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雷火电竞体彩app下载平台:高速铁路牵引供电系统动态建模及电能质量分析电气工程专业论文docx

发布时间: 2022-04-10 04:55:48 来源:雷火电竞体彩app下载平台 作者:雷火电竞竞猜

  125km/h (2)单位基本阻力7.0。 基本阻力是指机车、车辆各零部件之问,车轮与钢轨之间和机车、车辆表面与空气 之间的摩擦和冲击综合产生的运行阻力,在实际计算过程中可用下式计算【62】 wo=A+B·秽+C·口2(Y/讣0 (2-2) 式中:么、B、c一基本阻力系数,与动车组型号有关。 我国CRH系列动车组的基本阻力删。计算公式如下[62] CRHl型 Wo=1.12+0.00542v+0.000146v2(N/kN) (2—3) CRH2型 ‰=0.88+0.00744v+0.0001 14v2 fN/心xr) (2-4) CRH3型 ZOo=0.42+0.0016v+0.000132v2(N/ld叼 (2—5) CRH5型 Wo=1.65+0.0001v+0.000179v2(N/l∞ (2-6) (3)单位坡道附加阻力训: 坡道附加阻力是指动车组在小角度坡道上运行时,重力沿轨道方向的分力产生的附 加阻力。高速铁路坡道倾角曰角通常很小,因此,坡道附加单位阻力可近似等于坡度干 分数,即[62] 哪:掣-1000sin0≈1000tan㈣(N/kN)(2-7) M·2 式中,M表示动车组重量,单位t;g表示重力加速度,单位N/kg;wi表示坡道附加 阻力,彬=M.g.sin0,单位kN。 (4)单位曲线附加阻力甜, 盐线附加阻力是指动车组运行在曲线路段时,由于摩擦损失增大而导致的运行阻力, 在实际计算过程中,单位曲线附加阻力铷,由经验公式进行计算,其表达式为【62] 72./r=等(N/㈣ (2—8) 式中,月表示曲线半径,单位m;A表示计算常数,它是由大量试验确定的,取值在 450—800之间,我国标准轨距通常取600。 (5)单位隧道附加阻力叫。 隧道附加阻力是指动车组运行在隧道路段与空旷路段过程中受到的空气阻力差,在 实际应用中,单位隧道附加空气阻力叫。由经验公式进行计算,其表达式为【621 训。20.00013·Ls(N/kN) (2-9) 式中,厶表示隧道路段的长度,单位m。 (6)单位加算附加阻力 万方数据 西南交通大学硕士研究生学位论文 西南交通大学硕士研究生学位论文 第8页 坡道附加阻力、曲线附加阻力和隧道附加阻力都是因线路条件所导致的,根据线路 条件,它们有时单独存在,有时两种或三种同时存在。通常用单位加算附加阻力训.来表 征由线路条件引起的所有单位附加阻力,且11[62】 硼i2弛+q+弧 删kN) (2—10) 加算附加阻力通常还可以表示为加算坡道的干分数f;[62] z-i2zI+珥+嗽(N/kN) (2-11) (7)再生制动力 动车组的再生制动力通常由再生制动特性求出,如CRH2型动车组的再生制动力乃 与速度口之间的关系可表示为[65】 j乃=44 o≤口≤70㈨(2-12) 【乃=44—0.06(v一70) 70

  一5,运行工 况将转换为牵引力出力随速度增大而减小的牵引工况(简称变牵引工况)。 当动车组运行速度偏差满足.5≤占≤一l时,动车组运行在变牵引工况,速度缓慢增加, 单位牵引力厶与速度z,之问的关系为 fo=[(吃.5一Rv)x(口一Ym+1)/4+‰]/M/g m/Ⅲ) (2—16) 式中,馕.5表示动车组在z,=‰-5时的牵引力,单位kN:R吒表示动车组在口=%时 的阻力和,单位kN。 当运行阻力增大(如坡道变化等情况)导致速度下降使得速度偏差s

  一1,动车组将转换为牵引力恒定不变的 万方数据 西南交通大学硕士研究生学位论文 西南交通大学硕士研究生学位论文 第10页 牵引工况(简称恒牵引工况),速度继续缓慢上升,直到移=%,此时单位牵引力厶为 兀=R_/M/g (N/kN) (2—17) 动车组所受合力为0,保持恒速稳定运行,直到平衡条件被打破(如坡度的变化带 来的阻力变化等情况)。平衡改变后,若动车组合力小于0,速度将减小,直到占

