CN117709636A - 地面储能系统容量配置方法、终端设备及存储介质 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种地面储能系统容量配置方法、终端设备及存储介质，所述方法包括根据行驶速度构建不同工况下电力机车的运行特性模型，进而确定不同工况下的牵引负荷需求；基于运行特性模型、乘坐舒适性和再生制动能量，构建加速度约束条件；构建地面储能系统收益模型和成本模型；构建以经济收益最优为目标的第一容量配置模型；构建以乘坐舒适性和再生制动能量最优为目标的第二容量配置模型；构建地面储能系统的多目标容量配置模型；对多目标容量配置模型进行优化计算，根据优化计算得到的最优配置容量对地面储能系统进行容量配置控制。本发明在优化储能系统投资的同时，降低了轨道交通运营的供电成本。
Description
技术领域
本发明属于轨道交通技术领域，尤其涉及一种考虑乘坐舒适性的轨道交通地面储能系统容量配置方法、终端设备及存储介质。
背景技术
在轨道交通牵引供电系统配置地面储能系统进行容量管理，不仅有助于大工业用户管理需量费用，延缓牵引供电站的改造与扩建，最大程度地降低城市轨道交通的运营成本；而且可响应用电高峰时段的限电要求，最大程度地缓解电力系统的峰值压力。
现有城市轨道交通领域对储能系统的应用主要集中在电能质量控制、网压稳定性提升等方面，储能容量配置仅根据两部制电价进行测算，缺乏从乘坐舒适性、再生制动能量利用率以及综合经济效益等多角度综合分析轨道交通地面储能系统的容量配置方法。
例如，公开号为CN109995025A的专利文献公开了一种基于两部制电价体系的储能控制方法，为了平抑风电波动的限制因素，该控制方法建立含混合储能的电网功率平衡模型，并将相关功率信号利用总体平均经验分解分为高频和低频信号，进而优化计算出储能系统最优配置容量并据此对储能系统进行整体对应配置控制。但是，该方法在储能系统容量配置计算中，未考虑轨道交通领域的车辆调度特性、乘坐舒适性、再生制动特性以及需量管理等多方面的问题，无法实现轨道交通的经济运行。
发明内容
本发明的目的在于提供一种地面储能系统容量配置方法、终端设备及存储介质，以解决传统容量配置技术中未考虑乘坐舒适性、再生制动特征以及综合经济效益等问题，导致无法实现轨道交通的经济运行。
本发明是通过如下的技术方案来解决上述技术问题的：一种地面储能系统容量配置方法，所述容量配置方法包括以下步骤：
根据电力机车的行驶速度构建不同工况下电力机车的运行特性模型；
根据不同工况下电力机车的运行特性模型确定不同工况下的牵引负荷需求；
基于不同工况下电力机车的运行特性模型、乘坐舒适性和再生制动能量，构建加速度约束条件，实现对电力机车行驶速度的约束；
构建地面储能系统收益模型和成本模型；
根据地面储能系统收益模型和成本模型，构建以经济收益最优为目标的第一容量配置模型；根据不同工况下的牵引负荷需求和加速度约束条件，构建以乘坐舒适性和再生制动能量最优为目标的第二容量配置模型；
根据所述第一容量配置模型和第二容量配置模型，构建地面储能系统的多目标容量配置模型；
对所述多目标容量配置模型进行优化计算，根据优化计算得到的最优配置容量对所述地面储能系统进行容量配置控制。
进一步地，所述工况包括牵引工况、巡航工况、惰行工况以及制动工况，牵引工况下电力机车的运行特性模型为：
Pi＝Fqi×vi×η＋Pauxi；
巡航工况下电力机车的运行特性模型为：
Pi＝Pwi×η＋Pauxi，Pwi＝(fi＋wi)vi；
惰行工况下电力机车的运行特性模型为：
Pi＝Pauxi；
制动工况下电力机车的运行特性模型为：
Pi＝－Fi×vi×η＋Pauxi；
其中，Pi为对应工况下第i个采样时刻电力机车的牵引功率，Fqi为对应工况下第i个采样时刻电力机车的牵引力，Fi为对应工况下第i个采样时刻电力机车的制动力，fi为对应工况下第i个采样时刻电力机车的基本阻力，wi为对应工况下第i个采样时刻电力机车的附加阻力，vi为对应工况下第i个采样时刻电力机车的行驶速度，η为电力机车的能量转换效率，Pauxi为对应工况下第i个采样时刻电力机车辅助设备的能耗，Pwi为对应工况下第i个采样时刻电力机车受到阻力所消耗的功率。
进一步地，牵引工况下的牵引负荷需求为：
Pgi＝Pi＋Pei－Pwi；
