高鋒陽(yáng) 宋志翔 高建寧 高翾宇 楊凱文

計(jì)及光伏和儲(chǔ)能接入的牽引供電系統(tǒng)能量管理策略

高鋒陽(yáng) 宋志翔 高建寧 高翾宇 楊凱文

（蘭州交通大學(xué)自動(dòng)化與電氣工程學(xué)院 蘭州 730070）

近年來(lái)，為實(shí)現(xiàn)電氣化鐵路“雙碳”目標(biāo)，多項(xiàng)鐵路用能優(yōu)化舉措投入實(shí)施并取得一定成效，然而，單靠能耗優(yōu)化治標(biāo)不治本。為根治電氣化鐵路碳排放問(wèn)題，在保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的基礎(chǔ)上，基于智能電網(wǎng)理念，提出計(jì)及光伏和儲(chǔ)能接入的牽引供電系統(tǒng)能量管理策略。首先，構(gòu)建計(jì)及光伏和儲(chǔ)能接入的牽引供電系統(tǒng)；然后，基于電力市場(chǎng)電價(jià)及新能源出力，采用日前聯(lián)合調(diào)控、日內(nèi)滾動(dòng)調(diào)節(jié)和實(shí)時(shí)優(yōu)化控制鐵路用能，并通過(guò)分層分級(jí)優(yōu)化，打破各“源”端相對(duì)獨(dú)立、各自為政的壁壘，實(shí)現(xiàn)多能互補(bǔ)；最后，通過(guò)共享儲(chǔ)能模式，降低儲(chǔ)能裝置閑置率并提高新能源利用率。仿真結(jié)果表明，該能量管理策略可在保障系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定和安全的基礎(chǔ)上有效地降低系統(tǒng)的運(yùn)行成本，同時(shí)保持良好的電能質(zhì)量。

電氣化鐵路 牽引供電系統(tǒng) 共享儲(chǔ)能 電力市場(chǎng)

0 引言

2020年國(guó)家鐵路能源消耗折算標(biāo)準(zhǔn)煤1 548.83萬(wàn)t，比上年減少85.94萬(wàn)t，下降5.26%[1]。盡管電氣化鐵路碳排放量有所降低，但電氣化鐵路仍是碳排放的重點(diǎn)領(lǐng)域之一。因此，需從其電能全生命周期的源頭和終端雙管齊下，不僅要優(yōu)化電氣化鐵路的用能結(jié)構(gòu)，還要提高新能源滲透率，實(shí)現(xiàn)電氣化鐵路的節(jié)能減排和對(duì)新能源的高效利用[2]。

現(xiàn)有優(yōu)化電氣化鐵路用能的能量管理策略多從提高能量管理系統(tǒng)的智能化[3]和再生制動(dòng)能量利用率兩方面實(shí)現(xiàn)[4-5]。文獻(xiàn)[6-7]基于智能電網(wǎng)理念，構(gòu)建能量管理策略，對(duì)鐵路用能結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化；文獻(xiàn)[8-9]通過(guò)儲(chǔ)能裝置回收并再利用制動(dòng)能量減小系統(tǒng)用電量。上述研究?jī)H從優(yōu)化現(xiàn)有用能結(jié)構(gòu)出發(fā)，降低系統(tǒng)用電量，但未考慮新能源接入。文獻(xiàn)[10]將光伏接入牽引供電系統(tǒng)，分析光伏接入牽引供電系統(tǒng)的形式及隱患，但未給出解決方案；文獻(xiàn)[11]將光伏接入牽引供電系統(tǒng)并設(shè)計(jì)復(fù)雜工況下的能量管理策略，但未考慮光伏接入系統(tǒng)所帶來(lái)的負(fù)面影響；文獻(xiàn)[12]構(gòu)筑電氣化鐵路“源-網(wǎng)-車-儲(chǔ)”一體化供電系統(tǒng)，綜合解決系統(tǒng)運(yùn)行期間隱患，但其各“源”端依舊獨(dú)立運(yùn)行。上述研究?jī)H對(duì)光伏上網(wǎng)供能后的系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行調(diào)整，但未對(duì)系統(tǒng)選擇光伏上網(wǎng)供能的時(shí)機(jī)進(jìn)行分析。

