集成混合储能及RPC的牵引供电系统优化运行_董文哲.pdf

第 12 卷 第 4 期2023 年 4 月Vol.12 No.4Apr.2023储能科学与技术Energy Storage Science and Technology集成混合储能及RPC的牵引供电系统优化运行董文哲1，杨斯泐1，梁宗佑2，陈垠宇2（1中国铁道科学研究院集团有限公司，北京 100081；2西南交通大学，四川 成都 611730）摘要：电气化铁路电分相构成了无电区，阻碍各供电区间内能量传递，不利于再生制动能量的回收利用，极大地影响了铁路运营效益。为降低铁路运营成本，在电分相处接入铁路功率调节器(railway power conditioner，RPC)，RPC直流环节便于混合储能装置接入。在此基础上，本文提出了一种牵引供电系统优化运行策略，通过控制混合储能充放电，达到削减负荷尖峰，回收制动能量的效果，进而实现牵引负荷的削峰填谷。该模型以牵引供电系统运行总成本最低为目标，以混合储能充放电功率等为决策变量，考虑了系统潮流平衡、混合储能等约束。进一步地，将模型中的非线性函数线性化，得到混合整数线性规划模型，然后利用CPLEX求解得到混合储能充放电策略和牵引供电系统购电方案。最后，基于实测数据，分析了所提模型的降费效果。与既有牵引供电系统对比，接入混合储能和RPC之后牵引供电系统日运营成本降低效果显著，为牵引供电系统优化运行提供了依据。关键词：储能；削峰填谷；充放电控制策略doi：10.19799/ki.2095-4239.2022.0664 中图分类号：TM 922.3 文献标志码：A 文章编号：2095-4239（2023）04-1185-09Research on optimal operation of traction power supply system with integrated hybrid energy storage and RPCDONG Wenzhe1,YANG Sile1,LIANG Zongyou2,CHEN Yinyu2(1China Academy of Railway Sciences Co.,Ltd.,Beijing 100081,China;2Southwest Jiaotong University,Chengdu 611730,Sichuan,China)Abstract:The electric phase of electrified railway constitutes a no-power zone,which hinders the energy transfer in each power supply area,is not conducive to the recovery and utilization of regenerative braking energy,and greatly affects the railway operation efficiency.In order to reduce the railway operation cost,the railway power conditioner(RPC)is connected in the electric phase,and the RPC DC link is convenient for the hybrid energy storage system(HESS)to access.On this basis,an optimal operation strategy of traction power supply system(TPSS)is proposed in this paper.By controlling the charge and discharge of HESS,the load peak is reduced and the braking energy is recovered,so as to realize the peak cutting and valley filling of traction load.The model aims to minimize the total operating cost of TPSS,and takes HESS charging and discharging power as decision variables.Furthermore,the nonlinear function in the model is linearized to obtain the mixed integer linear programming 储能系统与工程收稿日期：2022-11-09；修改稿日期：2022-11-18。基金项目：中国铁道科学研究院集团有限公司院基金项目（2021YJ268）。