城市轨道交通地面式混合储能系统的容量配置方法及装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种城市轨道交通地面式混合储能系统的容量配置方法及装置，该方法包括：根据电池和超级电容的功率密度和能量密度特性及成本，构建等效储能系统的上层优化模型，对各变电所等效储能系统的配置系数和充放电电压阈值进行优化，得到等效储能系统的总功率曲线；基于等效储能系统的总功率曲线，将成本作为第三优化目标函数，将充放电标志位、各站电池和超级电容储能系统的配置参数、功率和能量作为决策变量，构建下层优化模型；将下层优化模型转化为凸优化模型，得到优化决策变量。本发明专利技术中优化模型结合牵引供电系统仿真平台进行联合优化，简化了优化模型的复杂程度，提高了优化算法效率和求解精度。提高了优化算法效率和求解精度。提高了优化算法效率和求解精度。

【技术实现步骤摘要】
城市轨道交通地面式混合储能系统的容量配置方法及装置


[0001]本专利技术涉及城市轨道交通
，具体涉及一种城市轨道交通地面式混合储能系统的容量配置方法及装置。

技术介绍

[0002]目前，对于地面式混合储能系统优化配置的研究都是针对单一储能系统，主要通过智能优化算法进行寻优求解来确定系统容量，暂时还没有针对地面式混合储能系统优化配置的研究。地面式混合储能系统优化配置问题涉及到多站多储能系统与牵引供电系统仿真平台联合求解，是一个复杂的时变非线性优化求解问题，储能系统容量配置与能量管理策略、列车运行工况、牵引网和变电所输出特性共同影响着牵引供电系统中再生制动能量的传输与利用。为了综合考虑安装地面式混合储能系统所带来的节能效果和投资成本之间的平衡关系，储能系统的容量配置应依据线路条件、列车运行工况、发车密度、能量管理策略等因素所决定的负载情况来灵活配置。
[0003]不同发车间隔造成馈网再生制动能量的差异，从而影响了储能系统的容量配置结果；并且各变电所空载电压之间的差异也会造成其可回收再生制动能量的差异。因此需要考虑发车间隔和各变电所空载电压不同的特征，对地面式混合储能系统容量配置和充/放电电压阈值进行联合优化。由于系统参数优化模型需要对电池、超级电容配置参数和能量管理参数进行优化，涉及到的决策变量非常多，直接对所有参数优化会带来陷入局部最优、计算代价大等问题；并且为了考虑上述“源
‑
网
‑
荷
‑
储”之间能量传递对节能性能的影响，优化模型需要结合牵引供电系统仿真平台进行联合优化，模型的复杂程度导致优化算法效率低，求解精度差。