目前，售電公司可通過(guò)電力競(jìng)價(jià)自主上網(wǎng)，這使得電價(jià)隨機(jī)性增強(qiáng)，給電力市場(chǎng)帶來(lái)新挑戰(zhàn)[13-14]。文獻(xiàn)[15]在電力市場(chǎng)環(huán)境下優(yōu)化配電網(wǎng)的能量管理系統(tǒng)；文獻(xiàn)[16]采用寡頭壟斷的市場(chǎng)模型分析碳排放配額對(duì)電力市場(chǎng)的利潤(rùn)影響。2019年末，高鐵公司聯(lián)合上海局徐州供電段共同開(kāi)展2020年直購(gòu)電招標(biāo)工作，經(jīng)投標(biāo)競(jìng)價(jià)，最終報(bào)價(jià)較2020年大工業(yè)用電交易電價(jià)每kW·h下降3.26分，預(yù)計(jì)全年直購(gòu)電電費(fèi)節(jié)約近千萬(wàn)元[17]。因此，鐵路局可基于電力市場(chǎng)實(shí)時(shí)電價(jià)，在光伏電價(jià)較低時(shí)擇其上網(wǎng)供能，降低系統(tǒng)購(gòu)電成本。但隨著光伏滲透率的提高，系統(tǒng)運(yùn)行性能將有所下降，如何保證系統(tǒng)在穩(wěn)定運(yùn)行的同時(shí)獲得更高的經(jīng)濟(jì)效益將成為亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題。

儲(chǔ)能裝置作為能量暫存裝置，其憑借出色的存儲(chǔ)能力和迅敏的充放電速度，已被用于牽引供電系統(tǒng)制動(dòng)能量的回收及再利用；并憑借其儲(chǔ)放能的時(shí)間差優(yōu)勢(shì)，通過(guò)低儲(chǔ)高發(fā)套利進(jìn)而提高系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。近年來(lái)，儲(chǔ)能裝置因其技術(shù)的成熟和制造成本的大幅降低，已被廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)，但與之相對(duì)應(yīng)的則是未形成有效的儲(chǔ)能盈利方式，且存在嚴(yán)重的儲(chǔ)能資源閑置現(xiàn)象[18]。在此背景下，將共享理念與儲(chǔ)能技術(shù)相結(jié)合，牽引供電系統(tǒng)獲得額外電能；光伏發(fā)電站也獲得相應(yīng)的儲(chǔ)能服務(wù)并從中獲得利潤(rùn)。目前，共享儲(chǔ)能裝置已被用于提高新能源并網(wǎng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性[19-21]和社區(qū)儲(chǔ)能服務(wù)[22-23]。

針對(duì)新能源在牽引供電系統(tǒng)中供能占比的提高，在電力市場(chǎng)環(huán)境下將光伏發(fā)電裝置引入牽引供電系統(tǒng)中，并采用共享儲(chǔ)能模式實(shí)現(xiàn)發(fā)電方和用電方的共贏。在保證系統(tǒng)安全可靠的基礎(chǔ)上搭建含光伏和儲(chǔ)能接入的牽引供電系統(tǒng)，從日前、日內(nèi)和實(shí)時(shí)三個(gè)角度出發(fā)，構(gòu)建計(jì)及光伏和儲(chǔ)能接入的牽引供電系統(tǒng)能量管理策略，提高系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性、穩(wěn)定性和安全性。

1 計(jì)及光伏和儲(chǔ)能接入的牽引供電系統(tǒng)

計(jì)及光伏和儲(chǔ)能接入的牽引供電系統(tǒng)原理如圖1所示。新能源與儲(chǔ)能裝置通過(guò)DC-DC轉(zhuǎn)換器接在同一條直流母線上，再通過(guò)變流器與牽引網(wǎng)相連，整個(gè)系統(tǒng)由單“源”變?yōu)槎唷霸础惫╇姟?/p>

圖1 計(jì)及光伏和儲(chǔ)能接入的牽引供電系統(tǒng)原理

“源”作為牽引供電系統(tǒng)的供能方，其包含外部電網(wǎng)（簡(jiǎn)稱“外網(wǎng)”）和新能源發(fā)電兩部分，新能源發(fā)電則主要包含風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電（簡(jiǎn)稱“光電”）。介于光電良好的資源分部、較低的投資成本和更高的發(fā)電穩(wěn)定性，選用光電作為新能源側(cè)電源。

“網(wǎng)”作為連接“源”“車”和“儲(chǔ)”的中間環(huán)節(jié)，其包含牽引變壓器、牽引網(wǎng)和變流器等設(shè)備；通過(guò)調(diào)整牽引變壓器和變流器的工作狀態(tài)，分配各“源”端出力。

“車”作為牽引供電系統(tǒng)的用能方，其與“網(wǎng)”進(jìn)行雙向能量交換，機(jī)車處于牽引工況時(shí)從網(wǎng)側(cè)吸收能量，處于制動(dòng)工況時(shí)則饋能給牽引網(wǎng)。

