計及光伏和儲能接入的牽引供電系統能量管理策略

高鋒陽 宋志翔 高建寧 高翾宇 楊凱文

計及光伏和儲能接入的牽引供電系統能量管理策略

高鋒陽 宋志翔 高建寧 高翾宇 楊凱文

（蘭州交通大學自動化與電氣工程學院 蘭州 730070）

近年來，為實現電氣化鐵路“雙碳”目標，多項鐵路用能優化舉措投入實施并取得一定成效，然而，單靠能耗優化治標不治本。為根治電氣化鐵路碳排放問題，在保證系統穩定運行的基礎上，基于智能電網理念，提出計及光伏和儲能接入的牽引供電系統能量管理策略。首先，構建計及光伏和儲能接入的牽引供電系統；然后，基于電力市場電價及新能源出力，采用日前聯合調控、日內滾動調節和實時優化控制鐵路用能，并通過分層分級優化，打破各“源”端相對獨立、各自為政的壁壘，實現多能互補；最后，通過共享儲能模式，降低儲能裝置閑置率并提高新能源利用率。仿真結果表明，該能量管理策略可在保障系統運行穩定和安全的基礎上有效地降低系統的運行成本，同時保持良好的電能質量。

電氣化鐵路 牽引供電系統 共享儲能 電力市場

0 引言

2020年國家鐵路能源消耗折算標準煤1 548.83萬t，比上年減少85.94萬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領域之一。因此，需從其電能全生命周期的源頭和終端雙管齊下，不僅要優化電氣化鐵路的用能結構，還要提高新能源滲透率，實現電氣化鐵路的節能減排和對新能源的高效利用[2]。

現有優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的智能化[3]和再生制動能量利用率兩方面實現[4-5]。文獻[6-7]基于智能電網理念，構建能量管理策略，對鐵路用能結構進行優化；文獻[8-9]通過儲能裝置回收并再利用制動能量減小系統用電量。上述研究僅從優化現有用能結構出發，降低系統用電量，但未考慮新能源接入。文獻[10]將光伏接入牽引供電系統，分析光伏接入牽引供電系統的形式及隱患，但未給出解決方案；文獻[11]將光伏接入牽引供電系統并設計復雜工況下的能量管理策略，但未考慮光伏接入系統所帶來的負面影響；文獻[12]構筑電氣化鐵路“源-網-車-儲”一體化供電系統，綜合解決系統運行期間隱患，但其各“源”端依舊獨立運行。上述研究僅對光伏上網供能后的系統運行狀態進行調整，但未對系統選擇光伏上網供能的時機進行分析。

目前，售電公司可通過電力競價自主上網，這使得電價隨機性增強，給電力市場帶來新挑戰[13-14]。文獻[15]在電力市場環境下優化配電網的能量管理系統；文獻[16]采用寡頭壟斷的市場模型分析碳排放配額對電力市場的利潤影響。2019年末，高鐵公司聯合上海局徐州供電段共同開展2020年直購電招標工作，經投標競價，最終報價較2020年大工業用電交易電價每kW·h下降3.26分，預計全年直購電電費節約近千萬元[17]。因此，鐵路局可基于電力市場實時電價，在光伏電價較低時擇其上網供能，降低系統購電成本。但隨著光伏滲透率的提高，系統運行性能將有所下降，如何保證系統在穩定運行的同時獲得更高的經濟效益將成為亟待解決的關鍵問題。

儲能裝置作為能量暫存裝置，其憑借出色的存儲能力和迅敏的充放電速度，已被用于牽引供電系統制動能量的回收及再利用；并憑借其儲放能的時間差優勢，通過低儲高發套利進而提高系統運行經濟性。近年來，儲能裝置因其技術的成熟和制造成本的大幅降低，已被廣泛應用于電力系統，但與之相對應的則是未形成有效的儲能盈利方式，且存在嚴重的儲能資源閑置現象[18]。在此背景下，將共享理念與儲能技術相結合，牽引供電系統獲得額外電能；光伏發電站也獲得相應的儲能服務并從中獲得利潤。目前，共享儲能裝置已被用于提高新能源并網系統的穩定性[19-21]和社區儲能服務[22-23]。