巡航工况下的牵引负荷需求为：
Pgi＝Pi＋Pei－Pwi＝0；
惰行工况下的牵引负荷需求为：
Pgi＝－Pwi；
制动工况下的牵引负荷需求为：
Pgi＝Pe_bi；
其中，Pgi为对应工况下第i个采样时刻电力机车所需总功率，Pi为对应工况下第i个采样时刻电力机车的牵引功率，Pei为对应工况下第i个采样时刻地面储能系统的充/放电功率，Pe_bi为对应工况下第i个采样时刻地面储能系统吸收的再生制动回馈功率，Pwi为对应工况下第i个采样时刻电力机车受到阻力所消耗的功率。
进一步地，所述加速度约束条件为：
；
；
牵引工况：a i＝dvi/ dti＝(μ f×Fqi－fi－wi)/G；
巡航工况：a i＝dvi/ dti＝(μ f×Fqi－fi－wi)/G＝0；
制动工况：a i＝dvi/ dti＝(－μ b×Fi－fi－wi)/G；
，/>，Li＋1＝Li＋((vi＋1)2－(vi)2)/(2×a i)；
其中，为加速度变化量，/>为时间变化量或采样时间间隔，J0为冲击率阈值，Fqi为对应工况下第i个采样时刻电力机车的牵引力，Fi为对应工况下第i个采样时刻电力机车的制动力，fi为对应工况下第i个采样时刻电力机车的基本阻力，wi为对应工况下第i个采样时刻电力机车的附加阻力，vi为对应工况下第i个采样时刻电力机车的行驶速度，vi＋1为对应工况下第i＋1个采样时刻电力机车的行驶速度，ti为对应工况下第i个采样时刻，ti＋1为对应工况下第i＋1个采样时刻，μ f为牵引力系数，μ b为制动力系数，G为电力机车质量，a i为对应工况下第i个采样时刻电力机车的加速度，Li+1为对应工况下第i+1个采样时刻电力机车的运行距离，Li为对应工况下第i个采样时刻电力机车的运行距离。
进一步地，所述地面储能系统收益模型包括在地面储能系统全寿命周期运行下牵引供电系统所减少的电费、牵引供电系统在取电高峰期因降低负荷功率所减少的变压器扩容成本、地面储能系统的回收价值；
在地面储能系统全寿命周期运行下牵引供电系统所减少的电费为：
；
其中，I df 为在地面储能系统全寿命周期运行下牵引供电系统所减少的电费，I dl 为日时间尺度下地面储能系统充放特性所减少的电量电费，I rl 为月时间尺度下系统负荷削峰所减少的容量电费，C d(t,d)为第t年第d天所减少的电量电费，为第t年第m月所减少的容量电费，T为地面储能系统的寿命，D为年运行天数，M为年运行月数，i r 为通货膨胀率，d r 为资金贴现率；
牵引供电系统在取电高峰期因降低负荷功率所减少的变压器扩容成本为：
，/>；
其中，I tran 为牵引供电系统在取电高峰期因降低负荷功率所减少的变压器扩容成本，c sub 为牵引变电站内变压器单位造价，c sope 为牵引变电站内变压器运行费用，为延缓变电站扩容的年数，λ为年负荷削峰率，/>为牵引负荷年增长率；
地面储能系统的回收价值为：
；
其中，I rec 为地面储能系统的回收价值，C inv 为地面储能系统全寿命安装成本，γ为回收系数，Pe为地面储能系统额定充放电功率。
进一步地，所述地面储能系统成本模型包括初始投资成本和运维成本；
所述地面储能系统的初始投资成本为：
C inv ＝c s S e ＋c p Pe；
其中，C inv 为地面储能系统的初始投资成本，c s 为地面储能系统单位容量的投资成本，c p 为地面储能系统单位充/放电功率的投资成本，S e 为地面储能系统的额定容量，Pe为地面储能系统的额定充放电功率；
所述地面储能系统的运维成本为：
；
其中，C opr 为地面储能系统的运维成本，c op 为地面储能系统的单位充/放电功率的年运维成本，T为地面储能系统的寿命，μ为地面储能系统单位天数的衰减率，ν为地面储能系统平均单位天数充放电次数，i r 为通货膨胀率，d r 为资金贴现率。
进一步地，所述第一容量配置模型具体为：
；
；
；
其中，Q 1为考虑地面储能系统第t年运营年限内的收益时地面储能系统的配置容量，T为地面储能系统的寿命，C j (t)为地面储能系统第t年的收益，C k (t)为地面储能系统第t年的成本，I df 为在地面储能系统全寿命周期运行下牵引供电系统所减少的电费，I tran 为牵引供电系统在取电高峰期因降低负荷功率所减少的变压器扩容成本，I rec 为地面储能系统的回收价值，C inv 为地面储能系统的初始投资成本，C opr 为地面储能系统的运维成本，i r 为通货膨胀率，d r 为资金贴现率；
