本發(fā)明涉及于鐵路與新能源，尤其涉及一種基于源荷協(xié)調(diào)的牽引供電系統(tǒng)光儲容量優(yōu)化配置方法。

背景技術：

1、鐵路列車運行能耗和成本一直居高不下，且因其對外部電網(wǎng)高度依賴，不僅使碳排放量居高不下，更因系統(tǒng)彈性缺失形成社會經(jīng)濟運行安全的嚴重隱患。鐵路基礎設施和沿線空間具有充足的宜能空間可用于風、光等清潔能源的開發(fā)利用。因此，充分利用自身清潔能源潛力，構建高彈性的牽引供電系統(tǒng)，促進能源與鐵路的融合勢在必行且發(fā)展空間巨大。

2、目前清潔能源接入牽引供電系統(tǒng)的問題已經(jīng)成為國內(nèi)外研究熱點。由于風力發(fā)電需要更多的基礎設施空間，現(xiàn)有技術研究主要集中在牽引供電系統(tǒng)光伏和儲能規(guī)劃設計、結(jié)構優(yōu)化和運行控制方面。牽引供電系統(tǒng)光伏和儲能規(guī)劃設計主要是通過光伏和儲能的定容優(yōu)化，提高牽引供電的綜合效益。該系統(tǒng)規(guī)劃設計的步驟包括清潔能源潛力評估、牽引負荷評估以及光儲容量優(yōu)化配置三部分內(nèi)容。

3、鐵路清潔能源潛力評估是通過計算鐵路沿線宜能空間面積，結(jié)合光伏發(fā)電計算方法，得出鐵路沿線光伏發(fā)電技術潛力、經(jīng)濟潛力和環(huán)境潛力。潛力評估方法的核心在于識別鐵路沿線的光伏宜能空間，由于鐵路空間范圍廣測量難度大，可以基于遙感地圖數(shù)據(jù)，通過人工處理或者深度學習技術實現(xiàn)宜能空間的識別計算。目前鐵路主要的宜能空間包括鐵路沿線兩側(cè)空間、接觸網(wǎng)上方以及列車頂部等。由于光伏棚和列車頂部空間有限，光伏仍主要安裝在鐵路沿線兩側(cè)和車站頂部。雖然部分潛力評估方法考慮了列車能源負荷需求，但未考慮接入新型牽引供電系統(tǒng)的能量流動機理，僅能從宏觀角度評估光儲接入的效益，造成評估結(jié)果難以支撐規(guī)劃決策。

4、目前，現(xiàn)有技術中的牽引負荷評估方法是通過考慮列車牽引和輔助能耗以及功率因數(shù)等因素，根據(jù)列車時刻表和線路條件，通過牽引計算得到列車群的能源負荷。針對單車牽引負荷計算問題，可以建立節(jié)能或節(jié)時為目標的區(qū)間列車運動模型，計算得到列車牽引負荷序列，而群車的牽引負荷則可通過單車負荷的時空累積計算得出。另外，牽引負荷也可通過實地電氣測量獲得，但由于測量數(shù)據(jù)是多車累計的牽引負荷，較難實現(xiàn)負荷到列車的解耦，從而無法為負荷的動態(tài)調(diào)整提供數(shù)據(jù)基礎，且該方法主要用于已建線路，無法適用未來新建線路的牽引負荷計算。

5、目前，現(xiàn)有技術中的光儲定容優(yōu)化設計方法是基于源-荷互動能量流動機理，通過求解建立的光儲定容優(yōu)化模型，得出光伏和儲能的最優(yōu)設計容量。光儲容量優(yōu)化配置在城市綜合能源規(guī)劃方面已經(jīng)存在較多理論研究和應用，但鐵路的光儲微電網(wǎng)與其他光儲能源系統(tǒng)不同，主要體現(xiàn)在牽引負荷具有明顯的波動和間歇特點，難以有效地利用同樣具有波動和周期性的光伏發(fā)電，從而導致儲能容量居高不下，不利于經(jīng)濟性提升和系統(tǒng)后期的維護管理。

6、因此，現(xiàn)有技術中的單一能源角度的規(guī)劃方法已無法進一步提升經(jīng)濟效益，需要從交通能源融合角度，進一步分析鐵路交通源-荷互動機制，建立改進的容量優(yōu)化配置模型，實現(xiàn)系統(tǒng)的最優(yōu)化設計。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的實施例提供了一種基于源荷協(xié)調(diào)的牽引供電系統(tǒng)光儲容量優(yōu)化配置方法，以實現(xiàn)有效地提高牽引供電系統(tǒng)的光儲容量。

2、為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取了如下技術方案。

3、一種基于源荷協(xié)調(diào)的牽引供電系統(tǒng)光儲容量優(yōu)化配置方法，包括：

4、構建基于源荷協(xié)調(diào)的牽引供電系統(tǒng)光儲容量優(yōu)化配置模型，設置所述牽引供電系統(tǒng)光儲容量優(yōu)化配置模型的成本函數(shù)；

5、設置所述牽引供電系統(tǒng)光儲容量優(yōu)化配置模型的約束條件；

6、基于所述成本函數(shù)和約束條件采用啟發(fā)式算法求解所述牽引供電系統(tǒng)光儲容量優(yōu)化配置模型，得到最優(yōu)的列車出發(fā)時刻，以及最優(yōu)的光伏和儲能的裝機容量。