針對新能源在牽引供電系統中供能占比的提高，在電力市場環境下將光伏發電裝置引入牽引供電系統中，并采用共享儲能模式實現發電方和用電方的共贏。在保證系統安全可靠的基礎上搭建含光伏和儲能接入的牽引供電系統，從日前、日內和實時三個角度出發，構建計及光伏和儲能接入的牽引供電系統能量管理策略，提高系統運行的經濟性、穩定性和安全性。

1 計及光伏和儲能接入的牽引供電系統

計及光伏和儲能接入的牽引供電系統原理如圖1所示。新能源與儲能裝置通過DC-DC轉換器接在同一條直流母線上，再通過變流器與牽引網相連，整個系統由單“源”變為多“源”供電。

圖1 計及光伏和儲能接入的牽引供電系統原理

“源”作為牽引供電系統的供能方，其包含外部電網（簡稱“外網”）和新能源發電兩部分，新能源發電則主要包含風力發電和光伏發電（簡稱“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電穩定性，選用光電作為新能源側電源。

“網”作為連接“源”“車”和“儲”的中間環節，其包含牽引變壓器、牽引網和變流器等設備；通過調整牽引變壓器和變流器的工作狀態，分配各“源”端出力。

“車”作為牽引供電系統的用能方，其與“網”進行雙向能量交換，機車處于牽引工況時從網側吸收能量，處于制動工況時則饋能給牽引網。

“儲”作為牽引供電系統的第三大供能方，在機車處于制動工況時儲能、牽引工況時放能，提高系統電能利用率；在電力市場環境下“低儲高發”，提高系統運行經濟性；在光電并網運行時降低光電上網對原系統的影響；在光電發生棄光現象時存儲電能，提高光伏發電利用率；處理系統異常運行狀態時起平峰填谷功效，保障系統運行穩定性[24-25]。各儲能裝置性能對比見表1[3,26]。綜合考慮各儲能裝置的能量密度、充放電效率及技術成熟度，在此選用鋰電池作為儲能裝置。

表1 儲能裝置技術對比

2 計及光伏和儲能接入的牽引供電系統能量管理策略

計及光伏和儲能接入的牽引供電系統能量管理策略通過多環節、多維度控制降低系統運行成本、提高系統新能源滲透率和電能質量。計及光伏和儲能接入的牽引供電系統能量管理策略如圖2所示。

日前聯合調控依據系統負荷需求、光電出力預測和日前電力市場電價三部分因素對系統各“源”端出力進行調控，實現牽引供電系統日最小電量電費，提高系統運行的經濟性。

日內滾動調節基于更新的光電出力、負荷需求和系統運行狀態，在日前聯合調控的框架下調整各“源”端出力，實現系統的三相電壓不平衡度和靜態電壓穩定性要求[27-28]。保障系統運行的穩定性。

實時優化控制在日內滾動調節的基礎上，實時監測系統運行狀態，保障系統運行的安全性。

計及光伏和儲能接入的牽引供電系統通過日前聯合調控、日內滾動調節和實時優化控制，實現對系統運行性能和經濟效益的全面提高。

3 計及光伏和儲能接入的牽引供電系統分層優化

3.1 日前聯合調控

計及光伏和儲能接入的牽引供電系統日前聯合調控一方面通過在電力市場分時直購電能降低購電成本；另一方面通過儲能裝置回收制動能量和低儲高發套現。

2021年起，光電電價按燃煤發電基準價執行[29]。這表明光電價格將與燃煤發電電價相交互，在日照充沛時段光電具有價格優勢，將作為輔助電源與外網共同供電。光電電價變化趨勢如圖3所示。2016—2021年間，光電上網電價逐漸降低，2021年三類自然區電價均價在0.4元/(kW·h)。根據日照強度設定光電上網電價，分時電價在均價的±20%范圍內，光伏電價見表2。2021年某省工業用電（電壓等級為110 kV）電價見表3[30]。