所述第二容量配置模型具体为：
；
其中，Q 2为考虑乘坐舒适性和再生制动能量时地面储能系统的配置容量，N1为牵引工况和巡航工况的采样次数，N2为制动工况的采样次数，Pgi为对应工况下第i个采样时刻电力机车所需总功率，为时间变化量或采样时间间隔，Pi为对应工况下第i个采样时刻电力机车的牵引功率，Pei为对应工况下第i个采样时刻地面储能系统的充/放电功率，Pwi为对应工况下第i个采样时刻电力机车受到阻力所消耗的功率，Pe_bi为对应工况下第i个采样时刻地面储能系统吸收的再生制动回馈功率。
进一步地，所述多目标容量配置模型具体为：
；
其中，Q为考虑经济收益、乘车舒适性以及再生制动能量时地面储能系统的配置容量，λ 1、λ 2分别为折算权重系数，且λ 1＋λ 2＝1，Q 1为考虑地面储能系统第t年运营年限内的收益时地面储能系统的配置容量，Q 2为考虑乘坐舒适性和再生制动能量时地面储能系统的配置容量。
基于同一构思，本发明还提供了一种终端设备，所述终端设备包括：
存储器，用于存储计算机程序；
处理器，用于执行所述计算机程序时实现如上所述的地面储能系统容量配置方法。
基于同一构思，本发明还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上所述的地面储能系统容量配置方法。
有益效果
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明所提供的一种地面储能系统容量配置方法，在两部制电价机制下，建立综合考虑乘坐舒适性、再生制动特性以及经济效益的多目标容量配置模型，得到兼顾经济性与再生制动能量利用率的储能系统配置容量，在优化储能系统投资的同时，降低了轨道交通运营的供电成本，实现了轨道交通的绿色低碳经济运行。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例中电力机车的能量流拓扑图；
图2是本发明实施例中地面储能系统容量配置方法流程图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明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作出创造性劳动的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。
下面以具体地实施例对本申请的技术方案进行详细说明。下面这几个具体的实施例可以相互结合，对于相同或相似的概念或过程可能在某些实施例不再赘述。
电力机车的工况通常包括牵引工况、巡航工况、惰行工况以及制动工况。如图1所示，当电力机车中处于牵引工况时，电力机车从牵引变电所与地面储能系统（ESS）获得能量；当电力机车处于制动工况时，通过调节乘坐舒适性可辅助影响制动力的大小，从而影响所产生的再生制动能量，如果产生的再生制动能量没有被邻近的电力机车全部吸收，将通过地面储能系统进行能量回收，从而达到节能环保的社会和经济效益。
乘坐舒适性狭义的指运行过程中列车产生的振动和冲击对乘客的影响，即列车的运行状态对乘客“乘坐舒适性”的影响。当乘客乘坐公共交通时，司机的突然加速、减速、转弯等，会使乘客向后、向前以及左右倾斜，这种速度及方向的猛然变化会让乘客感觉不舒适，这就是“乘坐舒适性”的直观体验。影响“乘坐舒适性”的不是速度或加速度的大小，而是加速度导数的大小（即冲击率）的变化。同时，通过改变“乘坐舒适性”的大小，可进一步降低列车在运行过程中的牵引能耗，以及调节再生制动能量的大小。
本发明所提供的一种地面储能系统容量配置方法，基于“乘坐舒适性”对列车运行特性进行能耗优化；采用地面储能系统对再生制动能量进行回收与利用，并在两部制电价机制的引导下，能够大幅度降低牵引供电成本；同时将地面储能系统安装在牵引变电所内，不仅可降低车体重量、节省车体空间与维修成本，而且可降低牵引变电站扩容成本，实行轨道交通牵引供电系统的经济运行。
如图2所示，本发明实施例所提供的一种地面储能系统容量配置方法，包括以下步骤：
步骤1：根据电力机车的行驶速度构建不同工况下电力机车的运行特性模型；
