适用高原地区牵引供电的光-风-氢-储综合能源系统协同优化运行关键技术研究

汇报人：华吴辰牵头单位：河海大学合作单位：西藏农牧大学中国铁建上海设计院集团 2025年11月29日北京 汇报提纲 CONTENTS 研究背景与关键挑战 科学问题与研究方向 研究队伍与国际合作 研究背景与意义 西南某地区已有电气化铁路448.7公里，2035年将增加至5198公里，铁路耗电量至少增加10倍 到2035年，全区铁路复线里程未增加，电气化里程达到5198公里左右，电气化率达刹100%与现状相比，电气化率提高68个百分点 研究背景与意义 高原恶劣气候与复杂地势使得可再生能源出力和牵引负荷波动大，两者难以高效匹配 安装储能设备可以有效解决源荷不匹配问题，而电化学储能在高原高寒环境下性能骤降 有必要额外配置具有高能量密度，长储能周期、强抗寒能力的氢储能 一一光-风-氢-储综合能源系统研究对象 在铁路沿线建设光-风-氢-储综合能源系统为电气化铁路供电是解决上述难题的有效方案之光 新能源接入牵引供电系统国内外研究现状 英、法、德、日等国在新能源接入牵引供电系统的研究尚处于初期 ?目前全球尚未有高原地区光-风-氢-储综合能源系统接入牵引网供电的示范应用 电网薄弱，特殊气候和地势使得源荷匹配困难，相关研究难以直接推厂 关键挑战 关键挑战 高原气候变率大与常态化恶劣气象导致风光出力及牵引负荷难以预测 源荷动态匹配难，设备工况多变多介质储能特性、电能质量治理等多因素使得不同资源配置目标冲突 系统实时响应源荷变化及鲁棒容错性能的需求导致调控策略难以制定 高原薄弱电网下不同扰动特性使电能质量问题更加显著且难以治理 挑战1：源荷难以预测 在电源侧，高原地区气象站点稀疏、气候变率大，大雪、沙尘暴等极端气象灾害频发导致风速、光照强度等数据变化剧烈：在负荷侧，高原地势起伏大导致牵引负荷波动大，受极端气象灾害、突发性设备故障、冻土区轨道维护等因素影响易造成行车组织突变，给负荷预测带来挑战 影响因素 挑战2：资源配置目标难以协调 源荷双侧动态特性差异需要配置多介质储能满足功率平衡。在高原极端环境下（紫外线强度高昼夜温差大、低氧条件），风光氢储等关键设备面临运行工况多变、性能降低、使用寿命缩短等问题，使得供电可靠性、可再生能源消纳率、经济性等多资源配置目标之间难以协调 挑战3：系统调控困难 ?低温缺氧环境使得超级电容功率密度降低、电池内部极化加車、燃料电池输出功率减小，设备无法充分发挥其灵活调节能力，给系统功率平衡和能量平衡带来挑战：此外，可再生能源出力波动、列车运行工况频繁切换、多介质储能功率能量特性差异，进一步加大了系统多时间尺度协调的复杂性 挑战4：电能质量难以治理 异相牵引供电方式、交直交机车和间欧性冲击负荷等原因造成负序、谐波、网压波动等电能质量问题：此外，该地区电网短路容量小，行车组织突变和长大坡道使电能质量问题较平原更加显著 汇报提纲 CONTENTS 研究背景与关键挑战 科学问题与研究方向 研究队伍与国际合作 科学问题 →基于上述挑战，本项目拟解决四个关键科学问题 挑战1：源荷预测 挑战3：调度控制 挑战2：资源配置 系统实时响应源荷变化及鲁棒容错性能的需求导致调控策略难以制定 源荷匹配难，设备工况多变、多介质储能特性等因素使得多目标冲突 高原气候变率大与常态化恶劣气象导致风光出力及牵引负荷难以预测 科学问题4 科学问题2 科学问题1 科学问题3 研究方案 科学目标：通过综合能源多功能互补利用实现牵引供电系统长期稳定经济运行 研究方向1：高原环境下风光出力及牵引负荷预测 ?挑战1：高原气候变率大与常态化恶劣气象导致风光出力及牵引负荷难以预测 ?解决思路：研究高原地区核心影响因素对风光出力及牵引负荷的映射关系：建立基于混合神经网络的源荷预测模型：通过实时滚动更新机制修正模型误差 研究方向1：高原环境下风光出力及牵引负荷预测 工作成果：采用门控循环神经单元识别高原气候参数，引入注意力机制学习常态化恶劣天气对行车组织突变的影响因素，使用改进型ResNet-GRU模型进行训练和测试，并基于动态矩阵控制修正模型误差，逐步逼近、还原真实风光出力及牵引负荷功率，降低RMSE与MAE误差 研究方向2：光-风-氢-储综合能源系统资源配置 挑战2：源荷动态匹配难，设备工况多变、多介质储能特性等多因素使得不同资源配置目标冲突 +解决思路：建立综合能源系统配置评价体系：分析光-风-氢-储设备耦合变工况特性：提出供电可靠性、可再生能源消纳率、经济性等多目标资源配置策略 研究方向2：光-风-氢-储综合能源系统资源配置 