1.本发明属于城轨列车节能技术领域，尤其涉及一种车载储能装置容量配置方法。
背景技术：2.随着经济的快速发展，我国城市人口急剧增多，交通拥堵状况愈加明显。城市轨道交通是解决交通拥堵问题的良好方法，近年来发展迅猛，为人们的出行带来便利，但同时也带来了巨大的能耗。其运营主要能耗为电力消耗，其中列车牵引用电约占总电耗的50％。为了贯彻绿色低碳发展理念，减轻运营成本，列车节能技术的发展十分必要。城轨节能主要有两个途径：降低牵引能耗和提高再生制动能量利用率。
3.列车牵引能耗与列车运行的速度曲线密切相关，已有研究表明，通过优化速度曲线，可以降低牵引能耗，达到10％左右的节能率。列车的再生制动能量是指在制动时把车辆的动能转化为电能。目前实际工程中利用再生制动能量通常通过多车协同直接利用或加装储能装置储存后利用。多车协同的方法是指将制动车辆产生的再生制动能量立即提供给相邻牵引车辆直接使用，但由于可能不存在处于牵引状态的相邻车辆导致再生制动能量无法被直接利用，且再生制动能量在牵引网传输过程中通常物理距离较长，因此能量损耗较大，利用率不高。加装储能装置分为地面储能和车载储能。加装地面储能装置可以将再生制动能量储存起来待后续使用，避免再生制动能量产生时不存在处于牵引状态的相邻车辆导致再生制动能量无法被利用的情况。但由于地面储能装置与列车之间的距离较长，因此牵引网传输过程造成的能量损耗较大。加装车载储能装置可以减少牵引网传输过程中物理距离带来的损耗，在只有交直流变换的损耗的情况下将列车产生的再生制动能量储存起来。同时面对牵引网停电等突发情况，车载储能装置可以用作应急电源，保证列车的安全运行。因此，通过加装车载储能装置储存再生制动能量以供列车自身使用或是给别车供电是减少能量的损耗且保障列车运营安全的良好方法。
4.然而，车载储能装置所需空间和金钱成本较高，由于资金预算、车体容量、储能装置类型等因素的影响，其容量通常是受限的。在实际情况中通常使用标准化配置储能容量的方法，导致车载储能装置的容量大多数时候并未被完全利用或容量不足，从而导致容量的浪费或节能效果未被完全发掘的情况。因此，需要合理规划，差异化配置车载储能装置的容量以得到最优的列车的经济效益和节能效果。
5.综上可见，提高再生制动能量利用率可以减小列车的能耗，合理配置车载储能装置的容量可以提高再生制动能量利用率，从而达到节能的目的。根据列车的时刻表和行车策略，差异化配置列车的车载储能装置容量，将再生制动能量以储存在自身储能装置、传输给别车储能装置或直接提供给牵引状态的车辆三种方式结合利用，可以最大化的利用再生制动能量，减少列车运行的能耗。
6.经过检索发现，柏赟,于昭,贾文峥,冯旭杰,陈绍宽等人发表了《考虑追踪安全的地铁快慢车协同操纵节能优化》的论文，该论文中研究了考虑追踪间隔要求和再生能利用的快慢车线路地铁列车协同操纵节能优化问题。以列车净能耗为目标构建了快慢车线路列
车协同操纵节能优化模型，并设计了混合遗传算法进行求解。但是由于牵引网传输过程中通常物理距离较长，损耗较大，因此通过列车协同操纵达到的再生制动能量利用率不高。
技术实现要素：7.为了解决上述现有技术中存在的技术问题，本发明提供了一种车载储能装置容量配置方法，拟解决目前再生制动能量利用率不高的技术问题。
8.为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：
9.一种车载储能装置容量配置方法，包括以下步骤：
10.s1.获取列车运行图、列车群可配置的总储能容量以及各列车的储能容量上限；
11.s2.初始化各列车的储能装置容量以及列车群单次全程运行的总再生制动能量利用率：
12.第m辆列车的储能装置容量初始化为：
[0013][0014]
式中：c
m,0
为第m辆列车第0次容量配置方案更新后的储能装置容量，即初始配置的储能容量；c
tot_limit
为列车群可配置的总储能容量；n为列车总数量；
[0015]
