基于改進粒子群算法的城軌交通超級電容儲能系統容量優化配置研究

劉紅兵 ，郭輝

（1.湖南鐵道職業技術學院控制學院，湖南株洲，412001；2.湖南鐵道職業技術學院素質學院，湖南株洲，412001）

軌道交通的能源綜合利用為降低城市綜合能耗起到了示范效應。城市軌道交通的節能降耗可以從設備技術的更新，高分子材料的運用等科研設備的轉型升級來實現，這部分的科研攻關已經越來越成熟，快到觸及到理論上限，未來發展的空間十分有限；也可以從軌道交通能源儲存的低消耗，能源利用的高效率，能源回收的穩定性來實現能源的循環利用，這部分由于涉及到軌道交通的主要能源—電能的儲存、回收、傳遞、利用等環節，需要滿足百萬級運輸量的超級電容儲能系統才能對其實現有效的管理，因此在未來軌道交通節能減排領域具有非常大的利用空間。

1 城軌交通超級電容儲能系統發展現狀分析

此系統是基于超級電容器為組建電能綜合利用系統。超級電容器是利用多空材料高比表面積特性和電解液離子極化形成的雙電層來儲存電能，實現能量的高效利用和循環利用，達到綠色節能的目的，是屬于短程交通類型的城軌交通系統的理想儲能器件[1]。其具體優點有以下幾點：

一是超級電容儲能系統，結構簡單，沒有附加的變壓器等裝置，只需要超級電容器作為組建就能夠實現軌道列車的能量吸收儲存。具有能耗小，易安裝，維護費用少之優點。二是該系統的制動能量轉換的電能直接儲存在超級電容器中，無能量回饋給電網，不會給電網造成負荷或沖擊。三是地鐵啟動時，超級電容可以充分釋放電能，從而達到最大的節能效果。四是利用該系統可以提升接觸網電壓，減少接觸網電壓波動，從而降低直流母線上的能量損耗。

2 車載超級電容儲能系統原理與結構

目前城軌交通超級電容儲能系統主要有車載式和地面式兩種模式，兩者相比較，地面儲能具有結構穩定，安裝方便，維護便宜，適用于新建或已有的城軌交通變電所內，應用起來比較容易。而車載式儲能具有節能降耗、穩定電壓、降低電網峰值功率，提高列車牽引能力等優點，同時還能在無架線的情況下實現短時間短途運行，是城軌列車未來發展的方向。

2.1 超級電容儲能系統工作原理

由圖1 顯示，基于超級電容器的軌道交通再生制動能量吸收利用系統包括雙向直流變換器和超級電容儲能系統兩部分，并接在軌道列車的直流供電母線上。當地鐵列車制動時，直流母線電壓上升，雙向直流變換器向超級電容器列陣充電，超級電容器列陣吸收制動能量；當軌道列車啟動時，直流母線電壓下降，超級電容器陣列儲存的能量通過雙向直流變換器釋放能量。

圖1 超級電容儲能系統在城軌交通運輸中的工作原理圖

2.2 超級電容儲能系統的工作特點

超級電容沒有電介質，其使用的是固體材料做成的電極和液體材料做成的電解液在界面上形成的電氣雙層的狀態來取代電介質。其具有以下幾個工作特點：

（1）充電快,一般情況下，軌道列車在靠站的10 秒左右就可實現90%以上的充電額度。（2）壽命長,常規超級電容系統的循環次數可以達到100 萬次。而是其充放電過程是可以反復充、放電，并可循環的物理過程。（3）能量轉換效率高,該系統實現的是大電流輸出能力，在能量轉換過程中損失微弱，大電流能量循環效率可以達到90%以上。（4）功率密度高，可達300W/KG 至5000W/KG，相當于普通電池的10 倍左右。（5）產品原材料構成，生產，使用，儲存以及拆解過程不存在污染情況，是理想的環保材料。（6）耐溫性好，其可耐溫度范圍能夠從零下40 度到零上70 度之間，能夠適應各種極端溫度環境。（7）檢測方便，安全可靠性高，在標準電壓下，其可以充電到任何電位，并且可以全部放電。如果系統失效時相當于開路，而且過電壓不會被擊穿。

