集成混合储能与光伏装置的牵引供电系统能量管理优化方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了集成混合储能与光伏装置的牵引供电系统能量管理优化方法，包括以下步骤：步骤1：获取牵引变电所负荷过程数据和典型光照强度场景；步骤2：根建立优化模型的目标函数；步骤3：建立优化模型的约束条件，并将优化模型的约束条件线性化；步骤4：根据步骤2得到的目标函数和步骤3得到的约束条件，建立混合整数线性规划模型；步骤5：求解步骤4得到的模型，得到混合储能装置最优充放电功率、光伏最优并网功率、潮流控制器中背靠背变流器最优潮流功率，即完成牵引供电系统能量管理优化；本发明专利技术提高光伏渗透率和列车再生制动能量利用率、减少电气化铁路电费成本，能量管理优化方法更加贴近实际。

Energy management optimization method for traction power supply system with integrated hybrid energy storage and photovoltaic devices

The invention discloses an energy management optimization method for traction power supply system integrated with hybrid energy storage and photovoltaic devices, including the following steps: step 1: obtaining load process data of traction substation and typical lighting intensity scenarios; step 2: establishing objective function of optimization model at root; step 3: establishing constraints of optimization model and linearizing constraints of optimization model; step 4: According to the objective function obtained in step 2 and the constraints obtained in step 3, a mixed integer linear programming model is established. Step 5: Solving the model obtained in step 4, the optimal charging and discharging power of the hybrid energy storage device, the optimal grid-connected photovoltaic power and the optimal power flow power of the back-to-back converter in the power flow controller are obtained, that is, the energy management optimization of the traction power supply system is completed. Permeability and energy utilization ratio of regenerative braking of trains, reducing electricity cost of electrified railways, and optimizing methods of energy management are closer to reality.

【技术实现步骤摘要】
集成混合储能与光伏装置的牵引供电系统能量管理优化方法
本专利技术涉及一种集成混合储能与光伏装置的牵引供电系统能量管理优化方法。
技术介绍
为了减少碳排放，推进绿色可持续发展，我国也加入了减少温室气体排放的国家行列；轨道交通领域，电气化铁路作为能源消耗大户，也开始采取措施实现节能减排；考虑到高速列车巨大的再生制动能量，可以通过在铁路系统中引入蓄电池与超级电容器组合的混合储能装置，以实现列车再生制动能量的吸收和再利用。此外，近年来我国可再生能源发电发展迅速，然而在电气化铁路沿线风、光资源丰富的地区却未能实现可再生能源的就近消纳利用，利用混合储能设备存储多余的可再生能源可以有效提高可再生能源的渗透率，减小电源薄弱地区电气化铁路对外部电源的依赖，提高牵引供电系统的可靠性。需要注意的是，电气化铁路牵引负荷的随机波动性、冲击性不仅使得牵引供电系统稳定性与可靠性受到影响，还大大增加了牵引变压器安装容量，从而使铁路运营部门需要支付的两部制电价中的基本电费增加。凭借超级电容充放电迅速以及电池存储容量大的优势特点，混合储能装置可以实现牵引负荷的削峰填谷，减小牵引负荷波动性，从而降低牵引变电所需量电费。此外，由于电气化铁路牵引负荷的不平衡性，既有供电模式下以三相电压不平衡度为主的电能质量问题已经成为制约系统安全、可靠和高效运行的突出“瓶颈”。然而，既有牵引供电系统并不具备对冲击性负荷进行主动控制及调节的能力，供电资源的利用效率以及对以三相电压不平衡度为主的电能质量的控制能力亟待提升。
