基于改進(jìn)粒子群算法的城軌交通超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)容量?jī)?yōu)化配置研究

劉紅兵 ，郭輝

（1.湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院控制學(xué)院，湖南株洲，412001；2.湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院素質(zhì)學(xué)院，湖南株洲，412001）

軌道交通的能源綜合利用為降低城市綜合能耗起到了示范效應(yīng)。城市軌道交通的節(jié)能降耗可以從設(shè)備技術(shù)的更新，高分子材料的運(yùn)用等科研設(shè)備的轉(zhuǎn)型升級(jí)來實(shí)現(xiàn)，這部分的科研攻關(guān)已經(jīng)越來越成熟，快到觸及到理論上限，未來發(fā)展的空間十分有限；也可以從軌道交通能源儲(chǔ)存的低消耗，能源利用的高效率，能源回收的穩(wěn)定性來實(shí)現(xiàn)能源的循環(huán)利用，這部分由于涉及到軌道交通的主要能源—電能的儲(chǔ)存、回收、傳遞、利用等環(huán)節(jié)，需要滿足百萬級(jí)運(yùn)輸量的超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)才能對(duì)其實(shí)現(xiàn)有效的管理，因此在未來軌道交通節(jié)能減排領(lǐng)域具有非常大的利用空間。

1 城軌交通超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀分析

此系統(tǒng)是基于超級(jí)電容器為組建電能綜合利用系統(tǒng)。超級(jí)電容器是利用多空材料高比表面積特性和電解液離子極化形成的雙電層來儲(chǔ)存電能，實(shí)現(xiàn)能量的高效利用和循環(huán)利用，達(dá)到綠色節(jié)能的目的，是屬于短程交通類型的城軌交通系統(tǒng)的理想儲(chǔ)能器件[1]。其具體優(yōu)點(diǎn)有以下幾點(diǎn)：

一是超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，沒有附加的變壓器等裝置，只需要超級(jí)電容器作為組建就能夠?qū)崿F(xiàn)軌道列車的能量吸收儲(chǔ)存。具有能耗小，易安裝，維護(hù)費(fèi)用少之優(yōu)點(diǎn)。二是該系統(tǒng)的制動(dòng)能量轉(zhuǎn)換的電能直接儲(chǔ)存在超級(jí)電容器中，無能量回饋給電網(wǎng)，不會(huì)給電網(wǎng)造成負(fù)荷或沖擊。三是地鐵啟動(dòng)時(shí)，超級(jí)電容可以充分釋放電能，從而達(dá)到最大的節(jié)能效果。四是利用該系統(tǒng)可以提升接觸網(wǎng)電壓，減少接觸網(wǎng)電壓波動(dòng)，從而降低直流母線上的能量損耗。

2 車載超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)原理與結(jié)構(gòu)

目前城軌交通超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)主要有車載式和地面式兩種模式，兩者相比較，地面儲(chǔ)能具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，安裝方便，維護(hù)便宜，適用于新建或已有的城軌交通變電所內(nèi)，應(yīng)用起來比較容易。而車載式儲(chǔ)能具有節(jié)能降耗、穩(wěn)定電壓、降低電網(wǎng)峰值功率，提高列車牽引能力等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)還能在無架線的情況下實(shí)現(xiàn)短時(shí)間短途運(yùn)行，是城軌列車未來發(fā)展的方向。

2.1 超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)工作原理

由圖1 顯示，基于超級(jí)電容器的軌道交通再生制動(dòng)能量吸收利用系統(tǒng)包括雙向直流變換器和超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)兩部分，并接在軌道列車的直流供電母線上。當(dāng)?shù)罔F列車制動(dòng)時(shí)，直流母線電壓上升，雙向直流變換器向超級(jí)電容器列陣充電，超級(jí)電容器列陣吸收制動(dòng)能量；當(dāng)軌道列車啟動(dòng)時(shí)，直流母線電壓下降，超級(jí)電容器陣列儲(chǔ)存的能量通過雙向直流變換器釋放能量。

圖1 超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)在城軌交通運(yùn)輸中的工作原理圖

2.2 超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)的工作特點(diǎn)

