一種儲能式城軌列車的節能與安全綜合計算方法與流程
2024-03-10 01:57:15
本發明涉及一種城軌列車節能與安全計算方法，尤其是涉及一種儲能式城軌列車的節能與安全綜合計算方法。
背景技術：
隨著儲能技術的不斷成熟與完善，將新型儲能器件應用於城市軌道交通車輛制動能量回收是國內外研究的熱點。從廣義上講，儲能式城軌車輛就是裝載儲能系統的城軌車輛。車輛的牽引動力由儲能系統部分或全部提供。它不僅適用於城市軌道交通頻繁起停的特點，實現車輛制動能量回收與再利用；還可以獨立於牽引供電網進行自牽引，從而降低對供電網的依賴、避免牽引網故障導致的車輛停運，實現車輛運行方式的靈活化。
儲能系統的接入給儲能式城軌車輛的安全與節能性研究帶來了新的挑戰。儲能器件的選擇、儲能系統的管理方式和控制策略、大功率電力電子控制器等因素都會對城軌車輛的節能與安全造成影響。此外，在節能與安全效果的評估中，還應綜合考慮儲能系統的製造代價、使用壽命、廢棄處理成本等綜合因素，才具有真正的現實意義和指導價值。目前，對城市軌道交通節能和安全領域的研究相對獨立，從綜合角度對兩者的研究還較少，缺乏一套具有一定理論基礎的綜合評判指標。
影響儲能式城軌車輛節能與供電安全的因素具有複雜性、耦合性、多層次、多信息量等特點，涉及到信號處理、概率統計、資訊理論、模式識別、模糊數學等知識領域，需要將多源信息融合併提取和優化相應的特徵指標。現在還未有適用於儲能式城軌車輛，適用於多目標需求的綜合計算方法。
技術實現要素：
本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種儲能式城軌列車的節能與安全綜合計算方法。
本發明的目的可以通過以下技術方案來實現：
一種儲能式城軌列車的節能與安全綜合計算方法，所述的城軌列車由多輛儲能車輛組成，其特徵在於，該方法包括以下步驟：
(1)獲取加入儲能模塊和未加入儲能模塊的城軌列車牽引電能，計算節能效率η；
(2)獲取儲能模塊節能因素比值；
(3)根據節能效率η和儲能模塊節能因素比值計算城軌列車的節能指數為A；
(4)獲取城軌列車運行出錯概率為Ec，儲能模塊出錯概率為Ee；
(5)根據參數Ec、Ee計算城軌列車的安全指數為B；
(6)將節能指數A和安全指數B利用加權相加求和法計算得到城軌列車的安全節能率C。
步驟(1)包括如下子步驟：
(101)計算節能電量W，其計算公式為：W＝W1-W2；
(102)計算節能效率η，其計算公式為：η＝(W/W1)×100％；
其中W1為未加入儲能模塊的城軌列車牽引電能，W2為加入儲能模塊的城軌列車牽引電能。
步驟(2)中所述的節能因素比值包括容量比值L＝Le/Lr、功率密度比值P＝Pe/Pr和質量比值M＝Me/Mr，其中Le為儲能模塊設計總容量，Lr為城軌列車剩餘再生制動能量，Pe為儲能模塊實際功率密度，Pr為儲能模塊參考功率密度，Me為單輛儲能車輛中儲能模塊實際質量，Mr為單輛儲能車輛中儲能模塊參考質量。
步驟(3)中節能指數為A的計算公式為：A＝η·(a·L+b·P-c·M)，其中a，b，c為權重係數，且滿足a+b+c＝1，a∈[0.1，0.2]，b∈[0.65,0.75]，c∈[0.05,0.25]。
步驟(4)中獲取城軌列車運行出錯概率Ec包括如下子步驟：
(201)採用Petri網方式計算單輛儲能車輛工作設定天數的出錯概率為Fc；
(202)計算城軌列車的出錯概率Ec，其計算公式為：Ec＝1-(1-Fc)n，其中n為組成城軌列車的儲能車輛輛數。
步驟(4)中獲取儲能模塊出錯概率Ee包括如下子步驟：
(301)採用Petri網方式計算單輛儲能車輛中儲能元件工作所述的設定天數的出錯概率Fe；
(302)計算儲能列車中儲能元件出錯概率Ee，其計算公式為：Ee＝1-(1-Fe)n， 其中n為組成城軌列車的儲能車輛輛數。
儲能車輛中儲能元件為飛輪、超級電容、鉛酸電池、釩電池、鈉硫電池和鋰離子電池中一種。
步驟(5)中安全指數B計算公式為：B＝(1-100·Ec)×(1-100·Ee)。
步驟(6)中採用加權相加求和法計算安全節能率C計算公式為：C＝x·A+y·B，其中x和y分別為權重係數，且滿足x+y＝1，x∈[0.35,0.45]，y∈[0.55,0.65]。
與現有技術相比，本發明具有如下優點：
(1)節能和安全領域的研究在很多情況下相對立，而安全節能率能夠通過考慮多種因素，結合安全和節能這兩個相互影響的方面，給出一個很具有現實工程意義和價值的數值作為參考。
(2)除了節能效率的另外，考慮影響節能效率的三個主要的節能因素比值：容量比值、功率密度比值和質量比值，能夠較好地區別不同種類的儲能模塊的實際綜合節能性能。
(3)安全指數B計算是基於儲能模塊的主要部件出錯概率的多源因素綜合評估，與實際結合緊密，有很高實踐的價值。
(4)安全性指數B計算綜合現在技術成熟的幾種儲能元件，包括飛輪、超級電容、鉛酸電池、釩電池、鈉硫電池和鋰離子電池，適用範圍大。