第一作者：董文哲（1994），男，硕士，助理研究员，研究方向为电气工程，E-mail：dwz_；通讯作者：梁宗佑，硕士，研究方向为电气工程，E-mail：。引用本文：董文哲,杨斯泐,梁宗佑,等.集成混合储能及RPC的牵引供电系统优化运行J.储能科学与技术,2023,12(4):1185-1193.Citation：DONG Wenzhe,YANG Sile,LIANG Zongyou,et al.Research on optimal operation of traction power supply system with integrated hybrid energy storage and RPCJ.Energy Storage Science and Technology,2023,12(4):1185-1193.2023 年第 12 卷储能科学与技术model,and then CPLEX is applied to obtain the charging and discharging strategy of HESS and the power purchase scheme of TPSS.Finally,based on the measured data,the cost-reduction effect of the proposed model is analyzed.Compared with the existing TPSS,the daily operating cost of the TPSS is significantly reduced after the HESS and RPC are connected,which provides a basis for the optimization operation of the TPSS.Keywords:energy storage;peak load shifting;charge-discharge control strategy我国高速铁路发展迅速，目前已居于世界前列。截至2020年，高速铁路总里程已达3.8万公里，这也导致高速铁路用能需求巨大1。据国家铁路局统计，2019年全国电气化铁路总用电量高达755.8亿kWh2。另一方面，随着大功率高速列车的投入运行，列车频繁牵引制动引起的冲击性，不仅对电力系统的稳定性提出巨大挑战，也对牵引供电系统供电能力提出了更高要求。在“双碳”背景下3，发展安全高质高效的电气化铁路，促进铁路节能降费意义重大。针对以上愿景，需要重点突破电气化铁路电分相这一“痼疾”。首先，机车经过电分相会断电降速，这严重限制了我国电气化铁路运量和车速的提高，不利于电气化铁路高速化、重载化发展4。此外，电分相是各个变电所、左右供电臂间无形的壁垒，阻隔了牵引供电系统的能量流动，不利于再生制动能量的回收利用。因此，相关学者依托大功率电力电子技术，创新性地提出了在电分相处加装基于背靠背变流器的铁路功率调节器(railway power conditioner，RPC)5。这不仅可以实现列车不断电过分相，也能打破牵引供电系统能量壁垒，提高再生制动能利用率。RPC存在直流环节为混合储能提供柔性接口6-7，混合储能在列车制动时存储能量，在列车牵引时释放能量，进一步实现牵引负荷的削峰填谷。近年来，诸多学者对电网中储能系统的调度策略进行了广泛深入研究，例如并网模式下的储能系统8、风电场功率平滑9-10、储能辅助调频11等。这为本工作研究牵引供电系统优化运行提供了一定基础。但是，考虑到牵引负荷不同于电力系统传统负荷，其具有更强的冲击性和波动性，因此当储能装置接入牵引供电系统时，需要重新研究系统运行策略。文献12研究了电气化铁路储能容量配置优化，提高了机车制动能量利用率。文献13提出了城轨超级电容充放电控制策略，有效解决了制动能量倒送电力系统的问题。文献14采用飞轮储能对牵引负荷进行削峰填谷，显著降低了负荷最大需量功率。RPC打通了牵引供电系统能量壁垒，但如何让可控的柔性供电设备主动参与功率调节，平滑冲击性牵引负荷，回收制动能量，实现牵引供电系统的优化运行值得进一步研究。为此，本工作以集成混合储能装置和RPC的牵引供电系统为研究对象，基于我国某典型牵引变电所负荷实测数据，以混合储能装置运维成本、电度电费、需量电费最低为目标，考虑混合储能充放电、系统潮流平衡等约束，协调系统各装置，实现系统节能降费，提高再生制动能量利用率。最后，通过算例分析，验证了所提方法的有效性。1 集成混合储能及RPC的牵引供电系统集成混合储能及RPC的牵引供电系统如图1所示。RPC的直流环节为储能装置的接入提供了柔性接口，避免了额外的辅助变流器。同时，RPC打破了既有牵引供电系统电分相导致的能量壁垒，实现了左臂和右臂能流的互联互通，有利于牵引供电系统的节能降费。以V/v接线的牵引供电系统为例，V/v牵引变压器将220 kV三相电压转变成27.5 kV两相电压，分别供左臂和右臂机车使用。