一种轨道交通地面式超级电容储能系统容量配置方案技术方案

本发明专利技术具体涉及一种轨道交通地面式超级电容储能系统容量配置方案，属于城市轨道交通再生制动能量储存利用技术领域，根据地铁列车负载、辅助功率和制动特性曲线得到单车再生制动能量，结合列车运行图与线路信息计算超级电容储能系统供电区间内多车剩余再生制动能量，配置地面超级电容储能系统容量；通过判断剩余再生制动能量是否完全被吸收来确定是否需要对系统容量配置进行调整，最后根据配置方案的节能效率及投资成本，建立约束条件及优化目标函数，以目标函数值最小为最优，调整容量配置方案，以实现超级电容储能系统容量最优配置。

A capacity configuration scheme of ground super capacitor energy storage system for rail transit

【技术实现步骤摘要】
一种轨道交通地面式超级电容储能系统容量配置方案
本专利技术涉及城市轨道交通再生制动能量储存利用
，特别是一种轨道交通地面式超级电容储能系统容量配置方案。
技术介绍
地铁列车具有启停频繁、运行密度大、站间运行距离短等特点，其制动能量相当可观。列车的制动方式主要包括机械制动和再生制动两种方式，机械制动通过闸瓦摩擦车轮踏面，将列车的动能直接转换为热能耗散在空气中。该方式对列车动能造成浪费，同时造成了诸如闸瓦磨损、粉尘污染和隧道温升等问题。再生制动的原理是当列车制动时，牵引电机的电动机工况转变为发电机工况，列车动能转化为再生电能，通过变换电路和受电弓(或第三轨)将再生能量反馈给牵引网，提供给辅助电源或相邻运行列车使用，有效利用这部分再生制动能量，将极大地降低列车运行能耗，提高节能效率，该部分已经成为目前相关研究的难点问题。在再生制动能量处理装置的选择上，电阻吸收装置的优点在于设备造价相对较低，控制维护简单，主要不足是车辆再生制动能量消耗在吸收电阻上，未加以利用，造成能量的浪费。采用逆变吸收装置回收制动能量会对牵引网的谐波产生极大的影响。飞轮储能装置的核心技术受限于应用领域的影响，大面积的应用非常困难。车载超级电容需要在每辆列车上设置车载储能系统，随着客流密度的加大、列车数量增大，投资成本也在不断的增长。车载储能系统安装在列车上必然会增加列车的重量，容易受到灰尘、油污的侵染，车上的振动冲击使其容易受损，维修费用较高。传统超级电容充放电为SOC控制，通过调节充放电电流的流向实现。根据SOC限制曲线可知，充电过程中，当超级电容的SOC值接近0.95时，减小充电电流，防止过充，同理放电过程，当超级电容的SOC值接近下限0.25时，减小放电电流，防止超级电容过放，该方式需要设置足够容量的超级电容，加重投入成本。目前设计变电所的超级电容容量配置方式为考虑上、下行两列车同时进站，计算变电所供电区间剩余的再生制动功率及再生制动能量，作为容量配置的依据，未考虑轨道交通系统处于多车运行工况，车与车、车与网、车与超级电容之间均存在能量交互过程，能量交互会影响供牵引网上剩余再生能量的分布，进而影响对储能系统的容量配置。
技术实现思路
所要解决的技术问题：本专利技术提供一种轨道交通地面式超级电容储能系统容量配置方案，该方案综合考虑列车运行图及、线路信息车辆参数，以节能效率高、成本低为目标进行容量配置，能够提高整个系统再生制动能量回收效率、节省超级电容成本。技术方案：一种轨道交通地面式超级电容储能系统容量配置方案，其特征在于：根据地铁列车负载、辅助功率和制动特性曲线等车辆参数得到单车再生制动能量，结合列车运行图各参数与线路信息计算出超级电容储能系统供电区间内多车剩余再生制动能量，配置超级电容储能系统容量，通过判断剩余再生制动能量是否被完全吸收来确定是否需要对系统容量配置进行调整，最后根据配置方案的节能效率及投资成本，建立约束条件及优化目标函数，以目标函数值最小为最优，调整容量配置方案，以实现超级电容储能系统容量最优配置。