一种电气化铁路参与电力系统频率调节的控制方法与流程

1.本发明涉及一种电气化铁路参与电力系统频率调节的控制方法，属于负荷侧管理与电力系统频率控制领域。


背景技术：

2.电力系统的频率反映了源荷功率平衡，是电力系统最重要的参数之一。随着越来越多的可再生能源代替传统发电机组接入电网，电力系统的频率控制正面临着巨大的挑战。完全依靠发电机组进行频率调节的传统方法在高波动性、强间歇性可再生能源大量接入的情况下将变得不充分也不经济。近年来，负荷侧参与到电力系统的频率控制是负荷侧管理与电力系统频率领域的热点问题之一。大量研究表明空调、热泵、电动汽车等灵活性负荷具有参与电力系统频率控制的能力。与空调、热泵、电动汽车相比，电气化铁路的动态过程相对较快，单个列车无法长时间维持调节功率，目前尚没有公开发表的关于电气化铁路参与频率调节的研究。事实上，在不影响列车准点到站的前提下，列车具有短时间调整运动状态的能力，这使得电气化铁路具有参与频率调控的理论潜力。此外，现代电气化铁路具有自然的列车调度中心和分层结构，也具有车地双向通信装置，非常有利于集中管理，这也为电气化铁路参与频率调控提供了现实基础。


