含地面充電樁的儲能式有軌電車車地整體性容量配置

謝雨軒，白云駒，肖意軍

（中國長江電力檢修廠，湖北宜昌 443000）

近年來，隨著我國城鎮(zhèn)化進程的快速發(fā)展，多個城市的有軌電車項目也在大力推進中。傳統(tǒng)的接觸網(wǎng)式有軌電車固有的架空線纜不僅會影響城市美觀，也增加了建設(shè)成本。儲能式有軌電車不僅解決了傳統(tǒng)接觸網(wǎng)式有軌電車建設(shè)難、不美觀等問題，且車載儲能元件因其自身的特性和優(yōu)勢，能夠在保證列車正常運行的基礎(chǔ)上，最大限度地節(jié)約能源，保護環(huán)境[1-5]。因此，儲能式供電已逐步發(fā)展成為目前國內(nèi)城市有軌電車最具有發(fā)展?jié)摿Φ墓╇娭剖健?/p>

地面充電裝置技術(shù)與車載儲能系統(tǒng)結(jié)合供電是目前有軌電車供電制式的研究熱點，目前國內(nèi)外針對帶充電裝置的混合儲能式有軌電車的研究剛剛起步。文獻[6]針對電動汽車充電站建立日成本最低的目標函數(shù)，在不同削峰目標下，對儲能電池容量進行優(yōu)化配置。文獻[7]對廣州海珠線路段的以超級電容作為儲能元件的有軌電車與地面充電站配置進行了優(yōu)化，在滿足列車運行工況的前提下，將線路充電站從11個減少到6個，實現(xiàn)了供能系統(tǒng)的經(jīng)濟性優(yōu)化。文獻[8]針對儲能式有軌電車系統(tǒng)經(jīng)濟性運行的目標，對儲能式有軌電車車載儲能系統(tǒng)的容量配置和經(jīng)濟運行進行了優(yōu)化計算，提出一種新型的聯(lián)合車載儲能系統(tǒng)配置和地面充電站容量的優(yōu)化配置方案。

已有的文獻在研究混合儲能式有軌電車車地一體化問題時，主要是從地面充電站優(yōu)化角度考慮。在有軌電車實際運行中，儲能系統(tǒng)的容量配置將會影響充電站的優(yōu)化配置，反之充電站的優(yōu)化配置也會影響儲能系統(tǒng)的容量選擇，這兩者之間存在相互影響相互耦合的關(guān)系。文獻[6]和文獻[7]分別分析了超級電容儲能式有軌電車和儲能式電動汽車的充電站優(yōu)化配置問題，從經(jīng)濟性的角度給出了充電站最優(yōu)的配置結(jié)果，但未將車輛儲能系統(tǒng)和地面充電站看成一個整體，缺少考慮儲能系統(tǒng)的容量配置對充電站優(yōu)化配置的影響。文獻[8]雖然考慮了車輛和地面充電站一體化的問題，但其局限于充電站“站站充”的充電模式，未從車地一體化整體的經(jīng)濟性角度思考充電站的充電模式以及充電站容量配置問題。實際上在進行車地一體化容量配置時，充電站站點的設(shè)置和儲能系統(tǒng)的容量配置息息相關(guān)，充電站的充電模式，即“站站充、首末充”應(yīng)該隨著儲能系統(tǒng)容量配置發(fā)生變化，在滿足車輛性能參數(shù)和安全性的條件下，車地一體化配置結(jié)果應(yīng)該以車地一體化整體的經(jīng)濟性為依據(jù)，制定最優(yōu)間隔充方案，避免局限于某種特定的充電模式和配置結(jié)果。本文基于以上問題，提出了一種新的有軌電車車地一體化動力系統(tǒng)配置方式，能在補齊目前供電制式的短板下，進一步探究有軌電車供電制式的下一階段的發(fā)展方向。

1 有軌電車車地一體化動力系統(tǒng)建模

1.1 動力系統(tǒng)拓撲結(jié)構(gòu)

