计及光伏和储能接入的牵引供电系统能量管理策略

计及光伏和储能接入的牵引供电系统能量管理策略

梁川,王晓臣

山东中设工程设计咨询有限公司 山东省临沂市 276001

摘要：在国家“碳达峰、碳中和”的政策背景下，城轨领域亟需引入绿色、多元、高效、低碳的可持续绿色能源应用，支撑轨道交通系统绿色环保的可持续发展需求。将光伏发电系统产生的电能供给城市轨道交通车辆及其辅助设备，不仅能促进当地可再生能源的消纳，更能缓解城市轨道交通系统的供电压力，并在降低运营成本的同时促进“绿色交通”的构建，符合建立低碳交通模式的基本国策。我国从20世纪50年代开始采取单相工频供电制式后电气化铁路得到了快速发展，目前全国电气化铁路里程已超过10万km，电气化率超过了73%。为响应“双碳”目标要求，提升清洁能源利用率，应从降低牵引供电系统损耗，提高牵引供电系统能源利用率；降低再生能向电力系统返送率，提升在牵引供电系统内部消纳率几个方面提出合理方案。基于此，本篇文章对计及光伏和储能接入的牵引供电系统能量管理策略进行研究，以供参考。

关键词：计及光伏；储能接入；牵引供电系统；能量管理策略

引言

2020年国家铁路能源消耗折算标准煤1548.83万t，比上年减少85.94万t，下降5.26%。尽管电气化铁路碳排放量有所降低，但电气化铁路仍是碳排放的重点领域之一。因此，需从其电能全生命周期的源头和终端双管齐下，不仅要优化电气化铁路的用能结构，还要提高新能源渗透率，实现电气化铁路的节能减排和对新能源的高效利用。针对新能源在牵引供电系统中供能占比的提高，在电力市场环境下将光伏发电装置引入到牵引供电系统，并采用共享储能模式实现发电方和用电方的共赢，在保证系统安全可靠的基础上搭建含光伏和储能接入的牵引供电系统，从日前、日内和实时三个角度出发，构建计及光伏和储能接入的牵引供电系统能量管理策略，提高系统运行经济性、稳定性和安全性。

1研究背景

近年来，城市轨道交通(以下简称“城轨交通”)凭借快速、安全、准时、高运量、绿色节能等优势得到了突飞猛进的发展。然而，随着城轨交通线路运营里程的逐年增加，其电能消耗也不容小觑，2021年中共中央、国务院下发了《关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》，其中明确指出要“加快推进低碳交通运输体系建设”和“推广节能低碳型交通工具”。在此背景下，深入挖掘城轨交通节能降耗的潜力将成为未来城轨领域的研究重点。其中，定量直观地描述牵引供电系统中各变电站、牵引列车、制动列车之间的功率供给关系是开展城轨系统节能降耗研究的基础和前提。目前城轨领域关于牵引供电系统功率分布的研究多体现在潮流计算方面。针对牵引供电系统的非线性以及拓扑结构的复杂性，提出采用改进的电流注入法进行潮流计算；提出了一种基于整流机组模型的城轨牵引供电系统交直流统一的牵引供电计算方法，并采用改进的牛顿－拉夫逊法和高斯－赛德尔法进行求解；针对线路配置单/双向变电站、车载/地面储能系统以及列车过压/过流保护等情形，对城轨牵引供电系统进行了全面的仿真计算；则从计算精度、迭代次数、执行时间、内存需求等角度对比了高斯－塞迭尔法、牛顿－拉夫逊法、电流注入法等潮流计算方法的优劣。然而对于线路上包含多个变电站且有多列车协同运行的场景，前述潮流计算方法只停留于得到各时刻下系统各支路电流的大小，未对该时刻下系统中各变电站、牵引列车与制动列车间的电流及功率分配关系进行定量的公式化描述。与电力系统相比，城轨牵引供电系统的拓扑结构由于列车位置的移动以及牵引制动状态的转换具有时变性。更重要的是，城轨系统中“源”和“负荷”的种类更加复杂。列车在牵引状态时为“负荷”，在制动状态时则转变为“源”，各牵引列车与制动列车之间存在着复杂的能量交互关系。此外，由于城轨交通采用上下行线路的双向运行方式，这使得城轨系统的潮流流通路径更加复杂。

2接触网贯通对供电品质的影响

（1）接触网贯通供电对短路电流影响。接触网贯通供电后，接触网上的短路电流会增大，不仅影响接地安全，也对设备承受短路电流的能力以及制造提出更高要求。短路电流直接影响牵引变电所跨步电压、接地引下线截面、钢轨电位、贯通地线截面，对于既有运行项目将对接地系统产生较大的影响。（2）接触网贯通供电对接触网压降、载流能力影响。接触网贯通后列车取电将由线路上贯通的多个牵引变电所提供，有别于目前的单边供电模式。相同追踪间隔下，双边供电比单边供电的接触网压降小，能够降低牵引网上的电能损失；从载流需求看，在追踪间隔小于等于一个供电臂时，载流能力没有大的改善，而当追踪间隔大于一个供电臂时则效果明显。（3）接触网贯通对再生能利用影响。电气化铁路的牵引变电所电费采用代数和计费方式，且计量方式、效果不受牵引供电系统是否贯通运行的影响。接触网贯通运行仅仅实现了再生制动功率在接触网上贯通传递。研究表明，接触网贯通运行后，由于牵引变电所潮流不可控，有的工况下负荷降低，有的工况下负荷加重，再生制动能量同行车之间吸收也不同。对运输密度大的线路，接触网贯通后改善再生能吸收、降低负荷情况不明显。对于潮流不可控情况，存在着很难达到理想应用情况的问题。（4）接触网贯通对灵活供电影响。电气化铁路单边供电模式下故障查找和切除技术已经非常成熟，故障影响范围内可快速切除。对于贯通运行接触网，当接触网发生短路故障时，由于双边或多边供电，需要变革保护切除方式，同时切除故障区段，故障影响范围变大。

3计及光伏和储能接入的牵引供电系统能量管理策略

计及光伏和储能接入的牵引供电系统能量管理策略通过多环节、多维度控制降低系统运行成本、提高系统新能源渗透率和电能质量。计及光伏和储能接入的牵引供电系统能量管理策略如图1所示。

图1计及光伏和储能接入的牵引供电系统能量管理策略

日前联合调控依据系统负荷需求、光电出力预测和日前电力市场电价这三部分因素对系统各“源”端出力进行调控，实现牵引供电系统日最小电量电费，提高系统运行经济性。日内滚动调节基于更新的光电出力、负荷需求和系统运行状态，在日前联合调控的框架下调整各“源”端出力，实现系统的三相电压不平衡度和静态电压稳定性要求。保障系统运行稳定性。实时优化控制在日内滚动调节的基础上，实时监测系统运行状态，保障系统运行安全性。计及光伏和储能接入的牵引供电系统通过日前联合调控、日内滚动调节和实时优化控制，实现对系统运行性能和经济效益的全面提高。

结束语

针对电气化铁路发展趋势，在电力市场环境下构建设计及光伏和储能接入的牵引供电系统，并设计相应能量管理策略，该能量管理策略在保证系统安全可靠运行的基础上，通过分层分级优化，降低系统运行成本，提高系统新能源渗透率。1)研究光伏电站侧及牵引网侧的电能质量改善方式，增加系统稳定性；研究不同工况下光伏电站牵引供电系统的能量管理策略。2)利用调控制方法对地面储能装置进行互联协调控制。通过全线的示范应用，验证所提容量配置及协调控制策略的有效性。

参考文献

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