技术实现思路

[0004]有鉴于此，本专利技术提供一种城市轨道交通地面式混合储能系统的容量配置方法及装置，解决地面式混合储能系统的容量配置模型的复杂程度高，导致优化算法效率低，求解精度差的问题。
[0005]第一方面，本专利技术提供了一种城市轨道交通地面式混合储能系统的容量配置方法，所述方法包括：
[0006]根据电池和超级电容的功率密度和能量密度特性及成本，构建等效储能系统的上层优化模型，对各变电所等效储能系统的配置系数和充放电电压阈值进行优化，得到等效储能系统的总功率曲线，其中，等效储能系统为电池和超级电容在牵引供电系统中的电路模型简化后的混合储能系统；
[0007]基于所述等效储能系统的总功率曲线，将成本作为第三优化目标函数，将充放电标志位、各站电池和超级电容储能系统的配置参数、功率和能量作为决策变量，构建下层优化模型；
[0008]将下层优化模型转化为凸优化模型，得到优化决策变量，其中，所述优化决策变量
包括最终的充放电标志位、各站电池和超级电容储能系统的配置参数、功率和能量。
[0009]本专利技术提供的城市轨道交通地面式混合储能系统的容量配置方法，优化模型结合牵引供电系统仿真平台进行联合优化，简化了优化模型的复杂程度，提高了优化算法效率和求解精度。
[0010]可选地，所述构建等效储能系统的上层优化模型，包括：
[0011]建立等效储能系统的功率源模型，其功率密度和能量密度表达式为：
[0012][0013]其中，d
p_d
为等效储能系统的功率密度，d
e_d
为等效储能系统的能量密度，d
p_b
为电池的功率密度，d
e_b
为电池的能量密度，d
p_sc
为超级电容的功率密度，d
e_sc
为超级电容的能量密度，β1和β2为权重系数，β1>β2，w1和w2为等效储能系统荷电状态的使用范围；
[0014]对功率源进行能量约束，约束表达式为：
[0015][0016]其中，p
d.i
和E
d.i
分别为第i个变电所内等效储能系统的实际功率和额定容量；
[0017]运用两阶段优化架构对各个变电所的等效储能系统容量配置系数和充放电电压阈值进行优化。
[0018]本专利技术采用等效储能系统代替混合储能系统，简化了电池和超级电容在牵引供电系统内的电路模型，减少了模型中的优化变量数量，等效储能系统的引入既提高了模型求解速度和优化效率，也反映了源
‑
网
‑
荷
‑
储之间相互耦合的影响。
[0019]可选地，运用两阶段优化架构对各个变电所的等效储能系统容量配置系数和充放电电压阈值进行优化的过程包括：
[0020]在第一阶段，将各变电所等效储能系统的配置系数作为第一变量，各变电所等效储能系统的第一输出能耗和第一投资成本作为第一优化目标函数，利用优化算法循环迭代，直到等效储能系统的配置系数和总功率曲线收敛，得到第一优化结果；
[0021]在第二阶段，基于所述第一优化结果，将各变电所等效储能系统的充电电压阈值和放电电压阈值作为第二变量，各变电所等效储能系统的第二输出能耗作为第二优化目标函数，计算得到充电电压阈值或放电电压阈值的优化结果；
[0022]若所述充电电压阈值或放电电压阈值的优化结果未收敛，则将其输入第一阶段，循环迭代计算，直到充电电压阈值或放电电压阈值收敛，输出第二优化结果，根据第二优化结果计算得到等效储能系统的总功率曲线。
[0023]本专利技术将上层模型分为等效系统容量优化和充放电电压阈值优化两个阶段，减少优化变量数目的同时，进一步提高了优化精度。
[0024]可选地，所述基于所述等效储能系统的总功率曲线，得到：
[0025]全线n个变电所内等效储能系统各时刻t的功率p
h.i
(t)表达式：
[0026]p
h.i
(t)＝b
i
(t)(p
b.i
(t)/η
dd
+p
sc.i
(t)/η
dd
)+(1
‑
b
i
(t))(p
b.i
(t)η
dd
+p
sc.i
(t)η
dd
)
[0027][0028]其中，i＝1,2,
…
,n，b
i
为储能系统充放电功率标志位，充电时b
i
＝1，放电时b
i
＝0，η
dd
为DC/DC变流器效率，p
h.i
大于0时储能系统充电，反之，p
h.i
小于0时储能系统放电。p
b.i
和p
sc.i
分别为第i个变电所电池和超级电容的功率。
[0029]本专利技术将上层优化模型的优化结果作为下层优化模型的输入条件，对电池和超级电容的分配问题进行精准建模，提高了下层模型的精度。
[0030]可选地，超级电容储能系统的容量表达式为：
[0031][0032]其中，n