超級(jí)電容沒有電介質(zhì)，其使用的是固體材料做成的電極和液體材料做成的電解液在界面上形成的電氣雙層的狀態(tài)來取代電介質(zhì)。其具有以下幾個(gè)工作特點(diǎn)：

（1）充電快,一般情況下，軌道列車在靠站的10 秒左右就可實(shí)現(xiàn)90%以上的充電額度。（2）壽命長(zhǎng),常規(guī)超級(jí)電容系統(tǒng)的循環(huán)次數(shù)可以達(dá)到100 萬次。而是其充放電過程是可以反復(fù)充、放電，并可循環(huán)的物理過程。（3）能量轉(zhuǎn)換效率高,該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的是大電流輸出能力，在能量轉(zhuǎn)換過程中損失微弱，大電流能量循環(huán)效率可以達(dá)到90%以上。（4）功率密度高，可達(dá)300W/KG 至5000W/KG，相當(dāng)于普通電池的10 倍左右。（5）產(chǎn)品原材料構(gòu)成，生產(chǎn)，使用，儲(chǔ)存以及拆解過程不存在污染情況，是理想的環(huán)保材料。（6）耐溫性好，其可耐溫度范圍能夠從零下40 度到零上70 度之間，能夠適應(yīng)各種極端溫度環(huán)境。（7）檢測(cè)方便，安全可靠性高，在標(biāo)準(zhǔn)電壓下，其可以充電到任何電位，并且可以全部放電。如果系統(tǒng)失效時(shí)相當(dāng)于開路，而且過電壓不會(huì)被擊穿。

3 粒子群優(yōu)化算法原理分析

該算法思想來源于仿生學(xué)的社會(huì)認(rèn)知理論，體現(xiàn)了群智能的特性—即簡(jiǎn)單的智能個(gè)體通過合作產(chǎn)生出復(fù)雜的智能行為[2]。目前，粒子群優(yōu)化算法可以歸納為三個(gè)過程：

3.1 評(píng)價(jià)過程

對(duì)粒子當(dāng)前所處的階段進(jìn)行評(píng)價(jià)，通常是按照特定的適應(yīng)度函數(shù)來評(píng)價(jià)自身適應(yīng)度的好壞。類比自然界中有機(jī)生命的行為，就是有機(jī)生命通過評(píng)估周圍各種環(huán)境激勵(lì)對(duì)自身產(chǎn)生的影響完成對(duì)周圍環(huán)境的學(xué)習(xí)。

3.2 比較過程

指的是粒子群中的粒子與其他的粒子進(jìn)行適應(yīng)度值的比較，以確定學(xué)習(xí)的方向和動(dòng)機(jī)。

3.3 學(xué)習(xí)過程

粒子通過對(duì)自身評(píng)價(jià)以及同周圍其他粒子的比較產(chǎn)生出模擬其他粒子的行為。

通過這三個(gè)過程的有機(jī)結(jié)合，粒子群優(yōu)化算法可以適應(yīng)各種復(fù)雜多變的環(huán)境，用以解決一些比較困難的優(yōu)化問題。

粒子群算法的優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)是初始化時(shí)限制較少，對(duì)問題信息沒有太多的原始依賴。算法的記憶能力和儲(chǔ)存最優(yōu)解的能力較強(qiáng)。其算法比較簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)起來比較容易。粒子群有很強(qiáng)的群智能算法的特性，粒子群的個(gè)體間的信息共享性比較高，有利于信息額搜索。

4 基于改進(jìn)粒子算法的超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)的優(yōu)化配置研究

實(shí)現(xiàn)城軌交通超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)的節(jié)能降耗，穩(wěn)定電壓的功能，需要精確化的能量管理策略參數(shù)和容量配置方案，參數(shù)的不同帶來的是系統(tǒng)最優(yōu)容量配置方案的不同。因此，采用改進(jìn)粒子群算法來構(gòu)建城軌交通供電系統(tǒng)仿真平臺(tái)，輸入實(shí)際運(yùn)行中的能量管理策略參數(shù)，在仿真平臺(tái)粒子群優(yōu)化計(jì)算之下，可以得到基于真實(shí)數(shù)據(jù)下的最優(yōu)能量配置方案，從而為超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)的系統(tǒng)構(gòu)建設(shè)計(jì)出最符合實(shí)際情況的執(zhí)行方案。

