CN114537150B - 高速铁路长大坡道再生制动能量混合储能优化配置方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高速铁路长大坡道再生制动能量混合储能优化配置方法，涉及轨道交通列车再生制动能量回收领域。该高速铁路长大坡道再生制动能量混合储能优化配置方法，包括储能介质1优化计算和储能介质2优化计算，其特征在于：包括以下步骤：步骤一、通过储能介质1为基础进行储能介质1优化计算；步骤二、通过储能介质2为基础进行储能介质2优化计算。通过储能回收利用列车多余再生制动能量有益于列车安全运行、减少购电成本、提升经济效益。储能介质的定容定量情况直接影响建设投资成本回收时间以及能量利用率回收效率。高速铁路长大坡道再生制动能量混合储能系统进行优化配置，可实现储能系保证能量回收的基础上最大化经济效益。

Description

高速铁路长大坡道再生制动能量混合储能优化配置方法

技术领域

本发明涉及轨道交通列车再生制动能量回收技术领域，具体为一种高速铁路长大坡道再生制动能量混合储能优化配置方法。

背景技术

在轨道交通领域，长大坡道的列车再生制动能量十分丰富但有一些弊端。从供电的角度来看，会引起牵引网电压抬升，严重的情况下甚至会造成列车电气制动失效，危害行车安全；从经济角度来看，电力企业对列车的再生制动能量采取“返送不计费”的管理方式，浪费掉的电能给铁路企业造成了一定的经济损失。若合理回收利用，日理论最大可节约电费可达近万元，回收利用再生制动能量十分必要。

储能系统在各类回收方式中，功能最为全面，应用潜力巨大。其中，混合储能系统因其同时具备超级电容及蓄电池的特性，回收优势更为突出。目前，针对在高速铁路长大坡道背景下的混合储能系统配置中，尚未出现典型的功率、容量优化配置方法。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种高速铁路长大坡道再生制动能量混合储能优化配置方法，解决了现有高速铁路长大坡道背景下的混合储能系统配置中尚未出现典型的功率、容量优化配置方法的问题。

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：一种高速铁路长大坡道再生制动能量混合储能优化配置方法，包括储能介质1优化计算和储能介质2优化计算，包括以下步骤：

