基于车载能储设备的列车能效整体优化模型研究

Urban rail transit systems faced with an increasing pressure to improve its energy efficiency takes energy storage devices (ESDs) to recover the regenerative braking energy as one of the effect ways to improve the energy efficiency. In light of relatively small capacity of onboard ESDs, this project aims to study an integrated energy-efficiency optimization model for trains with on-board ESDs, which are to be optimised by Mixed Integer Linear Programming (MILP). This project tries to study the mechanism of energy saving for train operations with onboard ESDs and enhance the energy efficiency. Two key problems are focused in this project: first, the optimization of charging and discharging strategies for ESDs under constraints of train operations; second, the optimization of train operations considering the train’s traction system characteristics. The proposed model takes into account of the constraints of train traction systems and onboard ESDs to further improve the energy efficiency of train operations. The outcomes of this project will significantly contribute to the development of energy efficiency improvement technologies in urban rail transit systems.

当前的城市轨道交通系统面临提升能效的巨大压力，而利用能储设备回收再生制动能量是城轨系统列车节能的有效方法之一。本项目针对车载能储设备容量较小的问题，提出构建基于车载能储系统的列车能效整体优化模型，应用混合整数规划算法寻优，揭示基于车载能储设备的列车运行节能机理，提升列车运行能效。该优化模型重点考虑两个问题：第一，在列车运行约束下，车载能储设备的充放电策略的优化问题；第二，在车载能储设备的充放电约束下，列车节能运行的优化问题。该课题旨在建立列车能效优化的新模型，充分考虑列车运行和车载能储设备的工程约束条件，是对城轨系统节能增效技术的积极探索。

当前的城市轨道交通系统面临提升能效的巨大压力，而利用储能装置来回收再生制动能量是城轨系统列车节能的有效方法之一。本项目针对车载能储装置容量较小，储能设备的质量能够直接影响列车运行等问题，提出构建基于车载能储装置的列车能效整体优化模型，应用混合整数规划算法寻优，揭示了车载能储设备的列车运行的节能机理，促进城市轨道交通工业的节能技术理论的拓展。.该整体优化模型主要考虑两个问题：第一，在列车运行约束下，车载储能设备的充放电策略的优化问题；第二，在车载储能装置的充放电约束下，列车节能运行的优化问题。该优化模型将列车运行和车载储能装置的充放电策略统一于一个模型中来进行解算，有利于充分理解两者的动态关联，为开发一套具有整体优化特性的列车运行策略提供了理论依据。.根据我们在两个站台之间装载有车载储能装置的列车运行实验的研究，对于装载了车载储能装置的列车运行能够实现将近11.6%的能耗减少。我们的研究揭示了装载有车载储能装置列车运行的相关特性。具体包括：当车载储能装置的容量增大的时候，列车将执行更多的再生制动操纵，更高的初始储能装置能量状态（State of Energy），即储能装置在列车运行开始阶段包含更多的可用能量，带来更多的牵引操纵，但是影响列车再生制动能量的回收；储能装置的由充放电运行带来的损耗能够影响储能装置的充电的频率。.在两个站台列车运行的基础上，项目组还专门拓展了多站台间装载了车载储能装置的列车运行的特性研究。通过提出的双层优化模型，我们成功地实现了列车运行时分，车载储能装置充放电管理和列车节能运行等目标的整体优化。在真实案例中，我们提出的整体优化的结果和不同的算例比较能够实现不同程度的节能效果。其中和没有储能装置的算例相比较而言，装载了车载储能装置的多站台优化结果能够实现近23.77%的节能率。.此外，本项目还分别在不同的应用对象上做了很多有意义的探索。本项目所提出的优化模型将为快速发展的储能装置在城市轨道交通系统中的运用以及电气化轨道交通的节能策略领域做一个积极探索。