RPC 横跨电分相，实现了左右臂能量的互通。RPC由两组单相四象限变流器背靠背连接，两组变流器间形成了直流环节，方便电池和超级电容的接入。储能单元包含双向DC/DC变流器、电池和超级电容。双向DC/DC变流器连接RPC直流环节和储能介质，控制储能充放电可以实现牵引负荷的削峰填谷。接入RPC直流环节。左右臂27.5 kV交流电经降压变压器和电感L流至RPC两侧变流器。更具体地，当左臂机车制动，右臂机车牵引时，机车产生的再生制动能量通过RPC传递至右臂，供右臂机车使用，盈余1186第 4 期董文哲等：集成混合储能及RPC的牵引供电系统优化运行的再生制动能量则存储至RPC直流环节的储能装置。当右臂机车制动，左臂机车牵引时，则同理。当左右臂机车均牵引或制动时，储能装置放电或充电，实现牵引负荷的削峰或填谷。进一步地，针对集成储能及RPC的牵引供电系统，如何协调系统各装置实现系统运营成本最低，即本工作所研究内容，后续将详细说明。针对牵引供电系统，考虑到其负荷具有较强的冲击性和波动性，选用混合储能装置。储能装置由高功率密度的超级电容和高能量密度的蓄电池组成，兼备两种储能的优点12。通过RPC直流环节接入的混合储能装置是实现牵引供电系统节能降费的关键，其作用主要表现在减小牵引负荷再生制动能量对电网的冲击性，抑制负荷牵引时的波动性，进而实现牵引负荷的削峰填谷。2 牵引供电系统优化运行策略牵引负荷与常规电力负荷不同，列车频繁启停，导致它的波动性和冲击性更强。针对牵引负荷的特点，利用超级电容和蓄电池组成的混合储能装置对牵引负荷进行削峰填谷。蓄电池发挥大容量的优势，作为后备存储能源，响应低频低功率牵引负荷；超级电容响应高频高功率牵引负荷。这样能够减少蓄电池循环充放电次数，延长其使用寿命，能充分发挥超级电容循环寿命长的优势。图2为本文所提牵引供电系统优化运行策略示意图，当电网联络线处功率幅值处于不同范围时，混合储能工作状态不同。具体如下：当电网联络线处功率幅值小于蓄电池额定功率，蓄电池根据充放电动态约束充电或放电，吸收或释放能量实现牵引负荷的填谷或削峰；若蓄电池荷电状态(state of charge，SOC)达到边界，且超级电容SOC未达边界，则超级电容辅助削峰填谷，以最大程度降低系统运营成本。当电网联络线处功率幅值大于蓄电池额定功率，且小于超级电容功率，超级电容根据充放电动态约束充电或放电，吸收或释放能量实现牵引负荷的填谷或削峰；若超级电容SOC达到边界，且蓄电池SOC未达边界，则蓄电池辅助削峰填谷。当电网联络线处功率幅值大于超级电容额定功率，蓄电池和超级电容根据充放电动态约束充电或放电，吸收或释放能量实现牵引负荷的填谷或削峰。2.1目标函数牵引供电系统执行两部制电价，因此目标函数包括电度电费，需量电费和混合储能运维成本14。目标函数如下：DC/DCDC/DC网侧牵引侧V/v接线牵引变压器Pt蓄电池超级电容RPC27.5 kV220 kVCBALL降压变压器降压变压器直流环节左臂进线右臂进线27.5 kV电网联络线brake,leftPtgrid,leftPtleftPtb,chPtuc,chPtuc,disPtb,disPtrightPtrightPtleftPtgrid,rightPtfed,leftPtfed,rightPtload,leftPtbrake,rightPtfedPtgridPtload,right图1集成混合储能及RPC的牵引供电系统拓扑结构Fig.1Topology of TPSS integrated with HESS and RPC11872023 年第 12 卷储能科学与技术mint T|grid()Pgridt+Pfedt+demmax()Pdemt+u()Pu，dist+Pu，cht+b()Pb，dist+Pb，chtt(1)Pdemt=tt+14Pgridt15，t 1，T-14(2)式中，t是采样时间，为 1 分钟；T为 1440，表示数据维度；Pgridt和Pdemt分别为牵引供电系统与电力系统并网点功率和需量功率；Pu,cht和Pu,dist分别为超级电容充放电功率；Pb,cht和Pb,dist分别为电池充放电功率；为各功率成本系数。式(1)中需量电费是非线性的。因此，引入辅助变量Ppeak线性化处理，如下所示：mint T|grid()Pgridt+Pfedt+demPpeak+u()Pu，dist+Pu，cht+b()Pb，dist+Pb，chtt(3)Ppeak Pdemt，t 1，T-14(4)2.2约束条件2.2.1系统各节点潮流平衡约束牵引供电系统中各节点应该满足能量守恒定律，包括左臂进线、右臂进线、RPC 端口、RPC 端口和RPC直流环节。各端口进线功率应该等于出线功率，根据图1所示潮流分布得到如下等式约束。