  3,运行工况将转换为再生制动力出力随速度增大而增 大的再生制动工况(简称变制动工况),单位再生制动力b大小与速度p之间的关系为 b=【龟+5×(可一%+2)/3]/M/g(N/Ⅲ) (2—18) 式中,毋+。表示动车组在速度为K.+5时的再生制动力。 若动车组的速度下降使得速度偏差5

  5,则制动力为该速度下的最大再生制动力(简称最大再生制动 工况),抑制动车组速度的进一步上升到限制速度。 2.1.3.2各种工况牵引计算算法 动车组的运行过程中,牵引工况主要用于迅速提高动车组运行速度,制动工况用于 迅速减小动车组运行速度,惰行工况用于减小动车组运行速度以及过渡制动工况和牵引 工况之间的转换。另外,当动车组在两个坡段之间运行时,应考虑动车组长度的影响采 用多质点模型【691,凶此,把换坡段这一特殊过程单独考虑,简称换坡段工况。下面详细 分析这4种运行工况的算法流程。 a)牵引工况 根据动车组的牵引特性曲线,牵引工况可细分为恒转矩牵引工况和恒功率牵引工况。 在动车组运行过程中,动车组首先运行在恒转矩牵引工况,随着动车组速度的增大,牵 引电机输出转矩保持不变,牵引功率随着速度的增大逐渐增大;当动车组的速度达到一 定数值后(如CRH2A型动车组为125km/h),动车组的牵引功率达到额定功率,动车组 转入恒功率牵引工况。动车组在牵引工况运行过程中,主要受到牵引力、基本阻力及附 加阻力,单位合力为 c2a·f0一w0一伽f(Y/kN) (2—19) 式中,口表示牵引力出力情况,最大牵引工况时取值是l。 结合恒速牵引策略分析,根据实时速度到与目标速度‰之间的关系,牵引工况的算 法流程如图2.3所示,具体实现步骤如下: Step 1判断前一个工况是否为制动工况,即牵引力厶是否小于0,若是,转入Step 2,否则,转入Step 3; Step 2转入惰行工况,这是为了避免制动工况与牵引工况的直接转换; Step 3根据牵引指令给出牵引力出力情况口,并结合当前速度计算实时单位牵引力 万方数据 —— —— 西南交通大学硕士研究生学位论文 第11页 兀,单位基本阻力甜。、单位加算附加阻力叫,,根据式(2—19)得到单位合力Ci,并转入 Step4: Step 4根据式(2-15)更新动车组的实时加速度口i、速度%、位移量,并转入Step 5; Step 5判断位移墨是否小于该坡段长度三p,即是‘

  %,若是,转入Step 9,否则,转入Step 7; Step7判断速度q是否满足q

  ‰一l,若是,根据式(2—17)计算牵引力大小,更 新循环次数,并转入Step 3;否则,转入Step 8: Step8判断速度”,是否满足q

  %一5,若是,根据式(2一16)计算牵引力大小,更 新循环次数,转入Step3,否则,更新循环次数,转入Step3; Step 9牵引工况结束,转入惰行工况; Step 10该坡段牵引计算结束,转入换坡段工况。 图2.3牵引工况算法流程 ∽惰行工况 惰行工况多用于动车组运行速度超过目标速度,但是还没达到制动限定速度,或是 要在牵引工况和制动工况之间转换时,为保证动车组的安全平稳运行,需采用一段时间 的惰行工况。动车组在惰行工况时,主要受到基本阻力和附加阻力,单位合力为 c2一wo一叫i (N/l㈣ (2—20) 结合恒速牵引策略分析,根据实时速度与目标速度之问的关系,惰行工况的实现流 程如图2—4所示,详细步骤如下: zkq 万方数据 西南交通大学硕士研究生学位论文 西南交通大学硕士研究生学位论文 第12页 Step 1结合当前速度计算实时单位基本阻力‰、单位加算附加阻力伽,,根据式(2. 20)计算单位合力ct,并转入Step 2; Step 2根据式(2—15)更新动车组的实时加速度at、速度q、位移s,并转入Step 3; Step 3判断位移‘是否小于该坡段长度L。,即是‘

