Energy management and coordination control of microgrid in elevated station of urban rail transit

The rapid development of urban rail transit brings convenience to the public,but its huge energy consumption problem cannot be ignored.A microgrid composed of photovoltaic power generation unit,regenerative braking energy feedback unit and battery energy storage unit is proposed,which provides green power for the station.In order to suppress the fluctuation of photovoltaic power generation and the intermittence of regenerative braking feedback energy,the energy management mode of microgrid is designed according to the illumination situation,braking energy feedback situation,battery state of charge and so on.In addition,a coordination control method based on virtual synchronous generator(VSG)is proposed to realize smooth switching among modes.Finally,the proposed energy management and coordination control method for elevated station microgrid is verified by Matlab/Simulink.The results show that the elevated station microgrid can operate safely and reliably under various energy management modes and realize smooth switching among modes.

基于分布式协同控制技术的分散式无功补偿技术方案研究

结合实际工程的应用实例从分散式无功补偿方案的提出、分布式协同吸收方案的理论、具体工程方案的设计进行简单的论述。结合线路开通后的实际运行工况,利用设置于正线的能量回馈吸收装置实现了分散式无功补偿,该方案可减少或完全取消设置于主变电所侧的SVG容量,充分开发和利用了能馈吸收装置的能力,节约了工程投资,实现了既定设计目标。

城市轨道交通车辆段再生制动能量电阻吸收装置选型及散热分析

[目的]城市轨道交通车辆段再生制动能量电阻吸收装置散热量较大,为有效解决此类装置的散热问题,需对再生制动能量电阻吸收装置进行选型,并对其散热能力进行分析。[方法]通过推导得出的城市轨道交通车辆段再生制动能量的计算方法,以及车辆段内的列车运行工况,对再生制动能量电阻吸收装置的电阻值选取、选型及散热分析等方面进行了详细分析。[结果及结论]结合列车在车辆段内的实际运行工况,提出了车辆段再生制动能量电阻吸收装置中制动电阻的计算及选取方法。再生制动能量电阻吸收装置的散热量一般依据该装置峰值功率,并结合其间歇工作的特性进行估算,但该计算方法未考虑热电阻工况,其理论计算值与实际运行工况存在一定程度的偏差。提出了再生制动能量电阻吸收装置的散热功率估算方法,以及散热功率的校验方法,并提出了该装置布置方式的建议方案。

城市轨道交通地面储能技术应用综述

我国城市轨道交通路网规模的不断扩大,导致牵引能耗加重问题和再生制动能量利用问题越来越受到重视。将储能技术应用在城市轨道交通中,可以平抑牵引网压波动、吸收再生制动能量、降低牵引能耗,也为接入新能源带来了契机。该文针对地面储能系统,对城轨储能领域常用储能介质的特性进行对比分析,展示城轨领域的应用现状,并结合实际案例分析储能介质和城轨需求的适应性;针对不同类型储能变流器常用电路拓扑进行研究,对比不同拓扑的工作特性和特点,分析变流器拓扑和城轨需求的匹配性;调研城轨储能系统常用的能量管理策略,研究不同策略的特点;从储能系统设计和能量管理的再优化对城轨储能系统的研究热点和未来发展提出展望,为城轨储能系统规范化、高效化、简约化提供参考。

城市轨道交通供电系统能馈装置无功协调控制方案研究

[目的]目前,城市轨道交通供电系统主要依赖于主变电所SVG(静止无功补偿器)进行无功补偿,夜间非运营时分,城市轨道交通供电系统中压环网线路基本处于空载状态,线路充电无功功率大,使得SVG长期重负荷运行。为缓解SVG的补偿压力,提出了一种能馈装置无功协调控制方案,协调SVG与牵引变电所的能馈装置共同参与无功补偿。[方法]分析了能馈装置的无功补偿容量计算方法,提出了SVG与能馈装置无功协调控制策略,最后通过某地铁线路现场试验来验证SVG与能馈装置无功协调控制策略的正确性。[结果及结论]当某地铁线路全线的能馈装置全部投入无功补偿之后,SVG无功补偿容量最大可以下降2.6 Mvar,中压环网线路有功损耗功率可从0.7 MW下降至0.5 MW。