圖3 光電電價變化趨勢

表2 光伏電價

Tab.2 Photovoltaic tariff

表3 工業用電電價

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

光電依賴于自然條件，需配以儲能裝置存儲電能，但該儲能裝置日利用率較低。同時近年來已有多種儲能裝置接入牽引供電系統輔助供電，但這些儲能裝置功用單一，未充分調用儲能裝置能力[31]。在此，運用共享儲能技術，既保證牽引供電系統的用能需求，也充分調用儲能裝置資源。含共享儲能裝置的牽引供電系統如圖4所示。共享儲能裝置在光伏側，依照電力市場分時電價選擇儲存棄光量或協同光電上網；在牽引側，依照機車運行狀態選擇儲能或饋能。共享儲能裝置在實現兩側功率需求期間，也將實時監測自身的荷電狀態保證運行的安全性。共享儲能裝置容量應滿足光伏側和牽引側兩部分電能需求，光伏側配套儲能容量按裝機容量10%設計，連續充電時間不低于2 h[32]。牽引側儲能裝置容量需綜合考量系統再生制動能量閾值占比。

圖4 含共享儲能裝置的牽引供電系統

3.1.1 優化目標

牽引供電系統日前聯合調控目標函數指在最小化日購電成本。牽引供電系統電費由基本電費、電量電費、還貸電費和力率調整電費四部分組成。在此對系統電量電費進行優化，其包括外網購電成本、光電購電成本、鋰電池低儲高發收益和鋰電池再生制動能量收益。系統日最小購電成本為

3.1.2 約束條件

1）功率平衡約束

式中，ft、rt、gt、lt和st分別為時刻的系統負荷需求、外網、光電、鋰電池和系統損耗功率。

2）變流器約束

光電上網及儲能設備充放電均需通過變流器，因此需對流過其的有功及無功功率進行約束，有

式中，、、分別為變流器實時有功、無功和上限功率。

3）鋰電池狀態約束

為避免鋰電池過充過放，其荷電狀態需要始終處于設定的上、下限范圍內。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、實時和最高荷電狀態；lmin、lt和lmax分別為鋰電池最低、實時和最高充放電流。

3.1.3 案例分析

以某牽引變電所的實測數據為例，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，牽引變電所瞬時最大牽引功率為44 MW，瞬時最大制動功率為15 MW，日耗電量235 MW·h。光電日功率隨日照輻射強度而變化，其最大功率達10 MW。結合變電所日功率、光伏出力和共享儲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可得系統日內各“源”端出力時段如圖6所示。0:00—8:00和22:00—24:00期間，外網電價處于低位且系統負荷需求較低，鋰電池儲網側電能，實現低儲的功用；11:00—13:00期間，光電電價不具價格優勢，鋰電池儲光電待外網電價尖峰時放出，此時外網電價雖處于低位，但由于系統處于高負荷需求期，且鋰電池也因存儲光電電能而達到滿電狀態，鋰電池不再存儲外網電能；9:00—11:00、15:00—17:00期間，外網電價處于尖峰價位，鋰電池放能，實現高發的功用，降低系統當前時段購電成本；8:00—11:00、13:00—19:00期間，外網電價處于高位，此時光電上網；19:00—22:00期間，外網電價處于高位且光伏無能可供，系統僅由外網供電。在此背景下，系統日購電量如圖7所示。

圖6 系統各“源”端出力時段

由圖7可知，鋰電池通過儲放棄光量和再生制動能量提高系統電能利用率，并與光電和外網一起為系統供能，降低系統外網依賴度。系統分時購電量和購電成本如圖8所示。

圖7 系統日購電量

圖8 系統分時購電量和購電成本

由圖8可知，系統雖因鋰電池在22:00—次日6:00間儲能導致購電量上升，但因外網電價處于低位，此時系統購電成本上升較少；8:00—11:00和13:00—19:00期間，光電和鋰電池放電，系統購外網電量下降，系統購電成本大幅下降，系統運行更具經濟性。

牽引供電系統中鋰電池所有權歸鐵路所有，光伏電站儲能時需繳納租賃費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70萬元/年的額外收益。同時光伏電站也通過租賃共享儲能裝置免除配套儲能裝置構建成本，雖支出一定租賃費用，但較其1.2元/(W·h)的鋰電池構建成本，降低了光伏電站整體構建成本。牽引供電系統運用共享儲能裝置降低系統構建成本，并提高系統運行經濟性。