技术实现要素：

3.为了克服现有技术的不足，本发明的目的是提出一种电气化铁路参与电力系统频率调节的控制方法。
4.为了实现上述目的，本发明采用了如下的技术方案：
5.一种电气化铁路参与电力系统频率调节的控制方法，该方法首先建立列车在调频控制下的运动学模型；在此基础上，提出了一个包含日前容量估计、日内调频参数分配、实时频率响应在内的电气化铁路频率控制框架；为了有效求解在日前容量估计和日内调频参数分配阶段构建的非线性整数优化问题，提出了一种序列割平面算法。
6.具体的方法如下：
7.(1)建立列车在调频控制下的运动学模型
8.列车在牵引挡位u下运动的动力学模型为：
[0009][0010][0011]
其中m为列车质量，γ为回转系数，θ为铁轨坡度，g为重力加速度，a0,a1,a2为空气阻力系数，pm为列车最大牵引功率。以当前速度v，当前位置x为初始条件,求解此微分方程在时间t处的值，得到列车运动的速度函数v(x,v,u,t)和位置函数x(x,v,u,t)。
[0012]
为了保证列车能够在提供频率调控服务后仍能准点到站，提出一种使得列车尽快
到站的边界驾驶策略，在边界驾驶策略下，列车仅仅在道路限速和本身牵引力的限制下行驶。只要在边界驾驶策略下列车能够准点到站，那么必存在一种更优的驾驶策略能够使得列车在提供调频服务后准点到站，这种更优的驾驶策略可由列车的自动驾驶系统计算得到。边界驾驶策略描述如下：
[0013]
a)列车首先以最大牵引挡位加速；
[0014]
b)如果列车在制动点前的速度到达了道路限速，则开始恒速巡航，否则列车仍然以最大牵引挡位运行；
[0015]
c)列车到达制动点后以常用制动力开始制动直到到站。
[0016]
如果列车当前速度为v，当前位置为x，当前时间为t，在边界驾驶策略下的到站时间记为t
arr
(x,v,t)。
[0017]
(2)提出一个包含日前容量估计、日内调频参数分配、实时频率响应在内的电气化铁路频率控制框架
[0018]
电气化铁路频率控制框架如图1所示，主要包含日前容量估计、日内调频参数分配、实时频率响应。日前容量估计：根据列车的计划运行信息估计列车最大调频容量电力系统返回接受的容量p
up
；日内调频参数分配：在每一个时间段内给每个列车分配下一时间段的触发频率f
tri
(uz)和触发频率的牵引挡位uz；实时频率响应：列车根据触发频率f
tri
(uz)和触发频率的牵引挡位uz实时响应电力系统的频率变化，辅助电力系统的频率调节。电气化铁路参与电力系统频率调节的整体流程如图2所示。
[0019]
由于列车在两个站点之间运行的时间总共只有十几到几十分钟，而电力系统规定的一次调频功率持续时间也为十几到几时分钟，单个列车很有可能无法按照电力系统的规定的时长维持一次调频功率，因此提出一种多车协同控制策略，通过构建日前容量估计优化问题和日内调频功率分配问题，协调控制多辆列车联合起来共同提供满足要求的调频服务。首先把时间间隔离散化，每一段间隔时长为t0，每辆列车可以选择以一定的功率在连续的几个时间间隔内提供频率响应，多辆列车联合起来共同提供满足要求的调频服务，具体的细节如下：
[0020]
a)日前容量估计：设列车i的行车计划为：位置-时间关系和速度-时间关系列车i从时间段到时间段提供频率控制服务，列车在时间段的初始时刻和时间段的结束时刻的位置和速度分别记为的结束时刻的位置和速度分别记为计算方法如下：
[0021][0022][0023][0024][0025]
为了减少列车的速度波动，列车的速度应在一定范围内变化：
[0026][0027]
其中，是速度下限，是铁路限速。为了保证列车准点到站，列车在边界驾驶策
略下的到站时间应该早于规定的到站时间：
[0028][0029]
其中是规定的到站时间，是预留的时间裕量。列车i在第n个时间段提供的调频功率可以表示为：
[0030][0031]
其中，是当前牵引挡位和最低调频牵引挡位的差；表示特征函数：如果否则为了联合控制多个列车共同满足电力系统规定的调频功率和持续时间需求，列车的调频容量估计问题可以表示为一个优化问题，目标函数即为容量最大化：
[0032][0033]
其中n
et
是列车总数。
[0034]
b)日内调频参数分配：在日内调频参数分配阶段，需要在每个时间段内决定下一个时间段的频率控制参数。首先需要决定下一个时间段参与调频的列车i以及最低调频挡位假设电力系统接受的调频容量为p
up
，为了完全履行调频任务，要求每个时间段的总调频功率大于p
up
：
[0035][0036]
除此之外，在a)中所述的保证列车准点到站的约束和列车速度波动范围的约束仍然应该满足。
[0037]
列车参与调频的代价可以用列车的代价系数qi乘上列车参与调频的能量表示：
[0038][0039]
其中，n
pdt
是电力系统要求的调频功率持续时间。于是，下一个时间段参与调频的列车i以及最大的调频挡位可以表示为优化问题，其目标函数为：
[0040][0041]
求解此优化问题得到下一时间段参与调频的列车i和最低调频挡位在下一个时间段参与调频的列车根据它们的代价系数从低到高排序，为了提供更加接近线性的一次调频下垂曲线，如果在当前牵引挡位和最低调频挡位之间还有其它牵引挡位也为这些牵引挡位分配触发频率：
[0042][0043]
其中，oi表示排在列车i之前的列车的集合，f0是系统正常频率，δf
db
是一次调频死区，δf
max
是最大频率偏差。
[0044]
c)实时频率响应：在实时频率响应阶段，列车根据分配到的频率控制参数：触发频率f
trii
(u
zi
)和触发频率的牵引挡位u
zi
对系统频率偏差进行实时响应。具体的，列车实时监控电网频率，如果电网频率低于触发频率f
trii
(u
zi
)，那么列车将牵引挡位调整至u
zi
。
[0045]
