轨道交通“网-源-储-车”协同的实时能源管控方法

摘要

一种轨道交通“网‑源‑储‑车”协同的实时能源管控方法，先实时采集系统各单元功率信息；再判断系统当前工作状态以及工作模式；接着根据“网‑源‑储‑车”协同供电系统运行机制确定系统在当前工作状态以及工作模式下各单元可控量的参考功率，生成对应功率指令，实时调节各单元可控量的输出功率。本发明的核心在于“网‑源‑储‑车”协同供电系统运行机制，其在供电环节，列车再生制动能量与新能源发电系统优先供电，其次是储能系统供电，只有在该三个供电单元供电后，仍不满足列车牵引负荷需求时，才通过牵引变电所从电网获取电能，而在电能消纳环节，储能系统只有在列车牵引负荷需求被满足后电能仍有剩余的情况下，才会通过充电消纳多余电能。

说明书

技术领域

本发明涉及电力技术领域，尤其指一种轨道交通“网-源-储-车”协同的实时能源管控方法。

背景技术

随着路网规模的不断扩大，截止至2021年底，全国铁路营业里程达到15万公里，其中高速铁路总里程达4万公里。然而，铁路里程数的增长在促进国民经济增长，改善人民生活品质的同时，伴随而来的是与日俱增的电能需求。而我国电能主要来自于化石能源发电，从全寿命周期用能结构而言，轨道交通是碳排放的主要领域之一，为助力“双碳”目标，轨道交通供电系统需要有突破，界内通常从能源管控方法来入手。

目前，传统的轨道交通能源管控多以储能或新能源等单一可调控单元接入为研究场景，难以充分发挥多源协同、网-源互补以及源-车-储互动等多级、多向、多元协同工作的优势。鉴于此，界内致力于构建“网-源-储-车”协同能源管控新体系，实现轨道交通系统能源的高效管控。如图1所示，轨道交通“网-源-储-车”协同供电系统主要由网、源、储、车以及铁路功率调节器(Railway Power Conditioner，RPC)组成。其中“网”包括电网、牵引变电所以及牵引网，它是保障牵引负荷供电需求的最终一环。“源”指新能源的接入，是实现低碳供能的重要途径。“储”指储能系统，主要利用其源荷双重特性实现系统功率波动平抑与再生制动利用。“车”指牵引列车，其作为一种具备再生制动能力的双向负荷，是实现节能减排的重要角色。各单元经由RPC联系起来，实现系统能源的协同管控。然而，既有轨道交通“网-源-储-车”协同供电技术多基于列车运行图以实现轨道交通系统的日前能源管控。在实际情况中，列车负荷功率波动间隔短、随机性强、冲击性大，既有轨道交通日前能源管控策略难以实现系统源荷时空匹配与高效运行。此外，在面向无日前列车运行图的重载货运铁路时，既有日前能源管控方案已无法应用。

发明内容

为了解决现有技术中“网-源-储-车”协同供电场景下难以实现能源实时管控的问题，本发明提供一种轨道交通“网-源-储-车”协同的实时能源管控方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方法：一种轨道交通“网-源-储-车”协同的实时能源管控方法，包括：

步骤S1，实时采集“网-源-储-车”协同供电系统各单元功率信息；

步骤S2，根据牵引网左右两侧列车牵引负荷需求、光伏发电量、储能荷电状态判断当前“网-源-储-车”协同供电系统的工作状态以及工作模式；

步骤S3，根据“网-源-储-车”协同供电系统运行机制确定“网-源-储-车”协同供电系统在当前工作状态以及工作模式下各单元可控量的参考功率，生成对应功率指令，实时调节各单元可控量的输出功率；

所述“网-源-储-车”协同供电系统运行机制为：在供电环节，列车再生制动能量与新能源发电系统优先供电，其次是储能系统供电，只有在该三个供电单元供电后，仍不满足列车牵引负荷需求时，才通过牵引变电所从电网获取电能；在电能消纳环节，储能系统只有在列车牵引负荷需求被满足后电能仍有剩余的情况下，才会通过充电消纳多余电能。

