面向城市軌道交通綜合能源站的儲(chǔ)能系統(tǒng)魯棒優(yōu)化運(yùn)行策略

摘要：隨著城市化進(jìn)程的加快，可再生能源和先進(jìn)儲(chǔ)能技術(shù)的融合在應(yīng)對(duì)與城市軌道交通相關(guān)的能源效率提升方面具有巨大的應(yīng)用前景，但隨之帶來能源系統(tǒng)的規(guī)劃配置和運(yùn)行優(yōu)化問題。通過分析軌道交通系統(tǒng)中牽引負(fù)荷的能源需求及間歇性光伏出力的動(dòng)態(tài)特征，建立了源荷多面體不確定集下的儲(chǔ)能配置及優(yōu)化運(yùn)行魯棒模型。在滿足穩(wěn)定性和經(jīng)濟(jì)性約束條件下，以儲(chǔ)能綜合日均成本最小為目標(biāo)函數(shù)，采用列與約束生成算法求解模型。仿真算例分析了源荷不確定性程度對(duì)調(diào)度運(yùn)行方案和日均總綜合成本等指標(biāo)的影響，驗(yàn)證了所提優(yōu)化模型的有效性，對(duì)研究儲(chǔ)能系統(tǒng)在提高城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)彈性和穩(wěn)定性方面的關(guān)鍵作用具有進(jìn)步意義。

關(guān)鍵詞：不確定性；城市軌道交通；魯棒優(yōu)化；儲(chǔ)能系統(tǒng)；優(yōu)化調(diào)度

中圖分類號(hào)：TM732 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1000-582X（2024）07-086-12

隨著全球能源需求持續(xù)增長和環(huán)境壓力的日益增大，能源結(jié)構(gòu)亟須轉(zhuǎn)型升級(jí)。“碳達(dá)峰、碳中和”雙碳目標(biāo)的提出是中國應(yīng)對(duì)全球生態(tài)及氣候變化的重要戰(zhàn)略[1]。“十四五”相關(guān)能源領(lǐng)域的規(guī)劃[2]中提到，要提高可再生能源利用率，需要研究建設(shè)適應(yīng)源網(wǎng)荷雙向互動(dòng)的電網(wǎng)系統(tǒng)，滿足能源系統(tǒng)不同應(yīng)用場(chǎng)景儲(chǔ)能發(fā)展需要。城市活動(dòng)中的交通領(lǐng)域能源結(jié)構(gòu)組成復(fù)雜，城市軌道交通作為日常出行的主要公共交通形式，2022 年的客運(yùn)量占公共交通客運(yùn)總量的45.82%[3]。隨著線路長度和客運(yùn)量的增加，如何更加有效地促進(jìn)城市交通領(lǐng)域的節(jié)能降碳是目前關(guān)注的焦點(diǎn)。通過促進(jìn)能源網(wǎng)和交通網(wǎng)的物理信息融合，推動(dòng)低碳化發(fā)展。

分布式能源資源（distributed energy resources，DER）接入配電網(wǎng)是提高新能源利用率，實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)的有力措施之一。新能源出力存在間歇性、隨機(jī)性和波動(dòng)性，接入后配電網(wǎng)的電源結(jié)構(gòu)發(fā)生了改變，且與用電負(fù)荷間具有時(shí)空錯(cuò)配特點(diǎn)[4-7]。儲(chǔ)能系統(tǒng)（energy storage system，ESS）是具有高靈活性和快速能量響應(yīng)能力的可調(diào)度資源，能夠一定程度上響應(yīng)系統(tǒng)負(fù)荷變化，提升配電網(wǎng)的新能源消納能力，優(yōu)化電網(wǎng)整體運(yùn)行穩(wěn)定性[8-12]。開展考慮城市軌道交通的光儲(chǔ)微電網(wǎng)研究與應(yīng)用，可在地面站、車輛基地等擁有大體量閑置屋頂資源的場(chǎng)景，系統(tǒng)性配置分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)和電池儲(chǔ)能系統(tǒng)。通過分析軌道交通綜合能源站的能量管控策略，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可靠的供電，提高微電網(wǎng)的收益[13-15]。

