本发明涉及城市轨道交通再生制动能量储存利用技术领域，特别是一种超级电容式无人驾驶地铁储能系统容量配置方案。
背景技术：
地铁列车具有启停频繁、运行密度大、站间运行距离短等特点，其制动能量相当可观。列车的制动方式主要包括机械制动和再生制动两种方式，机械制动通过闸瓦摩擦车轮踏面，将列车的动能直接转换为热能耗散在空气中。该方式对列车动能造成浪费，同时造成了诸如闸瓦磨损、粉尘污染和隧道温升等问题。再生制动的原理是当列车制动时，牵引电机的电动机工况转变为发电机工况，列车动能转化为再生电能，通过变换电路和受电弓(或第三轨)将再生能量反馈给牵引网，提供给辅助电源或相邻运行列车使用，有效利用这部分再生制动能量，将极大地降低列车运行能耗，提高节能效率，该部分已经成为目前相关研究的难点问题。
在再生制动能量处理系统的选择上，电阻吸收系统的优点在于设备造价相对较低，控制维护简单，主要不足是车辆再生制动能量消耗在吸收电阻上，未加以利用，造成能量的浪费。采用逆变吸收系统回收制动能量会对牵引网的谐波产生极大的影响。飞轮储能系统的核心技术受限于应用领域的影响，大面积的应用非常困难。
车载超级电容需要在每辆列车上设置车载储能系统，随着客流密度的加大、列车数量增大，投资成本也在不断的增长。车载储能系统安装在列车上必然会增加列车的重量，容易受到灰尘、油污的侵染，车上的振动冲击使其容易受损，维修费用较高。
传统超级电容充放电为soc控制，通过调节充放电电流的流向实现。根据soc限制曲线可知，充电过程中，当超级电容的soc值接近0.95时，减小充电电流，防止过充，同理放电过程，当超级电容的soc值接近下限0.25时，减小放电电流，防止超级电容过放，该方式需要设置足够容量的超级电容，加重投入成本。
目前设计变电所的超级电容容量配置方式为考虑上、下行两列车同时进站，计算变电所供电区间剩余的再生制动功率及再生制动能量，作为容量配置的依据，未考虑轨道交通系统处于多车运行工况，车与车、车与网、车与超级电容之间均存在能量交互过程，能量交互会影响供牵引网上剩余再生能量的分布，进而影响对储能系统的容量配置。
技术实现要素：
所要解决的技术问题：
本发明提供一种无人驾驶地铁地面式超级电容储能系统容量配置方案，该方案综合考虑列车运行图、线路参数及车辆参数，以节能效率高、成本低为目标进行容量配置，能够提高整个系统再生制动能量回收效率、节省超级电容成本。
技术方案：
一种无人驾驶地铁地面式超级电容储能系统容量配置方案，其特征在于：根据无人驾驶地铁列车负载、辅助功率和制动特性曲线得到单车再生制动能量，结合运行图与线路信息计算超级电容储能系统供电区间内多车剩余再生制动能量，配置地面超级电容储能系统容量；通过判断剩余再生制动能量是否完全被吸收来确定是否需要对系统容量配置进行调整，最后根据配置方案的节能效率及投资成本，建立优化目标函数，以目标函数值最小为最优，调整容量配置方案，以实现超级电容储能系统容量最优配置。
进一步地，采用地面式超级电容储存无人驾驶地铁列车剩余再生制动能量，将超级电容安装在牵引变电所中，可降低车体自重、节省车体空间及维修成本，超级电容充放电循环次数可达到50万次以上，适用于启动、制动频繁的无人驾驶地铁列车。
进一步地，通过无人驾驶地铁列车负载、辅助功率和制动特性确定单车再生制动能量。
进一步地，综合考虑列车运行图、线路信息及车辆参数计算超级电容储能系统供电区间内多车剩余再生制动能量，初步配置超级电容储能系统容量，最后通过判断各超级电容储能系统供电区间内剩余再生制动能量是否完全被吸收来确定是否需要对系统容量配置进行调整，其中，列车运行图提供发车间隔、上下行发车时间差信息；线路信息提供线路坡度信息、变电所位置以及站点位置信息；车辆参数提供列车负载、辅助功率及制动特性信息。