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种城市轨道交通地面式混合储能系统的容量配置方法，所述地面式混合储能系统包括：电池和超级电容，其特征在于，包括：根据电池和超级电容的功率密度和能量密度特性及成本，构建等效储能系统的上层优化模型，对各变电所等效储能系统的配置系数和充放电电压阈值进行优化，得到等效储能系统的总功率曲线，其中，等效储能系统为电池和超级电容在牵引供电系统中的电路模型简化后的混合储能系统；基于所述等效储能系统的总功率曲线，将成本作为第三优化目标函数，将充放电标志位、各站电池和超级电容储能系统的配置参数、功率和能量作为决策变量，构建下层优化模型；将下层优化模型转化为凸优化模型，得到优化决策变量，其中，所述优化决策变量包括最终的充放电标志位、各站电池和超级电容储能系统的配置参数、功率和能量。2.根据权利要求1所述城市轨道交通地面式混合储能系统的容量配置方法，其特征在于，所述构建等效储能系统的上层优化模型，包括：建立等效储能系统的功率源模型，其功率密度和能量密度表达式为：其中，d
p_d
为等效储能系统的功率密度，d
e_d
为等效储能系统的能量密度，d
p_b
为电池的功率密度，d
e_b
为电池的能量密度，d
p_sc
为超级电容的功率密度，d
e_sc
为超级电容的能量密度，β1和β2为权重系数，β1>β2，w1和w2为等效储能系统荷电状态的使用范围；对功率源进行能量约束，约束表达式为：其中，p
d.i
和E
d.i
分别为第i个变电所内等效储能系统的实际功率和额定容量；运用两阶段优化架构对各个变电所的等效储能系统容量配置系数和充放电电压阈值进行优化。3.根据权利要求2所述城市轨道交通地面式混合储能系统的容量配置方法，其特征在于，运用两阶段优化架构对各个变电所的等效储能系统容量配置系数和充放电电压阈值进行优化的过程包括：在第一阶段，将各变电所等效储能系统的配置系数作为第一变量，各变电所等效储能系统的第一输出能耗和第一投资成本作为第一优化目标函数，利用优化算法循环迭代，直到等效储能系统的配置系数和总功率曲线收敛，得到第一优化结果；在第二阶段，基于所述第一优化结果，将各变电所等效储能系统的充电电压阈值和放电电压阈值作为第二变量，各变电所等效储能系统的第二输出能耗作为第二优化目标函数，计算得到充电电压阈值或放电电压阈值的优化结果；若所述充电电压阈值或放电电压阈值的优化结果未收敛，则将其输入第一阶段，循环迭代计算，直到充电电压阈值或放电电压阈值收敛，输出第二优化结果，根据第二优化结果计算得到等效储能系统的总功率曲线。4.根据权利要求3所述城市轨道交通地面式混合储能系统的容量配置方法，其特征在
于，基于所述等效储能系统的总功率曲线，得到：全线n个变电所内等效储能系统各时刻t的功率p
h.i
(t)表达式：p
h.i
(t)＝b
i
(t)(p
b.i
(t)/η
dd
+p
sc.i
(t)/η
dd
)+(1
‑
b
i
(t))(p
b.i
(t)η
dd
+p
sc.i
(t)η
dd
)其中，i＝1,2,
…
,n，b
i
为储能系统充放电功率标志位，充电时b
i
＝1，放电时b
i
＝0，η
dd
为DC/DC变流器效率，p
h.i
大于0时储能系统充电，反之，p
h.i
小于0时储能系统放电，p
b.i
和p
sc.i
分别为第i个变电所电池和超级电容的功率。5.根据权利要求4所述城市轨道交通地面式混合储能系统的容量配置方法，其特征在于，超级电容储能系统的容量表达式为：其中，n
scs.i
和n
scp.i
为第i个变电所内超级电容储能系统的单体串联数和并联数，C
scu
为超级电容单体容值，u
scu.i
(t)为t时刻超级电容单体电压值，超级电容等效电容的功率值p
scc.i
表达式为：超级电容等效内阻消耗的功率值p
scr.i
为：超级电容的实际功率值p
sc.i
为：p
sc.i
(t)＝p
scc.i
(t)+p
scr.i
(t)超级电容的容量和功率的约束条件为：超级电容的容量和功率的约束条件为：超级电容的使用年限约束条件表达式为：其中，T
life_sc.i
和T
life_b.i
为变电所i超级电容和电池储能系统使用年限；N
life_sc
和N
life_b
为超级电容和电...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘宇嫣，杨中平，林飞，吴晓波，付青高，王超，方晓春，孙湖，
申请(专利权)人：国家高速列车青岛技术创新中心，
类型：发明
国别省市：