总再生制动能量利用率初始化为：
[0016]
η
tot,0
＝0；
[0017]
式中：η
tot,0
为第0次容量配置方案更新后的总再生制动能量利用率，即初始的总再生制动能量利用率；
[0018]
s3.基于各列车再生制动能量的被利用能量和损耗能量计算当前储能装置容量配置方案下的总再生制动能量利用率；
[0019]
s4.判断当前的总再生制动能量利用率是否大于前一次循环的总再生制动能量利用率，若是则执行s5，否则执行s6；
[0020]
s5.判断列车的运行全程中储能装置容量利用率是否达到100％；基于储能装置容量的利用率是否达到100％来更新储能装置的容量配置，更新完成后返回步骤s3；
[0021]
s6.输出前一次循环的容量配置方案，结束程序。
[0022]
优选的，所述列车运行图包括各列车区间运行时分、停站时间安排和行车策略。
[0023]
优选的，所述步骤s3包括以下步骤：
[0024]
s3-1.给时刻赋值t＝t0；
[0025]
s3-2.计算当前时刻各列车的再生制动能量e
m,k
以及各列车储能装置可容纳的能量c
m,k
：
[0026]
其中m表示第m辆列车，k对应当前时刻；
[0027]
tk＝t0+kδt，
[0028]
其中，δt为时间步长，可根据实际情况选取；
[0029]
各列车储能装置可容纳的能量c
m,k
：
[0030][0031]
式中：为第m辆车的储能装置在tk时刻被使用的容量，c
m,i
为第m辆车在第i次更新容量配置方案后的容量；当tk＝t0时，c
m,k
＝c
m,i
；
[0032]
s3-3.判断各列车再生制动能量是否能被自身储能装置全部消耗：
[0033]
各列车自身储能装置可消耗的最大再生制动能量为：
[0034][0035]
式中：表示第m辆车在tk时刻自身储能装置可消耗的最大再生制动能量，c
m,k
表示其储能装置可容纳的能量，表示其充电时交直流变换的损耗；
[0036]
若满足则执行步骤s3-7，否则执行步骤s3-4；其中e
m,k
表示第m辆车在tk时刻的再生制动能量；
[0037]
s3-4.计算各列车自身储能装置消耗后所剩余的再生制动能量
[0038][0039]
s3-5.基于步骤3-4得到的剩余的再生制动能量计算可被其他车辆消耗的再生制动能量以及对应的损耗；
[0040]
s3-6.根据损耗大小配置剩余的再生制动能量直至剩余的再生制动能量被消耗完毕或无法继续被消耗，同时记录tk时刻各列车的储能装置被使用容量
[0041]
s3-7.计算步骤3-6所述的tk时刻的列车群的再生制动能量利用率ηk：
[0042][0043]
式中：ηk表示列车群在tk时刻的再生制动能量利用率，η
m,k
表示第m辆车在tk时刻的再生制动能量利用率；为第m辆车在tk时刻被自车或它车利用的能量，为其对应损耗的能量；
[0044]
其中：
[0045][0046][0047]
式中：分别表示第m辆车在tk时刻被自车储存、它车立即使用、它车储存的能量；分别表示第m辆车在tk时刻的能量使用过程中的充电时交直流变换的损耗、列车与牵引网之间交直流变换的损耗、牵引网传电过程中的网损、未被利用的再生制动能量；
[0048]
s3-8.更新当前时刻：
[0049]
t
k+1
＝tk+δt；
[0050]
s3-9.计算当前时刻t
k+1
是否小于列车群单次全程运行时间，若是则执行步骤s3-2，否则执行步骤s3-10；
[0051]
s3-10.计算整个运行过程的总再生制动能量利用率：
[0052]
η
tot,i
＝∑ηk；
[0053]
式中：η
tot,i
表示第i次更新储能装置配置方案后所得的列车群单车全程运行的总
再生制动能量利用率。
[0054]
优选的，所述步骤s5包括以下步骤：
[0055]
s5-1.对各列车运行全程再生制动能量利用过程中的损耗由大到小进行排序；
[0056]
第m辆车全程再生制动能量利用过程中的损耗为：
[0057][0058]
