2024中国电力电子与能量转换大会暨中国电源学会第二十七届学术年会及展览会

讲座主题：轨道交通与新能源融合技术研究
讲座人：李艳教授，北京交通大学电气工程学院
讲座摘要：
轨道交通与新能源融合一体化发展尚处于萌芽阶段，亟需适用于轨道交通特殊应用场合的先进储能协调技术、新能源接入牵引网控制技术、电力变换与控制技术等关键技术支撑，为构建一套轨道交通与新能源融合的关键技术理论体系提供保障。本次专题讲座将围绕轨道交通与新能源融合发展的主题，通过三个分讲座：“基于车载与地面储能系统互联协调的城轨列车再生能量高效利用关键技术”、“铁路带状安全光伏电厂高效接入方法与智能管控技术”、“面向新能源系统并入铁路供配电系统的构网型变流器关键技术研究”开展讲座报告。
1. 基于车载与地面储能系统互联协调的城轨列车再生能量高效利用关键技术
随着城轨交通的快速发展，其运行能耗也大幅增加。城轨列车再生制动能量相当可观，通过储能系统进行再生能量的吸收和利用对全社会节能减排具有重要意义。然而，当前我国应用于城轨再生能量吸收的储能系统以地面式为主，不能回收的再生能量由车载制动电阻变为热能所消耗。本项目提出采用车载钛酸锂储能系统取代制动电阻的新型方案，通过车载与地面储能系统相协调，进行再生能量的协同吸收，实现节能稳压、减少机械制动系统维护成本及改善列车运行性能的目的。为实现再生能量的高效利用，防止再生失效的发生，本次报告将针对同时引入车载和地面储能系统的方式，基于信息流交互进行全局视角下车-地储能系统互联协调控制，并采用先进的钛酸锂电池和碳化硅(SiC)器件，提升储能系统自身性能。
1) 牵引/制动列车、储能装置、变电所等多源能量耦合关系
考虑列车运行图、储能系统控制策略以及变电所外特性的影响，分析多模式、多路径下列车、车载-地面储能、变电所之间的能量耦合关系，提取再生能量流动特征，为优化储能系统控制和多储能系统协调控制提供数据基础。
2) 非线性时变复杂系统中储能装置实时优化控制技术
基于该复杂的非线性时变系统，综合考虑发车间隔、列车位置、列车功率、空载电压等环境因素，采用强化学习的方案，通过采集大量的历史数据以及当前的环境信息，对未来的累计奖励进行评估，选择当前环境下价值函数最高的动作，实现全局储能效率最优的实时优化控制。
3) 时空范畴内能量流优化的多储能系统协调控制技术
以多能源耦合的城轨交通牵引供电系统仿真模型为基础，考虑车载-地面储能系统间、列车-列车间、列车-变电所间的信息交互与共享，利用多代理合作博弈理论，通过对车载、地面储能系统的互联协调控制，对一定空间和时间域内的系统层面的能量流动进行优化，使城轨列车在运行过程中产生的再生制动能量能够被高效利用，同时抑制网压波动，实现供电系统整体能效的提升。
4) 节能效果、投资成本等多目标均衡的车-地储能系统容量配置技术
揭示不同列车运行条件下储能系统容量配置方案对节能效果的影响规律和影响机理；建立车-地储能系统容量协同优化模型，通过智能寻优算法求解最优车-地容量配置方案，实现节能效果、投资成本等多目标均衡。
2. 铁路带状安全光伏电厂高效接入方法与智能管控技术
在铁路沿线贯通的路基边坡表面铺设光伏组件能够进一步收集铁路沿线闲置空地光伏能源，对推动铁路绿色低碳发展具有重要意义。目前在铁路沿线路基边坡形成长距离带状光伏电厂的方案不明确，关于光伏接入铁路牵引供电系统仅进行了初探，并未形成完整的解决方案和技术体系。此外，光伏接入铁路牵引供电系统后，光伏组件与列车和铁路维护人员的距离缩减，存在触电和火灾等安全隐患；铁路沿线距离远、跨度长，沿线气候与光照条件复杂，光伏组件布置只能呈现带状，失配程度高；作为能量缓冲环节的综合贯通线和储能设备与接触网之间的能量管理与能流优化的方法未知。本次报告将针对以上问题汇报本课题组的研究内容与成果：长距离带状光伏电厂架构布局方案、故障感知与智能诊断安全光伏技术、带状光伏阵列重构技术和“光-线-储-网”能流优化协同管控方案，保证长距离带状光伏电厂接入铁路供电系统实现安全、可靠运行的同时，极力提高光伏发电的效率。