“儲(chǔ)”作為牽引供電系統(tǒng)的第三大供能方，在機(jī)車處于制動(dòng)工況時(shí)儲(chǔ)能、牽引工況時(shí)放能，提高系統(tǒng)電能利用率；在電力市場(chǎng)環(huán)境下“低儲(chǔ)高發(fā)”，提高系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性；在光電并網(wǎng)運(yùn)行時(shí)降低光電上網(wǎng)對(duì)原系統(tǒng)的影響；在光電發(fā)生棄光現(xiàn)象時(shí)存儲(chǔ)電能，提高光伏發(fā)電利用率；處理系統(tǒng)異常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)起平峰填谷功效，保障系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性[24-25]。各儲(chǔ)能裝置性能對(duì)比見(jiàn)表1[3,26]。綜合考慮各儲(chǔ)能裝置的能量密度、充放電效率及技術(shù)成熟度，在此選用鋰電池作為儲(chǔ)能裝置。

表1 儲(chǔ)能裝置技術(shù)對(duì)比

2 計(jì)及光伏和儲(chǔ)能接入的牽引供電系統(tǒng)能量管理策略

計(jì)及光伏和儲(chǔ)能接入的牽引供電系統(tǒng)能量管理策略通過(guò)多環(huán)節(jié)、多維度控制降低系統(tǒng)運(yùn)行成本、提高系統(tǒng)新能源滲透率和電能質(zhì)量。計(jì)及光伏和儲(chǔ)能接入的牽引供電系統(tǒng)能量管理策略如圖2所示。

日前聯(lián)合調(diào)控依據(jù)系統(tǒng)負(fù)荷需求、光電出力預(yù)測(cè)和日前電力市場(chǎng)電價(jià)三部分因素對(duì)系統(tǒng)各“源”端出力進(jìn)行調(diào)控，實(shí)現(xiàn)牽引供電系統(tǒng)日最小電量電費(fèi)，提高系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。

日內(nèi)滾動(dòng)調(diào)節(jié)基于更新的光電出力、負(fù)荷需求和系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，在日前聯(lián)合調(diào)控的框架下調(diào)整各“源”端出力，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的三相電壓不平衡度和靜態(tài)電壓穩(wěn)定性要求[27-28]。保障系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

實(shí)時(shí)優(yōu)化控制在日內(nèi)滾動(dòng)調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，保障系統(tǒng)運(yùn)行的安全性。

計(jì)及光伏和儲(chǔ)能接入的牽引供電系統(tǒng)通過(guò)日前聯(lián)合調(diào)控、日內(nèi)滾動(dòng)調(diào)節(jié)和實(shí)時(shí)優(yōu)化控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行性能和經(jīng)濟(jì)效益的全面提高。

3 計(jì)及光伏和儲(chǔ)能接入的牽引供電系統(tǒng)分層優(yōu)化

3.1 日前聯(lián)合調(diào)控

計(jì)及光伏和儲(chǔ)能接入的牽引供電系統(tǒng)日前聯(lián)合調(diào)控一方面通過(guò)在電力市場(chǎng)分時(shí)直購(gòu)電能降低購(gòu)電成本；另一方面通過(guò)儲(chǔ)能裝置回收制動(dòng)能量和低儲(chǔ)高發(fā)套現(xiàn)。

2021年起，光電電價(jià)按燃煤發(fā)電基準(zhǔn)價(jià)執(zhí)行[29]。這表明光電價(jià)格將與燃煤發(fā)電電價(jià)相交互，在日照充沛時(shí)段光電具有價(jià)格優(yōu)勢(shì)，將作為輔助電源與外網(wǎng)共同供電。光電電價(jià)變化趨勢(shì)如圖3所示。2016—2021年間，光電上網(wǎng)電價(jià)逐漸降低，2021年三類自然區(qū)電價(jià)均價(jià)在0.4元/(kW·h)。根據(jù)日照強(qiáng)度設(shè)定光電上網(wǎng)電價(jià)，分時(shí)電價(jià)在均價(jià)的±20%范圍內(nèi)，光伏電價(jià)見(jiàn)表2。2021年某省工業(yè)用電（電壓等級(jí)為110 kV）電價(jià)見(jiàn)表3[30]。

圖3 光電電價(jià)變化趨勢(shì)

表2 光伏電價(jià)

Tab.2 Photovoltaic tariff

表3 工業(yè)用電電價(jià)