7、優(yōu)選地，所述的構建基于源荷協(xié)調(diào)的牽引供電系統(tǒng)光儲容量優(yōu)化配置模型，設置所述牽引供電系統(tǒng)光儲容量優(yōu)化配置模型的成本函數(shù)，包括：

8、設置基于源荷協(xié)調(diào)的牽引供電系統(tǒng)光儲容量優(yōu)化配置模型的總成本it為光伏全生命周期成本iv、儲能全生命周期成本is以及購電成本ipp之和，即：

9、it＝iv+is+ip(1)

10、光伏和儲能的全生命周期成本iv以及is計算公式如下：

11、iv＝cp×i1+cp×i2×y(2)

12、is＝(ps×i3+qs×i4)+(qs×i5)×y(3)

13、其中，cp和qs為光伏和儲能的裝機容量，ps為儲能系統(tǒng)功率，i1和i2為光伏系統(tǒng)單位裝機容量的建設和運維成本，i3和i4分別為儲能系統(tǒng)的功率成本和容量成本，i5為儲能系統(tǒng)單位裝機容量的運維成本，y為光儲發(fā)電系統(tǒng)的運行年限；

14、購電成本的計算公式為：

15、

16、其中igrid為電網(wǎng)電價，為電網(wǎng)送電功率，δt為設定的時間間隔。

17、優(yōu)選地，所述的設置所述牽引供電系統(tǒng)光儲容量優(yōu)化配置模型的約束條件，包括：

18、設置所述牽引供電系統(tǒng)光儲容量優(yōu)化配置模型的約束條件包括光儲牽引供電系統(tǒng)運行約束和區(qū)間列車運行時間約束。

19、(1)列車出發(fā)時刻約束為：

20、

21、其中為調(diào)整后的列車k的出發(fā)時刻，為列車k原定出發(fā)時刻，δt為最大偏離時間；

22、相鄰列車的出發(fā)時間間隔不能小于最小出發(fā)時間間隔hdd，即：

23、

24、(2)微電網(wǎng)運行約束

25、鐵路牽引變電所、光伏和儲能通過互聯(lián)組成微電網(wǎng)系統(tǒng)，該微電網(wǎng)系統(tǒng)的運行滿足功率平衡約束，即：

26、

27、式中：分別為t時刻電網(wǎng)送電功率、光伏發(fā)電功率、儲能放電功率以及再生制動功率，以及分別為區(qū)間牽引負荷、儲能充電功率以及棄電功率；

28、采用光伏發(fā)電仿真軟件pvsyst得出全年每天單位光伏裝機容量的發(fā)電量數(shù)據(jù)，計算平均每天單位光伏裝機容量的發(fā)電量，考慮光伏發(fā)電能力衰減，計算得出全生命周期內(nèi)平均每天單位光伏裝機容量的發(fā)電量的計算公式為：

29、

30、光伏裝機容量cp不能超過最大裝機容量cpmax，cp≤cpmax，最大裝機容量通過宜能空間面積a和單位光伏裝機容量占地面積a獲得，即cpmax＝a/a，電池儲能的充放電運行約束為：

31、

32、式中：為儲能系統(tǒng)在t時刻的電量；和為儲能系統(tǒng)的充放電效率；和為t時刻儲能系統(tǒng)充放功率。

33、優(yōu)選地，所述的基于所述成本函數(shù)和約束條件采用啟發(fā)式算法求解所述牽引供電系統(tǒng)光儲容量優(yōu)化配置模型，得到最優(yōu)的列車出發(fā)時刻，以及最優(yōu)的光伏和儲能的裝機容量，包括：

34、步驟(1)：確定光伏和儲能最大裝機容量、充放電效率技術參數(shù)，以及光伏儲能建設和運維成本經(jīng)濟參數(shù)；

35、步驟(2)：根據(jù)原始時刻表，結(jié)合線路數(shù)據(jù)和列車牽引制動曲線，采用牽引計算方法計算區(qū)間內(nèi)每列車的牽引負荷，列車k的牽引負荷時間序列為pk；

36、步驟(3)：令迭代計數(shù)器i＝0，設置最大迭代代數(shù)為m，同向列車車次數(shù)量為k，對于上行或下行每趟列車k，保持其他列車的出發(fā)時刻不變，按照列車運行約束，得出列車k出發(fā)時刻調(diào)整的上下限具體如下:

37、

38、步驟(4)根據(jù)更新列車k的出發(fā)時刻牽引負荷以及再生制動功率，將累計牽引負荷和再生制動功率以及相關參數(shù)帶入下列線性規(guī)劃模型求解；

39、

40、如果對于每趟列車，若連續(xù)2次更新不能使全生命周期成本it更小或者達到最大迭代次數(shù)，則停止迭代，輸出最優(yōu)的列車出發(fā)時刻，將得出的列車出發(fā)時刻帶入式(13)得出光伏和儲能的裝機容量；否則，繼續(xù)執(zhí)行步驟(4)的處理過程。

41、由上述本發(fā)明的實施例提供的技術方案可以看出，本發(fā)明通過解決牽引負荷和光伏發(fā)電波動導致的源荷協(xié)調(diào)難題，有效地提高牽引供電系統(tǒng)的光儲容量，進一步提高經(jīng)濟效益。本發(fā)明方法可為鐵路光儲牽引供電系統(tǒng)的實施推廣提供依據(jù)，提高了鐵路運行服務的可靠性。

42、本發(fā)明附加的方面和優(yōu)點將在下面的描述中部分給出，這些將從下面的描述中變得明顯，或通過本發(fā)明的實踐了解到。