进一步地，采用地面式超级电容储存地铁列车剩余再生制动能量，将超级电容安装在牵引变电所中，可降低车体自重、节省车体空间及维修成本，超级电容充放电循环次数可达到50万次以上，适用于启动、制动频繁的地铁列车。进一步地，通过列车负载、辅助功率和制动特性等车辆参数确定单车再生制动能量。进一步地，综合考虑列车运行图、线路信息及车辆参数计算超级电容储能系统供电区间多车剩余再生制动能量，初步配置超级电容储能系统容量，其中，列车运行图提供发车间隔、上下行发车时间差信息；线路信息提供线路坡度信息、变电所位置以及站点位置信息；车辆参数提供列车负载、辅助功率及制动特性信息。进一步地，首先计算单车再生制动能量E，将地铁列车制动特性曲线分为四种运行工况：OA段为低速运行、AB段为恒力矩运行、BC段为恒功率运行和CD段为自然运行，根据曲线提供的制动力-速度(F-V)序列，忽略低速运行阶段，计算得到单车制动能量E：式中，P为列车制动功率，F为各时刻制动力，V为各时刻运行速度，t1为AB段运行时间，t2为BC段运行时间，t3为CD段运行时间。进一步地，通过列车运行图得到上下行车辆运行信息，计算单车剩余再生制动能量EO，再生制动能量E一部分用于提供辅助电源能量ER，另一部分为回馈至牵引网的能量EH，辅助电源能量ER包括超级电容储能系统供电区间辅助设备能量EA及超级电容储能系统供电区间线路损耗能量EL，单车剩余再生制动能量EO可表示为：式中，SA为辅助设备容量，为功率因素，RL为线路阻抗，P为线路功率，U为线路端电压。进一步地，以列车运行图为基础计算超级电容储能系统供电区间内多车剩余制动能量ERE，由列车运行图得到单车速度-时间(V-t)、位移-时间(s-t)序列，提供全线上、下行所有列车位置信息；借助列车运行发车间隔、上下行时间差确定超级电容储能系统供电区间内制动列车与启动列车数目；结合列车负载、辅助功率、制动特性确定剩余再生制动能量，计算超级电容储能系统供电区间内多车剩余再生制动能量ERE，可表示为：ERE＝EBE-EA-EL-ESE(3)式中，EBE为超级电容储能系统供电区间内列车再生制动总能量，ESE为超级电容储能系统供电区间内列车启动总能量。进一步地，通过判断各超级电容储能系统供电区间内剩余再生制动能量是否被完全吸收来确定是否需要对系统容量配置进行调整。进一步地，为减小计算误差，在超级电容储能系统供电区间内多车剩余再生制动能量计算过程中加入容量配置约束条件，包括速度约束、列车区间运行时分约束、发车间隔约束，在约束条件允许范围内计算得到实际运行工况下最优容量配置：1)速度约束列车在运行过程中要满足限速的要求，同时也要满足途中运行允许的最小速度约束，即：Vmix≤V≤Vlimit(4)式中，Vmix表示线路允许最低速度，Vlimit表示线路允许最高速度；2)列车区间运行时分约束列车从起点站到终点站所用的时间称为旅行时间Tl，是列车所有区间运行时间及所有停站时间的总和，假设停站时间固定，所有站间运行时分之和等于给定旅行时间与总停站时间之差，且为定值，即：式中，N表示全线车站总数，Tj表示运行图上分配给第j个站间的运行时分，Tl表示旅行时间，Tsj表示运行图上分配给第j+1个站的停站时间，T表示全线总运行时分；列车区间运行的约束主要为时间约束，列车应该在规定时间内完成行车任务，满足准时性约束，即：式中，Tj表示第j个站间运行时分的下限，为列车以最节时的方式运行所得的最小区间运行时分，表示第j个站间运行时分的上限，是Tj与全线运行时分相对于最小总运行时分裕量之和；3)基于服务水平考虑的发车间隔要求发车间隔约束为：式中，hi表示第i个发车间隔，hi、表示分别为第i个发车间隔的上、下限，M表示开行列车数。...