进一步地，首先计算单车再生制动能量e，将无人驾驶地铁列车制动特性曲线分为四种运行工况，oa段为低速运行、ab段为恒力矩运行、bc段为恒功率运行和cd段为自然运行，根据曲线提供的制动力-速度(f-v)序列，忽略低速运行阶段，计算得到单车再生制动能量e：
式中，p为列车制动功率，f为各时刻制动力，v为各时刻运行速度，t1为ab段运行时间，t2为bc段运行时间，t3为cd段运行时间。
进一步地，通过无人驾驶地铁列车运行图得到上下行车辆运行信息，计算单车剩余再生制动能量eo，再生制动能量e一部分用于提供辅助电源能量er，另一部分为回馈至牵引网的能量eh，辅助电源能量er包括超级电容储能系统供电区间辅助设备能量ea及超级电容储能系统供电区间线路损耗能量el，单车剩余再生制动能量eo可表示为：
式中，sa为辅助设备容量，
进一步地，以无人驾驶地铁列车运行图为基础计算超级电容储能系统供电区间内多车剩余制动能量ere，由列车运行图得到单车速度-时间(v-t)、位移-时间(s-t)序列，提供全线上、下行所有列车位置信息；借助列车运行发车间隔、上下行时间差确定超级电容储能系统供电区间内制动列车与启动列车数目，结合列车负载、辅助功率、制动特性确定剩余再生制动能量，计算超级电容储能系统供电区间内多车剩余再生制动能量ere，可表示为：
ere＝ebe-ea-el-ese(3)
式中，ebe为超级电容储能系统供电区间内列车再生制动总能量，ese为超级电容储能系统供电区间内列车启动总能量。
进一步地，通过判断各超级电容储能系统供电区间内剩余再生制动能量是否被完全吸收来确定是否需要对系统容量配置进行调整。
进一步地，综合考虑超级电容储能系统容量配置方案的节能效率及投资成本，为平衡节能效率与投资成本的比重，建立优化目标函数，以目标函数值最小为最优对容量配置进行调整，所述目标函数φ为：
式中，ω为超级电容成本比重，d为超级电容所含单体电容数量，s为单体电容价格，eφ为节能效率，eb为超级电容安装后全线列车运行能耗，et为超级电容安装前全线列车运行能耗。
进一步地，该配置方案根据不同的列车运行图、线路信息及车辆参数配置超级电容储能系统容量，可保证储能系统容量能够完全吸收剩余再生制动能量进而维持牵引网电压稳定，在列车启动或加速时提供能量支持，减少牵引网电压波动，并且可以满足超级电容成本与能量利用效率之间的比重平衡，达到最优容量配置的目的。
与现有技术相比，本发明能够提高列车再生制动能量利用率，提高整个系统再生制动回收的效率，节省超级电容成本，在列车启动或加速时提供部分功率支持，减少牵引网电压波动。
附图说明
图1为本发明的无人驾驶地铁列车制动特性曲线；
图2为本发明的超级电容储能系统容量配置流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行说明：
根据无人驾驶地铁列车负载、辅助功率和制动特性曲线等车辆参数得到单车再生制动能量，结合列车运行图各参数与线路信息计算出超级电容储能系统供电区间内多车剩余再生制动能量，配置超级电容储能系统容量，当牵引网电压值过大时，储能系统吸收剩余再生制动能量；当牵引网电压值过小时，储能系统释放能量，为列车提供牵引能量，从而减少牵引网电压波动；通过判断剩余再生制动能量是否被完全吸收来确定是否需要对系统容量配置进行调整，最后根据配置方案的节能效率及投资成本，建立优化目标函数，以目标函数值最小为最优，调整容量配置方案，以实现超级电容储能系统容量最优配置。