本文的動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示，主要包括：超級電容、鋰電池、雙向DC/DC 變換器、輔助變流器、牽引逆變器、牽引電機以及機械傳動系統(tǒng)等，同時地面設(shè)置充電站，為儲能系統(tǒng)進行實時能量補充。鋰電池和超級電容通過DC/DC 變換器并聯(lián)在直流母線上，共同為列車正常運行提供能量，同時，超級電容還承擔著吸收回饋制動能量的功能。

圖1 有軌電車車地一體化動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of tram car-ground integrated power system

1.2 動力系統(tǒng)建模

鋰電池作為高能量密度的儲能元件，在動力儲能領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，其中電池的Rint模型結(jié)構(gòu)簡單，便于在車輛功率分配算法中實現(xiàn)[9]，因此本文采用Rint模型作為鋰電池等效電路模型。

對于超級電容，本文采用RC 等效電路模型，此模型結(jié)構(gòu)簡單，參數(shù)易辨識[10]。

雙向DC/DC 變換器拓撲結(jié)構(gòu)如圖2 所示。圖中，UH表示DC/DC 高壓側(cè)電壓，即直流母線端電壓；UL表示低壓側(cè)電壓，即儲能元件端電壓。

圖3為地面充電裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)主要包括電源系統(tǒng)、整流器以及地面充電站。當?shù)孛娉潆娧b置為車輛儲能系統(tǒng)供電，其能量轉(zhuǎn)換分別經(jīng)過10 kV 電網(wǎng)，牽引變電站三相變壓器，整流器以及地面DC/DC，其能量傳遞如圖4所示[10]。

圖2 升降壓變換器拓撲結(jié)構(gòu)Fig.2 Buck-boost converter topology

圖3 地面充電裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of ground charging device system

圖4 能量傳遞過程Fig.4 Energy transfer process

2 車地一體化動力系統(tǒng)容量配置模型

2.1 儲能系統(tǒng)經(jīng)濟性建模

混合動力系統(tǒng)的全壽命周期成本(life cycle cost，LCC)指在車輛服役年限內(nèi)，其儲能系統(tǒng)所涉及的全部費用，主要包括車輛儲能系統(tǒng)的初始購置成本、更換成本以及維護成本。

式中，LCCbat、LCCsc分別為鋰電池模組經(jīng)濟性模型、超級電容模組經(jīng)濟性模型；Ci為系統(tǒng)購置成本；Co為系統(tǒng)更換成本；Cm為系統(tǒng)維護成本。

2.1.1 鋰電池模組經(jīng)濟性模型

鋰電池模組的總運營成本如下

式中，Ci,b、Co,b、Cm,b分別為鋰電池模組的購置成本、更換成本以及維護成本。

（1）鋰電池模組購置成本

鋰電池模組的購置成本屬于有軌電車項目的大額投資，有銀行貸款的部分，因此鋰電池模組的購置成本包括其購置本金以及投資貸款利息兩部分。鋰電池模組購置成本表達式[11]如下

式中，Cdc_kW為鋰電池模組的DC/DC 變換器的單位功率成本，元/kW；Pdc_b為DC/DC變換器的轉(zhuǎn)換功率；CBT_P為鋰電池模組購置本金；CBT_I為鋰電池模組投資貸款利息。

式中，CkW·h_b為鋰電池單位容量成本，元/(kW·h)；CBT為鋰電池組容量。

鋰電池模組的投資貸款利息與貸款年限與年貸款利率有關(guān)，取年貸款利率r為5%，Ndk為貸款年限，本文假設(shè)貸款年限為20 年。鋰電池模組投資貸款利息具體表達式如下

將式(4)與式(5)相加，可得鋰電池模組總投資如下

式中，資本回收系數(shù)φin表達式為

（2）鋰電池模組更換成本

鋰電池模組更換成本表達式[11]為

式中，Life_B為鋰電池的壽命，即電池充放電循環(huán)次數(shù)；rB為有軌電車服役期限內(nèi)鋰電池模組的更換次數(shù)。本文采用雨流法對鋰電池壽命進行估計，鋰電池在每個DOD 區(qū)間內(nèi)，都有與其對應(yīng)的充放電循環(huán)次數(shù)，見表1。