Tab.3 Industrial electricity tariff （單位：元/(kW·h)）

光電依賴于自然條件，需配以儲(chǔ)能裝置存儲(chǔ)電能，但該儲(chǔ)能裝置日利用率較低。同時(shí)近年來(lái)已有多種儲(chǔ)能裝置接入牽引供電系統(tǒng)輔助供電，但這些儲(chǔ)能裝置功用單一，未充分調(diào)用儲(chǔ)能裝置能力[31]。在此，運(yùn)用共享儲(chǔ)能技術(shù)，既保證牽引供電系統(tǒng)的用能需求，也充分調(diào)用儲(chǔ)能裝置資源。含共享儲(chǔ)能裝置的牽引供電系統(tǒng)如圖4所示。共享儲(chǔ)能裝置在光伏側(cè)，依照電力市場(chǎng)分時(shí)電價(jià)選擇儲(chǔ)存棄光量或協(xié)同光電上網(wǎng)；在牽引側(cè)，依照機(jī)車運(yùn)行狀態(tài)選擇儲(chǔ)能或饋能。共享儲(chǔ)能裝置在實(shí)現(xiàn)兩側(cè)功率需求期間，也將實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)自身的荷電狀態(tài)保證運(yùn)行的安全性。共享儲(chǔ)能裝置容量應(yīng)滿足光伏側(cè)和牽引側(cè)兩部分電能需求，光伏側(cè)配套儲(chǔ)能容量按裝機(jī)容量10%設(shè)計(jì)，連續(xù)充電時(shí)間不低于2 h[32]。牽引側(cè)儲(chǔ)能裝置容量需綜合考量系統(tǒng)再生制動(dòng)能量閾值占比。

圖4 含共享儲(chǔ)能裝置的牽引供電系統(tǒng)

3.1.1 優(yōu)化目標(biāo)

牽引供電系統(tǒng)日前聯(lián)合調(diào)控目標(biāo)函數(shù)指在最小化日購(gòu)電成本。牽引供電系統(tǒng)電費(fèi)由基本電費(fèi)、電量電費(fèi)、還貸電費(fèi)和力率調(diào)整電費(fèi)四部分組成。在此對(duì)系統(tǒng)電量電費(fèi)進(jìn)行優(yōu)化，其包括外網(wǎng)購(gòu)電成本、光電購(gòu)電成本、鋰電池低儲(chǔ)高發(fā)收益和鋰電池再生制動(dòng)能量收益。系統(tǒng)日最小購(gòu)電成本為

3.1.2 約束條件

1）功率平衡約束

式中，ft、rt、gt、lt和st分別為時(shí)刻的系統(tǒng)負(fù)荷需求、外網(wǎng)、光電、鋰電池和系統(tǒng)損耗功率。

2）變流器約束

光電上網(wǎng)及儲(chǔ)能設(shè)備充放電均需通過(guò)變流器，因此需對(duì)流過(guò)其的有功及無(wú)功功率進(jìn)行約束，有

式中，、、分別為變流器實(shí)時(shí)有功、無(wú)功和上限功率。

3）鋰電池狀態(tài)約束

為避免鋰電池過(guò)充過(guò)放，其荷電狀態(tài)需要始終處于設(shè)定的上、下限范圍內(nèi)。此外，其充放電電流也受安全限制，約束為

式中，SOCmin、SOC和SOCmax分別為鋰電池最低、實(shí)時(shí)和最高荷電狀態(tài)；lmin、lt和lmax分別為鋰電池最低、實(shí)時(shí)和最高充放電流。

3.1.3 案例分析

以某牽引變電所的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)為例，牽引變壓器電壓比為110 kV/25 kV，其額定容量為31.5 MV·A，短路電壓百分比d=10.5%。系統(tǒng)短路容量為1 650 MV·A。牽引變電所功率變化曲線如圖5所示。

圖5 牽引變電所功率變化曲線

圖5中，牽引變電所瞬時(shí)最大牽引功率為44 MW，瞬時(shí)最大制動(dòng)功率為15 MW，日耗電量235 MW·h。光電日功率隨日照輻射強(qiáng)度而變化，其最大功率達(dá)10 MW。結(jié)合變電所日功率、光伏出力和共享儲(chǔ)能裝置容量配置要求可得鋰電池充放電閾值為15 MW，容量為5 MW·h。