进一步地，步骤S1中，采集的各单元功率信息包括牵引变电所左右桥臂输出功率P

再进一步地，所述“网-源-储-车”协同供电系统的工作状态包括有牵引+牵引工作状态、制动+制动工作状态、牵引+制动工作状态，如下式(1)。

更进一步地，所述“网-源-储-车”协同供电系统在不同工作状态下的工作模式有：

1)牵引+牵引工作状态

根据光伏发电量与列车牵引负荷需求之间的关系以及储能荷电状态，在该牵引+牵引工作状态下共包括有四种工作模式，如下式(2)：

式中：S、S

2)制动+制动工作状态

根据储能荷电状态，该制动+制动工作状态包括有两种工作模式，如下式(3)：

式中：工作模式5表示列车全为制动，储能不能参与消纳；工作模式6表示列车全为制动，储能能参与消纳；

3)牵引+制动工作状态

根据列车功率情况，该牵引+制动工作状态下包括有整体牵引状态或整体制动状态，如下式(4)：

所述整体牵引状态下包括有四种工作模式，如下式(5)：

式中：工作模式7表示光伏与再生制动能量充足，储能不能参与消纳；工作模式8表示光伏与再生制动能量充足，储能能参与消纳；工作模式9表示光伏与再生制动能量不足，储能能补充放电；工作模式10表示光伏再生制动能量不足，储能不能补充放电；

所述整体制动状态下包括有两种工作模块，如下式(6)：

式中：工作模式11表示列车整体为制动状态，储能不能参与消纳；工作模式12表示列车整体为制动状态，储能能参与消纳。

优选地，根据“网-源-储-车”协同供电系统运行机制，在牵引+牵引工作状态下，其不同工作模式下各单元可控量的参考功率分别如下：

1)工作模式1：光伏发电充足，储能系统不能参与消纳；

P

2)工作模式2：光伏发电充足，储能系统能参与消纳；

若P

若P

3)工作模式3：光伏发电不足，储能能补充放电；

若P

若P

4)工作模式4：光伏发电不足，储能不能补充放电；

P

其中，P

优选地，根据“网-源-储-车”协同供电系统运行机制，在制动+制动工作状态下，其不同工作模式下各单元可控量的参考功率分别如下：

1)工作模式5：全为制动，储能不能参与消纳；

P

2)工作模式6：全为制动，储能能参与消纳；

若P

若P

其中，P

优选地，根据“网-源-储-车”协同供电系统运行机制，若P

1)工作模式7：光伏与再生制动能量充足，储能不能参与消纳；

P

P

2)工作模式8：光伏与再生制动能量充足，储能能参与消纳；

若P

则P

若P

则P

3)工作模式9：光伏与再生制动能量不足，储能能补充放电；

若P

若P

4)工作模式10：光伏再生制动能量不足，储能不能补充放电；

P

5)工作模式11：整体为制动状态，储能不能参与消纳；

P

6)工作模式12：整体为制动状态，储能能参与消纳；

若P

则P

若P

则P

其中，P

优选地，所述储能单元荷电状态下界S

与传统的轨道交通“网-源-储-车”日前能源管控方法相比，本发明提供的轨道交通“网-源-储-车”协同的实时能源管控方法，不需要基于列车运行图，其主要通过采集系统各单元功率信息，判断系统当前工作状态以及工作模式，并根据“网-源-储-车”协同供电系统运行机制确定系统在当前工作状态以及工作模式下各单元可控量的参考功率，生成对应功率指令，即可实时调节各单元可控量的输出功率。它的核心在于“网-源-储-车”协同供电系统运行机制，在供电环节中，列车再生制动能量与新能源发电系统优先供电，其次是储能系统供电，只有在该三个供电单元供电后，仍不满足列车牵引负荷需求时，才通过牵引变电所从电网获取电能，而在电能消纳环节，储能系统只有在列车牵引负荷需求被满足后电能仍有剩余的情况下，才会通过充电消纳多余电能。在此种能源管控方法下，系统可高效实现新能源与再生制动能量的消纳，实现能源实时管控，降低系统的运行成本，同时，可有效维持变压器两桥臂输出功率的基本平衡，缓解电网侧负序问题。