步骤2：根据不同工况下电力机车的运行特性模型确定不同工况下的牵引负荷需求；
步骤3：基于不同工况下电力机车的运行特性模型、乘坐舒适性和再生制动能量，构建加速度约束条件，实现对电力机车行驶速度的约束；
步骤4：构建地面储能系统收益模型和成本模型；
步骤5：根据地面储能系统收益模型和成本模型，构建以经济收益最优为目标的第一容量配置模型；根据不同工况下的牵引负荷需求和加速度约束条件，构建以乘坐舒适性和再生制动能量最优为目标的第二容量配置模型；
步骤6：根据第一容量配置模型和第二容量配置模型，构建地面储能系统的多目标容量配置模型；
步骤7：对多目标容量配置模型进行优化计算，根据优化计算得到的最优配置容量对地面储能系统进行容量配置控制。
本实施例中，电力机车的工况包括牵引工况、巡航工况、惰行工况以及制动工况。上述步骤1中，不同工况下电力机车的运行特性模型具体包括：在牵引工况下电力机车的运行特性模型、在巡航工况下电力机车的运行特性模型、在惰行工况下电力机车的运行特性模型以及在制动工况下电力机车的运行特性模型。
在牵引工况下电力机车的运行特性模型为：
Pi＝Fqi×vi×η＋Pauxi（1）
其中，Pi为对应工况下第i个采样时刻电力机车的牵引功率，Fqi为对应工况下第i个采样时刻电力机车的牵引力，vi为对应工况下第i个采样时刻电力机车的行驶速度，η为电力机车的能量转换效率，Pauxi为对应工况下第i个采样时刻电力机车辅助设备的能耗。
在巡航工况下电力机车的运行特性模型为：
Pi＝Pwi×η＋Pauxi（2）
Pwi＝(fi＋wi)vi（3）
其中，fi为对应工况下第i个采样时刻电力机车的基本阻力，wi为对应工况下第i个采样时刻电力机车的附加阻力，Pwi为对应工况下第i个采样时刻电力机车受到阻力所消耗的功率。
在惰行工况下电力机车的运行特性模型为：
Pi＝Pauxi（4）
在制动工况下电力机车的运行特性模型为：
Pi＝－Fi×vi×η＋Pauxi（5）
其中，Fi为对应工况下第i个采样时刻电力机车的制动力。
示例性的，对于牵引工况下的运行特性模型，Pi为牵引工况下第i个采样时刻电力机车的牵引功率，Fqi为牵引工况下第i个采样时刻电力机车的牵引力，vi为牵引工况下第i个采样时刻电力机车的行驶速度，Pauxi为牵引工况下第i个采样时刻电力机车辅助设备的能耗。
上述步骤2即构建地面储能系统的充放电模型，根据不同工况下电力机车的运行特性模型，通过能量流确定不同工况时的牵引负荷需求，具体包括牵引工况下的牵引负荷需求、巡航工况下的牵引负荷需求、惰行工况下的牵引负荷需求、制动工况下的牵引负荷需求。
牵引工况下的牵引负荷需求为：
Pgi＝Pi＋Pei－Pwi（6）
其中，Pgi为对应工况下第i个采样时刻电力机车所需总功率，Pi为对应工况下第i个采样时刻电力机车的牵引功率，Pei为对应工况下第i个采样时刻地面储能系统的充/放电功率，Pwi为对应工况下第i个采样时刻电力机车受到阻力所消耗的功率。
巡航工况下的牵引负荷需求为：
Pgi＝Pi＋Pei－Pwi＝0（7）
惰行工况下的牵引负荷需求为：
Pgi＝－Pwi（8）
制动工况下的牵引负荷需求为：
Pgi＝Pe_bi（9）
其中，Pe_bi为对应工况下第i个采样时刻地面储能系统吸收的再生制动回馈功率。
示例性的，对于牵引工况下的牵引负荷需求，Pgi为牵引工况下第i个采样时刻电力机车所需总功率，Pi为牵引工况下第i个采样时刻电力机车的牵引功率，Pei为牵引工况下第i个采样时刻地面储能系统的充/放电功率，Pwi为牵引工况下第i个采样时刻电力机车受到阻力所消耗的功率。
根据ISO2631规定，以修正后的加速度数据有效值作为乘坐舒适性指标，并表1作为依据。
表1 加速度与乘坐舒适性关系
冲击率J（m/s3）的计算公式如下：
（10）
其中，为加速度变化量，/>为时间变化量或采样时间间隔。为了保证乘客的“乘坐舒适性”，增加冲击率约束来约束加速度，即/>，J0为冲击率阈值。本实施例中，冲击率阈值J0的取值为0.8。不同工况下电力机车的运行特性模型与电力机车的行驶速度相关，电力机车的行驶速度又与加速度相关，因此，通过冲击率约束来优化加速度，进而优化行驶速度，进而优化电力机车的运行特性，优化能耗。
加速度变化量与加速度的关系式为：（11）
