一种光伏接入条件下高速铁路网-源-荷-储-用联合优化方法

技术领域

本发明涉及高速铁路能源技术领域，尤其涉及一种光伏接入条件下高速铁路网-源-荷-储-用联合优化方法。

背景技术

我国已建成全世界规模最大的高速铁路网络，高铁已成为我国社会经济发展的重要支柱。但高铁路网规模的持续扩大以及大功率高速列车的增加，高铁能耗问题日益突出。高铁基础设施规模庞大、空间分布广泛，自身承载着巨量的太阳能资源。通过利用光伏发电实现太阳能的就地消纳，构建清洁、绿色和高弹性的新型高速铁路协同供能系统，不仅可以降低列车运行对火电的需求，减轻铁路对外部电网的依赖，还可以减少购电成本。

从用能的角度制定节能策略减少能源负荷，进而减少光伏储能装机总量.为了降低列车能耗和装机容量，通过建立基于节能运行和列车运行图的列车能源负荷计算方法，得到高铁列车运行能源负荷时空分布。根据能源负荷评估结果，考虑高铁宜能空间约束，建立以经济效益为目标的牵引供电系统光储定容优化模型，并提出求解算法。

通过案例分析表明：虽然光伏和储能的建设增加了投资和运维成本，但高铁购电成本明显降低，同时可以大幅降低高铁碳排放。因此，光伏接入可为高铁带来显著的经济和环境效益，如何通过优化光伏和储能容量配置来实现提高列车运行的经济效益是一个亟待解决的问题。

发明内容

本发明的实施例提供了一种光伏接入条件下高速铁路网-源-荷-储-用联合优化方法，以实现有效地提高高速铁路运营的经济效益。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。

一种光伏接入条件下高速铁路网-源-荷-储-用联合优化方法，包括：

通过收集高速铁路的列车车型、线路和列车时刻表数据，构建基于节能的列车运行能源负荷评估模型，得出基于节能的列车运行能源负荷时空分布；

对光伏发电潜力进行评估，得到供电区间的光伏的发电功率和发电量；

构建储能系统充放电模型；

以所述储能系统充放电模型作为约束条件，基于所述基于节能的列车运行能源负荷时空分布和所述供电区间的光伏的发电功率和发电量构建高铁光储定容优化模型，通过求解所述高铁光储定容优化模型得出高速铁路能源系统的光储规划方案。

优选地，所述的通过收集高速铁路的列车车型、线路和列车时刻表数据，构建基于节能的列车运行能源负荷评估模型，得出基于节能的列车运行能源负荷时空分布，包括：

将列车群运行能源利用优化问题拆分为单列车节能运行问题，基于列车运行图的能源时空累加算法得到不同空间尺度下列车群运行能源负荷时间分布规律，单列车节能操纵要求为在有限的区间运行时间范围内实现运行能耗最小，目标函数为能耗和时间成本最优，即：

minf(x)＝min(f

其中，f

f

其中F

minf(x)＝f

式中：∈为时间成本系数；

求解出最小能耗要求下，列车所需牵引力F

其中：P

根据每个变电所供电距离，将高铁线路拆分为若干个供电区间j＝1，2，3…J，将一天时间划分为若干时间段k＝1，2，3，…K，令供电区间j的起点为h

其中N为每天列车运行总数量，σ

那么在时间段k，供电区间j的能源负荷为：

优选地，所述的对光伏发电潜力进行评估，得到供电区间的光伏的发电功率和发电量，包括：

设光伏组件的长宽分别为L、W，假设6块光伏组件组成一个光伏阵列，光伏阵列之间预留检修间距为M，那么光伏组件的土地面积利用率γ为：

计算单块光伏组件平均发电量，令时间段k供电区间j的单块光伏组件平均发电功率为

优选地，所述的构建储能系统充放电模型，包括：

高速铁路的储能系统的运作满足充放电的功率限制以及能量容量的限制，具体为：

S

式中：

优选地，所述的以所述储能系统充放电模型作为约束条件，基于所述基于节能的列车运行能源负荷时空分布和所述供电区间的光伏的发电功率和发电量构建高铁光储定容优化模型，通过求解所述高铁光储定容优化模型得出高速铁路能源系统的光储规划方案，包括：

高速铁路的光储牵引供电系统的成本包括光伏储能系统的投资成本、运维成本以及购电成本，年投资成本公式为：

式中，I

运维成本包括设备维护和定期测试费用，年运维成本I

式中，I

每年购电成本该部分的计算公式为：

式中：p

光储牵引供电系统的每年成本为：

I＝I

所述储能系统充放电模型除了满足光伏发电以及储能充放电模型的约束条件外，还需要满足能量平衡约束以及空间约束，如下：

其中

设置所述高铁光储定容优化模型的目标函数如下：

minI

采用Matlab遗传算法优化工具箱求解所述高铁光储定容优化模型的目标函数，得到高速铁路能源系统的光储规划方案，该光储规划方案包括光储和储能装机容量、经济效益和环境效益。