步骤一、通过储能介质1为基础进行储能介质1优化计算；

步骤二、通过储能介质2为基础进行储能介质2优化计算；

所述步骤一中储能介质1优化计算方法包括以下步骤：

步骤a：储能介质1最大充电功率配置范围选定，通过曲线叠加，得到储能介质1的最大充电功率计算上限与下限；

步骤b: 制动功率曲线重造，得到各功率，所述功率均为介质最大充电功率，下可回收的制动功率曲线；

步骤c: 次制动电量计算，得到各功率下次制动可回收电量；

步骤d: 段制动电量计算，结合列车时刻表，将次再生制动数分段处理，得到储能各功率下介质每制动段累计可被回收再生制动能量；

步骤e: 容量配置范围选定，得到储能介质1容量配置范围；

步骤f: 段可回收电量计算，得到储能介质1在各功率、容量组合下每制动段可回收的电量；

步骤g: 日可回收电量计算，计算储能介质1各功率、容量组合下一日内累计可回收电量；

步骤h: 经济效益计算，得到储能介质1各功率、容量组合下的建设费用、年可回收电量电价、回本年限；

步骤i: 考虑介质寿命的取值域优化，排除储能介质1在回本周期内充放电循环次数大于循环寿命的功率、容量组合；

步骤j: 考虑回本年限的配置优化，得到储能介质1的功率、容量优化配置参数；

所述步骤二中储能介质2优化计算方法包括以下步骤：

步骤k: 峰值功率利用率计算，配置系统总功率，得到各功率占全日再生制动比例；

步骤l: 储能介质2最大充电功率配置范围选定，得到储能介质2的最大充电功率配置范围；

步骤m: 高功率段制动功率曲线拆分，得到应由储能介质2回收的部分再生制动功率曲线；

步骤n: 储能介质2优化配置，对储能介质2进行上述步骤b至步骤j计算，得到储能介质2配置优化结果；

步骤o:结果输出，输出储能介质1与储能介质2的功率—容量配置结果。

优选的，所述储能介质1容量达到设计上限E_A的时候充电停止。

优选的，所述储能介质2容量达到设计上限E_B的时候充电停止。

优选的，所述步骤一和步骤二计算时不指定混合储能系统超级电容、蓄电池计算顺序，但不可同为一种介质，即所述计算中可出现储能介质1为蓄电池、储能介质2为超级电容或储能介质1为超级电容、储能介质2为蓄电池两种计算情况。

优选的，所述步骤a中，对长大坡道的全日再生制动功率曲线进行同坐标图像叠加处理，通过图像中曲线密集区域范围确定储能介质1功率配置范围。

优选的，所述步骤一和步骤二中使用了储能介质寿命的外层优化、储能介质成本回收年限的内层优化。

优选的，所述步骤一和步骤二中储能介质成本回收年限的内层优化中，建立年限参考直线，并通过年限参考直线与备选点的成本回收年限差值选定优化结果。

优选的，所述步骤k至步骤l，通过峰值功率利用率计算确定储能介质2的最大充电功率计算范围。

优选的，所述步骤d至步骤e，通过段制动电量确定介质的容量配置范围。

本发明提供了一种高速铁路长大坡道再生制动能量混合储能优化配置方法。具备以下有益效果：

1、本发明通过采用制动功率曲线图像同坐标叠加的方法选定回收低功率段能量介质的最大充电功率计算范围；通过介质峰值功率利用率确定高功率段能量介质的最大充电功率计算范围；通过列车运行时刻表建立段制动计算方式；建立考虑介质寿命的计算取值域外层优化；考虑成本回收年限的内层优化。储能回收利用列车多余再生制动能量有益于列车安全运行、减少购电成本、提升经济效益。若储能装置配置过低，则回收能量有限，无法做到再生制动能量的高效利用；若配置过高，在运行周期内鲜有能量达到峰值，储能介质利用率低，成本回收困难。高速铁路长大坡道再生制动能量混合储能系统进行优化配置，可实现储能系保证能量回收的基础上最大化经济效益。

2、本发明通过结合列车位于长大坡道的再生制动能量与混合储能系统特性，进而得到配置混合储能系统的优化计算方法。通过该方法，突出长大坡道的再生制动能量特点，综合考虑了回收效果和经济指标，且在计算过程中，外层优化进一步减少了计算量，缩短了运算时间，在内层优化可避免进入过少配置带来的快速回本的局部最优解。优化配置计算结果综合性能更佳。

附图说明

图1为本发明的系统框图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例：

如图1所示，本发明实施例提供一种高速铁路长大坡道再生制动能量混合储能优化配置方法，包括储能介质1优化计算和储能介质2优化计算，包括以下步骤：

步骤一、通过储能介质1为基础进行储能介质1优化计算；

步骤二、通过储能介质2为基础进行储能介质2优化计算；

步骤一中储能介质1优化计算方法包括以下步骤：

步骤a：储能介质1最大充电功率配置范围选定，通过曲线叠加，得到储能介质1的最大充电功率计算上限与下限，储能介质1最大充电功率配置范围选定：将一日内所有再生制动功率曲线进行同坐标轴图像叠加，选择低功率段曲线密集区域上边界与下边界作为回收该段再生制动能量储能介质1的最大充电功率计算上限与下限；

步骤b: 制动功率曲线重造，得到各功率，所述功率均为介质最大充电功率，下可回收的制动功率曲线，制动功率曲线重造：在步骤a得到的范围内从低至高依次取值，假设共取n个值，记每次取值为功率选定值，将次制动曲线未超过选定值的部分保留，超过选定值的部分舍弃后记为选定值，即曲线最大值不超过选定值；