考虑乘坐舒适性和再生制动能量，根据行驶速度与加速度之间的关系，可以得到不同工况下加速度与电力机车的运行特性之间的关系式，具体为：
牵引工况：a i＝dvi/ dti＝(μ f×Fqi－fi－wi)/G （12）
巡航工况：a i＝dvi/ dti＝(μ f×Fqi－fi－wi)/G＝0（13）
制动工况：a i＝dvi/ dti＝(－μ b×Fi－fi－wi)/G （14）
（15）
（16）
Li＋1＝Li＋((vi＋1)2－(vi)2)/(2×a i) （17）
其中，Fqi为对应工况下第i个采样时刻电力机车的牵引力，Fi为对应工况下第i个采样时刻电力机车的制动力，fi为对应工况下第i个采样时刻电力机车的基本阻力，wi为对应工况下第i个采样时刻电力机车的附加阻力，vi为对应工况下第i个采样时刻电力机车的行驶速度，vi＋1为对应工况下第i＋1个采样时刻电力机车的行驶速度，ti为对应工况下第i个采样时刻，ti＋1为对应工况下第i＋1个采样时刻，μ f为牵引力系数，μ b为制动力系数，G为电力机车质量，a i为对应工况下第i个采样时刻电力机车的加速度，Li+1为对应工况下第i+1个采样时刻电力机车的运行距离，Li为对应工况下第i个采样时刻电力机车的运行距离。
由电力机车在各个工况的运行特性可知，在牵引工况和巡航工况下，需要消耗的牵引能耗为：
（18）
其中，E1为牵引工况和巡航工况下需要消耗的牵引能耗，Pgi＝Pi＋Pei－Pwi，Pgi为牵引工况和巡航工况下第i个采样时刻电力机车所需总功率，N1为牵引工况和巡航工况的采样次数。
由电力机车在各个工况的运行特性可知，在制动工况下产生的再生制动能量为：
（19）
其中，E2为制动工况下产生的再生制动能量，Pgi＝Pe_bi，Pgi为制动工况下第i个采样时刻电力机车所需总功率，N2为制动工况的采样次数。
上述步骤4中，地面储能系统收益模型包括在地面储能系统全寿命周期运行下牵引供电系统所减少的电费、牵引供电系统在取电高峰期因降低负荷功率所减少的变压器扩容成本、地面储能系统的回收价值。
在地面储能系统全寿命周期运行下牵引供电系统所减少的电费分为两个部分：日时间尺度下地面储能系统充放特性所减少的电量电费和月时间尺度下系统负荷削峰所减少的容量电费，具体为：
（20）
其中，I df 为在地面储能系统全寿命周期运行下牵引供电系统所减少的电费，I dl 为日时间尺度下地面储能系统充放特性所减少的电量电费，I rl 为月时间尺度下系统负荷削峰所减少的容量电费，C d(t,d)为第t年第d天所减少的电量电费，为第t年第m月所减少的容量电费，T为地面储能系统的寿命，D为年运行天数，M为年运行月数，i r 为通货膨胀率，d r 为资金贴现率。
考虑与地面储能系统不同全寿命周期的资金价值，牵引供电系统在取电高峰期因降低负荷功率所减少的变压器扩容成本为：
（21）
（22）
其中，I tran 为牵引供电系统在取电高峰期因降低负荷功率所减少的变压器扩容成本，c sub 为牵引变电站内变压器单位造价，c sope 为牵引变电站内变压器运行费用，为延缓变电站扩容的年数，λ为年负荷削峰率，/>为牵引负荷年增长率。
地面储能系统的回收价值取决于其全寿命安装成本、回收系数以及地面储能系统额定充放电功率，具体为：
（23）
其中，I rec 为地面储能系统的回收价值，C inv 为地面储能系统全寿命安装成本，γ为回收系数，Pe为地面储能系统额定充放电功率。
地面储能系统成本模型包括初始投资成本和运维成本。地面储能系统的初始投资成本为：
C inv ＝c s S e ＋c p Pe（24）
其中，C inv 为地面储能系统的初始投资成本，c s 为地面储能系统单位容量的投资成本，c p 为地面储能系统单位充/放电功率的投资成本，S e 为地面储能系统的额定容量，Pe为地面储能系统的额定充放电功率；
所述地面储能系统的运维成本为：
（25）
其中，C opr 为地面储能系统的运维成本，c op 为地面储能系统的单位充/放电功率的年运维成本，T为地面储能系统的寿命，μ为地面储能系统单位天数的衰减率，ν为地面储能系统平均单位天数充放电次数，i r 为通货膨胀率，d r 为资金贴现率。
为了保证地面储能系统更具经济性，本发明在两部制电价机制引导下，基于成本收益分析，建立以全寿命周期内的净收益最大为目标的第一容量配置模型，具体为：