Pgridt+Pfed，leftt+Pfed，rightt=Pfedt+Pgrid，leftt+Pgrid，rightt(5)Pfed，leftt+Pload，leftt+Pleftt=Pgrid，leftt+Pbrake，leftt+Pleftt(6)Pfed，rightt+Pload，rightt+Prightt=Pgrid，rightt+Pbrake，rightt+Prightt(7)Pb，dist+Pu，dist+Pleftt+Prightt=Pb，cht+Pu，cht+Pleftt+Prightt(8)式中，Pfed,leftt和Pfed,rightt分别为左右臂返回电力系统的功率；Pgrid,leftt和Pgrid,rightt分别为从电力系统输送左右臂的功率；Pload,leftt和Pload,rightt分别为左右臂列车牵引功率；Pbrake,leftt和Pbrake,rightt分别为从左右臂列车制动功率；Prightt和Prightt为右臂和RPC 侧变流器的交互功率；Pleftt和Pleftt为左臂和RPC 侧变流器的交互功率。为了保证功率流向的单一性，利用二进制变量对功率进行约束。当二进制变量为 0 时，Pgridt，Pgrid,rightt，Pgrid,leftt，Pleftt和Prightt为零；当二进制变量为1时，Pfedt，Pfed,rightt，Pfed,leftt，Pleftt和Prightt为0。此外，流经变压器和RPC的功率不能超过额定容量限值。|0 Pgridt vgridtMg0 Pfedt()1-vgridtMgMg=max()Pload，leftt+Pload，rightt(9)输入：蓄电池和超级电容额定功率；左、右臂功率；SOC上下限值计算：电网联络线功率幅值|P|=|Pgrid-Pfed|电池SOC是否达到边界电池充电或放电超级电容SOC是否达到边界超级电容充电或放电超级电容SOC是否达到边界超级电容SOC是否达到边界混合储能SOC是否达到边界电池和超级电容充电或放电超级电容充电或放电电池充电或放电是否是是是否否是否否否否tt|P|PratebPrate|P|PratePrate|P|buu图2牵引供电系统优化运行策略流程图Fig.2Flow chart of optimal operation strategy of TPSS1188第 4 期董文哲等：集成混合储能及RPC的牵引供电系统优化运行|0 Pgrid，t vtmax()Pload，t0 Pfed，t()1-vtmax()Pbrake，t right，left(10)|0 Pleftt vtPRPC0 Pleftt()1-vtPRPC0 Prightt vtPRPC0 Prightt()1-vtPRPC(11)式中，vt为二进制变量；PRPC为RPC额定容量限值。2.2.2混合储能充放电动态约束混合储能每时刻存储的能量与前一时刻存储的能量和前一时刻充放电功率有关，该过程应当满足如下递推公式15。Ebt+1=Ebt+(b，chPb，cht-1b，disPb，dist)t(12)Eut+1=Eut+(u，chPu，cht-1u，disPu，dist)t(13)式中，Ebt和Eut为电池和超级电容存储的电能；b,ch、b,dis、u,ch和u,dis分别为电池和超级电容的充放电效率。为了防止混合储能过充过放，对SOC进行约束。Ebt=1=Ebt=T=Cb0EbrateEut=1=Eut=T=Cu0Eurate(14)CblEbrate Ebt CbhEbrateCulEurate Eut CuhEurate(15)式中，Cb0和Cu0为电池和超级电容初始SOC；Ebrate和Eurate分别为电池和超级电容额定容量；Cbl和Cul为电池和超级电容SOC下限；Cbh和Cuh为电池和超级电容SOC上限。混合储能只能处于充电、放电或不工作三种状态，利用二进制变量设定约束如下。当二进制变量等于1时，混合储能放电或不工作；当二进制变量等于0时，混合储能充电或不工作。通过控制二进制变量可以改变混合储能工作状态。|0 Pb，dist vbtPbrate0 Pb，cht()1-vbtPbrate0 Pu，dist vutPurate0 Pu，cht()1-vutPurate(16)式中，vt为二进制变量；Pbrate和Purate分别为电池和超级电容额定功率。3 算例分析3.1输入参数及案例设计为了验证所提模型的有效性，在 MATLAB R2017b操作环境中，以国内某典型牵引变电所实测负荷数据为输入，如图3所示，利用YALMIP(版本20210331)工具箱对第2节中目标函数和约束条件进行建模，随后调用CPLEX求解器(版本12.9)求解模型，进而分析各个案例的节能降费效果。系统仿真主要参数如表1所示。本工作采用锂电池，混合储能装置参数如表2所示16。电网电价参数如表3所示15，牵引列车会产生再生制动能量，若这部分能量返回电网，则按反送正计方式计费14。