由表2、表3、圖4和圖5可得系統(tǒng)日內(nèi)各“源”端出力時(shí)段如圖6所示。0:00—8:00和22:00—24:00期間，外網(wǎng)電價(jià)處于低位且系統(tǒng)負(fù)荷需求較低，鋰電池儲(chǔ)網(wǎng)側(cè)電能，實(shí)現(xiàn)低儲(chǔ)的功用；11:00—13:00期間，光電電價(jià)不具價(jià)格優(yōu)勢(shì)，鋰電池儲(chǔ)光電待外網(wǎng)電價(jià)尖峰時(shí)放出，此時(shí)外網(wǎng)電價(jià)雖處于低位，但由于系統(tǒng)處于高負(fù)荷需求期，且鋰電池也因存儲(chǔ)光電電能而達(dá)到滿電狀態(tài)，鋰電池不再存儲(chǔ)外網(wǎng)電能；9:00—11:00、15:00—17:00期間，外網(wǎng)電價(jià)處于尖峰價(jià)位，鋰電池放能，實(shí)現(xiàn)高發(fā)的功用，降低系統(tǒng)當(dāng)前時(shí)段購(gòu)電成本；8:00—11:00、13:00—19:00期間，外網(wǎng)電價(jià)處于高位，此時(shí)光電上網(wǎng)；19:00—22:00期間，外網(wǎng)電價(jià)處于高位且光伏無(wú)能可供，系統(tǒng)僅由外網(wǎng)供電。在此背景下，系統(tǒng)日購(gòu)電量如圖7所示。

圖6 系統(tǒng)各“源”端出力時(shí)段

由圖7可知，鋰電池通過(guò)儲(chǔ)放棄光量和再生制動(dòng)能量提高系統(tǒng)電能利用率，并與光電和外網(wǎng)一起為系統(tǒng)供能，降低系統(tǒng)外網(wǎng)依賴度。系統(tǒng)分時(shí)購(gòu)電量和購(gòu)電成本如圖8所示。

圖7 系統(tǒng)日購(gòu)電量

圖8 系統(tǒng)分時(shí)購(gòu)電量和購(gòu)電成本

由圖8可知，系統(tǒng)雖因鋰電池在22:00—次日6:00間儲(chǔ)能導(dǎo)致購(gòu)電量上升，但因外網(wǎng)電價(jià)處于低位，此時(shí)系統(tǒng)購(gòu)電成本上升較少；8:00—11:00和13:00—19:00期間，光電和鋰電池放電，系統(tǒng)購(gòu)?fù)饩W(wǎng)電量下降，系統(tǒng)購(gòu)電成本大幅下降，系統(tǒng)運(yùn)行更具經(jīng)濟(jì)性。

牽引供電系統(tǒng)中鋰電池所有權(quán)歸鐵路所有，光伏電站儲(chǔ)能時(shí)需繳納租賃費(fèi)0.2元/(W·h)/年[33]。由圖8可知，光伏電站日共借存3.5 MW·h電能，為鐵路局帶來(lái)70萬(wàn)元/年的額外收益。同時(shí)光伏電站也通過(guò)租賃共享儲(chǔ)能裝置免除配套儲(chǔ)能裝置構(gòu)建成本，雖支出一定租賃費(fèi)用，但較其1.2元/(W·h)的鋰電池構(gòu)建成本，降低了光伏電站整體構(gòu)建成本。牽引供電系統(tǒng)運(yùn)用共享儲(chǔ)能裝置降低系統(tǒng)構(gòu)建成本，并提高系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。

3.2 日內(nèi)滾動(dòng)調(diào)節(jié)

牽引供電系統(tǒng)日內(nèi)滾動(dòng)調(diào)節(jié)在日前各“源”端出力規(guī)劃的框架下，根據(jù)系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定性和三相電壓不平衡度對(duì)各“源”端出力進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

3.2.1 系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定性優(yōu)化

傳統(tǒng)牽引供電系統(tǒng)中，整個(gè)系統(tǒng)可看作一單機(jī)單負(fù)荷系統(tǒng)，其示意圖如圖9所示[34]。

圖9 單機(jī)單負(fù)荷系統(tǒng)示意圖

圖9中，系統(tǒng)負(fù)荷功率為

式中，s為牽引供電系統(tǒng)牽引網(wǎng)側(cè)等效阻抗；為配電網(wǎng)電壓；為牽引網(wǎng)電壓；為牽引供電系統(tǒng)輸入輸出電壓相位差。

由式（5）可推導(dǎo)出

由式（6）和式（7）可知，系統(tǒng)無(wú)功儲(chǔ)備量c＜2/(2s)時(shí)，系統(tǒng)靜態(tài)電壓穩(wěn)定性受無(wú)功儲(chǔ)備抑制。系統(tǒng)無(wú)功約束下的靜態(tài)電壓穩(wěn)定域如圖10所示。

圖10 系統(tǒng)無(wú)功約束下的靜態(tài)穩(wěn)定域

由圖10可知，當(dāng)c＜2/(2s)時(shí)，系統(tǒng)每縮小1/2無(wú)功儲(chǔ)備，可調(diào)節(jié)無(wú)功范圍就縮小約30%，有功調(diào)節(jié)范圍就縮小約15%。

