[发明专利]一种兼顾考虑储能使用寿命的多重应用能量控制策略

权利要求书

1.一种兼顾考虑储能使用寿命的多重应用能量控制策略，包括：

S1.获取牵引变电所典型日牵引负荷数据，利用储能式铁路功率调节器进行负荷削峰，制动能量回收并在使用过程中兼顾考虑电池使用寿命，分析该多重应用的特性，确定牵引负荷在不同区间的储能充放电规则；

S2.建立兼顾电池寿命的双层联合优化模型，其中上层模型为储能容量规划模型，下层模型在考虑储能的使用寿命的基础上求解储能系统的最佳调度策略，确定目标函数和约束条件；

上层目标函数为使牵引供电系统经济效益最大：

以多重应用特性为基础建立目标函数；

max(C)＝B₁+B₂+B₃+B₄+B₅+B₆-(C₁+C₂+C₃) (1)

(1)储能成本模型

C₁＝C_{E_bat}E_bat+C_{E_sc}E_sc+C_{P_bat}P_bat+C_{P_sc}P_sc (2)

其中，C_{E_bat}、C_{E_sc}、C_{P_bat}、C_{P_sc}分别为电池和超级电容的单位容量成本和单位功率成本，E_bat、E_sc、P_bat、P_sc分别为电池和超级电容的额定容量和额定功率；

(2)储能运行维护成本

其中，m_bat、m_sc分别为电池和超级电容的维护成本，i_r反应通货膨胀情况，d_r为贴现率，T为储能式铁路功率调节器的使用年限；

(3)电池更换成本

其中，q为T年内电池更换次数，由于超级电容的循环寿命受温度、放电倍数、工作电流波形影响，且受影响程度暂无明确结论，同时其使用寿命长达十年以上，远高于电池的寿命，因此不考虑超级电容的更换；

电池的循环寿命与工作方式密切相关，放电深度D_oD越大，循环寿命越短，放电深度是指在电池使用过程中，电池放出的容量占其额定容量的百分比称为放电深度，以锂电池为例，研究适用于成本核算的电池寿命模型；

其中，N为电池的循环寿命，D_oD为实际放电深度，通过雨流计数法计算电池的放电深度，然后根据电池放电深度与循环寿命的对应关系，得出电池的等效循环寿命，由电池SOC曲线得到的电池工作的放电深度D_oD，则电池在工作周期的等效循环寿命可表示为

其中，N(1)为放电深度100％时电池的循环次数，N(D_oD(i))为第i次放电深度对应的电池循环次数；

电池的更换可定义为：

当q＝1时，则可认为本批次电池需要更换；

(4)牵引变压器投资成本收益

B₁＝C_EVv(S_Vvα+S_Vvβ-S′_Vv) (8)

其中，C_EVv是牵引变压器容量成本，S_Vvα+S_Vvβ＝S_Vv为牵引变压器的配置容量，牵引变压器在负荷削峰后所需的功率降低，根据削峰线L₁核算容量，S′_Vv＝γL₁，按照变压器的性质，取

(5)牵引变压器运行维护成本收益

其中，C_mV为牵引变压器年运行维护成本；

(6)基本电费收益

其中，Y_base为基本电费；

(7)电度电费收益

其中Y_watt为电度电费，T_ESS为削峰对应的时间，P(t)为负荷曲线，L₁为削峰线；

(8)电网公司补贴

其中，ΔP_ess为储能系统最大调峰功率，C_up为削减单位功率高峰负荷而补贴的金额；

(9)环境效益

由于启用调峰机组而减少产生的污染物会对环境造成影响，其排污成本估算：

其中，σ为调峰机组的碳排放因子，1.01kg/kW·h，T_carb按照目前国际现行的碳税典型价格1.36元/kg进行估算；

上层模型为储能容量规划模型，用于求解储能的最佳容量，其目标函数为该上层优化的总目标函数，使得整个储能式铁路功率调节器获得最大的收益，以削峰线L₁和制动能量回收线L₂作为决策变量进行优化，需要满足式(14)～(17)的约束条件；

P_avg≤L₁≤P_max (14)

P_min≤L₂≤0 (15)

ΔP_{ESS_d}＝P_max-L₁ (16)

ΔP_{ESS_c}＝L₂-P_min (17)

上层模型能够计算出表达式C中的B₁、B₂、B₃、B₅、B₆、C₁、C₂值，而C₃、B₄与储能系统的实际运行情况相关，由下层模型进行计算并返回，设第n次迭代的L₁、L₂分别取值为和由此计算出P_bat、P_sc、E_bat、E_sc并传递给下层模型，其中，P_bat、P_sc为电池和超级电容的额定功率，E_bat、E_sc为电池和超级电容的额定容量；

下层模型在考虑储能的使用寿命的基础上求解储能系统的最佳调度策略，针对不同状态下的储能控制其出力，制定最优调度策略，得出电池最优使用寿命，计算出C₃、B₄返回至上层模型计算总收益；

下层优化目标函数如式(18)所示：

min(C₃) (18)

以超级电容SOC安全区参数k₁、k₂及其充放电限制参数n₁、n₂作为决策变量继续优化，需要满足式(19)～(20)的约束条件；

SOC_batmin＜SOC_bat(t)＜SOC_batmax (19)

SOC_scmin＜SOC_sc(t)＜SOC_scmax (20)

其中，SOC_batmin、SOC_batmax、SOC_scmin、SOC_scmax分别为电池和超级电容的荷电状态的最大值和最小值；

为了保证电池和超级电容能够循环利用，需要保证电池和超级电容在初始时刻与充放电结束时刻的SOC状态相等；

其中，P_{bat_c}、P_{bat_d}、P_{sc_c}、P_{sc_d}分别为电池和超级电容的充、放电功率；

下层模型在接受上层传递来的P_bat、P_sc、E_bat、E_sc，优化得到电池和超级电容的最优充放电路径P_{curve_bat}、P_{curve_sc}，从而计算得出C₃、B₄并返回至上层模型中计算总收益；

S3.根据储能SOC在不同区间的状态确定下层储能的充放电调整规则。