【技术保护点】
1.一种轨道交通地面式超级电容储能系统容量配置方案，其特征在于：根据地铁列车负载、辅助功率和制动特性曲线得到单车再生制动能量，结合列车运行图各参数与线路信息计算出超级电容储能系统供电区间内多车剩余再生制动能量，配置超级电容储能系统容量；通过判断剩余再生制动能量是否被完全吸收来确定是否需要对系统容量配置进行调整，最后根据配置方案的节能效率及投资成本，建立约束条件及优化目标函数，以目标函数值最小为最优，调整容量配置方案，以实现超级电容储能系统容量最优配置。/n

【技术特征摘要】
1.一种轨道交通地面式超级电容储能系统容量配置方案，其特征在于：根据地铁列车负载、辅助功率和制动特性曲线得到单车再生制动能量，结合列车运行图各参数与线路信息计算出超级电容储能系统供电区间内多车剩余再生制动能量，配置超级电容储能系统容量；通过判断剩余再生制动能量是否被完全吸收来确定是否需要对系统容量配置进行调整，最后根据配置方案的节能效率及投资成本，建立约束条件及优化目标函数，以目标函数值最小为最优，调整容量配置方案，以实现超级电容储能系统容量最优配置。


2.根据权利要求1所述的一种轨道交通地面式超级电容储能系统容量配置方案，其特征在于：采用地面式超级电容储存地铁列车剩余再生制动能量，将超级电容安装在牵引变电所中，可降低车体自重、节省车体空间及维修成本，超级电容充放电循环次数可达到50万次以上，适用于启动、制动频繁的地铁列车。


3.根据权利要求1所述的一种轨道交通地面式超级电容储能系统容量配置方案，其特征在于：地铁列车制动特性曲线分为四种运行工况，OA段为低速运行、AB段为恒力矩运行、BC段为恒功率运行和CD段为自然运行，根据曲线提供的制动力-速度(F-V)序列，忽略低速运行阶段，计算得到单车再生制动能量E：



式中，P为列车制动功率，F为各时刻制动力，V为各时刻运行速度，t1为AB段运行时间，t2为BC段运行时间，t3为CD段运行时间。


4.根据权利要求1所述的一种轨道交通地面式超级电容储能系统容量配置方案，其特征在于：通过列车运行图得到上下行车辆运行信息，计算单车剩余再生制动能量EO，再生制动能量E一部分用于提供辅助电源能量ER，另一部分为回馈至牵引网的能量EH，辅助电源能量ER包括超级电容储能系统供电区间辅助设备能量EA及超级电容储能系统供电区间线路损耗能量EL，单车剩余再生制动能量EO可表示为：



式中，SA为辅助设备容量，为功率因素，RL为线路阻抗，P为线路功率，U为线路端电压。


5.根据权利要求1所述的一种轨道交通地面式超级电容储能系统容量配置方案，其特征在于：以列车运行图为基础计算超级电容储能系统供电区间内多车剩余制动能量ERE，由列车运行图得到单车速度-时间(V-t)、位移-时间(s-t)序列，提供全线上、下行所有列车位置信息；借助列车运行发车间隔、上下行时间差确定超级电容储能系统供电区间内制动列车与启动列车数目；结合列车负载、辅助功率、制动特性确定剩余再生制动能量，计算超级电容储能系统供电区间内多车剩余再生制动能量ERE，可表示为：
ERE＝EBE-EA-EL-ESE(3)
式中，EBE为超级电容储能系统...

【专利技术属性】
技术研发人员：车军，韩壮，赵娜，
申请(专利权)人：兰州交通大学，
类型：发明
国别省市：甘肃;62