（26）
（27）
（28）
其中，Q 1为考虑地面储能系统第t年运营年限内的收益时地面储能系统的配置容量，T为地面储能系统的寿命，C j (t)为地面储能系统第t年的收益，C k (t)为地面储能系统第t年的成本，I df 为在地面储能系统全寿命周期运行下牵引供电系统所减少的电费，I tran 为牵引供电系统在取电高峰期因降低负荷功率所减少的变压器扩容成本，I rec 为地面储能系统的回收价值，C inv 为地面储能系统的初始投资成本，C opr 为地面储能系统的运维成本，i r 为通货膨胀率，d r 为资金贴现率。
根据不同工况下的牵引负荷需求和加速度约束条件，构建以乘坐舒适性和再生制动能量最优为目标的第二容量配置模型，具体为：
（29）
其中，Q 2为考虑乘坐舒适性和再生制动能量时地面储能系统的配置容量，N1为牵引工况和巡航工况的采样次数，N2为制动工况的采样次数，Pgi为对应工况下（即牵引工况和巡航工况，或者制动工况）第i个采样时刻电力机车所需总功率，为时间变化量或采样时间间隔。
在容量配置优化过程中，若以经济收益最优目标，则容量配置模型为式（26）~（28）；若考虑乘坐舒适性的前提下，充分降低列车的牵引能耗，并兼顾可吸收再生制动能量最高为目标，则容量配置模型为式（29）。
根据第一容量配置模型和第二容量配置模型，构建地面储能系统的多目标容量配置模型。由于两个容量配置模型的优化目标量纲不同，本发明采用加权算法将多目标优化问题转化为单目标优化，并经过无量纲化处理后得到：
（30）
其中，Q为考虑经济收益、乘车舒适性以及再生制动能量时地面储能系统的配置容量，λ 1、λ 2分别为折算权重系数，且λ 1＋λ 2＝1，Q 1为考虑地面储能系统第t年运营年限内的收益时地面储能系统的配置容量，Q 2为考虑乘坐舒适性和再生制动能量时地面储能系统的配置容量。
对多目标容量配置模型（即式（30））进行优化计算，根据优化计算得到的最优配置容量对地面储能系统进行容量配置控制。
本发明通过“乘坐舒适性”的指标要求，对比分析列车在牵引-巡航-惰行-制动四阶段的运行特性，降低所需的牵引能耗；然后根据轨道交通大工业用户电价特点，分析再生制动能量利用率的大小，综合得出地面储能系统最优容量配置模型。本发明在考虑两部制电价基础上，通过提高乘坐舒适性，从而降低牵引能耗并调节再生制动能量大小，多角度综合测算城市轨道交通储能容量配置，在优化储能系统投资的同时，降低轨道交通运营电费，实现轨道交通的绿色低碳经济运行。
本发明实施例还提供一种终端设备，该终端设备包括：处理器和存储有计算机程序的存储器，所述处理器被配置为执行所述计算机程序时实现如上所述的地面储能系统容量配置方法。
尽管未示出，所述终端设备包括处理器，其可以根据存储在只读存储器（ROM）中的程序和/或数据或者从存储部分加载到随机访问存储器（RAM）中的程序和/或数据而执行各种适当的操作和处理。处理器可以是一个多核的处理器，也可以包含多个处理器。在一些实施例中，处理器可以包含一个通用的主处理器以及一个或多个特殊的协处理器，例如，中央处理器、图形处理器（GPU）、神经网络处理器（NPU）、数字信号处理器（DSP）等等。在RAM中，还存储有终端设备操作所需的各种程序和数据。处理器、ROM以及RAM通过总线彼此相连。输入/输出（I/O）接口也连接至总线。
上述处理器与存储器共同用于执行存储在存储器中的程序，所述程序被计算机执行时能够实现上述各实施例描述的方法、步骤或功能。
尽管未示出，本发明实施例还提供一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上所述的地面储能系统容量配置方法。
在本发明的实施例的存储介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动的可以由任何方法或技术来实现信息存储的物品。存储介质的例子包括，但不限于相变内存(PRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、其他类型的随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘(DVD)或其他光学存储、磁盒式磁带，磁带磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。