3 粒子群優化算法原理分析

該算法思想來源于仿生學的社會認知理論，體現了群智能的特性—即簡單的智能個體通過合作產生出復雜的智能行為[2]。目前，粒子群優化算法可以歸納為三個過程：

3.1 評價過程

對粒子當前所處的階段進行評價，通常是按照特定的適應度函數來評價自身適應度的好壞。類比自然界中有機生命的行為，就是有機生命通過評估周圍各種環境激勵對自身產生的影響完成對周圍環境的學習。

3.2 比較過程

指的是粒子群中的粒子與其他的粒子進行適應度值的比較，以確定學習的方向和動機。

3.3 學習過程

粒子通過對自身評價以及同周圍其他粒子的比較產生出模擬其他粒子的行為。

通過這三個過程的有機結合，粒子群優化算法可以適應各種復雜多變的環境，用以解決一些比較困難的優化問題。

粒子群算法的優點主要表現是初始化時限制較少，對問題信息沒有太多的原始依賴。算法的記憶能力和儲存最優解的能力較強。其算法比較簡單，實現起來比較容易。粒子群有很強的群智能算法的特性，粒子群的個體間的信息共享性比較高，有利于信息額搜索。

4 基于改進粒子算法的超級電容儲能系統的優化配置研究

實現城軌交通超級電容儲能系統的節能降耗，穩定電壓的功能，需要精確化的能量管理策略參數和容量配置方案，參數的不同帶來的是系統最優容量配置方案的不同。因此，采用改進粒子群算法來構建城軌交通供電系統仿真平臺，輸入實際運行中的能量管理策略參數，在仿真平臺粒子群優化計算之下，可以得到基于真實數據下的最優能量配置方案，從而為超級電容儲能系統的系統構建設計出最符合實際情況的執行方案。

4.1 系統優化目標函數配置

為了更準確地通過粒子群算法通過仿真平臺得出系統容量優化配置方案的可靠性與優劣性，本文從超級電容儲存系統的特點和軌道交通能源建設的幾大因素綜合出發，以電能節省與投資成本，電價之間的關系，以系統運行中電壓改善、使用壽命、能源回收與高效利用這幾個方面，為粒子群在超級電容儲能系統的計算中提供了三個目標函數。

一是經濟效率。經濟效率指的是在軌道交通超級電容系統的投入成本與產出效益之間的換算比例，以此來得出該系統優化配置方案是否具有低投入，高產出，回報率長期穩定的效果。因此，經濟效率由系統投資成本、節能綜合受益與設備使用壽命決定。

二是電壓改善率。軌道交通影響電壓下降的因素很多，主要是受列車牽引功率較大，變電站距離軌道較遠，供電線路老化，以及兩輛列車同時啟動等因素的影響。而超級電容儲能系統的一大功能就是平衡牽引變電站輸出功率，來補償直流網電壓跌落，讓整個軌道交通體系在穩定的電壓環境下實現平穩安全運行。

4.2 改進粒子群算法在系統優化配置中的作用

該優化計算方法可以同時實現對城軌交通超級電容儲能系統的最優化參數計算，并通過參數在仿真平臺上的輸入得出最優化的配置方案，以此得出目標函數值、經濟效率值和電壓改善率值。通過對不同城市不同運行環境的軌道交通的實驗，可以分析出優化超級電容儲能系統可以使其經濟效益提升15%，電壓改善率提高30%。而且在研究過程中發現，超級電容儲能系統的經濟效率與電壓改善率呈現出負相關走勢，因此在系統的優化配置中要充分結合各種因素，實現能源利用與經濟效率、軌道交通平穩運行的平衡。

5 結束語

在未來的城軌交通超級電容系統優化配置技術規劃上，要大力發展車載式技術，提高電容儲能材料技術，同時要大力加強軌道科研技術與實踐相結合的步伐，不斷提高軌道交通硬件設備與軟件系統數據的智能采集，大數據運算的結合能力，并在專業化高素質人才隊伍的帶領下，讓我國的軌道交通超級電容儲能系統有實現超越國際先進水平的攻關能力，不斷增強軌道交通技術的科技含量，與綠色環保的生態理念相融合。