由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明实施例通过建立基于节能运行和列车运行图的列车能源负荷计算方法，得到高铁列车运行能源负荷时空分布，建立以经济效益为目标的牵引供电系统光储定容优化模型，并提出求解算法，通过优化光伏和储能容量配置，提高高速铁路列车运行的经济和环境效益。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的高铁网-源-荷-储-用联合优化流程示意图；

图2为本发明实施例提供的一种光伏阵列布设方式示意图；

图3为本发明实施例提供的列车能源负荷时空分布示意图；

图4为本发明实施例提供的不同情况下每个供电区间成本比较示意图；

图5为本发明实施例提供的光储接入条件下每年碳排放降低数量。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

本技术领域技术人员可以理解，除非特意声明，这里使用的单数形式“一”、“一个”、“所述”和“该”也可包括复数形式。应该进一步理解的是，本发明的说明书中使用的措辞“包括”是指存在所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/或它们的组。应该理解，当我们称元件被“连接”或“耦接”到另一元件时，它可以直接连接或耦接到其他元件，或者也可以存在中间元件。此外，这里使用的“连接”或“耦接”可以包括无线连接或耦接。这里使用的措辞“和/或”包括一个或更多个相关联的列出项的任一单元和全部组合。

本技术领域技术人员可以理解，除非另外定义，这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

为便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以几个具体实施例为例做进一步的解释说明，且各个实施例并不构成对本发明实施例的限定。

本发明实施例提供的一种光伏接入条件下高速铁路网-源-荷-储-用联合优化的处理流程如图1所示，包括如下的处理步骤：

步骤S1：通过收集列车车型、线路和列车时刻表数据，构建基于节能的列车运行能源负荷评估模型，得出列车运行能源负荷时空分布。

假设列车类型和编组方式相同，也就是具有相同的牵引制动特性，在此情况下，通过控制列车到发间隔保障列车追踪安全间隔。那么，将列车群运行能源利用优化问题拆分为单列车节能运行问题，继而可基于列车运行图的能源时空累加算法得到不同空间尺度下列车群运行能源负荷时间分布规律。单列车节能操纵要求为在有限的区间运行时间范围内实现运行能耗最小，目标函数为能耗和时间成本最优，即：

minf(x)＝min(f

其中，f

f

其中F

minf(x)＝f

式中：∈为时间成本系数。考虑曲线、坡度、隧道等附加阻力以及工况转换约束和数量，即可求解出最小能耗要求下，列车所需牵引力F

其中：P

为了得到列车运行能源负荷时空分布数据，根据每个变电所供电距离，将高铁线路拆分为若干个供电区间j＝1，2，3…J，将一天时间划分为若干时间段k＝1，2，3，…K。令供电区间j的起点为h

其中N为每天列车运行总数量，σ

那么在时间段k，供电区间j的能源负荷为：

上述列车运行能源负荷时空分布体现列车能源需求，作为步骤S4中的构建高铁光储定容优化模型的输入数据。

步骤S2：对光伏发电潜力进行评估，得到供电区间的光伏的发电功率和发电量。

根据铁路安全管理条例，高速铁路线路安全保护区的范围为12-20米，因此，线路两旁的空地可成为光伏安装的适宜空间，即宜能空间。为了保障光伏电站正常运转，在铺设光伏阵列时需留出空间方便维修和减少遮挡。考虑到安装成本和安全，本发明建议采用平铺安装方式。令光伏组件长宽分别为L、W，图2为本发明实施例提供的一种光伏阵列布设方式示意图，如图2所示，假设6块光伏组件组成一个光伏阵列，光伏阵列之间预留检修间距为M。那么光伏组件的土地面积利用率γ为：

影响光伏发电影响的因素很多，如太阳辐射度、温度、风速、湿度、安装倾角等。为了能更加精准地计算出光伏发电量，本发明选择PVsyst软件计算单块光伏组件平均发电量。令时间段k供电区间j的单块光伏组件平均发电功率为

