[發(fā)明專利]城市軌道交通車載儲能系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201910011544.0
• 申請日: 2019-01-07
• 公開（公告）號: CN109753730A
• 公開（公告）日: 2019-05-14
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 楊中平;王玙;林飛;安星錕;李峰
• 申請（專利權(quán)）人: 重慶中涪科瑞工業(yè)技術(shù)研究院有限公司
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 重慶百潤洪知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 50219
• 代理人: 王龍生

本發(fā)明提供的一種城市軌道交通車載儲能系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計方法，包括如下步驟：S1.采用程序嵌套的方法進行系統(tǒng)配置優(yōu)化；S2.在主程序中，根據(jù)城軌列車對車載儲能系統(tǒng)的要求對配置數(shù)量進行初步限制；S3.然后通過粒子群算法對配對數(shù)量進行篩選與尋優(yōu)，并把候選配置輸入至子程序進行能量管理策略仿真，進行實時的儲能系統(tǒng)功率分配，判斷每個粒子所對應(yīng)的配置下，儲能系統(tǒng)是否能夠滿足要求S4.如果所述儲能系統(tǒng)的配置滿足實時運行的需求，則根據(jù)優(yōu)化目標要求計算該配置下的重量、成本和體積參數(shù)；S5.然后返回主程序中與其他配置的目標函數(shù)進行對比，滿足迭代次數(shù)后輸出目標函數(shù)最優(yōu)的配置結(jié)果即為所求的優(yōu)化配置，本發(fā)明的設(shè)計方法可以實現(xiàn)在重量最輕、壽命最長、成本最低等單目標下或加權(quán)多目標下的系統(tǒng)配置最優(yōu)結(jié)果。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及儲能技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種城市軌道交通車載儲能系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計方法。

背景技術(shù)

隨著能源資源的不斷緊張，快速發(fā)展的軌道交通對電能的需求越來越大，同時順應(yīng)節(jié)能減排的趨勢，將儲能技術(shù)應(yīng)用于軌道交通領(lǐng)域成為近年來研究的熱點。目前，我國大城市普遍出現(xiàn)中心城區(qū)人口過度飽和的狀況，城市空間結(jié)構(gòu)普遍由單中心向多中心發(fā)展，中心城區(qū)與外圍新城間交通需求迅猛增長，因此，為人們提供快速、便捷的市郊客運就顯得十分重要。城市軌道交通憑借其運能大、速度快、安全可靠、準點舒適、能耗低、用地省和污染少等顯著優(yōu)勢，勢必成為下一步交通發(fā)展的重點方向。

現(xiàn)階段儲能技術(shù)在城市軌道交通中的應(yīng)用主要有輔助電源、動力電源和再生制動回收系統(tǒng)。地鐵等車輛中常用蓄電池作為輔助電源或應(yīng)急電源，有軌電車等車輛中利用儲能系統(tǒng)作為動力電源的應(yīng)用越來越多，而地鐵中也常見儲能系統(tǒng)應(yīng)用于平復(fù)網(wǎng)壓波動的裝置中。儲能系統(tǒng)的應(yīng)用又可分為車載儲能系統(tǒng)和地面儲能系統(tǒng)，車載儲能系統(tǒng)多用于其作為車上的能量來源，地面儲能系統(tǒng)多用于回收再生制動能量和平復(fù)網(wǎng)壓波動。

應(yīng)用于城市軌道交通中的儲能器件主要有電池、超級電容和飛輪儲能系統(tǒng)。飛輪儲能在國內(nèi)外有所應(yīng)用，但由于其設(shè)備笨重、靈活性差，現(xiàn)階段效率較低以及環(huán)境要求嚴格等問題未得到廣泛推廣，應(yīng)用較多的仍為電池和超級電容。

電池以其高能量密度、可模組化、可靠性高等優(yōu)點成為目前最常用的儲能元件，但是其溫度特性差、循環(huán)壽命短、功率密度低等缺點限制了電池儲能的應(yīng)用。對于軌道交通車輛而言，在列車牽引加速、爬坡、制動工況下，需要儲能系統(tǒng)具有高效率和高倍率的充電和放電能力。在軌道交通中采用單一電池儲能的方案將導(dǎo)致電池經(jīng)常工作在大電流和高功率的工況，這將大大減少電池的循環(huán)壽命和可靠性。為了匹配軌道交通車輛的功率需求，只能提高電池儲能的容量，這將使系統(tǒng)的成本、體積、重量增加。

超級電容具有高功率密度、長循環(huán)壽命、溫度特性好但是低能量密度的特點，對于高能量的軌道交通動力系統(tǒng)而言也不能滿足需求。對于特定的儲能元件，其功率特性和能量特性與儲能元件本身電壓、內(nèi)阻、容量等性能參量聯(lián)系在一起，是由其物理、化學(xué)特性決定的。在制造工藝受限情況下，元件性能無法兼顧功率性和能量性，單一的儲能元件為解決這一問題，只能提高配比容量，這將導(dǎo)致儲能元件成本、體積的增加。

電池與超級電容均有其優(yōu)點和缺點，根據(jù)城市軌道交通的不同需求選擇不同的儲能器件。電池適用于功率需求不高的持續(xù)供電設(shè)備中，而超級電容適用于功率需求大但能量需求較少的設(shè)備中。對于功率和能量需求均較高的設(shè)備，越來越多的研究人員選用電池和超級電容混合的方法，使設(shè)備同時具有較高的能量密度和功率密度。常用混合儲能系統(tǒng)的拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示，(a)、(b)、(c)分別為電池半主動式拓撲、超級電容半主動式拓撲、主動式拓撲。

由于城市軌道交通車輛大功率、高能量的需求及車載儲能系統(tǒng)重量、體積及其他優(yōu)化目標的限制，為車載儲能系統(tǒng)配置提出了嚴格的要求。系統(tǒng)配置優(yōu)化成為城軌交通車輛儲能系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵一環(huán)，本專利根據(jù)廠家對儲能系統(tǒng)儲能形式、單體性能、系統(tǒng)拓撲、EMS等方面的要求，通過系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計出性能優(yōu)越的儲能系統(tǒng)。

現(xiàn)有的系統(tǒng)配置方案為根據(jù)儲能系統(tǒng)的邊界條件，把配置限制在一定范圍內(nèi)，求得在該范圍內(nèi)的目標最優(yōu)配置。邊界條件常設(shè)置如下：