式中：为第m辆车在tk时刻的再生制动能量损耗；
[0059]
s5-2.判断列车是否存在运行全程储能装置容量最大利用率未达到100％的列车，若是则执行步骤s5-3，否则执行步骤s5-4；
[0060]
第m辆车运行全程储能装置容量最大利用率αm的计算公式为：
[0061][0062]
式中：为第m辆车的储能装置在tk时刻被使用的容量，c
m,i
为第m辆车在第i次更新容量配置方案后的容量；
[0063]
s5-3.基于容量对各列车储能装置容量配置方案进行更新；
[0064]
满足αm《100％的第j辆列车mj，j＝1,2,3....n，容量减小至全程储能装置最大利用容量其储能装置减小的容量为：
[0065][0066]
式中：为列车mj第i次容量配置方案更新后的储能装置容量；
[0067]
则αm《100％的列车减小的总储能装置容量c
reduce
为：
[0068][0069]
从αm＝100％的列车中依次选取步骤s5-1所得的再生制动能量利用过程中产生损耗最大的列车m
l
，l＝1,2,3....n，增加其储能装置容量，使所有列车总储能装置容量保持为c
tot_limit
不变；选取的第l辆列车m
l
增加的储能装置容量为：
[0070][0071][0072]
s5-4.选取s5.1所得的全程再生制动能量利用过程中产生损耗最大的列车，将其储能装置容量增加δc；对应的，选取全程再生制动能量利用过程中产生损耗最小的列车，将其储能装置容量减小δc。
[0073]
本发明的有益效果包括：
[0074]
本发明提出一种以提升列车群再生制动能量利用率为目标的车载储能装置容量配置方法，在可配置的总储能容量有限的情况下，结合列车运行图和列车性能，基于现有的行车组织，差异化配置车载储能装置容量，提高列车群的总再生能量利用率，降低列车运行的能耗。
附图说明
[0075]
图1为本发明的总流程图。
[0076]
图2为本发明步骤s3的具体流程示意图。
具体实施方式
[0077]
为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本技术实施例的组件可以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本技术的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本技术的范围，而是仅仅表示本技术的选定实施例。基于本技术的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
[0078]
下面结合附图1和附图2对本发明的实施例做进一步的说明：
[0079]
参见附图1，一种车载储能装置容量配置方法，包括以下步骤：
[0080]
s1.获取列车运行图、列车群可配置的总储能容量以及各列车的储能容量上限；所述列车运行图包括各列车区间运行时分、停站时间安排和行车策略。
[0081]
s2.初始化各列车的储能装置容量以及列车群单次全程运行的总再生制动能量利用率：
[0082]
第m辆列车的储能装置容量初始化为：
[0083][0084]
式中：c
m,0
为第m辆列车第0次容量配置方案更新后的储能装置容量，即初始配置的储能容量；c
tot_limit
为列车群可配置的总储能容量；n为列车总数量；
[0085]
总再生制动能量利用率初始化为：
[0086]
η
tot,0
＝0；
[0087]
式中：η
tot,0
为第0次容量配置方案更新后的总再生制动能量利用率，即初始的总再生制动能量利用率；
[0088]
参见附图2，s3.基于各列车再生制动能量的被利用能量和损耗能量计算当前储能装置容量配置方案下的总再生制动能量利用率；
[0089]
所述步骤s3包括以下步骤：
[0090]
s3-1.给时刻赋值t＝t0；
[0091]
s3-2.计算当前时刻各列车的再生制动能量e
m,k