鋰電池壽命表達為

式中，Nb,DOD為鋰電池通過雨流法得到的DOD總區(qū)間數(shù)；Nb,L(i)為鋰電池對應(yīng)在DODb(i)下的循環(huán)壽命。

通過計算鋰電池模組的等效循環(huán)壽命，可得到在有軌電車服役期間鋰電池組的更換次數(shù)rb

表1 鋰電池放電深度與充放電循環(huán)次數(shù)關(guān)系Table 1 Rrelationship between depth of discharge of lithium batteries and number of charge and discharge cycles

式中，ceil(x)為數(shù)學函數(shù)，其作用是對x取最高整數(shù)值；Ndk為貸款年限，本文假設(shè)貸款年限為20年。

（3）鋰電池模組維護成本

鋰電池模組維護成本表達式為

式中，N為有軌電車的使用年限；CB_my為鋰電池模組每年的維護成本。

2.1.2 超級電容模組經(jīng)濟性模型

超級電容模組的總運營成本如下

式中，Ci,s、Co,s、Cm,s分別為鋰電池模組的購置成本、更換成本以及維護成本。

（1）超級電容模組購置成本

超級電容模組的購置成本也包括兩部分，即：其購置本金與投資貸款利息。超級電容模組購置成本表達式[11]如下

式中，Cdc_kw為超級電容模組的DC/DC 變換器的單位功率成本，元/kW；Pdc_s為DC/DC 變換器的轉(zhuǎn)換功率；CkW·h_s為超級電容單位容量成本，元/(kW·h)；CST為超級電容模組容量。

（2）超級電容模組更換成本

超級電容模組更換成本表達式[11]為

式中，Life_S 為超級電容的壽命；rS為有軌電車服役期限內(nèi)超級電容模組的更換次數(shù)。

對于超級電容計算公式為

式中，NS,L(i)為鋰電池對應(yīng)在DODs(i)下的循環(huán)壽命。

超級電容的充放電循環(huán)次數(shù)一般為上百萬次，相比鋰電池高得多，因此將超級電容的充放電循環(huán)次數(shù)設(shè)置為恒定值，見表2。

表2 超級電容放電深度與充放電循環(huán)次數(shù)關(guān)系Table 2 Relationship between depth of discharge of super capacitor and number of charge and discharge cycles

在有軌電車服役期間超級電容模組的更換次數(shù)rs為

（3）超級電容模組維護成本

超級電容模組的維護成本表達式為

式中，CS_my為超級電容模組每年的維護成本。

2.2 地面充電站經(jīng)濟性模型

地面充電站的全壽命周期成本由三部分組成，即：地面充電站的建設(shè)成本、運營成本以及維護成本。充電站的建設(shè)成本是指初始設(shè)計建造充電站所需投資；運營成本是在充電站服役期間，其為運行車輛進行能量補給的電價成本；維護成本是指地面充電站在全壽命期間進行保養(yǎng)、維護所需成本。

式中，Cj為充電站建設(shè)成本；Ce為充電站運營成本；Cw為充電站的維護成本。

（1）充電站建設(shè)成本

地面充電站建設(shè)成本包含兩個部分：固定成本和與充電機功率等級有關(guān)的可變成本。

對河北省農(nóng)村文化消費進行分析，其消費額相對較低，多數(shù)鄉(xiāng)鎮(zhèn)農(nóng)村文化消費模式十分單一，基本上應(yīng)用在文化消費上的是教育方面的開支。例如居民在文化娛樂享受方面開支不高。此外，農(nóng)村文化消費的主要對象是電視、網(wǎng)絡(luò)等方面，書報方面的消費少之甚少[1]。