采用地面式超级电容储存无人驾驶地铁列车剩余再生制动能量，将超级电容安装在牵引变电所中，可降低车体自重、节省车体空间及维修成本，超级电容充放电循环次数可达到50万次以上，适用于启动、制动频繁的地铁列车。当无人驾驶地铁列车启动或加速时，牵引网电压下降，超级电容向牵引网放电，维持牵引网电压稳定；当无人驾驶地铁列车制动或减速时，牵引网电压上升，为超级电容充电，防止牵引网电压波动过大。
首先通过列车负载、辅助功率和制动特性等车辆参数确定单车再生制动能量，然后综合考虑列车运行图、线路信息及车辆参数计算超级电容储能系统供电区间内多车剩余再生制动能量，初步配置超级电容储能系统容量，最后通过判断各超级电容储能系统供电区间内剩余再生制动能量是否被完全吸收来确定是否需要对系统容量配置进行调整。其中，列车运行图提供发车间隔、上下行发车时间差信息；线路信息提供线路坡度信息、变电所位置以及站点位置信息；车辆参数提供列车负载、辅助功率及制动特性信息。
1)单车再生制动能量e：
如图1所示，无人驾驶地铁列车制动特性曲线分为四种运行工况，a段为低速运行、ab段为恒力矩运行、bc段为恒功率运行和cd段为自然运行，该曲线提供无人驾驶地铁列车制动力-速度(f-v)序列。列车从高速开始减速时，首先经过cd段自然运行和bc段恒功率运行阶段，列车在高速区时制动力不足，为了能够获得足够大的制动减速度，需要空气制动参与；当列车减速进入ab段恒转矩运行时，列车制动力则完全由列车再生制动力提供。由于oa段低速运行时再生制动能量较小，忽略该运行状态下的能量，根据列车制动特性曲线，计算得到单车再生制动能量e：
式中，p为列车制动功率，f为各时刻制动力，v为各时刻运行速度，t1为ab段运行时间，t2为bc段运行时间，t3为cd段运行时间。
2)单车剩余再生制动能量eo：
再生制动能量e一部分用于提供辅助电源能量er，另一部分为回馈至牵引网的能量eh，辅助电源能量er包括超级电容储能系统供电区间辅助设备能量ea及超级电容储能系统供电区间线路损耗能量el，单车剩余再生制动能量eo可表示为：
式中，sa为辅助设备容量，
3)超级电容超级电容储能系统供电区间内多车剩余制动能量ere：
由无人驾驶地铁列车运行图得到单车速度-时间(v-t)、位移-时间(s-t)序列，提供全线上、下行所有列车位置信息，借助列车运行发车间隔、上下行时间差确定超级电容储能系统供电区间内制动列车与启动列车数目；结合列车负载、辅助功率、制动特性确定剩余再生制动能量，计算超级电容储能系统供电区间内剩余再生制动能量ere，可表示为：
ere＝ebe-ea-el-ese(3)
式中，ebe为超级电容储能系统供电区间内列车再生制动总能量，ese为超级电容储能系统供电区间内列车启动总能量。
综合考虑超级电容储能系统容量配置方案的节能效率及投资成本，为平衡节能效率与投资成本比重，建立优化目标函数，以目标函数值最小为最优对容量配置进行调整，所述目标函数φ为：
式中，ω为超级电容成本比重，d为超级电容所含单体电容数量，s为单体电容价格，eφ为节能效率，eb为超级电容安装后全线列车运行能耗，et为超级电容安装前全线列车运行能耗。
根据不同的列车运行图、线路信息及车辆参数，使用该方案配置超级电容储能系统容量，可保证储能系统容量能够完全吸收剩余再生制动能量进而维持牵引网电压稳定，在列车启动或加速时提供能量支持，减少牵引网电压波动，并且可以满足超级电容成本与能量利用效率之间的比重平衡，达到最优容量配置的目的。