以及各列车储能装置可容纳的能量c
m,k
：
[0092]
其中m表示第m辆列车，k对应当前时刻；
[0093]
tk＝t0+kδt，
[0094]
其中，δt为时间步长，可根据实际情况选取；
[0095]
各列车储能装置可容纳的能量c
m,k
：
[0096][0097]
式中：为第m辆车的储能装置在tk时刻被使用的容量，c
m,i
为第m辆车在第i次
更新容量配置方案后的容量；当tk＝t0时，c
m,k
＝c
m,i
；
[0098]
s3-3.判断各列车再生制动能量是否能被自身储能装置全部消耗：
[0099]
各列车自身储能装置可消耗的最大再生制动能量为：
[0100][0101]
式中：表示第m辆车在tk时刻自身储能装置可消耗的最大再生制动能量，c
m,k
表示其储能装置可容纳的能量，表示其充电时交直流变换的损耗；
[0102]
若满足则执行步骤s3-7，否则执行步骤s3-4；其中e
m,k
表示第m辆车在tk时刻的再生制动能量；
[0103]
s3-4.计算各列车自身储能装置消耗后所剩余的再生制动能量
[0104][0105]
s3-5.基于步骤3-4得到的剩余的再生制动能量计算可被其他车辆消耗的再生制动能量以及对应的损耗，其它列车消耗再生制动能量方式分为两种：立即使用以及将能量储存在它车，具体如表格1所示；
[0106]
表1：再生制动能量消耗方式
[0107][0108][0109]
s3-6.根据损耗大小配置剩余的再生制动能量直至剩余的再生制动能量被消耗完毕或无法继续被消耗，同时记录tk时刻各列车的储能装置被使用容量
[0110]
s3-7.计算步骤3-6所述的tk时刻的列车群的再生制动能量利用率ηk：
[0111]
[0112]
式中：ηk表示列车群在tk时刻的再生制动能量利用率，η
m,k
表示第m辆车在tk时刻的再生制动能量利用率；为第m辆车在tk时刻被自车或它车利用的能量，为其对应损耗的能量；
[0113]
其中：
[0114][0115][0116]
式中：分别表示第m辆车在tk时刻被自车储存、它车立即使用、它车储存的能量；分别表示第m辆车在tk时刻的能量使用过程中的充电时交直流变换的损耗、列车与牵引网之间交直流变换的损耗、牵引网传电过程中的网损、未被利用的再生制动能量；
[0117]
s3-8.更新当前时刻：
[0118]
t
k+1
＝tk+δt；
[0119]
s3-9.计算当前时刻t
k+1
是否小于列车群单次全程运行时间，若是则执行步骤s3-2，否则执行步骤s3-10；
[0120]
s3-10.计算整个运行过程的总再生制动能量利用率：
[0121]
η
tot,i
＝∑ηk；
[0122]
式中：η
tot,i
表示第i次更新储能装置配置方案后所得的列车群单车全程运行的总再生制动能量利用率。
[0123]
s4.判断当前的总再生制动能量利用率是否大于前一次循环的总再生制动能量利用率，若是则执行s5，否则执行s6；
[0124]
s5.判断列车的运行全程中储能装置容量利用率是否达到100％；基于储能装置容量的利用率是否达到100％来更新储能装置的容量配置，更新完成后返回步骤s3；
[0125]
所述步骤s5包括以下步骤：
[0126]
s5-1.对各列车运行全程再生制动能量利用过程中的损耗由大到小进行排序；
[0127]
第m辆车全程再生制动能量利用过程中的损耗为：
[0128][0129]
式中：为第m辆车在tk时刻的再生制动能量损耗；
[0130]
s5-2.判断列车是否存在运行全程储能装置容量最大利用率未达到100％的列车，若是则执行步骤s5-3，否则执行步骤s5-4；
[0131]
第m辆车运行全程储能装置容量最大利用率αm的计算公式为：
[0132][0133]
式中：为第m辆车的储能装置在tk时刻被使用的容量，c
m,i
为第m辆车在第i次更新容量配置方案后的容量；
[0134]
s5-3.基于容量对各列车储能装置容量配置方案进行更新；