工作成果：采用多准则决策进行多指标权衡，建立计及光、风、氢、储等设备变工况运行的耦合模型，基于牵引供电系统不同工况的能量流动情况，构建基于多阐值的能量动态识别管理机制进而使用高斯变异改进的多目标优化算法求解最优资源配置方案，实现可靠供电并降低成本 研究方向3：光-风-氢-储综合能源系统调度控制 挑战3：系统实时响应源荷变化及棒容错性能的需求导致调度控制策略难以制定 +解决思路：制定光-风-氢-储综合能源系统日前调度计划，基于短期源荷预测数据调整日内调度方案，根据实时监测数据反馈送代更新设备控制策略 研究方向3：光-风-氢-储综合能源系统调度控制 工作成果：基于源荷预测结果与资源最优配置方案，构建融合SoftActor-Critic与分层课程学习机制的高维连续决策求解框架，在策略炳空间中嵌入递进式难度约束以实现自适应最优调度 研究方向4：考虑综合能源系统设备的电能质量治理 ?挑战4：电网薄弱下不同扰动特性使电能质量问题较平原更显著且其影响难以治理 +解决思路：通过实时采集电气参数评估牵引负荷对电能质量指标的影响：设计基于变流器控制器的优化补偿方索：提出混合储能系统与变流器协同控制策略 研究方向4：考虑综合能源系统设备的电能质量治理 +工作成果：通过采集电网侧和供电臂实时电压电流，以及RPC侧直流母线电压评估电能质量指标影响：根据牵引负荷与设备实时运行状态的计算两侧供电臂的优化补偿功率和补偿电流：提出基于功率融通和跨相转移的协同供能机制，实现网压波动、负序和谐波等电能质量的综合治理 研究方向5：系统仿真平台及工程示范 构建牵引变电所、分区所、牵引网及外部电源在内的牵引供电系统数据库，开发适用牵引供电的光-风-氢-储一体化综合能源系统仿真平台，依托中铁上海院提供的示范基地开展示范工程验证 牵引供电的光-风-氢-储综合能源系统仿真平台 系统设计软件 工程示范及验证 功能集成 功能服务 ·结果校核·算法验证·成果展示 系统概块化设计 综合能源系统设备配置分析 风光出力及牵引负荷预测分折 系统多时间尺度调度控制分析 电能质量指标量化评估分析 牵引供电的综合能源系统典型运行场景集 研究方向5：系统仿真平台及工程示范 赴西藏实地考察，评估全区风光资源规模，完成前期收资调研工作，包括西藏管辖内铁路运营情 况、中长期铁路网规划、电网概况和输变电工程规划 ★2025年4月，联合基金项目开题会已于西藏林芝顺利召开，会议特邀铁道学会电气标准化专业委员会主席景德炎、中铁二院电气副总罗毅、中国铁建上海设计院集团副院长叶涛等专家莅临指导 研究方向5：系统仿真平台及工程示范 前往南京湖熟牵引所开展实地调研，系统梳理牵引变电所主接线方式，完成牵引负荷相关数据的采集，并基于所获数据对系统运行的各项关键指标进行仿真计算与验证对比 湖熟牵引变电所主接线 汇报提纲 CONTENTS 研究背景与关键挑战 科学问题与研究方向 研究队伍与国际合作 骨干成员 ◆人员结构合理、学科交叉的研究团队： 甘磊河海大学副教授/硕导综合能源系统容量配置 叶涛CREE中国铁递中国上海设计院副院长教授级商工牵引供电系统仿真平台 蒋晓艳西藏农牧大学电气工程学院院长教授/硕导电能质量综合评估模型 梅飞河海大学高工/硕导IES设备与变流器协同控制策略 吴红梅西藏农妆大学副教授/页导可再生能源出力牵引负荷预测 黄玲珍中国铁建上海设计院供变电所所长教授级高工引传动系统仿真平台 肖荣刷中国a中国铁建高级工程师功能验证与示范应用 张涛西藏农牧大学讲师混合储能系统能量管理 王博河海大学讲师/硕导微电网运行与规划 国际合作 +团队长期与英国铁路微电网EnergyHubs能源枢纽项目（110o万英榜）负责人利兹大学LiKang教授以及NetworkRail英国铁路总公司保持技术合作 国际合作（EnergyHubs项目） +EnergyHubs项目是李慷教授团队与英国国营铁路公司、通用电气等公司合作于苏格兰艾尔的灵活铁路能源中心的试点项目一种适用于火车站的微电网解决方案 该项自的核心是在艾尔铁路站附近建设个25kV交流能源微电网，集成储能系统并优化能源使用，能够保障铁路供电、为电网提供支撑服务 国际合作（EnergyHubs项目） 微电网可与牵引供电系统及当地配电网连接，整合当地的可再生能源发电，如火车站顶的光伏以及附近风电场的弃风，以最大限度地提高能源效率 ●微电网能够回收制动能量，并协调铁路沿线的牵引和非牵引电力供应，如火车站内部供电、站台周围电动汽车充电：可提供电网服务，如参与频率稳定、需求响应等服务，为客户带来额外收益 ◆将大大减少每年产生的280万吨二氧化碳当量，旨在实现到2050年建立净零铁路网络的目标 心感谢各位专家敬请批评指正 汇报人：华昊辰