Operation Strategy of Rail Transit Green Energy System Considering Uncertainty Risk of Photovoltaic Power Output
计及光伏出力不确定性风险的轨道交通绿色能源系统运行策略
| DOI: 10.35833/MPCE.2023.000788
| 作者 陈艳波 田昊欣 郑国栋
刘宇翔 玛雅·格比奇
为什么铁路行业需要集成光伏发电系统？
铁路行业因高碳足迹而面临减排压力。将分布式光伏发电系统安装在牵引变电所和铁路沿线，不仅能有效利用铁路周边的自然资源，还能提高能源自给自足能力，保障电网故障时的铁路运行，并助力实现“双碳”目标。
此外，按需配置混合储能系统，可以有效利用再生制动能量，维持电力供需平衡。作为中间环节，电力电子设备负责功率转换和聚合，将清洁能源引入牵引网，并能够通过能馈系统满足非牵引负荷（如车站的空调、照明、通信和信号系统等）的电力需求，使传统牵引供电系统逐步转变为轨道交通绿色能源系统（如图1所示），实现“网-源-储-车”协同供能。
图1 轨道交通绿色能源系统典型结构示意
在轨道交通绿色能源系统中，如何处理光伏出力的不确定性？
本文通过构建光伏出力的预算不确定集，提出了一种计及光伏出力风险成本的改进轻鲁棒（improved light robust，ILR）优化模型。与传统的鲁棒优化模型相比，ILR优化模型通过控制波动总量来反映光伏出力的预测精度，其易于处理的线性对应式可以提高模型的适用性。此外，ILR优化模型将传统的仅关注运行成本的鲁棒优化问题扩展为同时考虑风险成本和运行成本的平衡问题，能够在保证系统稳定运行的同时，最小化总成本。
一般来说，松弛变量越大，风险成本越高，从而导致松弛变量增加时权重系数增加。图2展示了松弛变量的风险分布，根据期望功率将光伏出力的置信区间划分为低风险区和高风险区。当光伏出力处于低风险区时，分配较小的权重系数，鼓励光伏消纳；而当其处于高风险区时，分配较大的权重系数，以增加约束违背的代价。
图2 松弛变量风险分布
再生制动能量在铁路系统中扮演什么角色？如何优化再生制动能量的利用？
再生制动能量是铁路系统的重要能源之一。通过超级电容器储能（supercapacitor energy storage，SCES）可以收集列车制动时产生的能量，并在需要时释放利用，通过能馈系统对非牵引负荷进行补偿。
本文考虑了分时（time of use，TOU）电价对再生制动能量利用效率和经济利润的影响，并优化了SCES的操作策略，使其在电价高峰期间放电、低谷期间充电（如图3所示），从而最大化经济收益。
图3 再生制动能量利用模型求解结果
如何解决光伏发电和牵引负荷之间存在的时间分辨率差异问题？
光伏发电的预测数据通常需要15 min的时间分辨率，而牵引负荷的测量数据则通常具有1 s的高时间分辨率。这种时间分辨率的不匹配可能导致在实际运行中难以精确地协调光伏发电的供应与牵引负荷的需求。
当时间分辨率为1 s的牵引负荷高于或略低于其15 min内的平均值时，可以通过增加或减少电网的输出功率来满足系统的功率平衡约束，此时由于负荷变化在可控范围内，故不会发生约束违背。当时间分辨率为1 s的牵引负荷远低于其15 min内的平均值时，仅通过减少电网的输出功率不足以维持系统的功率平衡，此时将发生约束违背。
为解决这一问题，本文采用锂离子电池储能（lithium-ion battery energy storage，LBES）来满足牵引条件下的电力供需平衡，并提出一种两步负荷校验方法，该方法在秒级时间尺度上对运行结果进行校正。第一次负荷校验旨在调整LBES的最大放电功率约束；第二次负荷校验旨在解决超出电网和LBES调节范围的约束违背问题，必要时进行弃光，确保系统稳定运行。相关流程如图4所示。
图4 模型求解策略流程
通过上述方法，本文有效解决了光伏发电与牵引负荷之间不同时间分辨率所带来的挑战，实现了对风险成本和运行成本的协同优化，提高了轨道交通绿色能源系统的整体运行效率和可靠性。
该研究对铁路行业有何工程价值和意义？
本文通过国内某牵引变电所实测数据，验证了所提运行策略在应对光伏出力不确定性、利用再生制动能量及降低系统成本方面的显著成效，为铁路行业贡献了节能减排的新方案，有效促进了能源管理的优化与绿色低碳转型。
该研究存在哪些局限性，未来的研究方向是什么？
本文主要关注模型构建和策略优化，但在系统控制方法和实际工程应用的稳定性、可靠性方面还存在不足。未来的研究将聚焦于如何通过控制方法实现所提出的运行策略，并探索其在不同运行条件下的适应性。
引文信息
Yanbo Chen, Haoxin Tian, Guodong Zheng, Yuxiang Liu, and Maja Grbić. Operation Strategy of Rail Transit Green Energy System Considering Uncertainty Risk of Photovoltaic Power Output [J]. Journal of Modern Power Systems and Clean Energy, 2024, 12(6): 1859-1868.
作者介绍
ABOUT THE AUTHORS
陈艳波
博士，教授，博士生导师，华北电力大学电气与电子工程学院，主要研究方向：电力系统状态估计、最优潮流、能量管理系统。
田昊欣
博士研究生，华北电力大学电气与电子工程学院，主要研究方向：新能源电力系统规划和运行、能源与交通融合。
郑国栋
硕士研究生，华北电力大学电气与电子工程学院，主要研究方向：轨道交通绿色能源系统运行策略与风险评估。
刘宇翔
硕士研究生，华北电力大学电气与电子工程学院，主要研究方向：轨道交通绿色能源系统新能源与储能规划配置。
玛雅·格比奇
博士，教授，贝尔格莱德大学尼古拉特斯拉电工研究所，主要研究方向：电力系统分析与控制。
陈艳波教授团队长期从事新能源电力系统调度、综合能源系统、能源交通融合等技术研究。
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