步骤c: 次制动电量计算，得到各功率下次制动可回收电量，次制动电量计算：对步骤b得到的重造曲线进行关于制动时长的积分，得到制动电量；

步骤d: 段制动电量计算，结合列车时刻表，将次再生制动进行段整合，得到各最大充电功率下介质每制动段累计可被回收再生制动能量，段制动电量计算：结合列车日运行时刻表，将列车产生制动后到下次出现牵引消耗的一次或几次制动记为一个制动段，同时，对含有多次制动的制动段电量进行叠加，设共得j个制动段（j ≤ i），得到j个段制动电量，其中i为全日共i次制动，经整合后得到j段制动；

步骤e: 容量配置范围选定，得到储能介质1容量配置范围，容量配置范围选定：分别选择步骤d最大值、最小值依次乘储能介质1效率、除储能介质1最大充放电深度，分别计为容量配置的上限与下限；

步骤f: 段可回收电量计算，得到储能介质1在各功率、容量组合下每制动段可回收的电量，段可回收电量计算：在步骤e得到的范围内从低至高依次取值，假设共取m个值，记每次取值为容量选定值，将选定值乘储能介质1最大充放电深度、除储能介质1效率后，依次与步骤d中的计算结果进行比较。若段制动电量小于选定值，则计该段可回收电量计为段制动电量；若段制动电量大于选定值，则计该段可回收电量计为容量选定值；

步骤g: 日可回收电量计算，计算储能介质1各功率、容量组合下一日内累计可回收电量，日可回收电量计算：将步骤f中计算结果按全日制动段次序依次累加，得到在各功率—容量取值条件下的日可回收电量，为n×m维数组；

步骤h: 经济效益计算，得到储能介质1各功率、容量组合下的建设费用、年可回收电量电价、回本年限，经济效益计算：计算在各功率—容量组合下经济指标。建设费用、年可回收电量电价、回本年限。其中：建设费用=介质容量单价（储能介质1）*容量选定值+介质功率单价（储能介质1）*功率选定值；年可回收电量电价=日可回收电量（步骤g中结果）*电度电价*365；回本年限=建设费用/年可回收电量电价；

步骤i: 考虑介质寿命的取值域优化，排除储能介质1在回本周期内充放电循环次数大于循环寿命的功率、容量组合，考虑介质寿命的取值域优化：记储能系统充放电循环寿命为y次，将计算在各功率—容量取值条件下，介质年最大深度充放电循环次数，为n×m维数组。分别乘步骤h计算中得到的回本年限，得到回本回本周期内介质最大深度充放电循环次数（n×m维数组），将其中大于y的功率—容量取值条件排除，得到新的功率—容量取值域，属于外层优化；

步骤j: 考虑回本年限的配置优化，得到储能介质1的功率、容量优化配置参数，考虑回本年限的配置优化：在步骤j的计算结果中，依次找出每个功率选定值所对应成本回收年限最低的1个容量选定值组合，得到m*2个数据点。选定上述组合所对应的回本年限的初始值（数据坐标：（1，回本年限的初始值））与末尾值（数据坐标：（m，回本年限的末尾值））建立参考直线。分别用参考直线上数据点减去上述组合所对应的回本年限，选定差值最大点为优化计算结果，即选定该数据所对应功率为储能介质1最大充电功率、容量为储能介质1配置容量，属于内层优化；

步骤二中储能介质2优化计算方法包括以下步骤：

步骤k: 峰值功率利用率计算，配置系统总功率，得到各功率占全日再生制动比例，峰值功率利用率计算：选定全日共i次制动功率曲线中最大、最小值为功率取值范围。在其中均匀选取x个功率值。逐次将该值与次制动功率曲线对比，累加计算大于次制动功率曲线的时长，并除以全日制动时长，得到介质峰值功率利用率，共得到x个峰值功率利用率；

步骤l: 储能介质2最大充电功率配置范围选定，得到储能介质2的最大充电功率配置范围，储能介质2最大充电功率配置范围选定：舍弃峰值功率利用率过小的功率值，剩余z个功率值（z≤x），选其中最大值记为最大合计值。最大合计值减去步骤j中的最大充电功率结果，得到储能介质2最大充电功率配置上限，配置下限为0；