4.1 系統(tǒng)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)配置

為了更準(zhǔn)確地通過粒子群算法通過仿真平臺(tái)得出系統(tǒng)容量?jī)?yōu)化配置方案的可靠性與優(yōu)劣性，本文從超級(jí)電容儲(chǔ)存系統(tǒng)的特點(diǎn)和軌道交通能源建設(shè)的幾大因素綜合出發(fā)，以電能節(jié)省與投資成本，電價(jià)之間的關(guān)系，以系統(tǒng)運(yùn)行中電壓改善、使用壽命、能源回收與高效利用這幾個(gè)方面，為粒子群在超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)的計(jì)算中提供了三個(gè)目標(biāo)函數(shù)。

一是經(jīng)濟(jì)效率。經(jīng)濟(jì)效率指的是在軌道交通超級(jí)電容系統(tǒng)的投入成本與產(chǎn)出效益之間的換算比例，以此來得出該系統(tǒng)優(yōu)化配置方案是否具有低投入，高產(chǎn)出，回報(bào)率長(zhǎng)期穩(wěn)定的效果。因此，經(jīng)濟(jì)效率由系統(tǒng)投資成本、節(jié)能綜合受益與設(shè)備使用壽命決定。

二是電壓改善率。軌道交通影響電壓下降的因素很多，主要是受列車牽引功率較大，變電站距離軌道較遠(yuǎn)，供電線路老化，以及兩輛列車同時(shí)啟動(dòng)等因素的影響。而超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)的一大功能就是平衡牽引變電站輸出功率，來補(bǔ)償直流網(wǎng)電壓跌落，讓整個(gè)軌道交通體系在穩(wěn)定的電壓環(huán)境下實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)安全運(yùn)行。

4.2 改進(jìn)粒子群算法在系統(tǒng)優(yōu)化配置中的作用

該優(yōu)化計(jì)算方法可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)城軌交通超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)的最優(yōu)化參數(shù)計(jì)算，并通過參數(shù)在仿真平臺(tái)上的輸入得出最優(yōu)化的配置方案，以此得出目標(biāo)函數(shù)值、經(jīng)濟(jì)效率值和電壓改善率值。通過對(duì)不同城市不同運(yùn)行環(huán)境的軌道交通的實(shí)驗(yàn)，可以分析出優(yōu)化超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)可以使其經(jīng)濟(jì)效益提升15%，電壓改善率提高30%。而且在研究過程中發(fā)現(xiàn)，超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效率與電壓改善率呈現(xiàn)出負(fù)相關(guān)走勢(shì)，因此在系統(tǒng)的優(yōu)化配置中要充分結(jié)合各種因素，實(shí)現(xiàn)能源利用與經(jīng)濟(jì)效率、軌道交通平穩(wěn)運(yùn)行的平衡。

5 結(jié)束語

在未來的城軌交通超級(jí)電容系統(tǒng)優(yōu)化配置技術(shù)規(guī)劃上，要大力發(fā)展車載式技術(shù)，提高電容儲(chǔ)能材料技術(shù)，同時(shí)要大力加強(qiáng)軌道科研技術(shù)與實(shí)踐相結(jié)合的步伐，不斷提高軌道交通硬件設(shè)備與軟件系統(tǒng)數(shù)據(jù)的智能采集，大數(shù)據(jù)運(yùn)算的結(jié)合能力，并在專業(yè)化高素質(zhì)人才隊(duì)伍的帶領(lǐng)下，讓我國(guó)的軌道交通超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)有實(shí)現(xiàn)超越國(guó)際先進(jìn)水平的攻關(guān)能力，不斷增強(qiáng)軌道交通技術(shù)的科技含量，與綠色環(huán)保的生態(tài)理念相融合。