式中，Cch,s為地面充電站的固定成本，萬元/個；Cj,va為充電站可變成本，其表達式為

式中，Cch,se為地面充電站單位充電功率成本；Ptc為地面充電站配置的充電功率等級。

（2）充電站運營成本

充電站運營成本由兩部分組成，即在有軌電車服役期間進行能量補給所消耗的電費以及電網(wǎng)的基礎(chǔ)容量費。

式中，Cf為基礎(chǔ)容量費；Cch為充電電費。

式中，N為有軌電車服役年限；Cba為基礎(chǔ)容量費，元/(月·kW)；Pch,out為地面動力系統(tǒng)輸出功率；ηc為充電機效率。

式中，CTS,n為在第n個時間段內(nèi)電價情況，一天24小時有n個電價時段。表3給出了一般工商業(yè)10 kV用電的分段電價數(shù)據(jù)

表3 分段電價[13]Table 3 Segment electricity price table[13]

根據(jù)列車的發(fā)車時刻表，統(tǒng)計出在各電價時段內(nèi)的運行趟數(shù)，矩陣如下

式中，k為有軌電車的運行車輛數(shù)。

充電成本表達式為

式中，Ech為車輛儲能元件的需求補給能量；η1為電網(wǎng)傳遞效率；η2為變壓器效率；η3為整流器傳遞效率；η4為地面DC/DC傳遞效率。

（3）充電站維護成本

地面充電站維護成本表達式為

式中，x1為充電站個數(shù)；Cw_s為充電站的年維護成本，元/(個?年)。

2.3 優(yōu)化模型

2.3.1 目標函數(shù)

對于有軌電車而言，其運行工況比較固定，且站點分布平均，若采用不均勻分布的充電站站點分布，由于充電時間和充電功率的限制，儲能系統(tǒng)的配置需要根據(jù)最大的站點間隔進行配置，勢必導致儲能系統(tǒng)容量配置方面存在“浪費”的現(xiàn)象，車地整體經(jīng)濟性難以保證最優(yōu)，因此本文提出均勻分布的“間隔m站充”的能量補給模式，其中m為間隔站點數(shù)量。對于車載儲能系統(tǒng)聯(lián)合地面充電裝置的車地一體化能量補給系統(tǒng)，系統(tǒng)中的鋰電池模組容量、超級電容模組容量、地面充電站數(shù)量及其匹配的充電功率，四者之間的配置存在著相互耦合相互制約的關(guān)系：充電站數(shù)量減少，為了滿足車輛運行需求，相應(yīng)配置的充電功率會增加，同時需要增配鋰電池模組，以彌補超級電容對地面充電站高功率補給的需求，超級電容受其安全工作區(qū)間限制，其模組配置也會隨之改變。充電站配置與儲能系統(tǒng)容量的改變，進而影響到車地一體化動力系統(tǒng)的全壽命周期成本。

基于上述分析，針對全壽命周期經(jīng)濟性最優(yōu)的有軌電車車地一體化動力系統(tǒng)容量優(yōu)化配置，本文以地面充電站數(shù)量、超級電容數(shù)量、鋰電池數(shù)量、地面充電站配置功率Ptc作為系統(tǒng)優(yōu)化變量，分別建立超級電容“站站充”、超級電容+鋰電池“站站充”與“間隔充”的車地一體化動力系統(tǒng)的優(yōu)化配置模型。

（1）超級電容“站站充”優(yōu)化配置模式

（2）超級電容+鋰電池“站站充”優(yōu)化配置模型

（3）超級電容+鋰電池“間隔充”優(yōu)化配置模型

式中，C1(x)、C2(x)、C3(x)分別為超級電容“站站充”、超級電容+鋰電池“站站充”與“…間隔充”優(yōu)化配置模型優(yōu)化配置模式在有軌電車整個全壽命周期下，地面動力系統(tǒng)與儲能裝置的全壽命周期總成本；x1、x2、x3分別為地面充電站數(shù)量、超級電容數(shù)量以及鋰電池數(shù)量；LCCch_1(x1)、LCCsc_1(x2)代表超級電容“站站充”模式地面充電站和超級電容全壽命周期成本；LCCch_2(x1)、LCCsc_2(x2)、LCCbat_2(x3)分別為超級電容+鋰電池“站站充”模型下地面充電樁、超級電容以及鋰電池全壽命周期成本；LCCch_3(x1)、LCCsc_3(x2)、LCCbat_3(x3)分別代表“間隔充”模式下地面充電站、超級電容以及鋰電池全壽命周期成本。