技术实现思路
为解决上述问题，本专利技术提供一种集成混合储能与光伏装置的牵引供电系统能量管理优化方法，该方法可以提高光伏渗透率和列车再生制动能量利用率，减少铁路电费成本，且克服了既有方案中没有考虑三相电压不平衡度国标约束的局限，使优化运行策略更加贴近实际。本专利技术采用的技术方案是：集成混合储能与光伏装置的牵引供电系统能量管理优化方法，包括以下步骤：步骤1：获取牵引变电所负荷过程数据和典型光照强度场景；步骤2：根据电费参数和步骤1得到的牵引变电所负荷过程数据和典型光照强度场景，建立优化模型的目标函数；步骤3：根据混合储能系统和光伏系统的功率容量参数、三相电压不平衡度国标参数，基于步骤1得到的牵引变电所负荷过程数据和典型光照强度场景建立优化模型的约束条件，并将优化模型的约束条件线性化；步骤4：根据步骤2得到的目标函数和步骤3得到的约束条件，建立混合整数规划模型；步骤5：求解步骤4得到的模型，得到混合储能装置最优充放电功率，光伏最优并网功率、潮流控制器中背靠背变流器最优潮流功率，即完成牵引供电系统能量管理优化。进一步的，所述步骤2中的目标函数为：式中：f为目标函数，表示牵引变电所日电费成本，s为光照场景，t为时间段，πs为不同光照强度场景对应的概率，为电度电费单价，为需量电费单价，为光伏发电单位成本，为售电单价；为15分钟内牵引供电系统平均负荷，为由公共电网输入到牵引供电系统的有功功率，为光伏发电的有功输出，为由牵引供电系统反馈至公共电网的有功功率；其中：式中：T为一天内总的时间段数，Δt为单位时间段。进一步的，所述步骤3中的约束条件包括功率平衡约束、混合储能系统约束、公共电网功率约束、光伏发电约束、背靠背变流器约束、三相电压不平衡度约束。进一步的，所述步骤3中约束条件如下：功率平衡约束条件：式中：为由公共电网输入到牵引供电系统的有功功率，为由牵引供电系统反馈至公共电网的有功功率，分别为单相牵引变压器的正、反方向有功功率，分别为背靠背变流器α相的正、反方向有功功率，分别为背靠背变流器β相的正、反方向有功功率；为电池的放电功率，为电池的充电功率，为超级电容的放电功率，为超级电容的充电功率，为光伏发电的有功输出；为牵引负荷的有功功率，为再生制动的有功功率；分别为背靠背变流器β相的正方向无功功率和负方向无功功率，为牵引负荷的无功功率，为再生制动的无功功率；混合储能系统约束条件：式中：εb为电池的自放电率，εb为超级电容的自放电率，ηb,dis为电池的放电效率，ηb,ch为电池的充电效率，ηu,dis为超级电容的放电效率，ηu,ch为超级电容的充电效率，Δt为单位时间段，为电池在t+1时间段储存的电能，为电池在t时间段储存的电能；为超级电容在t+1时间段储存的电能，为超级电容在t时间段储存的电能；式中：为电池额定功率，为超级电容额定功率，SOCb为电池最小荷电状态，为电池最大荷电状态，为电池额定容量，为超级电容额定容量，为t-1时段电池储存的电能，为t-1时段超级电容储存的电能，SOCu为超级电容最小荷电状态，为超级电容最大荷电状态；式中：为每日初始时段电池储存的电能，为每日最后时段电池储存的电能，为每天初始荷电状态，为每日初始时段超级电容储存的电能，为每日最后时段超级电容储存的电能，为超级电容每天初始荷电状态；和均为二进制变量；光伏发电约束：式中：ηpv为光伏发电效率，Apv为光伏面板面积，为日内各时刻光照强度，Spv为光伏逆变器容量；背靠背变流器约束：式中：Sα为背靠背变流器α相的容量，Sβ为背靠背变流器β相的容量，为背靠背变流器α相有功功率最大值，和均为二进制变量；三相电压不平衡度约束：式中：εU为牵引变电所电网侧三相电压不平衡度，US为电网侧线电压，S为电网侧线短路容量，为国标中三相电压不平衡度上限值，为电网侧负序电流，UT为牵引变压器出口处电压，Uα为背靠背变流器α相出口处电压，N1为单相牵引变压器变比，N2为高压匹配变压器变比，a为复数算子ej120°，为单相牵引变压器的电压电流相角差，为背靠背变流器α相的电压电流相角差，IT为牵引变压器电流，Iα为背靠背变流器α相的电流。进一步的，所述步骤3中约束条件线性化方法如下：公式(1)线性化后为下式：式中：为辅助变量；公式(16)线性化后为下式：anPn,l≤pn≤anPn,r,-Man≤qn≤Man(26)式中：an为二进制变量，Ntrap为PQ圆中划分的梯形个数，pn为辅助变量，qn为辅助变量，P为背靠背变流器β相的有功功率，Q为背靠背变流器β相的无功功率，Pn,l为PQ圆中第n个梯形左侧上角点的横坐标，Pn,r为PQ圆中第n个梯形右侧上角点的横坐标，M为极大值，Qn,l为PQ圆中第n个梯形左侧上角点的纵坐标，Qn,r为PQ圆中第n个梯形右侧上角点的纵坐标，二进制变量an之和为1表示只有一个梯形会被选中；公式(21)线性化后如下：式中：为均为辅助变量，为二进制变量。