光伏并網(wǎng)系統(tǒng)示意圖如圖11所示。

圖11 光伏并網(wǎng)系統(tǒng)示意圖

當(dāng)相同容量的同步機(jī)電源被光伏電源替代后，需考慮光伏接入系統(tǒng)前后無(wú)功調(diào)節(jié)范圍差異。光伏電源的PQ曲線如圖12所示。相同裝機(jī)容量的光伏無(wú)功調(diào)節(jié)范圍小于同步機(jī)組。

圖12 光伏PQ曲線

光伏等容量替代同步機(jī)組后系統(tǒng)無(wú)功儲(chǔ)備量為

由式（8）可得系統(tǒng)無(wú)功儲(chǔ)備量和光伏滲透率間變化趨勢(shì)如圖13所示。系統(tǒng)無(wú)功儲(chǔ)備量隨光伏滲透率的提高而下降。當(dāng)系統(tǒng)完全由光電供能時(shí)，系統(tǒng)無(wú)功儲(chǔ)備量為正常值的63%，已威脅到系統(tǒng)的正常運(yùn)行，需通過(guò)鋰電池向系統(tǒng)補(bǔ)償無(wú)功功率使系統(tǒng)恢復(fù)正常。

圖13 系統(tǒng)無(wú)功儲(chǔ)備量和光伏滲透率間變化趨勢(shì)

結(jié)合圖7系統(tǒng)負(fù)荷需求和日前各“源”端出力規(guī)劃，系統(tǒng)日光伏滲透率、無(wú)功儲(chǔ)備量和鋰電池出力量如圖14所示。隨著光伏滲透率的升高，系統(tǒng)無(wú)功儲(chǔ)備量下降。當(dāng)系統(tǒng)無(wú)功儲(chǔ)備量低于90%標(biāo)準(zhǔn)值時(shí)，鋰電池輔助提供無(wú)功功率，保障系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性[35]。

圖14 系統(tǒng)無(wú)功儲(chǔ)備量

3.2.2 系統(tǒng)三相電壓不平衡度優(yōu)化

計(jì)及光伏和儲(chǔ)能接入的牽引供電系統(tǒng)中，按其各“源”端出力可分為：外網(wǎng)供能（鋰電池待機(jī)和鋰電池儲(chǔ)光電）；外網(wǎng)和光電供能；外網(wǎng)、光電和鋰電池供能；外網(wǎng)和鋰電池供能五種工況，其電路拓?fù)淙鐖D15a～圖15e所示，對(duì)應(yīng)電流矢量如圖15f～圖15h所示。圖中，α、β、αw、βw、αb、βb分別為α和β供電臂所需、外網(wǎng)所供和新能源側(cè)所供電流量。A、B、C為外網(wǎng)三相電路。

圖15 不同工況矢量圖

1）類型Ⅰ

2）類型Ⅱ

系統(tǒng)由外網(wǎng)、光電和鋰電池三方供能，系統(tǒng)如工況3、工況4和工況5所示。此時(shí)系統(tǒng)用能電流關(guān)系如圖15 g所示，系統(tǒng)用能相對(duì)于外網(wǎng)的負(fù)序電流為

式中，b為變流器所供電能相對(duì)于外網(wǎng)的負(fù)序電流。由式（10）可得系統(tǒng)負(fù)序電流關(guān)系如圖15h所示。

由圖15g和圖15h可得，系統(tǒng)通過(guò)光電和鋰電池出力減少系統(tǒng)相對(duì)外網(wǎng)的負(fù)序電流，進(jìn)而降低系統(tǒng)的三相電壓不平衡度。系統(tǒng)三相電壓不平衡度和光伏滲透率間變化趨勢(shì)如圖16所示。系統(tǒng)三相電壓不平衡度隨光伏滲透率的提高和系統(tǒng)功率需求的減小而下降，當(dāng)系統(tǒng)負(fù)荷需求低于33 MW或光伏滲透率達(dá)到0.2(pu)以上時(shí)，系統(tǒng)三相電壓不平衡度滿足小于0.02(pu)的要求。

圖16 系統(tǒng)三相電壓不平衡度和光伏滲透率間變化趨勢(shì)

由圖7系統(tǒng)日內(nèi)購(gòu)電量可得系統(tǒng)三相電壓不平衡度如圖17所示。由圖17可知，初始系統(tǒng)在部分時(shí)段三相電壓不平衡度超過(guò)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)2%，最大高達(dá)2.61%。選擇負(fù)序電壓不平衡度2%所對(duì)應(yīng)功率 33 MW為鋰電池裝置啟動(dòng)閾值。由圖17b可知，牽引供電系統(tǒng)經(jīng)日前聯(lián)合調(diào)控后，系統(tǒng)三相電壓不平衡度較初始系統(tǒng)大幅度下降，現(xiàn)最大三相電壓不平衡度僅2.3%。系統(tǒng)調(diào)整各“源”端出力，加大鋰電池供能量，減小外網(wǎng)供能量，進(jìn)而降低系統(tǒng)三相電壓不平衡度，鋰電池最大出力5.1 MW，由圖17c可知在日內(nèi)調(diào)整優(yōu)化下系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)三相電壓不平衡度要求。