(5)該方法步驟簡單，最後得到具體的安全節能率指數，具有較高的可信度。
附圖說明
圖1為本發明節能與安全綜合計算方法的流程圖。
具體實施方式
下面結合附圖和具體實施例對本發明進行詳細說明。
實施例
如圖1所示，一種儲能式城軌列車的節能與安全綜合計算方法流程圖，該實施例中城軌列車由6輛儲能車輛組成，且每輛儲能車輛中儲能元件均採用超級電容，所述的計算方法包括以下步驟：執行步驟1獲取城軌列車各項實驗數據或者仿真數據，主要包括電網輸入電能、再生制動回饋電網的電能、制動電阻電能損耗，列車牽引電能，根據加入儲能模塊和未加入儲能模塊的城軌列車牽引電能，計算節能效 率η；執行步驟2獲取儲能模塊節能因素比值；執行步驟3根據節能效率η和儲能模塊節能因素比值計算城軌列車的節能指數為A；執行步驟4獲取城軌列車運行出錯概率為Ec，儲能模塊出錯概率為Ee；執行步驟5根據參數Ec和Ee計算城軌列車的安全指數為B；執行步驟6將節能指數A和安全指數B利用加權相加求和法計算得到城軌列車的安全節能率C。節能和安全領域的研究在很多情況下相對立，而安全節能率能夠通過考慮多種因素，結合安全和節能這兩個相互影響的方面，給出一個很具有現實工程意義和價值的數值作為參考。
步驟1包括如下子步驟：(101)計算節能電量W，其計算公式為：W＝W1-W2；(102)計算節能效率η，其計算公式為：η＝(W/W1)×100％；其中W1為未加入儲能模塊的城軌列車牽引電能，W2為加入儲能模塊的城軌列車牽引電能。本實施例中基於建模仿真，得到未加入超級電容的儲能列車牽引能量W1＝71.2KJ，加入超級電容的儲能列車牽引能量W2＝56.3KJ，則W＝71.2-56.3KJ＝14.9KJ，並計算得到節能率η＝(W/W1)×100％＝20.7％。
步驟2中所述的節能因素比值包括容量比值L＝Le/Lr、功率密度比值P＝Pe/Pr和質量比值M＝Me/Mr，其中Le為儲能模塊設計總容量，Lr為城軌列車剩餘再生制動能量，Pe為儲能模塊實際功率密度，Pr為儲能模塊參考功率密度，取，Me為單輛儲能車輛中儲能模塊實際質量，Mr為單輛儲能車輛中儲能模塊參考質量。該實施例中Le＝Lr＝14.9KJ，Pe＝5000w/kg，Pr＝7000w/kg，Me＝512kg，Mr＝900kg，經計算可得L＝Le/Lr＝1，P＝Pe/Pr＝0.714，M＝Me/Mr＝0.569。其中L多數情況是1，少數可能存在小於1，比如0.98、0.99等。除了節能效率的另外，考慮影響節能效率的三個主要的節能因素比值：容量比值、功率密度比值和質量比值，能夠較好地區別不同種類的儲能模塊的實際綜合節能性能。
步驟3中節能指數為A的計算公式為：A＝η·(a·L+b·P-c·M)，其中a，b，c為權重係數，且滿足a+b+c＝1，a∈[0.1，0.2]，b∈[0.65,0.75]，c∈[0.05,0.25]，該實施例中取a＝0.2，b＝0.7，c＝0.1，根據上述參數計算得到A＝0.207×(0.2×1+0.7×0.714-0.1×0.569)＝0.133。
步驟(4)中獲取城軌列車運行出錯概率Ec包括如下子步驟：
(201)採用Petri網方式計算單輛儲能車輛工作設定天數的出錯概率為Fc，其中根據檢修經驗，作為安全性指數的要求，取定所述的設定天數為60天，根據實驗計算得到Fc＝3.27×10-7。(202)計算城軌列車的出錯概率Ec，其計算公式為： Ec＝1-(1-Fc)n，其中n為組成城軌列車的儲能車輛輛數，本實施例中儲能元件為超級電容，n＝6，計算得到Ec＝1.96×10-6。
步驟(4)中獲取儲能模塊出錯概率Ee包括如下子步驟：
(301)採用Petri網方式計算單輛儲能車輛中儲能元件同樣工作60天的出錯概率Fe，所述的出錯包括儲能元件功能部件出錯以及充放電出錯，具體為將60天做為出錯概率的總計算時間長度，帶入到petri的變遷積分公式(關於時間的密度函數)中進行計算，針對上述的6中不同的儲能元件得到相應的出錯概率如表1所示：
表1幾種儲能元件出錯概率
(302)計算儲能列車中儲能元件出錯概率Ee，其計算公式為：Ee＝1-(1-Fe)n，其中n為組成城軌列車的儲能車輛輛數，該實施例中儲能元件均為超級電容，Fe＝6.71×10-5，n＝6，計算得到Ee＝1-(1-6.71×10-5)6＝4.025×10-4。
步驟5中安全指數B計算公式為：B＝(1-100·Ec)×(1-100·Ee)＝0.960。
步驟6中採用加權相加求和法計算安全節能率C計算公式為：C＝x·A+y·B，其中x和y分別為權重係數，且滿足x+y＝1，x∈[0.35,0.45]，y∈[0.55,0.65]，該實施例中取x＝0.35，y＝0.65，計算得到C＝0.35×0.133+0.65×0.960＝0.67055。根據計算最後得到具體的安全節能率指數，具有較高的可信度。