以上所揭露的仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或变型，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种地面储能系统容量配置方法，其特征在于，所述容量配置方法包括以下步骤：
根据电力机车的行驶速度构建不同工况下电力机车的运行特性模型；
根据不同工况下电力机车的运行特性模型确定不同工况下的牵引负荷需求；
基于不同工况下电力机车的运行特性模型、乘坐舒适性和再生制动能量，构建加速度约束条件，实现对电力机车行驶速度的约束；
构建地面储能系统收益模型和成本模型；
根据地面储能系统收益模型和成本模型，构建以经济收益最优为目标的第一容量配置模型；根据不同工况下的牵引负荷需求和加速度约束条件，构建以乘坐舒适性和再生制动能量最优为目标的第二容量配置模型；
根据所述第一容量配置模型和第二容量配置模型，构建地面储能系统的多目标容量配置模型；
对所述多目标容量配置模型进行优化计算，根据优化计算得到的最优配置容量对所述地面储能系统进行容量配置控制。
2.根据权利要求1所述的地面储能系统容量配置方法，其特征在于，所述工况包括牵引工况、巡航工况、惰行工况以及制动工况，牵引工况下电力机车的运行特性模型为：
Pi＝Fqi×vi×η＋Pauxi；
巡航工况下电力机车的运行特性模型为：
Pi＝Pwi×η＋Pauxi，Pwi＝(fi＋wi)vi；
惰行工况下电力机车的运行特性模型为：
Pi＝Pauxi；
制动工况下电力机车的运行特性模型为：
Pi＝－Fi×vi×η＋Pauxi；
其中，Pi为对应工况下第i个采样时刻电力机车的牵引功率，Fqi为对应工况下第i个采样时刻电力机车的牵引力，Fi为对应工况下第i个采样时刻电力机车的制动力，fi为对应工况下第i个采样时刻电力机车的基本阻力，wi为对应工况下第i个采样时刻电力机车的附加阻力，vi为对应工况下第i个采样时刻电力机车的行驶速度，η为电力机车的能量转换效率，Pauxi为对应工况下第i个采样时刻电力机车辅助设备的能耗，Pwi为对应工况下第i个采样时刻电力机车受到阻力所消耗的功率。
3.根据权利要求2所述的地面储能系统容量配置方法，其特征在于，牵引工况下的牵引负荷需求为：
Pgi＝Pi＋Pei－Pwi；
巡航工况下的牵引负荷需求为：
Pgi＝Pi＋Pei－Pwi＝0；
惰行工况下的牵引负荷需求为：
Pgi＝－Pwi；
制动工况下的牵引负荷需求为：
Pgi＝Pe_bi；
其中，Pgi为对应工况下第i个采样时刻电力机车所需总功率，Pi为对应工况下第i个采样时刻电力机车的牵引功率，Pei为对应工况下第i个采样时刻地面储能系统的充/放电功率，Pe_bi为对应工况下第i个采样时刻地面储能系统吸收的再生制动回馈功率，Pwi为对应工况下第i个采样时刻电力机车受到阻力所消耗的功率。
4.根据权利要求1所述的地面储能系统容量配置方法，其特征在于，所述加速度约束条件为：
；
；
牵引工况：a i＝dvi/ dti＝(μ f×Fqi－fi－wi)/G；
巡航工况：a i＝dvi/ dti＝(μ f×Fqi－fi－wi)/G＝0；
制动工况：a i＝dvi/ dti＝(－μ b×Fi－fi－wi)/G；
，/>，Li＋1＝Li＋((vi＋1)2－(vi)2)/(2×a i)；
其中，为加速度变化量，/>为时间变化量或采样时间间隔，J0为冲击率阈值，Fqi为对应工况下第i个采样时刻电力机车的牵引力，Fi为对应工况下第i个采样时刻电力机车的制动力，fi为对应工况下第i个采样时刻电力机车的基本阻力，wi为对应工况下第i个采样时刻电力机车的附加阻力，vi为对应工况下第i个采样时刻电力机车的行驶速度，vi＋1为对应工况下第i＋1个采样时刻电力机车的行驶速度，ti为对应工况下第i个采样时刻，ti＋1为对应工况下第i＋1个采样时刻，μ f为牵引力系数，μ b为制动力系数，G为电力机车质量，a i为对应工况下第i个采样时刻电力机车的加速度，Li+1为对应工况下第i+1个采样时刻电力机车的运行距离，Li为对应工况下第i个采样时刻电力机车的运行距离。