为了充分分析RPC及储能接入牵引供电系统后的节能降费效果，本工作设计了如下三个案例：案例1：传统牵引供电系统，即不包含RPC及混合储能装置；表1系统输入参数Table 1System input parameters项目牵引变压器RPC参数名称V/v牵引变压器变比V/v变压器容量/MW降压变压器变比直流电容/mF交流电感/mH直流侧电压/V额定容量/MW参数取值220/27.530227.5/13.52600015图3国内某典型牵引变电所负荷实测数据Fig.3Load measurement data of a typical traction substation in China表2混合储能装置参数Table 2Parameters of HESS储能装置参数SOC范围始/末SOC额定容量/MWh额定功率/MW充/放电效率电池0.2,0.80.5/0.550.50.8/0.8超级电容0.2,0.950.5/0.50.340.95/0.9511892023 年第 12 卷储能科学与技术案例2：接入RPC的牵引供电系统；案例3：接入RPC和混合储能装置的牵引供电系统。3.2优化运行效果分析3.2.1案例1与案例2对比再生制动能量利用率通过式(17)计算得到：R=1TPfedt()Pbrake，leftt+Pbrake，rightt(17)图4(a)和(b)给出了优化前后左右臂进线功率对比，其中正值表示能量从牵引变压器流向供电臂，负值表示能量从供电臂返回牵引变压器。在未接入RPC 之前，左右臂之间的能量无法互通；接入RPC之后，电分相形成的能量壁垒被打破，右臂机车的制动能量流经RPC实现左臂机车牵引负荷的削减，反之左臂机车制动能量为右臂机车牵引供能。为进一步地，图5(a)和(b)给出了优化前后左右臂进线功率偏差与RPC 和端口输出功率的对比曲线。RPC输出功率为RPC各端口流向供电臂的功率。由图可知，优化前后左右臂进线功率偏差基本等于RPC 和端口输出功率。由表5可知，案例2中最大需量功率为11.18 MW，制动能量利用率为48.79%。由此验证了RPC实现了左右供电臂能量的互通，提高了制动能量利用率，削减了牵引负荷尖峰。3.2.2案例1与案例3对比图6给出了案例3中RPC 和端口输送供电臂的功率。由图6可知，RPC的功率始终在-15 MW15 MW之间，未超出RPC额定容量，证明了2.2节中约束条件的有效性。图7为超级电容和电池SOC曲线图，电池SOC曲线的波动性比超级电容更低。这是因为超级电容具有更高的功率密度，负责瞬时充放电；而蓄电池以更高的能量密度，作为后备储能。蓄电池和超级电容相互配合，在机车牵引时放电，降低电力系统负载压力，在机车制动时充电，图5优化前后左右臂进线功率偏差和RPC两端口功率Fig.5The power deviation of left and right arm inlet lines before and after optimization,and the power of the two ports of RPC图4优化前后左右臂进线功率对比图Fig.4Power comparison of left and right arm inlet lines before and after optimization表4不同案例削峰填谷效果Table 4Effect of peak cutting and grain filling in different cases参数最大需量功率/MW系统总能耗/MWh再生制动能量利用率/%案例112.698891.05案例211.187800.0048.79案例39.417151.7083.19表3电价参数Table 3Electricity parameters项目电度电费/(元/kWh)需量电费/元/(kW月)时间段峰时1.252428：0011：00，18：0021：00平时0.782427：00，12：0017：00谷时0.370420：006：00，22：000：001190第 4 期董文哲等：集成混合储能及RPC的牵引供电系统优化运行缓解列车对电力系统的冲击性。相比于超级电容或蓄电池，混合储能更加适配高冲击性、高波动性的牵引负荷。如图8所示，接入混合储能和RPC之后，电网联络线处牵引功率被削减，制动能量被回收，牵引负荷削峰填谷效果明显。由表5可知，案例3中最大 需 量 功 率 为 9.41 MW，制 动 能 量 利 用 率 为83.19%。进一步地，图9给出了超级电容和电池输出功率及优化前后电网联络线处功率偏差。储能输出功率正值为储能放电，负值为储能充电。由图8可知，超级电容与电池输出功率之和等于电网联络线处功率偏差。偏差为正即削峰时，超级电容与电池输出功率为正，混合储能放电供机车牵引；偏差为负即填谷时，超级电容与电池输出功率为负，混合储能充电吸收机车制动能量。此外，如图9椭圆标注处所示，超级电容为大功率负荷，负责尖峰功率的削减；电池功率较低，在负荷功率较低时放电供机车使用。3.3降费效果对比表5综合对比了案例1、2和3的各项成本。