1.一种无人驾驶地铁地面式超级电容储能系统容量配置方法，其特征在于：根据无人驾驶地铁列车负载、辅助功率和制动特性曲线得到单车再生制动能量，结合运行图与线路信息计算超级电容储能系统供电区间内多车剩余再生制动能量，配置地面超级电容储能系统容量；通过判断剩余再生制动能量是否完全被吸收来确定是否需要对系统容量配置进行调整，最后根据配置方案的节能效率及投资成本，建立优化目标函数，以目标函数值最小为最优，调整容量配置方案，以实现超级电容储能系统容量最优配置。
2.根据权利要求1所述的一种无人驾驶地铁地面式超级电容储能系统容量配置方法，其特征在于：采用地面式超级电容储存无人驾驶地铁列车剩余再生制动能量，将超级电容安装在牵引变电所中，可降低车体自重、节省车体空间及维修成本，超级电容充放电循环次数可达到50万次以上，适用于启动、制动频繁的无人驾驶地铁列车。
3.根据权利要求1所述的一种无人驾驶地铁地面式超级电容储能系统容量配置方法，其特征在于：无人驾驶地铁列车制动特性曲线分为四种运行工况，oa段为低速运行、ab段为恒力矩运行、bc段为恒功率运行和cd段为自然运行，根据曲线提供的制动力-速度(f-v)序列，忽略低速运行阶段，计算得到单车再生制动能量e：
式中，p为列车制动功率，f为各时刻制动力，v为各时刻运行速度，t1为ab段运行时间，t2为bc段运行时间，t3为cd段运行时间。
4.根据权利要求1所述的一种无人驾驶地铁地面式超级电容储能系统容量配置方法，其特征在于：通过无人驾驶地铁列车运行图得到上下行车辆运行信息，计算单车剩余再生制动能量eo，再生制动能量e一部分用于提供辅助电源能量er，另一部分为回馈至牵引网的能量eh，辅助电源能量er包括超级电容储能系统供电区间辅助设备能量ea及超级电容储能系统供电区间线路损耗能量el，单车剩余再生制动能量eo可表示为：
式中，sa为辅助设备容量，
5.根据权利要求1所述的一种无人驾驶地铁地面式超级电容储能系统容量配置方法，其特征在于：以无人驾驶地铁列车运行图为基础计算超级电容储能系统供电区间内多车剩余制动能量ere，由列车运行图得到单车速度-时间(v-t)、位移-时间(s-t)序列，提供全线上、下行所有列车位置信息；借助列车运行发车间隔、上下行时间差确定超级电容储能系统供电区间内制动列车与启动列车数目，结合列车负载、辅助功率、制动特性确定剩余再生制动能量，计算超级电容储能系统供电区间内多车剩余再生制动能量ere，可表示为：
ere＝ebe-ea-el-ese(3)
式中，ebe为超级电容储能系统供电区间内列车再生制动总能量，ese为超级电容储能系统供电区间内列车启动总能量。
6.根据权利要求1所述的一种无人驾驶地铁地面式超级电容储能系统容量配置方法，其特征在于：综合考虑超级电容储能系统容量配置方案的节能效率及投资成本，为平衡节能效率与投资成本的比重，建立优化目标函数，以目标函数值最小为最优对容量配置进行调整，所述目标函数φ为：
式中，ω为超级电容成本比重，d为超级电容所含单体电容数量，s为单体电容价格，eφ为节能效率，eb为超级电容安装后全线列车运行能耗，et为超级电容安装前全线列车运行能耗。
7.根据权利要求1所述的一种无人驾驶地铁地面式超级电容储能系统容量配置方法，其特征在于：根据不同的列车运行图、线路信息及车辆参数，使用该方法配置超级电容储能系统容量，可保证储能系统容量能够完全吸收剩余再生制动能量进而维持牵引网电压稳定，并且可以满足超级电容成本与能量利用效率之间的比重平衡，达到最优容量配置的目的。
技术总结