將上述3個模型全壽命周期成本函數(shù)作為獨立目標函數(shù)，定義車地一體化容量優(yōu)化配置模型表達式如下

式中，Ω為動力系統(tǒng)約束條件。

2.3.2 約束條件

實現(xiàn)車地一體化動力系統(tǒng)的容量最優(yōu)配置，須滿足系統(tǒng)整體的安全性和動力性的要求。主要約束包括：超級電容的電壓和SOC 約束，混合儲能系統(tǒng)最大能量和最大功率約束，電池的充電倍率及SOC 約束，儲能系統(tǒng)重量體積的約束，以及DC/DC轉(zhuǎn)換器電壓變換范圍約束，如式(31)所示

式中，SOCb、SOCb,min、SOCb,max分別為鋰電池當前的荷電狀態(tài)、鋰電池最小荷電狀態(tài)和最大荷電狀態(tài)；Cb、Cb,dismax分別為鋰電池的放電倍率和鋰電池最大放電倍率；Pmax為儲能系統(tǒng)輸出最大功率，ηsc、ηb分別為超級電容效率、鋰電池效率，Psc,max、Pb,max分別為單體超級電容模組和鋰電池模組最大功率；Emax為儲能系統(tǒng)最大儲存能量，Esc、Eb分別為單體超級電容和單體鋰電池模組的能量，w1為比例常數(shù)；Vmax、Wmax分別為儲能系統(tǒng)最大體積和儲能系統(tǒng)最大重量，λs、λb、μs、μb為反映單位量與系統(tǒng)之間比例關(guān)系的比例常數(shù)，vs、ws、vb、wb分別為單體超級電容的體積、質(zhì)量，單體鋰電池的體積、質(zhì)量。

3 有軌電車車地一體化容量配置方案

3.1 優(yōu)化配置方案

具體的優(yōu)化配置方法是將列車運行需求功率曲線作為車地一體化動力系統(tǒng)的整體需求，將車輛運行實時工況信息、混合儲能系統(tǒng)能量分配參數(shù)作為輸入條件，以車載儲能系統(tǒng)的壽命模型和地面充電站的系統(tǒng)效率模型作為輸入量，建立包括超級電容模組的全壽命周期成本、鋰電池模組的全壽命周期成本以及地面充電站的全壽命周期成本的目標函數(shù)并求取約束條件，優(yōu)化變量包括：超級電容模組數(shù)量、鋰電池數(shù)量、地面充電站個數(shù)及其配置的充電功率；利用粒子群優(yōu)化算法，基于目標函數(shù)與約束條件，對種群中的粒子進行優(yōu)化迭代，不斷更新新的種群并輸入車地一體化動力系統(tǒng)仿真中，不斷循環(huán)迭代，直至獲得車地一體化動力系統(tǒng)全壽命經(jīng)濟性最優(yōu)的容量配置方案。優(yōu)化配置流程如圖5所示。

由于有軌電車運行工況較為固定，站點分布均勻，若間隔站點數(shù)m不固定，受制于充電時間與充電功率的限制，車載儲能系統(tǒng)的配置需要根據(jù)最大的站點間隔需求容量進行配置，勢必會導致儲能系統(tǒng)容量配置方面的“浪費”，車地整體經(jīng)濟性難以保證最優(yōu)，因此本文設(shè)計的充電站站點數(shù)均勻分布，間隔站點數(shù)m取固定值，具體站點設(shè)置如圖6所示。

3.2 能量管理策略

能量管理策略是混合動力系統(tǒng)控制的重要環(huán)節(jié)，相比于其他控制方法，模糊邏輯控制能夠?qū)崿F(xiàn)對非線性系統(tǒng)荷電狀態(tài)(SOC)的實時性和適應(yīng)性的有效保證，實現(xiàn)負載需求功率在鋰電池和超級電容之間的合理分配，推進儲能系統(tǒng)的性能指標和經(jīng)濟性指標的提升，在各個領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用[15]?；诖?，本文考慮采用基于模糊邏輯控制的能量管理策略作為鋰電池超級電容混合儲能系統(tǒng)的能量管理方法。