进一步的，所述步骤5中通过混合整数优化求解器求解模型。进一步的，所述步骤1中的牵引变电所负荷过程数据，根据高速铁路线路、列车和时刻表，通过负荷过程仿真软件计算得到，例如ELBAS/WEBANET。进一步的，所述步骤1中的典型光照强度场景，是基于场景削减方法对光照强度场景历史数据进行削减得到的，例如同步回代消除法。进一步的，所述步骤5中通过混合整数优化求解器求解模型。本专利技术的有益效果是：(1)本专利技术以减少铁路部门电费成本为目标，着重考虑了牵引供电系统中的三相电压不平衡度约束，使得牵引供电系统能量管理优化方法更加贴近实际，克服了既有方案中没有考虑三相电压不平衡度约束的局限；(2)本专利技术通过对目标函数和约束条件中的非线性元素进行线性化处理，建本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种集成混合储能与光伏装置的牵引供电系统能量管理优化方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：获取牵引变电所负荷过程数据和典型光照强度场景；步骤2：根据电费参数和步骤1得到的牵引变电所负荷过程数据和典型光照强度场景，建立优化模型的目标函数；步骤3：根据混合储能装置和光伏系统的功率容量参数、三相电压不平衡度国标参数，基于步骤1得到的牵引变电所负荷过程数据和典型光照强度场景，建立优化模型的约束条件，并将优化模型的约束条件线性化；步骤4：根据步骤2得到的目标函数和步骤3得到的约束条件，建立混合整数规划模型；步骤5：求解步骤4得到的模型，得到混合储能装置最优充放电功率，光伏最优并网功率、潮流控制器中背靠背变流器最优潮流功率，即完成牵引供电系统能量管理优化。

【技术特征摘要】
1.一种集成混合储能与光伏装置的牵引供电系统能量管理优化方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1：获取牵引变电所负荷过程数据和典型光照强度场景；步骤2：根据电费参数和步骤1得到的牵引变电所负荷过程数据和典型光照强度场景，建立优化模型的目标函数；步骤3：根据混合储能装置和光伏系统的功率容量参数、三相电压不平衡度国标参数，基于步骤1得到的牵引变电所负荷过程数据和典型光照强度场景，建立优化模型的约束条件，并将优化模型的约束条件线性化；步骤4：根据步骤2得到的目标函数和步骤3得到的约束条件，建立混合整数规划模型；步骤5：求解步骤4得到的模型，得到混合储能装置最优充放电功率，光伏最优并网功率、潮流控制器中背靠背变流器最优潮流功率，即完成牵引供电系统能量管理优化。2.根据权利要求1所述的一种集成混合储能与光伏装置的牵引供电系统能量管理优化方法，其特征在于，所述步骤2中的目标函数为：式中：f为目标函数，表示牵引变电所日电费成本，s为光照场景，t为时间段，πs为不同光照强度场景对应的概率，为电度电费单价，为需量电费单价，为光伏发电单位成本，为售电单价；为15分钟内牵引供电系统平均负荷，为由公共电网输入到牵引供电系统的有功功率，为光伏发电的有功输出，为由牵引供电系统反馈至公共电网的有功功率；其中：式中：T为一天内总的时间段数，Δt为单位时间段。3.根据权利要求2所述的一种集成混合储能与光伏装置的牵引供电系统能量管理优化方法，其特征在于，所述步骤3中的约束条件包括功率平衡约束、混合储能系统约束、公共电网功率约束、光伏发电约束、背靠背变流器约束、三相电压不平衡度约束。4.根据权利要求3所述的一种集成混合储能与光伏装置的牵引供电系统能量管理优化方法，其特征在于，所述步骤3中约束条件如下：功率平衡约束条件：式中：为由公共电网输入到牵引供电系统的有功功率，为由牵引供电系统反馈至公共电网的有功功率，分别为单相牵引变压器的正、反方向有功功率，分别为背靠背变流器α相的正、反方向有功功率，分别为背靠背变流器β相的正、反方向有功功率；为电池的放电功率，为电池的充电功率，为超级电容的放电功率，为超级电容的充电功率，为光伏发电的有功输出；为牵引负荷的有功功率，为再生制动的有功功率；分别为背靠背变流器β相的正方向无功功率和负方向无功功率，为牵引负荷的无功功率，为再生制动的无功功率；混合储能系统约束条件：式中：εb为电池的自放电率，εb为超级电容的自放电率，ηb,di...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈民武，刘元立，陈垠宇，潘自强，田航，刘思阳，程哲，程一林，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：四川,51