上述供电区间的光伏的发电功率和发电量体现能源供给能力，作为步骤S4中构建高铁光储定容优化模型的输入数据。

步骤S3：构建储能系统充放电模型。

储能系统可以存储光伏发电多余电量用于光伏发电量不足时的列车运行供能。储能系统的运作应满足充放电的功率限制以及能量容量的限制，具体为：

S

式中：

上述储能系统充放电模型作为步骤S4中构建高铁光储定容优化模型的约束条件。

步骤S4：根据网-源-储参数构建高铁光储定容优化模型。

根据步骤S1中的列车运行能源负荷时空分布和步骤S2中的供电区间的光伏的发电功率和发电量分，以步骤S3中的储能系统充放电模型作为约束条件构建高铁光储定容优化模型。

(1)目标函数

光储定容优化的目的是提高经济效益，光储牵引供电系统的成本包括光伏储能系统的投资成本、运维成本以及购电成本。年投资成本公式为：

式中，I

运维成本主要包括设备维护和定期测试费用，年运维成本I

式中，I

购电成本即为从电网购买电量需要支付的费用，每年购电成本该部分的计算公式为：

式中：p

综上，每年成本为：

I＝I

式中，储能系统充放电模型的目标函数即为最小化年度总成本I。

(2)约束条件

储能系统充放电模型除了满足光伏发电以及储能充放电模型的约束条件外，还需要满足能量平衡约束以及空间约束，如下：

其中

最后，本发明构建的光储定容优化模型如下：

minI

步骤S5：求解算法

本发明采用Matlab遗传算法优化工具箱求解列车运行能源负荷评估和定容优化模型。通过求解高铁光储定容优化模型得出高速铁路能源系统的规划方案，该规划方案包括光储和储能装机容量、经济效益和环境效益等。对比分析不接入和接入光储两种情况的经济和环境效益。通过案例分析表明：虽然光储发电系统的建设增加了投资和运维成本，但购电成本大幅降低，高铁碳排放明显减少。因此，光伏接入高铁可以为高铁运营方带来显著的经济和环境效益。将列车节能运行与光储能源系统优化相结合，实现列车用能和供能的联合优化。

实施例一

以京广线某区间204公里的铁路线运行进行案例分析与验证详细介绍本发明的具体实施方式。

步骤1：数据与参数设置

把全线204公里的铁路线按照牵引变电所的供电范围划分成6个区间，以便分区规划；选取线路两旁3米范围内10％的空地面积进行光伏和储能铺设，在去掉隧道和桥梁之后，全线还剩196.19公里的范围长度可以用来铺设光伏，计算得出宜能空间的面积大约为117714m

步骤2：列车运行能源负荷评估结果

能源负荷评估模型，得出全线上下行194列列车的能源负荷时空分布评估结果，如图3所示。由计算结果可知，全线列车负荷主要集中在9:00到23:00时间内。18:00到22:00时间段的能耗占全天总负荷的34.59％；9:00到18:00的能耗占全天总负荷的55.47％。供电区间2和4的能源负荷最大，分别为68500kWh和86200kWh。全线每天总能源负荷约为315000kWh，年购电成本超过7000万元。

步骤3：光储定容方案分析

采用光储定容优化模型得出光储和储能装机容量，对比分析不接入和接入光储两种情况的经济和环境效益。结合各供电区间的列车能源负荷计算结果可知，由于区间2和区间4的列车能源负荷高于其他区间，光伏和储能系统的装机容量也偏大。两种情况的经济效益对比如图4所示，在接入光储供电系统之后，虽然增加了额外的投资和运维成本，但每个供电区间的年度总成本均低于无接入光储的情况，各供电区间的总成本均有所降低。原因是光储接入条件下购电成本的降低额度大于投资和运维成本，高铁对大电网的依赖程度降低。从成本降低额度来看，供电区间2和6总成本减少最多，每年成本分别减少94万元和117万元。从成本降低比例来看，供电区间1和6的成本降低百分比最高，分别为7.22％和6.57％。通过统计分析，全线每年用能成本减少445万元，成本降低6.5％左右。因此，通过利用高铁沿线自然禀赋，将光伏发电接入高铁牵引供电系统的方案具有显著的经济效益。

光伏接入条件下，光伏发电替代了电网发量，减少了高铁运行导致的火电碳排放。根据我国电网和光伏碳排放因子，可计算出光伏接入情况下高铁碳排放减少量。图5为计算结果，光伏接入情况下每年碳排放减少总量为19072t，其中供电区间2和4的碳排放减少量最多。未来可根据高铁碳交易政策获得碳交易收入，进一步降低成本，提高经济效益。

综上所述，本发明实施例通过为减少光伏和储能装机容量，本发明提出了基于节能操纵和列车运行图的列车能源负荷评估方法；通过利用高铁宜能空间，提出基于PVsyst仿真的高铁沿线光伏发电潜力评估模型，构建储能系统充放电模型，建立了以经济效益为目标的高铁光储定容优化模型。最后，利用遗传算法，提出了高铁网-源-储-车-用联合优化问题的求解算法。以京广线某区间为例进行了模型验证，结果表明：光伏接入条件下，高铁列车运行成本每年可减少约445万元，成本降低6.5％左右。因此，通过利用高铁沿线自然禀赋，将光伏发电接入高铁牵引供电系统的方案具有显著的经济效益。

本领域普通技术人员可以理解：附图只是一个实施例的示意图，附图中的模块或流程并不一定是实施本发明所必须的。

通过以上的实施方式的描述可知，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于装置或系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的装置及系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。