(3)为了有效求解在日前容量估计和日内调频参数分配阶段构建的非线性整数优化问题，提出一种序列割平面算法
[0046]
由于所提的电气化铁路参与频率调节的流程中的容量估计问题和功率分配问题涉及到非线性整数优化问题的求解，因此提出一种序列割平面算法来有效求解这两个优化问题。
[0047]
a)单独可行点集合：首先求解出每个列车单独的可行点集合，即能够保证本列车准点到站以及满足速度波动限制的调控点的集合：
[0048][0049]
b)线性松弛：取ωi的凸包，并将其用线性不等式表示：
[0050][0051]
其中li,li分别是线性不等式的系数矩阵和右端向量。
[0052]
c)割平面：直接以为约束求解优化问题，若松弛问题的解不是原问题的可行解，即不在ωi中，此时，可以找到一个在ωi中的点使得最大。用一个割平面将割掉并保留同时尽可能多地保留ωi中的可行点。设割平面方程为：
[0053]
ax by cz d≤0
[0054]
若以bj＝1表示ωi中的点未被此割平面割掉，则割平面的系数可以由如下优化问题决定：
[0055][0056][0057][0058]
这是一个较小规模的混合整数线性规划问题，可以使用常规的混合整数线性规划求解器求解。
[0059]
d)迭代：设置变量β来存储优化问题的上界，设置变量α来存储优化问题的下界。持续进行b)和c)过程。
[0060]
在每一次迭代过程中，若松弛问题的解可行：则结束迭代。
[0061]
若松弛问题的解不可行：将这个解的目标函数值作为原始优化问题的一个上界，并更新最小上界变量β，形成割平面，得到使最大的可行解，将此可行解对应的目标函数值作为原始优化问题的下界，并更新最大下界变量α；若上下界之间的差距在容忍范围δ内：
[0062]
(β-α)/α＜δ
[0063]
则结束迭代，否则，将割平面加入到松弛问题的约束中继续迭代过程。
[0064]
本发明的有益效果是：
[0065]
本发明提出了一种电气化铁路参与电力系统频率调节的控制方法，该方法考虑了列车运动的快速动态，在保证列车准点到站的前提下，使列车有能力为电力系统提供一次调频服务；多列车联合响应策略协调控制多个列车共同提供满足电力系统规范的频率控制服务，克服了单个列车调节功率持续时间不足的问题；提出了电气化铁路频率控制框架，在不增加任何新的基础设施投资的情况下让电气化铁路参与到电力系统的频率控制中；提出一种序列割平面算法，能够有效求解在日前容量估计和日内调频参数分配阶段构建的非线性整数优化问题。本发明方法能够有效改善电力系统的频率响应动态，对高比例可再生能源电力系统的运行控制具有明显支撑作用。
附图说明
[0066]
图1为电气化铁路频率控制框架图；
[0067]
图2为电气化铁路参与电力系统频率控制整体流程图；
[0068]
图3为多车协同控制策略示意图。
具体实施方式
[0069]
以下结合附图与实施实例对本发明做进一步说明。
[0070]
如图1所示为本发明提出的包含日前容量估计、日内调频参数分配、实时频率响应在内的电气化铁路频率控制框架。
[0071]
图2为电气化铁路参与电力系统频率控制整体的流程图。下面介绍具体的执行流程。
[0072]
根据所提列车运动方程计算方法，离线计算速度函数v(x,v,u,t)、位置函数x(x,v,u,t)、边界驾驶策略下的到站时间函数t
arr
(x,v,t)。
[0073]
多车协同控制策略的一个示意图如图3所示：首先把时间间隔离散化，每一段间隔时长为t0，t0在1分钟到3分钟左右。虚线表示电力系统要求的调频功率和持续时间，每一个标有et的小长方形表示一辆电气化列车(et，electric train)提供的调频服务，长方形的长表示调频功率的持续时间，长方形的高表示提供的调频功率。每辆列车可以选择以一定的功率在连续的几个时间间隔内提供频率响应，多辆列车联合起来共同提供满足要求的调频服务，在图中表现为12个小方块合起来覆盖了虚线所围的区域。
[0074]
日前容量估计：根据列车计划行车信息，即位置-时间关系和速度-时间关系指定列车能够提供频率控制的区域为从位置到计算列车计划到达和离开调频控制区域的时间为和计算其所在的离散时间段和构建日前容量估计优化问题，
目标函数为：
[0075][0076]
约束为：
[0077][0078][0079][0080][0081][0082][0083][0084][0085]
根据所提序列割平面算法，设置迭代结束时目标函数上下界差距的容忍范围δ，大约在0.5％到5％之间，迭代求解优化问题得到最大调频容量将最大调频容量提交给电力系统，电力系统返回接受的调频容量p
up
。
[0086]
日内调频参数分配：根据列车实时行车信息，即位置-时间关系和速度-时间关系构建功率分配问题，目标函数为：
[0087][0088]
约束为：
[0089][0090][0091][0092][0093][0094][0095][0096][0097]
[0098][0099]
根据所提序列割平面算法，设置迭代结束时目标函数上下界差距的容忍范围δ，大约在0.5％到5％之间，迭代求解优化问题得到下一时间段参与调频的列车i和最低调频挡位在下一个时间段参与调频的列车根据代价系数从低到高排序，如果在当前牵引挡位和最低调频挡位之间还有其它牵引挡位为这些牵引挡位分配触发频率：
[0100][0101]
实时频率响应：列车实时监控电网频率，如果电网频率低于触发频率f
trii
(u
zi
)，那么列车将牵引挡位调整至u
zi
。
[0102]
以上结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，并非对本发明保护范围的限制，所有利用本发明说明书及附图内容所做的等效模型或等效算法流程，通过直接或间接运用于其他相关技术领域，均属本发明的专利保护范围内。