一种考虑牵引负荷不确定性的储能容量优化方法

本发明涉及电力系统，尤其涉及了一种考虑牵引负荷不确定性的储能容量优化方法。

背景技术：

1、自《中长期铁路网规划》实施以来，我国高铁里程已超过4.2万公里，运营里程更是排名榜首，约占世界高铁总里程的三分之二。随着电气化铁路网络规模不断扩大和大量交直交电力机车的应用运行，牵引供电系统会出现剧烈的功率波动和再生制动能量冲击问题，严重影响了牵引供电系统的高效、经济运行。现阶段在牵引供电系统中加装储能装置是最具经济价值的方案，在电力机车制动工况回收再生制动能量，在电力机车牵引工况时供给能量，削减负荷峰值功率，有效降低了投资成本。

2、而在电力机车运行过程中，由于铁路沿线环境条件的差异，天气条件和地形的变化，列车会在运行和制动等工况进行频繁切换，因此，每一时刻的列车数量和牵引负荷状态都在变化，具有明显的不确定性和随机性，另一方面由于储能系统容量规划与优化运行两阶段的耦合，使得储能容量配置问题更具有挑战性，因此对储能进行合理的容量配置对于实现牵引供电系统的功率平衡具有重要意义。

技术实现思路

1、本发明提供的一种考虑牵引负荷不确定性的储能容量优化方法，解决了牵引负荷不确定性耦合对储能容量规划方案的影响。

2、为了实现上述目的，本发明采用如下的技术方案，包括：

3、获取牵引变电站历史负荷数据和预测负荷数据；

4、基于负荷数据构建随机不确定性模型和预测不确定性模型；

5、基于不确定性模型，构建双层容量规划模型，确定目标函数和约束条件；

6、基于鲁棒优化理论将下层不确定性模型转化为确定性模型，使用cplex求解器对容量规划模型求解，得到储能容量配置参数；

7、进一步地，所述目标函数为：

8、牵引供电系统日总成本最小：

9、minf1＝c1+c2+c3 (1)

10、(1)储能日投资成本

11、

12、

13、式中：c1代表储能装置的投资成本，由储能装置的额定容量和额定功率所决定，包括超级电容组和相应的其他辅助设备成本，将其在运行年限内的总成本平均到每一天，ce，cp代表储能系统单位容量成本和储能系统单位功率成本，cpsup为储能系统辅助设备单位功率成本，econfig和pconfig代表储能系统的额定容量和额定功率，f(r0,year)为投资回收因子，此处表示将储能装置投资成本平均于工程周期每一年中，tyear表示储能装置每年工作天数，本文设置为365，r0表示年折旧率，此处取5％，year表示储能装置运行年限。

14、(2)储能日运行维护成本

15、

16、式中：c2代表储能装置的运行维护成本，其可以分为两种，分别是固定运维成本和可变运维成本。同样的，将储能装置的运行维护成本折算到每一日，如式(4)所示。其中，cm为储能装置单位固定运行维护成本，λm为储能装置单位可变运行维护成本，可变运行维护成本与储能装置的运行强度有关，和分别代表储能系统在t时刻的放电和充电功率。

17、外层模型为储能容量规划模型，用于求解储能容量参数。外层所列的目标函数中的决策变量econfig，pconfig需要对取值范围进行预先约束，外层的约束条件如式(5)所示，pdown和edown分别代表储能装置功率和容量的下限值，pup和eup分别代表储能装置功率和容量的上限值。

18、

19、内层模型为调度运行模型，计及牵引负荷预测不确定性。

20、内层目标函数如式(6)和式(7)所示：

21、minmaxc3＝ce1+ce2+ce3 (6)

22、

23、式中：c3表示牵引变电所在每一天的总运行成本，如式(7)所示。其中，wi表示场景削减后各场景的出现概率，k表示场景削减后的场景数。

24、(1)电度电费成本

25、

26、式中：ce1表示电度电费，即牵引变电所需要的有功电量产生的电费成本，如式(8)所示。负荷数据采样的单位时间间隔δt为1min，优化周期总时间段t为1440，即单日的时间尺度，λbuy为牵引变电所单位电度电费成本，为t时刻电网输送给牵引变电所的功率。

27、(2)需量电费成本

28、

29、

30、式中：ce2表示需量电费,与月内每15分钟内牵引负荷均值的最大值有关。λdem表示单位需求成本,表示每十五分钟内电量的平均值。

31、(3)反馈惩罚成本

32、

33、式中：ce3表示反馈惩罚成本，因电力机车制动产生的再生制动能量反馈电网会影响电网的安全稳定运行，引起电能质量问题，因此设置该成本项。如式(11)所示，其中，λfed为反馈电网惩罚价格，本文设置的单价和λbuy相同，是t时刻储能系统未吸收的再生制动能量反馈至电网的功率。

34、综上，牵引供电系统日总成本可以由下式求得：

35、c＝c1+c2+c3 (12)

36、进一步地，所述约束条件为：

37、功率平衡约束

38、

39、为保证储能装置循环使用，保证储能每日起始和结束时刻电量相等。

40、

41、荷电状态约束

42、socmin≤soct≤socmax (15)

43、将外层模型中的储能装置容量和功率初始值传递给内层模型，同时计算外层模型的目标函数值。内层模型考虑牵引负荷的实际优化运行，将鲁棒优化模型进行转换后，求得优化后的日运行成本，再传递给外层模型。从而将外层模型和内层模型联系起来，相互优化，迭代求解，得到最优的储能容量参数。

技术特征：

1.一种考虑牵引负荷不确定性的储能容量优化方法，其特征在于，包括：

2.如权利要求1所述的牵引负荷数据，构建牵引负荷不确定性模型，其特征在于：

3.如权利要求3所述的根据不确定性模型，构建储能容量双层优化模型，其特征在于，所述目标函数为：在储能装置运行年限内使得牵引供电系统总成本最小：

4.如权利要求4所述的基于鲁棒优化理论将下层不确定性模型转化为确定性模型，其特征在于，包括：

技术总结牵引负荷具有随机性，波动性大，给牵引供电系统运行会带来不确定性影响，而储能系统的容量规划和牵引供电系统的优化运行问题深度耦合，并且牵引供电系统中的负荷不确定性的特点在不同时间尺度下各有不同。本发明提供一种考虑牵引负荷不确定性的储能容量优化方法，在其指导下分析了储能容量规划中的不确定性耦合问题。然后分别刻画不同时间尺度下的负荷不确定性，构建了储能容量双层优化模型。通过本发明得到的储能容量配置参数在实现负荷峰值功率削减和再生制动能量回收的同时，能够适应实际运行中的牵引负荷需求，保证牵引供电系统的安全稳定运行。技术研发人员：马茜,赵雷雨受保护的技术使用者：湘潭大学技术研发日：技术公布日：2024/9/9