[0135]
满足αm《100％的第j辆列车mj，j＝1,2,3....n，容量减小至全程储能装置最大利用容量其储能装置减小的容量为：
[0136][0137]
式中：为列车mj第i次容量配置方案更新后的储能装置容量；
[0138]
则αm《100％的列车减小的总储能装置容量c
reduce
为：
[0139][0140]
从αm＝100％的列车中依次选取步骤s5-1所得的再生制动能量利用过程中产生损耗最大的列车m
l
，l＝1,2,3....n，增加其储能装置容量，使所有列车总储能装置容量保持为c
tot_limit
不变；选取的第l辆列车m
l
增加的储能装置容量为：
[0141][0142][0143]
s5-4.选取s5.1所得的全程再生制动能量利用过程中产生损耗最大的列车，将其储能装置容量增加δc；对应的，选取全程再生制动能量利用过程中产生损耗最小的列车，将其储能装置容量减小δc，δc可根据实际情况选取。。
[0144]
s6.输出前一次循环的容量配置方案，结束程序。
[0145]
本发明提出一种以提升列车群再生制动能量利用率为目标的车载储能装置容量配置方法，在可配置的总储能容量有限的情况下，结合列车运行图和列车性能，基于现有的行车组织，差异化配置车载储能装置容量，提高列车群的总再生能量利用率，降低列车运行的能耗。
[0146]
在成本一定的情况下，提升了列车群的总再生制动能量利用率，减小了列车运营的总能耗。
[0147]
以上所述实施例仅表达了本技术的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本技术保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本技术技术方案构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本技术的保护范围。
技术特征：1.一种车载储能装置容量配置方法，其特征在于，包括以下步骤：s1.获取列车运行图、列车群可配置的总储能容量以及各列车的储能容量上限；s2.初始化各列车的储能装置容量以及列车群单次全程运行的总再生制动能量利用率：第m辆列车的储能装置容量初始化为：式中：c
m,0
为第m辆列车第0次容量配置方案更新后的储能装置容量，即初始配置的储能容量；c
tot_limit
为列车群可配置的总储能容量；n为列车总数量；总再生制动能量利用率初始化为：η
tot,0
＝0；式中：η
tot,0
为第0次容量配置方案更新后的总再生制动能量利用率，即初始的总再生制动能量利用率；s3.基于各列车再生制动能量的被利用能量和损耗能量计算当前储能装置容量配置方案下的总再生制动能量利用率；s4.判断当前的总再生制动能量利用率是否大于前一次循环的总再生制动能量利用率，若是则执行s5，否则执行s6；s5.判断列车的运行全程中储能装置容量利用率是否达到100％；基于储能装置容量的利用率是否达到100％来更新储能装置的容量配置，更新完成后返回步骤s3；s6.输出前一次循环的容量配置方案，结束程序。2.根据权利要求1所述的一种车载储能装置容量配置方法，其特征在于，所述列车运行图包括各列车区间运行时分、停站时间安排和行车策略。3.根据权利要求1所述的一种车载储能装置容量配置方法，其特征在于，所述步骤s3包括以下步骤：s3-1.给时刻赋值t＝t0；s3-2.计算当前时刻各列车的再生制动能量e
m,k
以及各列车储能装置可容纳的能量c
m,k
：其中m表示第m辆列车，k对应当前时刻；t
k
＝t0+kδt，其中，δt为时间步长，可根据实际情况选取；各列车储能装置可容纳的能量c
m,k
：式中：为第m辆车的储能装置在t
k
时刻被使用的容量，c
m,i
为第m辆车在第i次更新容量配置方案后的容量；当t
k
＝t0时，c
m,k
＝c
m,i
；s3-3.判断各列车再生制动能量是否能被自身储能装置全部消耗：各列车自身储能装置可消耗的最大再生制动能量为：