圖17 系統(tǒng)三相電壓不平衡度

3.3 實(shí)時(shí)優(yōu)化控制

系統(tǒng)實(shí)時(shí)控制在日內(nèi)滾動(dòng)調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行短至1 s的精細(xì)化調(diào)控。系統(tǒng)運(yùn)行期間，其運(yùn)行工況的切換需通過(guò)調(diào)整各“源”端出力實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)如圖18所示。模式1～4分別代表鋰電池儲(chǔ)光電、鋰電池供能、光電供能和鋰電池儲(chǔ)外網(wǎng)電。

由圖18可知，系統(tǒng)處于模式1和模式4時(shí)，鋰電池恒流儲(chǔ)能，其荷電狀態(tài)恒速上升，系統(tǒng)僅由外網(wǎng)供能；系統(tǒng)處于模式2時(shí)，鋰電池恒功率供能，其荷電狀態(tài)恒速下降，系統(tǒng)此時(shí)由外網(wǎng)和鋰電池兩者供能，系統(tǒng)新能源側(cè)電能恒壓上網(wǎng)，外網(wǎng)供能量隨鋰電池供能量的升高等幅降低；系統(tǒng)處于模式3時(shí)，光電上網(wǎng)供能，其供能量隨日照強(qiáng)度變大等比例增加，系統(tǒng)此時(shí)由外網(wǎng)和光電兩者供能，外網(wǎng)供能量隨光電供能量增加等幅降低。由系統(tǒng)在四種工作模式的運(yùn)行狀態(tài)可知，系統(tǒng)可在保證用能穩(wěn)定的前提下，通過(guò)切換和組合系統(tǒng)工作模式，改變系統(tǒng)供能結(jié)構(gòu)，快速調(diào)整系統(tǒng)運(yùn)行工況。

圖18 系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)

系統(tǒng)在外網(wǎng)供能發(fā)生意外時(shí)，通過(guò)牽引網(wǎng)實(shí)時(shí)電能檢測(cè)，快速啟動(dòng)鋰電池應(yīng)急供能，保障機(jī)車運(yùn)行安全，又因鋰電池最大出力所限，機(jī)車需舍棄部分非剛需用電功能，以實(shí)現(xiàn)緊急工況下的穩(wěn)定運(yùn)行；系統(tǒng)在鋰電池和光電供能發(fā)生意外時(shí)，回歸傳統(tǒng)牽引供電模式，即轉(zhuǎn)為系統(tǒng)僅由外網(wǎng)供能模式。

在此選用HXD3B型電力機(jī)車作為研究對(duì)象，該車型配有6套動(dòng)力單元，正常運(yùn)行時(shí)單動(dòng)力單元獲能1.6 MW，機(jī)車直流側(cè)電壓穩(wěn)定在2 800 V。雙車運(yùn)行期間系統(tǒng)應(yīng)急響應(yīng)供能狀態(tài)如圖19所示。外網(wǎng)供能期間，機(jī)車穩(wěn)定運(yùn)行；=1 s時(shí)，外網(wǎng)供能發(fā)生意外，鋰電池應(yīng)急供能。此時(shí)機(jī)車從牽引網(wǎng)獲得能量較正常值下降約1/3，機(jī)車直流側(cè)電壓下降后穩(wěn)定在2 500 V，機(jī)車運(yùn)行在應(yīng)急工況；=2 s時(shí)，外網(wǎng)恢復(fù)供能，鋰電池待機(jī)，機(jī)車回歸正常運(yùn)行狀態(tài)。由此可知，系統(tǒng)可在外網(wǎng)電能缺失時(shí)為機(jī)車緊急供能，使得機(jī)車平穩(wěn)運(yùn)行，保障系統(tǒng)運(yùn)行安全性。

圖19 系統(tǒng)應(yīng)急響應(yīng)狀態(tài)

4 結(jié)論

針對(duì)電氣化鐵路發(fā)展趨勢(shì)，在電力市場(chǎng)環(huán)境下構(gòu)建計(jì)及光伏和儲(chǔ)能接入的牽引供電系統(tǒng)，并設(shè)計(jì)相應(yīng)能量管理策略，該能量管理策略在保證系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行的基礎(chǔ)上，通過(guò)分層分級(jí)優(yōu)化，降低系統(tǒng)運(yùn)行成本，提高系統(tǒng)新能源滲透率。