基于再生能利用的地铁多车协同折返优化研究

折返站作为影响线路发车上限的重要因素,影响着整条线路的运营效率,也是能量浪费较为严重的地方。因此,有必要在兼顾线路运营效率的前提下减少列车折返运行的能耗。为此,通过提出基于再生制动能量利用的列车折返问题对列车的节能运营进行研究。通过建立底层网络图,构建以列车折返为基础考虑再生制动能量利用的能耗优化模型。为提高模型的求解能力,引入辅助变量将其转变为线性化模型。以上海地铁某折返站作为实例对象,借助Gurobi进行求解并对能耗等数据进行分析,证实模型有效。由该模型得到的折返时刻图在保证折返能力的同时,列车能耗与原始折返方式相比降低了5.74%,为考虑再生制动能量利用的列车折返运营方式提供一定的理论支撑与依据。

飞轮储能装置在轨道交通中的应用研究

城市轨道交通中列车频繁启动制动,制动能量大,网压波动大,有些线路存在钢轨电位严重的问题。飞轮储能装置具有功率大、响应速度快、寿命长等特点,可以对再生制动能量在直流侧进行即收即用,节能效果好,能稳定网压波动。由于飞轮储能装置的接入可以实现多点回流、缩短电流回流路径,故对钢轨电位也有改善效果。文章分别就既有线路和新建线路,考虑牵引所空间限制、储能装置平均功率峰值、节能效果等因素,说明了飞轮储能装置的容量配置方法并针对实际案例进行容量配置说明。为使飞轮储能装置的控制策略灵活应对地铁线路的复杂工况,设置节能、稳压、网压支撑、钢轨电位治理、应急电源五种工作模式。通过飞轮储能装置在实际工程的应用案例验证了飞轮储能装置具有良好的稳压效果,平均节能率为11.36%~17.28%,全功率响应频次为31次/h,且经试验验证飞轮储能装置具有应急电源功能。

城轨混合储能系统能量管理策略研究现状

城市轨道交通再生制动能量的利用一直是一个研究热点。围绕如何高效利用再生制动能量、平稳电压波动等问题,系统地论述了混合储能系统在轨道交通领域能量管理策略的研究进展。将目前混合储能系统比较常用的能量管理策略分为基于规则的能量管理策略、基于优化的能量管理策略以及基于人工智能的能量管理策略三类策略进行分类分析,总结优缺点,最后结合混合储能系统的效率、性能、寿命以及人工智能技术的发展,分析其未来发展方向。

多种新型城轨牵引供电系统仿真与节能分析

为降低城轨牵引供电系统中的能源消耗,对多种新型城轨供电系统的节能策略开展研究。首先,基于传统潮流计算求解方法,建立城市轨道交通牵引供电系统的等效电路模型,并考虑城轨车辆牵引能量的非线性特性及多车模型中的等效电路变化。然后,利用等效电路模型以及各节点电压,设计系统的潮流解析方法。最后,结合合肥市轨道交通1号线相关数据,利用多列车运行仿真模拟结果,分析现有牵引供电系统与逆变回馈、储能、光伏3种新型牵引供电系统的牵引变电站功率、电压、能耗等指标。研究结果表明:相比于现有牵引供电系统,具有逆变回馈的牵引供电系统可以显著减小牵引变电所能耗,具有储能系统的牵引供电系统能够有效降低牵引变电所峰值功率,具有光伏系统的牵引供电系统可减小24.89%的牵引变电站能耗。研究结果以期为提高城市轨道交通的节能减排效率提供参考。

城市轨道交通再生能馈装置维修的多目标优化

城轨再生能馈装置代表了列车再生电能利用技术的发展方向,随着其不断得到推广应用,需要编排合理有效的维修计划,以确保城轨牵引供电系统可靠经济运行。本文采用GO-FLOW法建立城轨再生能馈装置的动态可靠性模型,以可靠性和维修费用为优化目标,进行了改进的多目标优化计算,与单目标优化结果对比表明,多目标优化方法在经济性和稳定性的综合优化方面具有优势。