1) 铁路光伏电厂故障感知与智能诊断安全光伏技术
为解决铁路系统中的光伏组件潜在的触电和火灾等安全隐患的问题，提出基于机器学习的铁路光伏电厂故障检测与识别技术；提出基于数字孪生的智能故障容错与自适应优化控制技术。
2) 铁路长距离带状光伏电厂阵列重构技术
为解决铁路沿线长距离导致电能传输线损大、成本高、光伏组件失配程度高的问题，提出长距离带状阴影的分散均衡重组算法；提出长距离带状光伏电厂阵列的静态重构方案。
3) 长距离带状光伏电厂“光-线-储-网”多层级能量管理与能流优化协同管控技术
为解决光伏接入后贯通线和储能设备与接触网之间协调控制问题，提出长距离带状光伏电厂列车协同并网优化策略以及“光-线-储-网”多层级能流优化管控方法。
3. 面向新能源系统并入铁路供配电系统的构网型变流器关键技术研究
我国拥有世界上最庞大的轨道交通运营网络，“能交融合”发展与“双碳”战略的实施共同推动其向高效能、高弹性和绿色化方向演进，并逐步与新型电力系统发展相适应。轨道交通路域存在大量空置面积，对其铺设光伏等新能源进行合理利用，有助于资产实现能源化转型。针对高比例风、光新能源系统的低惯量、低短路电流和低电网稳定性问题，需要研究电网强度对新能源并网稳定性的影响机理，建立满足构网型变流器主动支撑能力评价的电网等效模型，形成构网型电源接入对新能源系统的支撑关键技术。本次报告将围绕跟网和构网控制技术展开汇报，主要阐明跟网和构网技术的运行特性区别及适应区间，提高光伏消纳水平同时保障系统安全可靠运行。
1. 铁路沿线光伏-储能接入铁路供配电系统的构网控制方案
由于光伏发电的波动性和牵引负荷的间歇性，需引入储能平抑源-荷之间的供需不平衡。梳理目前已有的光伏和储能跟构网接入方案并对比两种控制方案的特性区别，提出适用于铁路沿线光伏储能电站的构网控制方案。
2. 构网型光伏自同步电压源控制策略
为提升光伏发电并网适应性以及在极弱电网工况下的频率电压支撑能力，研究一种构网型光伏自同步电压源控制策略。所提构网型光伏自同步电压源逆变器不仅可向电网提供必要的频率及电压支撑，并可在电网发生故障时，具备独立向关键负载供电的构网能力。
3. 储能与能量管理系统协同配合策略
储能以构网控制形式接入可以为新能源机组提供暂态频率支撑，提升系统转动惯量。目前构网型技术应用于储能还在初期阶段，构网型储能变流器具备自主频率支撑特性，而跟网型储能变流器受上层能量管理系统调控，导致储能能量管理系统与构网和跟网变流器之间存在一定的协同配合问题。本报告拟提出一种考虑构网型储能变流器自主频率支撑特性和跟网型储能变流器受控调节的共享储能能量管理系统多时间尺度协同控制策略。
作者简介：
李艳，女，博士，北京交通大学教授，博士生导师，中国电源学会直流专委会委员。2009年在南京航空航天大学获得电力电子与电力传动工学博士学位。2010年来到北京交通大学开始从事博士后研究工作，出站后在北京交通大学电气工程学院工作至今，多年一直从事高频开关变换器/电能源系统研究。2014年赴弗吉尼亚理工大学国家电力电子中心作访问交流，2018年赴慕尼黑工业大学访问交流。主要从事分布式光伏发电系统、安全储能系统、轨道交通供电系统、SiC、GaN新型器件应用、GaN器件MHz电源、航空航天电源、多输入直流系统等方面的应用研究。

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( 2024年11月8-11日 )