選取三角形隸屬度與矩形隸屬度函數(shù)作為隸屬度函數(shù)[15-16]，為保護儲能元件，避免超級電容與鋰電池過流過載，將超級電容模糊子集sL 范圍規(guī)定在{0.3,0.6}，sF 范圍規(guī)定在{0.5,0.8}，定義鋰電池模糊子集M范圍規(guī)定在{0.3,0.7}。系統(tǒng)模糊邏輯控制相應(yīng)的輸入輸出變量隸屬度函數(shù)如圖7所示。

圖5 配置優(yōu)化流程Fig.5 Configuration optimization flowchart

圖6 不同能量補給模式下充電站設(shè)置Fig.6 Schematic diagram of charging station settings in different energy supply modes

依據(jù)模糊邏輯控制原理，結(jié)合實際工程經(jīng)驗，遵循以下幾個原則來制定模糊邏輯規(guī)則表。

①充放電平衡原則：根據(jù)系統(tǒng)約束要求，超級電容SOC 工作范圍在40%～95%，鋰電池工作SOC 工作范圍也在40%～95%，因此在絕大多數(shù)情況下超級系統(tǒng)應(yīng)處在sL、sF 模糊子集下，鋰電池應(yīng)處在M模糊子集下。

②制動能量回收原則：當機車進行制動工況產(chǎn)生制動能量時，在鋰電池超級電容混合儲能系統(tǒng)中，一般由超級電容將回饋制動能量全部吸收，若超級電容容量滿載時，多余的制動能量由制動電阻吸納。

③混合儲能系統(tǒng)供電原則：若超級電容與鋰電池SOC 均處于健康狀態(tài)下，系統(tǒng)需求功率由超級電容與鋰電池共同補給。

3.3 優(yōu)化配置結(jié)果

車地一體化配置中的車載儲能系統(tǒng)、地面充電站以及有軌電車相關(guān)仿真參數(shù)見表5。

本文圍繞關(guān)于車地一體化動力系統(tǒng)容量配置展開研究，根據(jù)選取的有軌電車線路的具體參數(shù)，線路全線共有12 個站點，此線路下車地一體化動力系統(tǒng)運行模式共存在7種方案，分別是：超級電容“站站充”，混合儲能“站站充”，混合儲能“隔1 站充”，混合儲能“隔2 站充”，混合儲能“隔3站充”，混合儲能“首末充”以及混合儲能“中間充”，分別對這7 種車載儲能系統(tǒng)與地面充電站的聯(lián)合運行模式求取滿足車輛運行需求與約束條件的所有配置方案，并對其展開全壽命周期經(jīng)濟性分析，得到如圖8所示的車地一體化優(yōu)化配置方案經(jīng)濟性分布。