步骤m: 高功率段制动功率曲线拆分，得到应由储能介质2回收的部分再生制动功率曲线，高功率段制动功率曲线拆分：选取步骤j中的最大充电功率结果为分界功率，记为Pth，修改全日共i次制动曲线。将曲线数值减去Pth，进一步的将计算结果中小于0的点记为0，得到新的全日共i次制动曲线，即该部分能量由储能介质2回收；

步骤n: 储能介质2优化配置，对储能介质2进行上述步骤b至步骤j计算，得到储能介质2配置优化结果，储能介质2优化配置：取步骤l的计算结果替换步骤a的结果，对步骤m的计算结果进行步骤b的计算。依次执行上述步骤b至步骤j内容，其中，储能介质1相关参数均由储能介质2替换。得到储能介质2最大充电功率、储能介质2配置容量；

步骤o:结果输出，输出储能介质1与储能介质2的功率—容量配置结果，结果输出：将第一次执行步骤j的结果记为储能介质1优化配置结果，记为PA、EA，第二次执行步骤j的结果记为储能介质2优化配置结果，记为PB、EB。

储能介质1容量达到设计上限EA的时候充电停止。

储能介质2容量达到设计上限EB的时候充电停止。

步骤一和步骤二计算时不指定混合储能系统超级电容、蓄电池计算顺序，但不可同为一种介质，即计算中可出现储能介质1为蓄电池、储能介质2为超级电容或储能介质1为超级电容、储能介质2为蓄电池两种计算情况。

步骤a中，对长大坡道的全日再生制动功率曲线进行同坐标图像叠加处理，通过图像中曲线密集区域范围确定储能介质1功率配置范围。

步骤一和步骤二中使用了储能介质寿命的外层优化、储能介质成本回收年限的内层优化。

步骤一和步骤二中储能介质成本回收年限的内层优化中，建立年限参考直线，并通过年限参考直线与备选点的成本回收年限差值选定优化结果。

步骤k至步骤l，通过峰值功率利用率计算确定储能介质2的最大充电功率计算范围。

步骤一和步骤二中使用了段制动电量计算。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种高速铁路长大坡道再生制动能量混合储能优化配置方法，包括储能介质1优化计算和储能介质2优化计算，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一、通过储能介质1为基础进行储能介质1优化计算；

步骤二、通过储能介质2为基础进行储能介质2优化计算；

所述步骤一中储能介质1优化计算方法包括以下步骤：

步骤a：储能介质1最大充电功率配置范围选定，将一日内所有再生制动功率曲线进行同坐标轴图像叠加，选择低功率段曲线密集区域上边界与下边界作为回收该段再生制动能量储能介质1的最大充电功率计算上限与下限；

步骤b: 制动功率曲线重造，在步骤a得到的范围内从低至高依次取值，记每次取值为功率选定值，将次制动曲线未超过选定值的部分保留，超过选定值的部分舍弃后记为选定值，即曲线最大值不超过选定值，得到制动功率曲线；

步骤c: 次制动电量计算，得到各功率下次制动可回收电量，对步骤b得到的重造曲线进行关于制动时长的积分，得到制动电量；

步骤d: 段制动电量计算，结合列车时刻表，将次再生制动进行分段整合处理，得到各功率下每制动段累计可被回收再生制动能量；

步骤e: 容量配置范围选定，分别选择步骤d最大值、最小值依次乘储能介质1效率、除储能介质1最大充放电深度，分别计为容量配置的上限与下限，得到储能介质1容量配置范围；

步骤f: 段可回收电量计算，得到储能介质1在各功率、容量组合下每制动段可回收的电量；

步骤g: 日可回收电量计算，计算储能介质1各功率、容量组合下一日内累计可回收电量；

步骤h: 经济效益计算，得到储能介质1各功率、容量组合下的建设费用、年可回收电量电价、回本年限；

步骤i: 考虑介质寿命的取值域优化，排除储能介质1在回本周期内充放电循环次数大于循环寿命的功率、容量组合；

步骤j: 考虑回本年限的配置优化，在步骤i的计算结果中，依次找出每个功率选定值所对应成本回收年限最低的1个容量选定值组合，选定上述组合所对应的回本年限的初始值与末尾值建立参考直线，分别用参考直线上数据点减去上述组合所对应的回本年限，选定差值最大点为优化计算结果，即选定该数据所对应功率为储能介质1最大充电功率、容量为储能介质1配置容量，得到储能介质1的功率、容量优化配置参数；