超级电容器在城市轨道车载储能系统中的应用

随着城市轨道交通系统的不断发展,再生制动技术成为节能减排的关键手段之一。通过探讨超级电容器在城市轨道车载储能系统中的应用,以应对城市轨道交通系统中能量管理和再生制动的挑战。分析城市轨道交通系统中再生制动技术的重要性和我国城轨供电系统的电压标准与储能要求,探讨超级电容器的工作机制和特性,并阐述其在城市轨道车载储能系统中的应用方法,包括超级电容器组控制和制动电阻控制。通过对超级电容器的合理应用,可以有效提高能源利用效率,减少能量浪费,为城市轨道交通系统的可持续发展做出贡献。

Energy-saving operation approaches for urban rail transit systems

With the accelerated urbanization in China, passenger demand has dramatically increased in large cities, and traffic congestion has become serious in recent years. Developing public urban rail transit systems is an indispensable approach to overcome these problems. However, the high energy consumption of daily operations is an emerging issue due to increased rail transit networks and passenger demands. Thus, reducing the energy consumption and operational cost by using advanced optimization methodologies is an urgent task for operation managers. This work systematically introduces energysaving approaches for urban rail transit systems in three aspects, namely, train speed profile optimization, utilization of regenerative energy, and integrated optimization of train timetable and speed profile. Future research directions in this field are also proposed to meet increasing passenger demands and network?based urban rail transit systems.

储能技术在轨道交通再生制动能量回收的应用

城市轨道交通领域能源消耗量大,既是碳排放的重要来源,也是推动绿色能源发展、实现双碳战略目标的关键领域。轨道交通储能技术不仅能够大规模吸收再生制动能量、提高列车的能量利用率,也能够促进可再生能源就近消纳、拓展轨道交通多种能源供应,是实现轨道交通节能、减排、洁净能源的有效利用等“绿色低碳”可持续发展战略目标的有效途径。本文阐述了可再生能源在轨道交通领域的应用方式及意义,分析了逆变回馈型和储能型再生制动能量回收技术及应用实例,通过梳理各类储能技术在轨道交通再生制动能量回收领域的应用特点,提出兼具高能量密度、高功率密度和长寿命的储能技术是该领域应用的核心。最后提出一种基于储能技术的交通能源互联互通基本体系架构,通过“源-网-荷-储”协同规划分析了“轨道交通-储能系统-电动汽车”和“轨道交通-储能系统-可再生能源”两类能源调度模式。

城市轨道交通飞轮储能系统控制策略研究

为了解决城轨列车频繁牵引、制动造成的网压波动和能量浪费问题,针对应用于城市轨道交通的飞轮储能系统,提出一种基于牵引网直流侧电压的充放电控制策略,采用均速控制方法调节飞轮阵列因工艺与环境不同造成的转速差异,并在现有控制策略的基础上提出空载网压辨识算法,确保飞轮在中压环网电压波动时仍能正确动作。最后以北京地铁房山线为例,对含飞轮储能系统的牵引供电系统进行建模和仿真分析,并在牵引变电所接入飞轮储能装置进行现场实验。研究结果表明:接入飞轮后,牵引网压峰谷差值降低了33.2%,牵引变电所输出能量减少了23%,验证了控制策略的可行性和飞轮储能系统的稳压节能效果,为飞轮储能系统在城市轨道交通领域的进一步应用提供参考和借鉴。

城轨交通混合型再生制动能量利用系统及其控制策略

针对城轨交通再生制动能量利用问题,结合城轨交通供电系统负荷特性,提出一种含能馈系统与储能系统的混合型再生制动能量利用系统及其控制策略。结合城轨交通供电系统架构与负荷特性,提出混合型再生制动能量利用系统拓扑结构并分析其运行原理。以充分利用再生制动能量为目标制定系统能量管理策略,实现在多种运行模式和运行工况下的功率潮流管理。提出计及牵引网母线电压控制和系统动态功率分配的分层控制策略。通过仿真分析验证所提系统及其控制策略的正确性和有效性,并借助相关技术指标和经济性指标对不同再生制动能量利用方案进行对比。结果表明,所提分层控制策略能协调控制系统按需回馈、存储/释放再生制动能量,实现城轨交通再生制动能量高效利用,并有效抑制牵引网母线电压波动;同时,所提混合型再生制动能量利用方案能较好地兼顾技术效果和经济性,相比储能方案和能馈方案有一定优势,可作为城轨交通再生制动能量利用方案的选择之一。