圖7 隸屬度函數(shù)曲線Fig.7 Membership function curve

表4 模糊邏輯規(guī)則Table 4 Fuzzy logic rule table

圖8 分別給出了7 種車地一體化運行模式各自不同容量配置下的全壽命周期成本，在圖中，各個方案分布的最低點就是該車地一體化能量補給模式的經(jīng)濟性最優(yōu)的容量配置方案。從圖中可以看到，與純超級電容儲能相比，加入鋰電池的混合儲能模組與地面充電站聯(lián)合的車地一體化動力系統(tǒng)總體上經(jīng)濟性優(yōu)于純超級電容+地面充電站模式。而混合儲能+地面充電站模式中，并不是簡單減少地面充電站的數(shù)量就能實現(xiàn)系統(tǒng)經(jīng)濟性，儲能系統(tǒng)成本與地面充電站成本相互制約相互耦合。當?shù)孛娉潆娬緮?shù)量減小時，為了滿足車輛運行功率的需求，需要增大地面充電站配置的充電功率，這使得地面充電站的建設(shè)成本需要在充電站數(shù)量及其配置充電功率之間權(quán)衡，同時充電站數(shù)量的減少，車載儲能系統(tǒng)能量需要滿足車輛的站間行駛能量需求，并保證車輛在行駛到下一個充電站進行能量補給時，儲能系統(tǒng)SOC不能低于40%，母線電壓需維持在750 V，基于此情況，車載儲能系統(tǒng)的容量配置會相對增加，若車載儲能系統(tǒng)的全壽命周期成本過高也會影響車地一體化動力系統(tǒng)的經(jīng)濟性；當?shù)孛娉潆娬緮?shù)量增加時，其配置充電功率會相應(yīng)有所降低，充電站建設(shè)成本存在權(quán)衡過程，同時超級電容配置可相對降低，但由于儲能系統(tǒng)能量必須滿足車輛站間行駛能量需求并服從于系統(tǒng)安全工作區(qū)間制衡，可能存在超級電容配置與地面充電站能量補給的差值過剩情況，對系統(tǒng)經(jīng)濟性造成負面影響。鋰電池模組的增加能夠降低超級電容的配置，減緩對地面充電站容量的訴求，但鋰電池模組容量配置過大，其購置成本與更換成本也有可能對系統(tǒng)經(jīng)濟性優(yōu)化帶來影響。

表5 仿真參數(shù)Table 5 Simulation parameters

圖8 車地一體化優(yōu)化配置方案經(jīng)濟性分布Fig.8 Economic distribution map of optimized allocation scheme of vehicle-ground

根據(jù)車地一體化優(yōu)化配置方案的經(jīng)濟性分布圖，可得超級電容“站站充”，混合儲能“站站充”，混合儲能“隔1 站充”，混合儲能“隔2 站充”，混合儲能“隔3 站充”，混合儲能“首末充”以及混合儲能“中間充”7 種模式各自的一個經(jīng)濟性最優(yōu)的配置方案結(jié)果，如圖9所示。

通過圖9看出，在7種車地一體化供電模式中，混合儲能“隔1 站充”經(jīng)濟性是最優(yōu)的?？傮w來說，純超級電容+地面充電站模式的經(jīng)濟性比不上混合儲能系統(tǒng)+地面充電站模式的經(jīng)濟性。雖然混合儲能“隔1站充”配置的儲能容量高于混合儲能“站站充”，但由于地面充電站的成本得到了降低，綜合車地一體化成本后，混合儲能“隔1站充”配置的經(jīng)濟性要優(yōu)于混合儲能“站站充”；此外，混合儲能“隔2 站充”、混合儲能“隔3 站充”、混合儲能“首末充”以及混合儲能“中間充”為混合儲能“隔1站充”的擴容模式，可以看到在減少充電站數(shù)量，增加充電機功率，增大儲能系統(tǒng)容量配置等舉措下，儲能系統(tǒng)成本與地面充電站成本權(quán)衡后得到的綜合成本，其經(jīng)濟性未優(yōu)于混合儲能系統(tǒng)“隔1站充”模式。

圖9 不同模式下的成本分布Fig.9 Cost distribution under different modes

與傳統(tǒng)的純超級電容儲能相比，儲能系統(tǒng)中加入鋰電池模組后，分擔了部分車輛需求功率，超級電容系統(tǒng)的配置容量與放電深度釋放了部分壓力，同時超級電容對于地面充電站的能量補給訴求也有所減緩，地面充電站配置的充電功率可進一步降低，充電站成本減小，進而實現(xiàn)了車地一體化動力系統(tǒng)總成本的下降。另外，由于鋰電池的充放電次數(shù)要遠低于超級電容，其循環(huán)壽命相對較短，若過于減少地面充電站數(shù)量，弱化地面能量補給的作用，車載混合儲能系統(tǒng)的容量配置將會傾斜于純超級電容配置，結(jié)果顯示，沒有達到理想優(yōu)化車地一體化系統(tǒng)經(jīng)濟性的目的?；旌蟽δ堋案?站充”模式兼顧了車載儲能系統(tǒng)全壽命周期成本與地面充電站全壽命周期成本，其配置結(jié)果表明，該模式實現(xiàn)了車地一體化動力系統(tǒng)全壽命周期的最優(yōu)經(jīng)濟性。表6 給出了本文研究的混合儲能+地面充電站模式與現(xiàn)有的純超級電容+地面充電站模式的經(jīng)濟性對比結(jié)果。