1）計(jì)及光伏和儲(chǔ)能接入的牽引供電系統(tǒng)在日前調(diào)控期間，通過(guò)電力市場(chǎng)的電力競(jìng)價(jià)分時(shí)購(gòu)能，并采用共享儲(chǔ)能裝置降低系統(tǒng)構(gòu)建成本，有效地提升了系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)效益。

2）計(jì)及光伏和儲(chǔ)能接入的牽引供電系統(tǒng)通過(guò)日內(nèi)調(diào)節(jié)，解決光電接入系統(tǒng)引起的靜態(tài)電壓穩(wěn)定性下降及三相電壓不平衡度超標(biāo)問(wèn)題，提高系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性。

3）計(jì)及光伏和儲(chǔ)能接入的牽引供電系統(tǒng)通過(guò)實(shí)時(shí)控制快速調(diào)整系統(tǒng)各“源”端出力狀態(tài)，并在系統(tǒng)供電發(fā)生意外時(shí)為機(jī)車應(yīng)急供能，提高系統(tǒng)運(yùn)行的安全性。

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Energy Management Strategies for Traction Power Systems with PV and Energy Storage Access

Gao Fengyang Song Zhixiang Gao Jianning Gao Xuanyu Yang Kaiwen

（School of Automation and Electrical Engineering Lanzhou Jiaotong University Lanzhou 730070 China）

In recent years, in order to achieve the carbon peaking and carbon neutral goal of electrified railway, a number of railroad energy optimization initiatives have been put into practice and achieve certain results, however, energy consumption optimization alone cures the symptoms rather than the root causes. In order to cure the carbon emission problem of the electrified railway, it is necessary to realize the energy saving and emission reduction of the electrified railroad and the efficient use of new energy from both the source and the terminal of the whole life cycle of its electric energy. Therefore, under the premise of ensuring the stable operation of the system, the energy management strategy of the traction power supply system was proposed based on the concept of the smart grid, taking into account the access of photovoltaic and energy storage.

Based on the operation principle of traditional traction power supply system, built a traction power supply system with PV and energy storage access, and designed a corresponding energy management strategy for it, which was divided into three layers: day-ahead regulation, intra-day regulation and real-time control. Day-ahead regulation reduced the system power purchase cost by comparing the external grid and photovoltaic tariffs in the power market over time and choosing the low price to purchase power directly, and used energy storage devices to recover braking energy, stored electricity at low tariffs and released it at high tariffs to siphon off profits. Through the shared energy storage mode, the PV and traction side energy storage devices were combined into one, reducing the idle rate of the energy storage devices and the construction costs of the system. Intra-day regulation analyzed the static voltage stability and three-phase voltage unbalance of the system based on the planned power output of each "source", and adjusted the power output of each "source" to optimize the system performance. Real-time control was based on intra-day regulation with fine-grained regulation as quickly as 1 s, by switching and combining the system working modes, the system energy supply structure was changed and the system operating conditions were quickly adjusted. And an emergency power supply plan was formulated to ensure the stable operation of the locomotive in case of an accident in the external network power supply. Through hierarchical optimization, the relatively independent barriers of each source were broken and multi-energy complementarity was realized.

The following conclusions can be drawn from the cases study: (1) The system is used during the day-ahead regulation to purchase energy through the power market's power bidding time-sharing, and the shared energy storage device is used to reduce system construction costs and effectively improve the economic efficiency of system operation. (2) Through intra-day regulation, the system solves the problem of static voltage stability degradation and three-phase voltage unbalance overload caused by photoelectric access to the system, and improves system operation stability. (3) The system quickly adjusts the power output status of each "source" end of the system through real-time control, and can provide emergency energy for locomotives in case of system power supply accidents, improving system operation safety.

Electric railways, traction power supply system, shared energy storage, power market

U223.6; TM73

10.19595/j.cnki.1000-6753.tces.222089

甘肅省科技廳重點(diǎn)研發(fā)項(xiàng)目（18YF1FA058）和中國(guó)中車股份有限公司“十四五”科技重大專項(xiàng)科研課題項(xiàng)目（2021CXZ021-4）資助。

2022-11-05

2023-01-10

高鋒陽(yáng) 男，1970年生，碩士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殍F路電氣自動(dòng)化。E-mail：ljdgaofy@lzjtu.edu.cn

宋志翔 男，1997年生，碩士研究生，研究方向?yàn)闋恳╇娤到y(tǒng)。E-mail：11200375@stu.lzjtu.edu.cn（通信作者）

（編輯 赫 蕾）