3.2 日內滾動調節

牽引供電系統日內滾動調節在日前各“源”端出力規劃的框架下，根據系統靜態電壓穩定性和三相電壓不平衡度對各“源”端出力進行調整，進而實現系統穩定運行。

3.2.1 系統靜態電壓穩定性優化

傳統牽引供電系統中，整個系統可看作一單機單負荷系統，其示意圖如圖9所示[34]。

圖9 單機單負荷系統示意圖

圖9中，系統負荷功率為

式中，s為牽引供電系統牽引網側等效阻抗；為配電網電壓；為牽引網電壓；為牽引供電系統輸入輸出電壓相位差。

由式（5）可推導出

由式（6）和式（7）可知，系統無功儲備量c＜2/(2s)時，系統靜態電壓穩定性受無功儲備抑制。系統無功約束下的靜態電壓穩定域如圖10所示。

圖10 系統無功約束下的靜態穩定域

由圖10可知，當c＜2/(2s)時，系統每縮小1/2無功儲備，可調節無功范圍就縮小約30%，有功調節范圍就縮小約15%。

光伏并網系統示意圖如圖11所示。

圖11 光伏并網系統示意圖

當相同容量的同步機電源被光伏電源替代后，需考慮光伏接入系統前后無功調節范圍差異。光伏電源的PQ曲線如圖12所示。相同裝機容量的光伏無功調節范圍小于同步機組。

圖12 光伏PQ曲線

光伏等容量替代同步機組后系統無功儲備量為

由式（8）可得系統無功儲備量和光伏滲透率間變化趨勢如圖13所示。系統無功儲備量隨光伏滲透率的提高而下降。當系統完全由光電供能時，系統無功儲備量為正常值的63%，已威脅到系統的正常運行，需通過鋰電池向系統補償無功功率使系統恢復正常。

圖13 系統無功儲備量和光伏滲透率間變化趨勢

結合圖7系統負荷需求和日前各“源”端出力規劃，系統日光伏滲透率、無功儲備量和鋰電池出力量如圖14所示。隨著光伏滲透率的升高，系統無功儲備量下降。當系統無功儲備量低于90%標準值時，鋰電池輔助提供無功功率，保障系統運行穩定性[35]。

圖14 系統無功儲備量

3.2.2 系統三相電壓不平衡度優化

計及光伏和儲能接入的牽引供電系統中，按其各“源”端出力可分為：外網供能（鋰電池待機和鋰電池儲光電）；外網和光電供能；外網、光電和鋰電池供能；外網和鋰電池供能五種工況，其電路拓撲如圖15a～圖15e所示，對應電流矢量如圖15f～圖15h所示。圖中，α、β、αw、βw、αb、βb分別為α和β供電臂所需、外網所供和新能源側所供電流量。A、B、C為外網三相電路。

圖15 不同工況矢量圖

1）類型Ⅰ

2）類型Ⅱ

系統由外網、光電和鋰電池三方供能，系統如工況3、工況4和工況5所示。此時系統用能電流關系如圖15 g所示，系統用能相對于外網的負序電流為

式中，b為變流器所供電能相對于外網的負序電流。由式（10）可得系統負序電流關系如圖15h所示。

由圖15g和圖15h可得，系統通過光電和鋰電池出力減少系統相對外網的負序電流，進而降低系統的三相電壓不平衡度。系統三相電壓不平衡度和光伏滲透率間變化趨勢如圖16所示。系統三相電壓不平衡度隨光伏滲透率的提高和系統功率需求的減小而下降，當系統負荷需求低于33 MW或光伏滲透率達到0.2(pu)以上時，系統三相電壓不平衡度滿足小于0.02(pu)的要求。