目前，針對(duì)分布式可再生能源系統(tǒng)中電池儲(chǔ)能系統(tǒng)的接入規(guī)劃已經(jīng)有大量研究[16]。李佳琪等[10]和陶瓊等[17]考慮電壓波動(dòng)改善指標(biāo)，研究在高滲透率光伏接入配電網(wǎng)場(chǎng)景下的分布式儲(chǔ)能選址及定容方法。劉嬌揚(yáng)等[18]在考慮電壓超限問題的同時(shí)，建立了同時(shí)考慮多光儲(chǔ)微電網(wǎng)項(xiàng)目投資期內(nèi)總成本及總經(jīng)濟(jì)成本的雙層優(yōu)化規(guī)劃模型。李彥哲等[19]以總凈現(xiàn)值成本最小為目標(biāo)函數(shù)，對(duì)分布式電源及儲(chǔ)能系統(tǒng)建模并進(jìn)行優(yōu)化求解，得到最優(yōu)容量配置。陳頁等[20]考慮用戶價(jià)格型需求響應(yīng)行為，通過計(jì)及需求響應(yīng)的微電網(wǎng)云儲(chǔ)能優(yōu)化配置模型分析了用戶參與需求響應(yīng)時(shí)對(duì)儲(chǔ)能配置的影響。Hussain 等[21]整合考慮電池儲(chǔ)能系統(tǒng)（batteryenergy storage system， BESS）的規(guī)模選址和不同類型需求響應(yīng)強(qiáng)度的變化，展開對(duì)微電網(wǎng)運(yùn)行影響的分析。

以上研究為微電網(wǎng)中儲(chǔ)能的優(yōu)化調(diào)度研究提供了良好的研究基礎(chǔ)，然而，目前關(guān)于新能源接入的城市軌道交通地面能源站的運(yùn)行策略鮮見研究，且在考慮儲(chǔ)能系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性時(shí)對(duì)光伏和負(fù)荷的輸出時(shí)序功率不確定性特點(diǎn)影響考慮不足。因此，面向可再生能源及儲(chǔ)能系統(tǒng)接入的軌道交通能源站為應(yīng)用場(chǎng)景，研究考慮了光伏出力和牽引負(fù)荷的源荷雙向不確定性下的儲(chǔ)能系統(tǒng)協(xié)調(diào)運(yùn)行問題。在滿足電網(wǎng)運(yùn)維穩(wěn)定性約束和儲(chǔ)能系統(tǒng)規(guī)劃方案經(jīng)濟(jì)性約束條件下，以儲(chǔ)能綜合日均成本最小為目標(biāo)函數(shù)，構(gòu)建了多面體不確定集下的儲(chǔ)能配置及優(yōu)化魯棒運(yùn)行模型。根據(jù)模型特點(diǎn)，采用列與約束生成（column and constraint generation，Camp;CG）算法對(duì)魯棒優(yōu)化模型進(jìn)行求解，最終得到適應(yīng)軌道交通運(yùn)行需求的光儲(chǔ)系統(tǒng)整體運(yùn)行調(diào)度方案。仿真比較了源荷不確定性程度和不同微電網(wǎng)單位成本下的電池儲(chǔ)能調(diào)度運(yùn)行方案和日均總綜合成本等指標(biāo)，驗(yàn)證了文中所提優(yōu)化模型的有效性。

1 城市軌道交通綜合能源站系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 系統(tǒng)基本架構(gòu)

不同于電動(dòng)車具有雙向功率傳輸能力，軌道交通列車無法作為可充可放的靈活性資源。接入?yún)^(qū)域配電網(wǎng)時(shí)，可以視為一個(gè)特殊的依靠供電網(wǎng)功能的單體負(fù)荷[22-24]。城市軌道交通列車采用的動(dòng)力牽引系統(tǒng)，由儲(chǔ)能電池配合電網(wǎng)完成列車的運(yùn)行。儲(chǔ)能系統(tǒng)在制動(dòng)時(shí)回收再生制動(dòng)能量，牽引時(shí)釋放能量。列車的運(yùn)行需要遵守一定的運(yùn)行策略，為得到儲(chǔ)能電池的魯棒配置方案，列車采用運(yùn)行能耗最高、時(shí)間最短的最大能力運(yùn)行策略，即最大功率牽引起動(dòng)-最大功率剎車制動(dòng)的運(yùn)行模式。圖1 為軌道交通能源站的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。