在分时电价计费方式下，案例3与案例2各项成本相比于案例1均有不同程度的减少：案例3电度电费为10.68万元，案例2电度电费为11.87万元；案例3与案例2需量电费分别为1.32万元和1.57万元；案例3回馈电能电费为0.58万元，案例2回馈电能电费为 1.69 万元。案例 3 总成本为 12.87 万元，相比于案例1降幅为30.39%；而案例2总成本为15.12万元，降幅为18.23%。结合表4中案例3和 案 例 2 系 统 总 能 耗 分 别 为 7151.70 MWh 和7800.00 MWh，制动能量利用率分别为83.19%和48.79%，证明同时接入混合储能和RPC能够最大程度地降低系统总能耗，提高系统能量利用率，节省系统运营总成本。4 结论针对集成储能和RPC的牵引供电系统，本工图7电池和超级电容SOC曲线Fig.7Battery and ultracapacitor SOC curves图8案例1与案例3中电网联络线处功率Fig.8Power at the contact line of power grid in case 1 and case 3图6RPC两端口输送供电臂的功率Fig.6The power transmitted from two ports of the RPC to power supply arm图9优化前后电网联络线处功率偏差、超级电容和电池输出功率Fig.9The power deviation at the contact line of power grid before and after optimization,ultracapacitor and battery output power表5不同案例各项成本对比Table 5Cost comparison of different cases参数电度电费/万元需量电费/万元回馈电能费用/万元混合储能装置运维成本/万元总成本/万元总成本优化率/%案例113.451.773.2818.49案例211.871.571.6915.1218.23案例310.681.320.580.2912.8730.3911912023 年第 12 卷储能科学与技术作研究了混合储能装置的充放电策略，协调系统各设备降低了运营总成本，得到如下结论：（1）本文所提牵引供电系统优化运行策略能够很好协调系统各设备，实现牵引负荷削峰填谷，提高再生制动能量利用率至83.19%，降低最大需量功率至9.41 MW。（2）基于本工作所选典型牵引变电所实测数据，综合对比分析三个案例，发现同时接入RPC和混合储能时系统运营成本最低，总运营成本降低了30.39%。（3）依据电网联络线处功率幅值，划分了电池和超级电容的不同工作模式，以发挥各自的优势，案例分析显示电池和超级电容能够很好互补，降低牵引负荷对电力系统的冲击性。下一步将结合储能装置物理特性及投资成本，着重研究如何降低储能装置综合经济成本。此外，针对牵引负荷的不确定性建模也值得进一步研究。参 考 文 献1 国务院新闻办公室.中国交通的可持续发展白皮书EB/OL.20192020-12.http:/ State Council Information Office of the Peoples Republic of China.Sustainable development of transport in ChinaEB/OL.20192020-12.http:/ 贾利民,马静,吉莉.中国陆路交通能源融合的形态、模式与解决方案M.北京:科学出版社,2020:228-236.JIA L M,MA J,JI L.Scenarios,patterns and solutions of ground transportation and energy convergence in ChinaM.Beijing:Science Press,2020:228-236.3 陈海生,刘畅,徐玉杰,等.储能在碳达峰碳中和目标下的战略地位和作用J.储能科学与技术,2021,10(5):1477-1485.CHEN H S,LIU C,XU Y J,et al.The strategic position and role of energy storage under the goal of carbon peak and carbon neutralityJ.Energy Storage Science and Technology,2021,10(5):1477-1485.4 李官军,冯晓云,王利军,等.高速动车组自动过分相控制策略研究与仿真J.电工技术学报,2007,22(7):181-185.LI G J,FENG X Y,WANG L J,et al.Research and simulation on auto-passing 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