含地面充电桩的储能式有轨电车车地整体性容量配置

doi:10.19799/j.cnki.2095-4239.2021.0048

摘要/Abstract

摘要：

近年来，储能式有轨电车得到大力发展，其中结合地面充电装置与储能技术的新型有轨电车供电制式是目前的研究热点。本文基于现有某线路有轨电车已投入使用的运行模式展开研究，结合地面充电装置与储能技术，构成车(锂电池和超级电容)+地(地面充电桩)的动力系统，在保证有轨电车运行和安全性的前提下，建立地车地一体化动力系统经济型模型，并采用粒子群优化算法求解得到了经济性最优的容量配置方案。通过对比分析，本文提出的新型容量配置方案与现有的纯超级电容“站站充”模式相比，在日均成本上降低了9.8%，综合总成本节省了1064万元，对地面充电站充电功率需求降低了66.7%。

关键词: 储能式有轨电车, 超级电容, 锂电池, 地面充电站, 容量配置

Abstract:

In recent years, the development of energy storage trams has attracted considerable attention. Our current research focuses on a new type of tram power supply system that combines ground charging devices and energy storage technology. Based on the existing operating mode of a tram on a certain line, this study examines the combination of ground-charging devices and energy storage technology to form a vehicle (with a Li battery and a super capacitor) and a ground (ground charging pile) power system. Under the premise of tram operation and safety, an economic model of the integrated power system of ground, vehicle, and ground is established, and a particle swarm optimization (PSO) algorithm is used to obtain the most economical capacity allocation plan. Through a comparative analysis and compared with the existing pure supercapacitor "station charging" mode, the new capacity configuration scheme proposed in this study would reduce the average daily cost by 9.8% and save 10.64 million yuan in the overall cost. The charging power requirements would be reduced by 66.7%.

Key words: energy storage trams, super capacitors, lithium batteries, ground charging stations, capacity configuration

中图分类号:

TM 911

谢雨轩, 白云驹, 肖意军. 含地面充电桩的储能式有轨电车车地整体性容量配置[J]. 储能科学与技术, 2021, 10(4): 1388-1399.

Yuxuan XIE, Yunju BAI, Yijun XIAO. Overall capacity allocation of energy storage tram with ground charging piles[J]. Energy Storage Science and Technology, 2021, 10(4): 1388-1399.

图/表 19

图1

图2

图3

图4

表1

表2

表3

图5

图6

图7

表4

表5

仿真参数"

参数名称	参数值
超级电容单位容量成本C_kW_·_{h_s}	50000元/(kW·h)
锂电池单位容量成本C_kW_·_{h_b}	8000元/(kW·h)
锂电池模组维护成本C_{b_my}	800元/年
超级电容模组维护成本C_{s_my}	800元/年
DC/DC功率单价C_{dc_kW}	400元/kW
充电站年维护成本C_{w_s}	3000元/(个 $?$ 年)
充电站固定建设成本C_ch,s	150万元/个
基础容量费C_ba	32元/(月 $?$ kW)
功率因数cosφ	90%
变压器效率η₂	90%
充电机效率η_c	95%
充电站充电功率单价C_ch,se	1000元/kW
有轨电车服役年限T	20年
有轨电车数量N_tram	8辆
有轨电车单日运行趟数N_tang	132趟

