城轨交通超级电容储能系统在线优化控制策略研究

摘要

地面式超级电容储能系统应用于城市轨道交通牵引供电系统可以实现列车再生制动能量的回收及利用，对于减小列车运行能耗有着显著作用。在超级电容储能系统实际运行中，牵引供电系统空载电压的波动和列车发车间隔的变化会对储能系统再生制动能量的回收利用效果产生影响。本文在传统的固定充放电阈值控制策略基础上，从配置有储能系统的牵引供电系统以及列车运行角度分析，分析了节能效果的影响因素，并考虑列车再生制动特性及发车间隔变化等情况，对地面式超级电容储能系统的控制策略进行了优化研究。
　　首先，本文建立了牵引供电系统的数学模型，包括牵引变电所、牵引网、列车和超级电容储能系统等部分，尤其是列车模型考虑了制动电阻特性。以北京地铁八通线的实际数据进行了算例分析，与实验结果的对比验证了模型的准确性。在此基础上，详细分析了列车制动特性、发车间隔、整流机组输出外特性等因素对储能系统节能效果的影响，其中列车制动特性影响储能系统对再生制动能量的回收效果，牵引供电系统空载电压的波动影响储能系统的能量释放效果，并给出了充放电阈值的推荐设置范围，通过仿真验证了分析的有效性。
　　基于储能系统最大节能化的控制目标，考虑到离线控制参数在实际应用中的不足之处，本文提出了一种基于运行状态的超级电容储能系统在线优化控制策略。该策略包括离线优化与在线阈值调整两个部分:采用结合遗传算法与城轨交通供电系统仿真平台求解出不同发车间隔下对应的最优阈值控制参数。在线优化算法以离线优化参数作为输入值并对超级电容储能系统和整流机组的工作状态实时监控，依据阈值优化规则调整超级电容储能系统的充放电阈值，从而实现储能系统最大节能化的目标，并通过仿真验证了控制策略的有效性。
　　最后，本文在北京地铁八通线梨园牵引变电所完成了1MW地面式超级电容储能系统的挂网实验，实验结果验证了本文提出的控制策略的可行性。

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致谢

摘要

1 绪论

1．1 研究背景及意义

1．2 再生能量利用方式及应用现状

1．2．1 电阻耗能型

1．2．2 能量回馈型

1．2．3 储能型

1．2．4 再生能量利用方式对比

1．3 地面式超级电容储能系统控制策略研究现状

1．3．1 传统控制策略

1．3．2 基于优化目标的改进控制策略

1．3．3 存在的主要问题

1．4 论文主要内容

2 配置超级电容储能系统的城轨牵引供电系统建模及分析

2．1 牵引变电所及牵引网模型

2．2 地面式超级电容储能系统模型

2．3 列车模型

2．4 配置超级电容储能的城轨牵引供电系统整体模型

2．5 仿真与实验验证

2．6 本章小结

3 影响超级电容储能系统节能效果的因素分析

3．1 影响储能系统回收能量的因素分析

3．2 不同发车间隔下储能系统运行状态分析

3．2．1 节能效果分析

3．2．2 列车间交互能量分析

3．2．3 充电阈值设置范围分析

3．3 变电所输出特性的影响

3．4 本章小结

4 在线优化控制策略研究

4．1 在线优化控制策略分析

4．2 控制策略的实现

4．2．1 离线优化部分

4．2．2 在线优化部分

4．3 仿真结果分析

4．4 本章小结

5 在线优化控制策略实验

5．1 实验平台

5．2 实验验证

5．2．1 单双车实验

5．2．2 在线优化控制策略实验

5．3 本章小结

6 结论

参考文献

作者简历

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