的成本Codd；年度电费成本Ce；
nwsi表示地面储能系统中储能元件的串联数量，
nwpi表示地面储能系统中储能元件的并联数量，
其中，nwsi、nwpi均为地面储能系统成本Cw的决策变量，nwsi、nwpi也均为地面储能系统DC/DC变换器的成本Cwdd的决策变量，
nos表示车载储能系统中储能元件的串联数量，
nop表示车载储能系统中储能元件的并联数量，
其中，nos、nop均为车载储能系统的成本Co的决策变量，nos、nop也均为车载储能系统DC/DC变换器的成本Codd的决策变量，
Pwi表示地面储能系统分配的功率，为中间变量，
Po表示车载储能系统分配的功率，为中间变量，
Pm表示列车之间交互的功率，为中间变量，
Pbk表示列车的制动功率，
其中，Pwi、Po、Pm、Pbk均为离线状态参数，
iess表示储能系统工作时的充放电电流，
Ilim表示储能系统的最大充放电电流，该值与储能系统安装位置无关，仅与储能系统的设计参数有关，
SOCmin表示储能系统工作的荷电状态下限，
SOCmax表示储能系统工作的荷电状态上限；
ULine表示牵引网电压，
Umin表示牵引网电压的下限，
Umax表示牵引网电压的上限，
KVL方程表示牵引供电系统需要满足的基尔霍夫电压方程约束；
VCR方程表示牵引供电系统各个电路元件需要满足的电压-电流约束方程。
5.根据权利要求3所述的基于信息交互的城轨交通车地储能系统协调优化方法，其特征在于，
步骤2包括：
步骤2.1，利用通信手段，控制中心采集当前采样时刻下，列车的实时速度、实时位置和实时功率；
步骤2.2，利用通信手段，控制中心还要采集当前采样时刻下，车载储能系统的实时电压和实时荷电状态、地面储能系统的实时电压和实时荷电状态；
步骤2.3，利用通信手段，控制中心还要采集当前采样时刻下，牵引变电站的实时空载电压；
步骤2.4，控制中心对所采集的实时状态参数进行降噪处理及存储操作。
6.根据权利要求3所述的基于信息交互的城轨交通车地储能系统协调优化方法，其特征在于，
步骤3包括：
步骤3.1，设定各状态参数的偏差阈值；
步骤3.2，计算各子系统的实时状态参数与离线状态参数之间的偏差；
步骤3.3，当实时状态参数与离线状态参数的偏差超出设定阈值时，将各子系统的实时状态参数输入到功率分配的实时优化模型中，更新功率分配结果。
7.根据权利要求6所述的基于信息交互的城轨交通车地储能系统协调优化方法，其特征在于，
在步骤3.3中，所述功率分配的实时优化模型满足如下关系式：
min G＝G1+G2
Figure FDA0002992550770000041
Figure FDA0002992550770000042
SOCmin≤SOC≤SOCmax
|iess|≤Ilim
Umin≤ULine≤Umax
KVL方程
VCR方程
式中，
G为功率分配的实时优化模型的目标函数，包含G1、G2两部分，
G1表示t时刻列车产生的再生制动功率与各子系统实时吸收的再生制动功率的差值的绝对值，
G2表示各子系统实时更新后的功率分配值与离线计算的功率分配值的差值的绝对值之和，
P* bk(t)表示t时刻下列车的实时制动功率，
P* wi(t)表示t时刻下地面储能系统分配的实时功率，
P* o(t)表示t时刻下车载储能系统分配的实时功率，
P* m(t)表示t时刻下列车之间交互的实时功率，
Pwi(t)表示t时刻下地面储能系统分配的离线功率，
Po(t)表示t时刻下车载储能系统分配的离线功率，
Pm(t)表示t时刻下列车之间交互的离线功率，
其中，P* bk(t)、P* wi(t)、P* o(t)、P* m(t)均为更新后的实时状态参数，Pwi(t)、Po(t)、Pm(t)均为离线状态参数；
iess表示储能系统工作时的充放电电流，
Ilim表示储能系统的最大充放电电流，该值与储能系统安装位置无关，仅与储能系统的设计参数有关，
SOCmin表示储能系统工作的荷电状态下限，
SOCmax表示储能系统工作的荷电状态上限；
ULine表示牵引网电压，
Umin表示牵引网电压的下限，
Umax表示牵引网电压的上限，
KVL方程表示牵引供电系统需要满足的基尔霍夫电压方程约束；
VCR方程表示牵引供电系统各个电路元件需要满足的电压-电流约束方程。
8.根据权利要求3所述的基于信息交互的城轨交通车地储能系统协调优化方法，其特征在于，
步骤4包括：
步骤4.1，利用通信手段，控制中心将当前时刻下更新的列车间交互的功率分配值发送给城轨列车；
步骤4.2，利用通信手段，控制中心将当前时刻下更新的车载储能系统功率分配值发送给车载储能系统；
步骤4.3，利用通信手段，控制中心将当前时刻下更新的地面储能系统功率分配值发送给地面储能系统。
9.根据权利要求1所述的基于信息交互的城轨交通车地储能系统协调优化方法，其特征在于，
所述控制中心通过控制车载储能系统DC/DC变换器和地面储能系统DC/DC变换器，对制动列车的再生制动能量进行吸收；
所述DC/DC变换器采用功率外环、电流内环的双环反馈控制策略。
10.根据权利要求1所述的基于信息交互的城轨交通车地储能系统协调优化方法，其特征在于，
所述车载储能系统、地面储能系统的储能元件包括但不限于电池、超级电容、锂电容、飞轮及它们的混合。
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