表5

图8

图9

表6

表7

图10

图11

图12

参考文献 16

1	张海军. 对我国现代有轨电车发展应用的思考[J]. 城市轨道交通研究, 2015, 18(7): 119-123.Zhang H J. Prospect of modern tram application in China [J]. Urban Mass Transit, 2015, 18(7): 119-123.
2	蓝兰. 全国现代有轨电车建设情况[J]. 工程机械文摘, 2014(4): 81-86.
3	王梅. 我国现代有轨电车发展的现状、趋势与思考[J]. 交通与港航, 2017(1): 14.
4	何治新. 现代有轨电车牵引供电方式选择[J]. 城市轨道交通研究, 2013, 16(7): 105-108.HE Z X. Selection of modern tram traction power supply system [J]. Urban Mass Transit, 2013, 16(7): 105-108.
5	陈绪明, 张江山. 关于现代有轨电车系统制式选择探讨[J]. 综合运输, 2015(6): 77-82.CHEN X M, ZHANG J S. Discussion on the choice of modern tram system mode [J]. Comprehensive Transportation, 2015(6): 77-82.
6	李芹芹, 张维戈, 黄梅. 快速充电站储能系统容量配置的研究[J]. 电气应用, 2017, 36(5): 26-31.
7	张本松, 薛川, 陶袁帅. 一种现代有轨电车储能电源及充电站优化配置方案[J]. 内燃机与配件, 2018, 274(22): 188-190.
8	韦绍远, 姜久春, 程龙, 等. 储能式有轨电车车地一体化配置模型[J]. 电工技术学报, 2019, 34(2): 229-238.WEI S Y, JIANG J C, CHENG L, et al. Optimal sizing model of the energy storage type tramway considering the integration of on-board energy storage and off-board energy supply [J]. Transactions of China Electrotechnical Society, 2019, 34(2): 229-238.
9	徐梁飞, 李建秋, 杨福源, 等. 燃料电池混合动力系统镍氢电池特性[J]. 清华大学学报(自然科学版), 2008(5): 102-105.XU L F, LI J Q, YANG F Y, et al. Characteristics of a nickel metal hydride battery in a hybrid fuel cell system [J]. Journal of Tsinghua University (Science and Technology), 2008(5): 102-105.
10	李秭乐. 间歇式供电有轨电车地面储能系统优化配置[D]. 北京: 北京交通大学, 2019.
11	胡斌, 杨中平, 林飞, 等. 城市轨道交通用超级电容器组等效电路模型研究[J]. 机车电传动, 2013(5): 65-68+74.HU B, YANG Z P, LIN F, et al. Equivalent circuit model of super capacitor group for urban rail transit application [J]. Electric Drive for Locomotives, 2013(5): 65-68+74.
12	HERRERA V, MILO A, GAZTANAGA H, et al. Adaptive energy management strategy and optimal sizing applied on a battery-supercapacitor based tramway [J]. Applied Energy, 2016, 169(1): 831-845.
13	张帝, 姜久春, 张维戈, 等. 基于遗传算法的电动汽车换电站经济运行[J]. 电网技术, 2013, 37(8): 2101-2107.ZHANG D, JIANG J C, ZHANG W G, et al. Economic operation of electric vehicle battery swapping station based on genetic algorithms [J]. Power System Technology, 2013, 37(8): 2101-2107.
14	ZHANG D W, WU S J, LUO X H, et al. Study on the vehicle controller of hybrid electric vehicle based on fuzzy logic [C]// 2010 International Conference on Mechanic Automation and Control Engineering, 2010.
15	李辉, 韩红, 韩崇昭, 等. 基于遗传算法的模糊逻辑控制器优化设计[J]. 西安交通大学学报, 2002, 36(4): 385-389.LI H, HAN H, HAN C Z, et al. Optimization of fuzzy logic controller based on genetic algorithm [J]. Journal of Xi'an Jiaotong University, 2002, 36(4): 385-389.
16	杨继斌. 多能源混合动力有轨电车能量管理研究[D]. 成都: 西南交通大学, 2017.

DOD参数	充放电循环次数
DOD1（5%）	74928
DOD2（10%）	14925
DOD3（30%）	6742
DOD4（50%）	3886
DOD5（60%）	2538
DOD6（100%）	2331

DOD参数	充放电循环次数
DOD1(5%)	10⁶
DOD2(10%)	10⁶
DOD3(30%)	10⁶
DOD4(50%)	10⁶
DOD5(60%)	10⁶
DOD6(100%)	10⁶

P_re=P_T		SOC_sc
P_re=P_T		sS	sM	sL	sF	sT
SOC_b	S	TINY	SMA	SMA	MORE	MAX
	M	EXTI	SMA	SMA	MORE	MAX
	L	EXTI	TINY	SMA	MORE	MAX
P_re=P_S		SOC_sc
P_re=P_S		sS	sM	sL	sF	sT
SOC_b	S	TINY	LESS	LESS	MAX	MAX
	M	TINY	SMA	LESS	MAX	MAX
	L	EXTI	TINY	LESS	MORE	MAX
P_re=P_M		SOC_sc
P_re=P_M		sS	sM	sL	sF	sT
SOC_b	S	SMA	LESS	MED	MAX	MAX
	M	TINY	LESS	MED	MAX	MAX
	L	EXTI	SMA	MED	MAX	MAX

车地一体化供电模式	节约成本/万元	降低比例/%
混合储能“中间充”	567.91	5.24
混合储能“首末充”	258.52	2.39
混合储能“站站充”	489.82	4.52
混合储能“隔1站充”	1063.99	9.82
混合储能“隔2站充”	687.07	6.34
混合储能“隔3站充”	838.66	7.74

模式1
锂电池配置情况		超级电容配置情况		充电站配置情况
锂电池数量	1540个	超级电容模组数量	208个	充电站数量	7
串联数	220串	串联数	13串	充电站配置功率	400 kW
并联数	7并	并联数	16并	—	—
日均成本	0.30万元/天	日均成本	0.22万元/天	日均成本	0.82万元/天
车地一体化系统总成本		9773.22万元	车地一体化系统日均成本		1.34万元/天