基于超级电容储能的城轨供电系统效能提升

城市轨道交通具有站间距离短、行车密度高等特点,列车在运营过程中会频繁地启动和制动,产生可观的制动能量。本文针对制动能量的再生利用效率提升问题,提出了一种基于超级电容储能装置和全线规划布置的超级电容地面储能系统,对其系统节能能力、牵引网稳压能力进行研究。首先,针对超级电容储能装置从单体级、模组级到系统级进行了设计;接着,以实际线路为例,从变电所输出功率、直流侧电压以及系统运营总能耗3个方面在MATLAB/Simulink平台上进行节能仿真。仿真结果表明,超级电容地面储能系统能够有效地降低城市轨道交通系统运营能耗,节能率可达12.78%,同时稳压效果明显,电压波动幅度由290 V减小至190 V,提升了牵引供电系统的供电安全性。

基于再生制动装置的精准化协同无功补偿研究

研究目的:城市轨道交通无功补偿方案是供电系统设计的重要内容,与系统经济性和可靠性直接相关,但是,行业现状中设备选型和应用未紧密结合工程特点。通过研究,本文拟提出合理化配置无功补偿装置的原则,以及集中供电方式下利用再生制动装置进行协同补偿的优化方案。研究结论:(1)城市轨道交通无功补偿方案需结合关口计量点和系统的结构进行针对性设计;(2)基于无功电度计量的迭代算法,利用多台中压逆变型再生制动装置协同配合,以固定补偿的形式实现无功功率精准化补偿方案技术可行,并通过实践验证,有效实现了装备的复用,减少了工程建设投资;(3)利用再生装置进行精准化无功补偿的方案可应用于城市轨道交通供电系统。

城市轨道交通车载能耗计量装置准确度测试方法研究

《城市轨道交通车载能耗计量装置技术要求》的编制难点在于装置准确度测试方法的确认。提出了一种通过数字通信方式对车载能耗计量装置的准确度及时钟计时误差进行测试的方法,介绍了相应的测试装置和测试原理。试验验证结果表明,该测试方法仅使用现有车载元器件即可完成车载能耗计量装置的准确度测试,具有合理性、有效性和可行性。

替代制动电阻的车载储能系统容量配置研究

针对安装单一地面储能系统无法高效回收城轨列车再生制动能量的问题,提出利用车载储能系统替代车载制动电阻,通过车载-地面储能系统的协调配合实现城轨列车再生制动能量高效回收的方案。从实际工程应用出发,以列车原有车载制动电阻的质量和体积为约束条件,提出集中安装和分散安装两种车载储能安装方式,并以实际城轨列车为例分别进行两种安装方式下车载储能系统的容量配置。进一步搭建城轨牵引供电系统仿真模型,对替代后的节能稳压效果进行对比分析。结果表明:将原有制动电阻用车载储能系统替代后,节能率为7.27%,较仅安装地面储能系统提高了2.02%;稳压率为34.04%,较仅安装地面储能系统提高了22.85%,验证了利用车载储能系统替代制动电阻的优势。

基于再生制动的城市轨道交通列车运行图节能优化方法

为推动城市轨道交通节能减排、可持续发展,提出基于再生制动的列车运行图节能优化方法。首先,对再生能量利用的影响因素进行定性分析,指出运行图节能优化应统筹考虑运行图中各列车牵引工况与制动工况的匹配关系。其次,提出考虑列车载客量变化且适用于列车实际区间运行速度-位置-时间曲线的高效率运行图牵引能耗计算方法。进而,提出决策变量为行车间隔或停站时间的列车运行图节能优化模型并设计遗传算法进行求解。最后,将该运行图节能优化方法应用于上海轨道交通17号线某张运行图。算例结果表明,该方法能够有效降低列车牵引能耗。在设定的优化条件下,该方法每年最多可节约约171万元用电成本,具有良好的应用前景。