圖16 系統三相電壓不平衡度和光伏滲透率間變化趨勢

由圖7系統日內購電量可得系統三相電壓不平衡度如圖17所示。由圖17可知，初始系統在部分時段三相電壓不平衡度超過國家標準2%，最大高達2.61%。選擇負序電壓不平衡度2%所對應功率 33 MW為鋰電池裝置啟動閾值。由圖17b可知，牽引供電系統經日前聯合調控后，系統三相電壓不平衡度較初始系統大幅度下降，現最大三相電壓不平衡度僅2.3%。系統調整各“源”端出力，加大鋰電池供能量，減小外網供能量，進而降低系統三相電壓不平衡度，鋰電池最大出力5.1 MW，由圖17c可知在日內調整優化下系統已實現三相電壓不平衡度要求。

圖17 系統三相電壓不平衡度

3.3 實時優化控制

系統實時控制在日內滾動調節的基礎上，進行短至1 s的精細化調控。系統運行期間，其運行工況的切換需通過調整各“源”端出力實現，系統運行狀態如圖18所示。模式1～4分別代表鋰電池儲光電、鋰電池供能、光電供能和鋰電池儲外網電。

由圖18可知，系統處于模式1和模式4時，鋰電池恒流儲能，其荷電狀態恒速上升，系統僅由外網供能；系統處于模式2時，鋰電池恒功率供能，其荷電狀態恒速下降，系統此時由外網和鋰電池兩者供能，系統新能源側電能恒壓上網，外網供能量隨鋰電池供能量的升高等幅降低；系統處于模式3時，光電上網供能，其供能量隨日照強度變大等比例增加，系統此時由外網和光電兩者供能，外網供能量隨光電供能量增加等幅降低。由系統在四種工作模式的運行狀態可知，系統可在保證用能穩定的前提下，通過切換和組合系統工作模式，改變系統供能結構，快速調整系統運行工況。

圖18 系統運行狀態

系統在外網供能發生意外時，通過牽引網實時電能檢測，快速啟動鋰電池應急供能，保障機車運行安全，又因鋰電池最大出力所限，機車需舍棄部分非剛需用電功能，以實現緊急工況下的穩定運行；系統在鋰電池和光電供能發生意外時，回歸傳統牽引供電模式，即轉為系統僅由外網供能模式。

在此選用HXD3B型電力機車作為研究對象，該車型配有6套動力單元，正常運行時單動力單元獲能1.6 MW，機車直流側電壓穩定在2 800 V。雙車運行期間系統應急響應供能狀態如圖19所示。外網供能期間，機車穩定運行；=1 s時，外網供能發生意外，鋰電池應急供能。此時機車從牽引網獲得能量較正常值下降約1/3，機車直流側電壓下降后穩定在2 500 V，機車運行在應急工況；=2 s時，外網恢復供能，鋰電池待機，機車回歸正常運行狀態。由此可知，系統可在外網電能缺失時為機車緊急供能，使得機車平穩運行，保障系統運行安全性。

圖19 系統應急響應狀態

4 結論

針對電氣化鐵路發展趨勢，在電力市場環境下構建計及光伏和儲能接入的牽引供電系統，并設計相應能量管理策略，該能量管理策略在保證系統安全可靠運行的基礎上，通過分層分級優化，降低系統運行成本，提高系統新能源滲透率。

1）計及光伏和儲能接入的牽引供電系統在日前調控期間，通過電力市場的電力競價分時購能，并采用共享儲能裝置降低系統構建成本，有效地提升了系統運行經濟效益。

2）計及光伏和儲能接入的牽引供電系統通過日內調節，解決光電接入系統引起的靜態電壓穩定性下降及三相電壓不平衡度超標問題，提高系統運行穩定性。

3）計及光伏和儲能接入的牽引供電系統通過實時控制快速調整系統各“源”端出力狀態，并在系統供電發生意外時為機車應急供能，提高系統運行的安全性。

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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

甘肅省科技廳重點研發項目（18YF1FA058）和中國中車股份有限公司“十四五”科技重大專項科研課題項目（2021CXZ021-4）資助。

2022-11-05

2023-01-10

高鋒陽 男，1970年生，碩士生導師，研究方向為鐵路電氣自動化。E-mail：ljdgaofy@lzjtu.edu.cn

宋志翔 男，1997年生，碩士研究生，研究方向為牽引供電系統。E-mail：11200375@stu.lzjtu.edu.cn（通信作者）

（編輯 赫 蕾）