附图说明

图1是本发明轨道交通“网-源-储-车”协同供电系统拓扑结构图；

图2是b本发明轨道交通“网-源-储-车”协同供电运行机制示意图；

图3是本发明轨道交通“网-源-储-车”协同供电系统工作模式分类图；

图4是本发明实施方式中列车牵引负荷功率与光伏单元输出功率关系图；

图5是本发明实施方式中牵引变压器两臂输出功率关系图；

图6是本发明实施方式中三相电压不平衡度对比图；

图7是本发明实施方式中能源管控前后牵引负荷吸收电网电量对比图；

图8是本发明实施方式中光伏发电单元输出功率与消纳率示意图；

图9是本发明实施方式中再生制动单元输出功率与消纳率示意图；

图10是传统“网-车”供电型系统与本发明轨道交通“网-源-储-车”协同供电系统投资对比图。

具体实施方式

为了便于本领域技术人员的理解，下面结合实施例与附图对本发明作进一步的说明，实施方式提及的内容并非对本发明的限定。

如背景技术有提及，本发明提供的轨道交通“网-源-储-车”协同的实时能源管控方法中“网-源-储-车”协同供电系统的拓扑结构图如图1所示，在此种结构下，本发明对轨道交通能源进行实时管控，下面对本发明方法进行详细说明。

一种轨道交通“网-源-储-车”协同的实时能源管控方法，包括：

步骤S1，实时采集“网-源-储-车”协同供电系统各单元功率信息，包括牵引变电所左右桥臂输出功率P

步骤S2，根据牵引网左右两侧列车牵引负荷需求、光伏发电量、储能荷电状态判断当前“网-源-储-车”协同供电系统的工作状态以及工作模式。

S201，“网-源-储-车”协同供电系统的工作状态分类。

以图1中功率方向为正，根据牵引网左右两侧列车牵引负荷需求，将轨道交通协同供电系统共分为三种工作状态：牵引+牵引工作状态、制动+制动工作状态、牵引+制动工作状态，具体功率关系如下式：

根据步骤S1中采集的牵引网左右两侧列车牵引负荷大小P

S202，“网-源-储-车”协同供电系统的工作模式分类，见图3。

1)牵引+牵引工作状态下工作模式分类

根据光伏发电量与列车牵引负荷需求之间的关系以及储能荷电状态，在该牵引+牵引工作状态下共包括有四种工作模式，如下式(2)：

式中：S、S

2)制动+制动工作状态下工作模式分类

该工作状态下主要考虑新能源与列车再生制动能量的消纳问题，而此时系统中只有储能可能参与消纳，故根据储能荷电状态，该制动+制动工作状态包括有两种工作模式，如下式(3)：

式中：工作模式5表示列车全为制动，储能不能参与消纳；工作模式6表示列车全为制动，储能能参与消纳。

3)牵引+制动工作状态下工作模式分类

牵引+制动工作状态相对于前述两种工作状态多一步功率判断，根据列车功率情况，该牵引+制动工作状态下包括有整体牵引状态或整体制动状态，如下式(4)：

整体牵引状态下包括有四种工作模式，如下式(5)：

式中：工作模式7表示光伏与再生制动能量充足，储能不能参与消纳；工作模式8表示光伏与再生制动能量充足，储能能参与消纳；工作模式9表示光伏与再生制动能量不足，储能能补充放电；工作模式10表示光伏再生制动能量不足，储能不能补充放电。

整体制动状态下包括有两种工作模块，如下式(6)：

式中：工作模式11表示列车整体为制动状态，储能不能参与消纳；工作模式12表示列车整体为制动状态，储能能参与消纳。

根据步骤S1中采集的光伏单元输出功率P

步骤S3，根据“网-源-储-车”协同供电系统运行机制确定“网-源-储-车”协同供电系统在当前工作状态以及工作模式下各单元可控量的参考功率，生成对应功率指令，实时调节各单元可控量的输出功率。

S301，为充分利用各单元参与系统调控的潜力，根据调控优先级确定“网-源-储-车”协同供电系统运行机制，具体的，如图2(a)所示，在供电环节，列车再生制动能量与新能源发电系统优先供电，其次是储能系统供电，只有在该三个供电单元供电后，仍不满足列车牵引负荷需求时，才通过牵引变电所从电网获取电能；如图2(b)所示，在电能消纳环节，储能系统只有在列车牵引负荷需求被满足后电能仍有剩余的情况下，才会通过充电消纳多余电能。

S302，“网-源-储-车”协同供电系统的运行共分为前述3种工作状态、12种工作模式，在本发明的“网-源-储-车”协同供电系统运行机制下，该3种工作状态、12种工作模式下各单元可控量的参考功率具体如下。