式中：表示第m辆车在t
k
时刻自身储能装置可消耗的最大再生制动能量，c
m,k
表示其储能装置可容纳的能量，表示其充电时交直流变换的损耗；若满足则执行步骤s3-7，否则执行步骤s3-4；其中e
m,k
表示第m辆车在t
k
时刻的再生制动能量；s3-4.计算各列车自身储能装置消耗后所剩余的再生制动能量4.计算各列车自身储能装置消耗后所剩余的再生制动能量s3-5.基于步骤3-4得到的剩余的再生制动能量计算可被其他车辆消耗的再生制动能量以及对应的损耗；s3-6.根据损耗大小配置剩余的再生制动能量直至剩余的再生制动能量被消耗完毕或无法继续被消耗，同时记录t
k
时刻各列车的储能装置被使用容量s3-7.计算步骤3-6所述的t
k
时刻的列车群的再生制动能量利用率η
k
：式中：η
k
表示列车群在t
k
时刻的再生制动能量利用率，η
m,k
表示第m辆车在t
k
时刻的再生制动能量利用率；为第m辆车在t
k
时刻被自车或它车利用的能量，为其对应损耗的能量；其中：其中：式中：分别表示第m辆车在t
k
时刻被自车储存、它车立即使用、它车储存的能量；分别表示第m辆车在t
k
时刻的能量使用过程中的充电时交直流变换的损耗、列车与牵引网之间交直流变换的损耗、牵引网传电过程中的网损、未被利用的再生制动能量；s3-8.更新当前时刻：t
k+1
＝t
k
+δt；s3-9.计算当前时刻t
k+1
是否小于列车群单次全程运行时间，若是则执行步骤s3-2，否则执行步骤s3-10；s3-10.计算整个运行过程的总再生制动能量利用率：η
tot,i
＝∑η
k
；式中：η
tot,i
表示第i次更新储能装置配置方案后所得的列车群单车全程运行的总再生制动能量利用率。4.根据权利要求1所述的一种车载储能装置容量配置方法，其特征在于，所述步骤s5包括以下步骤：
s5-1.对各列车运行全程再生制动能量利用过程中的损耗由大到小进行排序；第m辆车全程再生制动能量利用过程中的损耗为：式中：为第m辆车在t
k
时刻的再生制动能量损耗；s5-2.判断列车是否存在运行全程储能装置容量最大利用率未达到100％的列车，若是则执行步骤s5-3，否则执行步骤s5-4；第m辆车运行全程储能装置容量最大利用率α
m
的计算公式为：式中：为第m辆车的储能装置在t
k
时刻被使用的容量，c
m,i
为第m辆车在第i次更新容量配置方案后的容量；s5-3.基于容量对各列车储能装置容量配置方案进行更新；满足α
m
<100％的第j辆列车m
j
，j＝1,2,3
…
n，容量减小至全程储能装置最大利用容量其储能装置减小的容量为：式中：为列车m
j
第i次容量配置方案更新后的储能装置容量；则α
m
<100％的列车减小的总储能装置容量c
reduce
为：从α
m
＝100％的列车中依次选取步骤s5-1所得的再生制动能量利用过程中产生损耗最大的列车m
l
，l＝1,2,3
…
n，增加其储能装置容量，使所有列车总储能装置容量保持为c
tot_limit
不变；选取的第l辆列车m
l
增加的储能装置容量为：增加的储能装置容量为：s5-4.选取s5.1所得的全程再生制动能量利用过程中产生损耗最大的列车，将其储能装置容量增加δc；对应的，选取全程再生制动能量利用过程中产生损耗最小的列车，将其储能装置容量减小δc。
技术总结本发明属于城轨列车节能技术领域，尤其涉及一种车载储能装置容量配置方法，本发明提出了一种以提升列车群再生制动能量利用率为目标的车载储能装置容量配置方法，在可配置的总储能容量有限的情况下，结合列车运行图和列车性能，基于现有的行车组织，差异化配置车载储能装置容量，提高列车群的总再生能量利用率，降低列车运行的能耗。降低列车运行的能耗。降低列车运行的能耗。
技术研发人员：孙鹏飞 罗欢 王青元 王晓文 肖壮
受保护的技术使用者：西南交通大学
技术研发日：2022.07.19
技术公布日：2022/11/1