所述步骤二中储能介质2优化计算方法包括以下步骤：

步骤k: 峰值功率利用率计算，选定全日共i次制动功率曲线中最大、最小值为功率取值范围，在其中均匀选取x个功率值，逐次将x个功率值与次制动功率曲线对比，累加计算大于次制动功率曲线的时长，并除以全日制动时长，得到介质峰值功率利用率，共得到x个峰值功率利用率，配置系统总功率，得到各功率占全日再生制动比例；

步骤l: 储能介质2最大充电功率配置范围选定，舍弃峰值功率利用率过小的功率值，剩余z个功率值，选其中最大值记为最大合计值，最大合计值减去步骤j中的最大充电功率结果，得到储能介质2最大充电功率配置上限，配置下限为0，得到储能介质2的最大充电功率配置范围；

步骤m: 高功率段制动功率曲线拆分，选取步骤j中的最大充电功率结果为分界功率，修改全日共i次制动曲线，将曲线数值减去分界功率，进一步的将计算结果中小于0的点记为0，得到新的全日共i次制动曲线，得到应由储能介质2回收的部分再生制动功率曲线；

步骤n: 储能介质2优化配置，对储能介质2进行上述步骤b至步骤j计算，得到储能介质2配置优化结果，取步骤l的计算结果替换步骤a的结果，对步骤m的计算结果进行步骤b的计算，依次执行上述步骤b至步骤j内容，其中，储能介质1相关参数均由储能介质2替换，得到储能介质2最大充电功率、储能介质2配置容量；

步骤o:结果输出，输出储能介质1与储能介质2的功率—容量配置结果。

2.根据权利要求1所述的高速铁路长大坡道再生制动能量混合储能优化配置方法，其特征在于：所述储能介质1容量达到设计上限E_A的时候充电停止。

3.根据权利要求1所述的高速铁路长大坡道再生制动能量混合储能优化配置方法，其特征在于：所述储能介质2容量达到设计上限E_B的时候充电停止。

4.根据权利要求1所述的高速铁路长大坡道再生制动能量混合储能优化配置方法，其特征在于：所述步骤一和步骤二计算时不指定混合储能系统超级电容、蓄电池计算顺序，但不可同为一种介质，即所述计算中可出现储能介质1为蓄电池、储能介质2为超级电容或储能介质1为超级电容、储能介质2为蓄电池两种计算情况。

5.根据权利要求1所述的高速铁路长大坡道再生制动能量混合储能优化配置方法，其特征在于：所述步骤a中，对长大坡道的全日再生制动功率曲线进行同坐标图像叠加处理，通过图像中曲线密集区域范围确定储能介质1功率配置范围。

6.根据权利要求1所述的高速铁路长大坡道再生制动能量混合储能优化配置方法，其特征在于：所述步骤一和步骤二中使用了储能介质寿命的外层优化、储能介质成本回收年限的内层优化。

7.根据权利要求1所述的高速铁路长大坡道再生制动能量混合储能优化配置方法，其特征在于：所述步骤一和步骤二中储能介质成本回收年限的内层优化中，建立年限参考直线，并通过年限参考直线与备选点的成本回收年限差值选定优化结果。

8.根据权利要求1所述的高速铁路长大坡道再生制动能量混合储能优化配置方法，其特征在于：所述步骤k至步骤l，通过峰值功率利用率计算确定储能介质2的最大充电功率计算范围。

9.根据权利要求1所述的高速铁路长大坡道再生制动能量混合储能优化配置方法，其特征在于：所述步骤d至步骤e，通过段制动电量确定介质的容量配置范围。