5.根据权利要求1所述的地面储能系统容量配置方法，其特征在于，所述地面储能系统收益模型包括在地面储能系统全寿命周期运行下牵引供电系统所减少的电费、牵引供电系统在取电高峰期因降低负荷功率所减少的变压器扩容成本、地面储能系统的回收价值；
在地面储能系统全寿命周期运行下牵引供电系统所减少的电费为：
；
其中，I df 为在地面储能系统全寿命周期运行下牵引供电系统所减少的电费，I dl 为日时间尺度下地面储能系统充放特性所减少的电量电费，I rl 为月时间尺度下系统负荷削峰所减少的容量电费，C d(t,d)为第t年第d天所减少的电量电费，为第t年第m月所减少的容量电费，T为地面储能系统的寿命，D为年运行天数，M为年运行月数，i r 为通货膨胀率，d r 为资金贴现率；
牵引供电系统在取电高峰期因降低负荷功率所减少的变压器扩容成本为：
，/>；
其中，I tran 为牵引供电系统在取电高峰期因降低负荷功率所减少的变压器扩容成本，c sub 为牵引变电站内变压器单位造价，c sope 为牵引变电站内变压器运行费用，为延缓变电站扩容的年数，λ为年负荷削峰率，/>为牵引负荷年增长率；
地面储能系统的回收价值为：
；
其中，I rec 为地面储能系统的回收价值，C inv 为地面储能系统全寿命安装成本，γ为回收系数，Pe为地面储能系统额定充放电功率。
6.根据权利要求1所述的地面储能系统容量配置方法，其特征在于，所述地面储能系统成本模型包括初始投资成本和运维成本；
所述地面储能系统的初始投资成本为：
C inv ＝c s S e ＋c p Pe；
其中，C inv 为地面储能系统的初始投资成本，c s 为地面储能系统单位容量的投资成本，c p 为地面储能系统单位充/放电功率的投资成本，S e 为地面储能系统的额定容量，Pe为地面储能系统的额定充放电功率；
所述地面储能系统的运维成本为：
；
其中，C opr 为地面储能系统的运维成本，c op 为地面储能系统的单位充/放电功率的年运维成本，T为地面储能系统的寿命，μ为地面储能系统单位天数的衰减率，ν为地面储能系统平均单位天数充放电次数，i r 为通货膨胀率，d r 为资金贴现率。
7.根据权利要求1~6中任一项所述的地面储能系统容量配置方法，其特征在于，所述第一容量配置模型具体为：
；
；
；
其中，Q 1为考虑地面储能系统第t年运营年限内的收益时地面储能系统的配置容量，T为地面储能系统的寿命，C j (t)为地面储能系统第t年的收益，C k (t)为地面储能系统第t年的成本，I df 为在地面储能系统全寿命周期运行下牵引供电系统所减少的电费，I tran 为牵引供电系统在取电高峰期因降低负荷功率所减少的变压器扩容成本，I rec 为地面储能系统的回收价值，C inv 为地面储能系统的初始投资成本，C opr 为地面储能系统的运维成本，i r 为通货膨胀率，d r 为资金贴现率；
所述第二容量配置模型具体为：
；
其中，Q 2为考虑乘坐舒适性和再生制动能量时地面储能系统的配置容量，N1为牵引工况和巡航工况的采样次数，N2为制动工况的采样次数，Pgi为对应工况下第i个采样时刻电力机车所需总功率，为时间变化量或采样时间间隔，Pi为对应工况下第i个采样时刻电力机车的牵引功率，Pei为对应工况下第i个采样时刻地面储能系统的充/放电功率，Pwi为对应工况下第i个采样时刻电力机车受到阻力所消耗的功率，Pe_bi为对应工况下第i个采样时刻地面储能系统吸收的再生制动回馈功率。
8.根据权利要求7所述的地面储能系统容量配置方法，其特征在于，所述多目标容量配置模型具体为：
；
其中，Q为考虑经济收益、乘车舒适性以及再生制动能量时地面储能系统的配置容量，λ 1、λ 2分别为折算权重系数，且λ 1＋λ 2＝1。
9.一种终端设备，其特征在于，所述终端设备包括：
存储器，用于存储计算机程序；
处理器，用于执行所述计算机程序时实现如权利要求1~8中任一项所述的地面储能系统容量配置方法。
10.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1~8中任一项所述的地面储能系统容量配置方法。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant |