北京交通大學電氣工程學院的研究人員諸斐琴、楊中平等，在2019年第3期《電工技術學報》上撰文指出，在城軌交通中安裝地面式超級電容儲能系統(tǒng)將有效回收列車再生制動能量,降低系統(tǒng)運行能耗。各個變電所、牽引/制動列車與儲能系統(tǒng)通過牽引網(wǎng)進行實時能量交互,組成一個復雜的多能源耦合系統(tǒng),因此,為了提高牽引供電系統(tǒng)的整體能量效率,減少投資成本,該文提出供電系統(tǒng)參數(shù)與儲能系統(tǒng)容量配置綜合優(yōu)化方法。

首先建立不同列車運行場景的等效電路模型,分析變電所空載電壓和制動電阻啟動電壓對變電所、牽引/制動列車與儲能系統(tǒng)之間能量傳遞效率與有效傳輸距離的影響;其次,建立以系統(tǒng)能耗和配置成本為目標的多目標優(yōu)化問題,將NSGA-II優(yōu)化算法與城軌牽引供電潮流計算相結合,對供電系統(tǒng)參數(shù)與儲能系統(tǒng)容量配置進行綜合優(yōu)化;最后,基于北京地鐵八通線算例,求解綜合優(yōu)化的帕累托最優(yōu)解集。

結果表明,相比于單一儲能系統(tǒng)優(yōu)化,綜合優(yōu)化在投資成本相近的情況下有效提高了儲能系統(tǒng)的節(jié)能率。

研究背景

隨著城市軌道交通的快速發(fā)展，如何降低城軌列車運行能耗、實現(xiàn)節(jié)能減排，越來越受到人們的關注。目前，城軌列車普遍采用再生制動：當列車制動時，電機工作于發(fā)電機狀態(tài)，將機械能轉化為電能，回饋到牽引網(wǎng)中。由于城軌線路站間距短，列車啟停頻繁，再生制動能量相當可觀。超級電容具有功率密度大、循環(huán)壽命長的優(yōu)點，因此，將超級電容儲能系統(tǒng)安裝于城軌變電所中將有效回收再生制動能量，提高系統(tǒng)的能量利用效率。

地面式儲能系統(tǒng)的選址和容量配置是其應用于城軌交通系統(tǒng)需要解決的重要問題，目前已有大量文獻對其進行深入的研究。文獻[7]通過預測儲能裝置導入前各個站的瞬時再生能量來確定容量配置方案，然而這種配置方法未考慮儲能系統(tǒng)的功率限制對系統(tǒng)能量流動的影響，并且未對配置成本與節(jié)能效果進行權衡。

文獻[8]和[9]分別在不同發(fā)車間隔下分析了儲能裝置和能饋裝置的節(jié)能效果隨容量配置的變化趨勢，但是基于各站配置容量相同的假設，實際上，各個變電所分布在地鐵沿線的不同位置，線路坡道、站間距各不相同，因此各站配置的最優(yōu)容量也存在差異。

文獻[10]基于遺傳算法，將多儲能系統(tǒng)的控制策略參數(shù)與容量配置方案進行協(xié)同優(yōu)化，在保證整體節(jié)能效果的前提下有效降低了容量配置需求。

論文所解決的問題及意義

目前大多數(shù)文獻只是對儲能系統(tǒng)的參數(shù)進行了優(yōu)化。城軌牽引供電系統(tǒng)應該是一個有機的整體，系統(tǒng)能耗是列車、變電所和儲能系統(tǒng)參數(shù)綜合作用的結果，節(jié)能效果的提升也應該從系統(tǒng)的角度進行分析。由于城軌系統(tǒng)中設置儲能系統(tǒng)后，列車再生制動能量可以被儲能系統(tǒng)及時回收，列車受電弓電壓的飆升將得到有效地抑制，而制動電阻的過早投入將導致制動能量無法回饋到牽引網(wǎng)。

論文方法及創(chuàng)新點

本文將變電所輸出特性、制動電阻控制曲線和儲能系統(tǒng)容量配置進行綜合地考慮，通過等效電路模型分析各部分參數(shù)對系統(tǒng)能量流動的影響，提出基于NSGA-II算法的供電系統(tǒng)參數(shù)與儲能系統(tǒng)容量配置多目標優(yōu)化方法。

首先，本文通過對不同的列車運行場景建模分析了變電所空載電壓、制動電阻啟動電壓對再生制動能量回收效率和傳輸距離的影響。由于城軌牽引供電系統(tǒng)是一個復雜的非線性時變系統(tǒng)，本文將采用精英策略的非支配排序遺傳算法（ElitistNon-dominatedSortingGA,NSGA-II）與城軌牽引供電系統(tǒng)仿真相結合，尋求以上多目標優(yōu)化問題的帕累托最優(yōu)解集。

其中，城軌供電仿真平臺將多列車運行工況、儲能系統(tǒng)模型和牽引供電系統(tǒng)直流潮流進行同步解析，求得變電所總能耗，進而對目標函數(shù)進行評估。NSGA-Ⅱ通過快速非支配排序對種群進行分層，區(qū)分個體的非劣解水平；然后計算每個非支配層中個體的擁擠度，擁擠度比較算子根據(jù)個體的非支配層級和擁擠度選取獲勝個體組成新的父代種群，由此保持種群多樣性；最后，通過選擇、交叉和變異的遺傳操作實現(xiàn)目標函數(shù)的改進，產(chǎn)生新一代種群，多次迭代直至滿足終止條件，得到多目標優(yōu)化問題的帕累托最優(yōu)解集。

結論

本文以提高城軌牽引供電系統(tǒng)整體能量效率為目標，考慮安裝地面式儲能裝置后，對供電系統(tǒng)參數(shù)與容量配置進行綜合分析與優(yōu)化。模型分析表明，提高空載電壓將有效減少線路損耗，但同時縮短了制動能量傳輸距離；而提高制動電阻啟動電壓將提高制動能量傳輸效率。

本文基于實際地鐵線路對變電所空載電壓、制動電阻啟動電壓與儲能系統(tǒng)容量配置進行了多目標綜合優(yōu)化，得到帕累托最優(yōu)曲線。結果表明，相比于單一儲能系統(tǒng)優(yōu)化，綜合優(yōu)化后在相同儲能系統(tǒng)配置成本下系統(tǒng)總能耗減小，儲能系統(tǒng)得到更加有效的利用，其節(jié)能率提高了3.7%。

城軌交通牽引供電系統(tǒng)參數(shù)與儲能系統(tǒng)容量配置綜合優(yōu)化