摘要
随着我国铁路行业的快速发展，在高速铁路运营里程不断增加、行车速度不断提高的同时，也带来了更大的能耗需求，据统计，2022年国家铁路能源消耗折算标准煤就达到1512.58万吨。电气化铁路经过了多次大提速，牵引供电系统能耗问题已逐渐严重，因此，降低电气化铁路能耗有助于“低碳交通”的实现。电力机车在高速铁路长大坡道区段运行时，牵引负荷具有冲击性强、变化频率快、峰谷差距大等特点，导致牵引变压器以负荷需求为安装容量。牵引变压器瞬时负载率高而全日平均负载率低，产生了大量电费成本，严重影响了系统的经济性。同时，在高速铁路长大坡道区段，电力机车产生了大量的再生制动能量只能实现较少部分的利用，剩余能量返送于公共电网会造成浪费。因此考虑引入储能与铁路10kV配电系统(后文简称为10kV系统)协调配合对高速铁路长大坡道牵引变压器容量进行优化，以减小牵引变压器的安装容量，提高再生制动能量的利用率。这对于高铁节能运行，提升系统经济性具有重要的现实意义。 本文以高速铁路长大坡道为背景，以实现牵引变压器容量优化为目标，采用混合储能与10kV系统联合配置对再生制动能量进行存储利用，进而降低牵引变压器的安装容量，提升系统经济性。本文首先阐述了不同类型变压器容量优化及牵引供电系统中储能技术的研究现状，总结了含有储能的交流牵引供电系统(AC Traction Power Supply Systems,AC-TPSS)的不同结构及优缺点。在此基础上，确定了储能接入AC-TPSS的整体结构，并对系统能量流动机理、功率分配和运行工况进行分析，根据功率分配策略对高速铁路牵引负荷实测数据进行处理，为牵引变压器的容量优化配置提供基础数据。然后以等年值经济效益为目标，考虑超级电容储能系统对再生制动能量的存储利用，建立了牵引变压器的容量优化配置模型，分别利用PSO与LWOA算法进行牵引变压器的容量优化。最后考虑混合储能与10kV系统配合，给出了混合储能与10kV系统接入AC-TPSS结构，通过制定相互匹配的功率分配策略，建立了以系统等年值成本最低为目标的适合于混合储能与10kV系统的牵引变压器容量优化模型，并利用LWOA算法进行牵引变压器容量优化，进而将单一超级电容储能、混合储能与10kV系统配合两种方案容量优化的结果对比分析。 通过在MATLAB平台中建立单一超级电容储能的牵引变压器容量优化配置模型、混合储能与10kV系统联合配置的容量优化配置模型并进行对比计算分析，利用优化算法将两种方案与未进行优化的方案进行对比分析，两种方案分别降低了经济成本5.8％与10.7％,混合储能与10kV系统相较于单一超级电容储能经济成本降低了 5.2％,验证了牵引变压器容量优化配置方法的有效性。
NETL