一、牵引+牵引工作状态下，其不同工作模式下各单元可控量的参考功率分别如下：

1)工作模式1：光伏发电充足，储能系统不能参与消纳；

P

2)工作模式2：光伏发电充足，储能系统能参与消纳；

若P

若P

3)工作模式3：光伏发电不足，储能能补充放电；

若P

若P

4)工作模式4：光伏发电不足，储能不能补充放电；

P

二、制动+制动工作状态下，其不同工作模式下各单元可控量的参考功率分别如下：

1)工作模式5：全为制动，储能不能参与消纳；

P

2)工作模式6：全为制动，储能能参与消纳；

若P

若P

三、若P

1)工作模式7：光伏与再生制动能量充足，储能不能参与消纳；

P

P

2)工作模式8：光伏与再生制动能量充足，储能能参与消纳；

若P

则P

若P

则P

3)工作模式9：光伏与再生制动能量不足，储能能补充放电；

若P

若P

4)工作模式10：光伏再生制动能量不足，储能不能补充放电；

P

5)工作模式11：整体为制动状态，储能不能参与消纳；

P

6)工作模式12：整体为制动状态，储能能参与消纳；

若P

则P

若P

则P

四、若P

1)工作模式7：光伏与再生制动能量充足，储能不能参与消纳；

P

P

2)工作模式8：光伏与再生制动能量充足，储能能参与消纳；

若P

则P

若P

则P

3)工作模式9：光伏与再生制动能量不足，储能能补充放电；

若P

若P

4)工作模式10：光伏再生制动能量不足，储能不能补充放电；

P

5)工作模式11：整体为制动状态，储能不能参与消纳；

P

6)工作模式12：整体为制动状态，储能能参与消纳；

若P

则P

若P

则P

前述P

为了验证本发明的有效性与优异性，本发明基于某牵引变电所实测负荷数据以及光伏预测数据，搭建仿真模型进行验证，列车牵引负荷功率与光伏发电输出功率如图4所示，仿真参数如表1所示。

表1仿真参数

1、仿真结果分析

(1)变压器输出功率平衡度分析

图5给出了能源管控前后牵引变压器两臂的功率输出情况，由图可知，在本实施方式所涉调控方法下，变压器两臂输出功率可实现基本平衡。进一步计算牵引变电所并网点处的三相电压不平衡度，计算结果如图6所示。由图可知，能源管控前系统的电压不平衡度在单日内多次超过国标上限约束值，最大可达2.52％，而能源管控后系统的电压不平衡度均不超过1.3％，满足国标条件，避免变压器输出功率不平衡而对电力系统供电网的供电可靠性造成影响。

(2)电网输出电量对比

图7给出的是能源管控前后24h内牵引负荷从电网总共吸收的电量对比图。可以看出，光伏发电单元与再生制动单元的加入，使得变电所从外部电源获取的电量由118.7MWh变成64.3MWh，同比降低45.83％，有效降低了系统运行成本。

(3)新能源与再生制动能量消纳率分析

图8给出的是能源管控后24h内光伏发电单元输出功率及其消纳率，可以看出在本实施方式所涉能源管控方法下，系统对光伏的消纳效果较好，光伏消纳率稳定在95.8％左右，有效提升了系统的节能减排能力。

图9给出的是再生制动单元的输出功率及其消纳率，可以看出在本实施方式所涉能源管控方法下，系统能有效回收这部分能量，再生制动能量的消纳率稳定在63％左右，实现了电气化铁路供电系统的能效提升。

2、协同供电系统投资经济性分析

将传统“网-车”供电型系统作为传统方案，与在本实施方式所涉能源管控方法下的“网-源-储-车”协同供电方案进行对比。系统成本结果如表2所示。

表2系统成本对比

对比单日费用可知，本发明所涉方案降低电度电费作用明显，可有效支撑储能单元与光伏发电单元的运维费用，单日可节省2.841万元。

在本实施方式中，取协同供电系统的全寿命周期为15年。若以该日测量数据进行投资分析，在本实施方式能源管控方法下，如图10所示，系统的每年费用可节省1037万元，经3.38年后即可实现建设成本(3511万元)的回本，回本年限远低于系统寿命周期。由此可见，对于实际工程而言，本发明的能源管控方法经济、有效。

上述实施例为本发明较佳的实现方案，除此之外，本发明还可以其它方式实现，在不脱离本技术方案构思的前提下任何显而易见的替换均在本发明的保护范围之内。

为了让本领域普通技术人员更方便地理解本发明相对于现有技术的改进之处，本发明的一些附图和描述已经被简化，并且为了清楚起见，本申请文件还省略了一些其他元素，本领域普通技术人员应该意识到这些省略的元素也可构成本发明的内容。