本文基于優(yōu)化結(jié)果，提出一種新型的車地一體化全壽命周期經(jīng)濟性最優(yōu)的能量補給模式，即超級電容鋰電池“隔1站充”模式，該模式的具體優(yōu)化配置參數(shù)見表7。

混合儲能“隔1站充”運行模式下，超級電容模組優(yōu)化配置為624 V/203 F，日均成本為0.22萬元；鋰電池模組為506 V/140 A·h，日均成本為0.30萬元；地面充電站配置參數(shù)為7 個/400 kW，日均成本0.82萬元。與現(xiàn)有的純超級電容“站站充”模式相比，混合儲能“隔1站充”模式在日均成本上降低了9.8%，綜合總成本節(jié)省了1064萬元，對地面充電站充電功率需求降低了66.7%，進一步驗證了所提新型車地一體化動力系統(tǒng)模式的經(jīng)濟性。

表6 配置方案經(jīng)濟性對比Table 6 Economic comparison of configuration schemes

3.4 仿真分析

基于本文提出的新型車地一體化動力系統(tǒng)運行模式的容量配置方案，即：超級電容鋰電池“隔1 站充”模式的優(yōu)化配置方案，對其進行仿真驗證，進一步檢驗所提方案的有效性。

針對于母線電壓曲線，從圖12 可以看出母線電壓波動范圍為[746.5 V,755.3 V]，與要求的750 V母線電壓數(shù)值，正負相差不超過5 V，滿足動力系統(tǒng)性能要求。母線電壓出現(xiàn)較大波動范圍的區(qū)間在列車運行線路的中后半程，與圖11 儲能元件的工作狀態(tài)對比，可看出在該區(qū)間內(nèi)，儲能系統(tǒng)電壓波動相對較大，其工作狀態(tài)的變化促使了母線電壓的波動，但波動范圍并未超過5 V，在系統(tǒng)規(guī)定的安全工作區(qū)間內(nèi)。

通過分析仿真結(jié)果，可以得出：混合儲能“隔1 站充”模式的容量優(yōu)化配置結(jié)果能夠滿足車輛正常運行需求，模糊邏輯控制能量管理策略實現(xiàn)了混合儲能系統(tǒng)合理的功率分配，鋰電池系統(tǒng)與超級電容系統(tǒng)的工作狀態(tài)均處于安全工作區(qū)間的范圍內(nèi)，所提的新型車地一體化運行模式的實用性和合理性得到驗證。

表7 混合儲能“隔1站充”模式優(yōu)化配置參數(shù)Table 7 Optimized configuration parameters for hybrid energy storage“charge every other station”mode

圖10 混合動力系統(tǒng)功率曲線Fig.10 Hybrid power system power curve

圖11 鋰電池、超級電容工作狀態(tài)Fig.11 Working status of lithium battery and super capacitor

圖12 母線電壓曲線Fig.12 Bus voltage curve

4 結(jié)論

圍繞車地一體化動力系統(tǒng)的容量優(yōu)化配置展開討論，基于有軌電車全壽命周期下動力系統(tǒng)經(jīng)濟性最優(yōu)的目標，提出了一種新型的混合儲能系統(tǒng)聯(lián)合地面充電站的車地一體化動力系統(tǒng)容量配置方案，并對該配置方案進行仿真驗證及分析。通過對比分析看出，本文提出的新型鋰電池+超級電容“隔1 站充”供電模式與現(xiàn)有的純超級電容“站站充”模式相比，在日均成本上降低了9.8%，綜合總成本節(jié)省了1064 萬元，對地面充電站充電功率需求降低了66.7%，有效提高了混合儲能式有軌電車的經(jīng)濟性。