  lp,若是,转入step 4,否 则,转入step 8; step 4判断速度碍是否满足q

  珞+3,若是,转入step 5,否则,转入step 6; step 5判断速度q是否满足砟

  Vm+5,若是,屈=o.5,更新循环次数,并转入Step 6,否则,根据式(2.18)计算单位再生制动力反,更新循环次数,并转入Step 6; Step 1 1制动工况结束,转入惰行工况; Step 12牵引计算结束; Step 13该坡段牵引计算结束,转入换坡段工况。 图2.5制动工况牵引计算流程 d)换坡段工况 高速铁路线路是由多个坡度不同的坡段组成的,在单个坡段运行时,可将动车组视 为单质点运动模型,忽略动车组的长度;当动车组在两个坡段交汇区运行时,动车组的 长度不能被忽略,应采用多质点模型170,71]。首先按坡段情况以及动车组位置,计算处在 不同坡道的动车组各段单位加算附加阻力b,,然后再相加,求出整个动车组的单位加算 zkq 万方数据 西南交通大学硕士研究生学位论文 西南交通大学硕士研究生学位论文 第14页 附加阻力∞.,其表达式可表示为: 珊=净‰。+(1-净)WjL,(2-22) 1TRH‘℃RH 式中,毪。。表示动车组在坡段厶上受到的单位加算附加阻力;L。RH表示动车组的长度, 单位,m;∑‘表示动车组车头超过下一个坡段起点的距离,单位,m。 在坡道转换过程中,若下一个坡道的目标速度小于该坡道的目标速度,则要进行换 坡试凑[72】,基本思路如图2-6所示 ≥F鑫E ?h ’B 口L, 、、\. ‰也., C %。 /坡段z,/ \\坡段b。\ 位置 图2.6换坡点示意图 以坡段的末端c为起点,目标速度为初始速度,制动力为牵引力,进行反向牵引加 速计算(图2-6中C—H—I—D),结合正向牵引计算(图2-6中A-E F G B),找到工况转换起 始点F,然后从B点退回F点重新进行牵引制动计算。设E、G、J、K的坐标分别为 (五,q)、(‘+l,陟+1)、(‰,口I)、(工¨,Vk+1),则搜索工况转换起始点F的条件为【62】: k

  ‰ r2—23) ‰+1 ,●●●●●●●●●,』、●●●●●●●l

  % 由上分析可得,换坡段工况的实现算法流程如图2—7所示,详细实现步骤如下: Step 1判断上一个坡段长度是否为动车组长度,即Lp=LcRlI,若是,转入Step 7, 否则,转入Step2; Step2比较下一个坡段目标速度k。川与当前坡段目标速度K“。,,即是‰,

  ‰。,。, 若是,转入Step 3,否则,转入Step 5; Step 3令三。2kRH,根据前一刻的牵引力大小,判断上一个:I:况情况,判断fo

  0, 若是,则转入牵引工况,且实时单位加算附加阻力由式(2—22)计算,否则,转入Step zkq 万方数据 西南交通大学硕士研究生学位论文 西南交通大学硕士研究生学位论文 第15页 4; Step4判断五=o,若是,转入惰行工况,且实时单位加算附加阻力由式(2.22)计 算,否则,转入制动工况且实时单位加算附加阻力由式(2.22)计算; Step 5进行换坡试凑,找到换坡点F,考虑工况转换问的空走,空转时问为f。,匀 速运行t。时间,然后转入Step 6; Step 6令坡段长度三。ikRH,转入制动工况; Step 7该坡段牵引计算结束。 图2—7换坡段工况晕引计算流程 2.1.3.3动车组牵引计算 高速铁路线路是由多个不同长度的坡段组成,每个坡段有不同的线路条件(主要是 坡度、曲率半径等),从而导致其目标速度%、限制速度‰制各有不同。因而,动车组 的牵引计算过程可描述为动车组在不同坡段的牵引计算过程,每个坡段的牵引计算过程 是由各种牵引工况根据实际速度与目标速度之间关系组成的,动车组牵引计算的流程如 图2.8所示 zkq 万方数据 西南交通大学硕士研究生学位论文 西南交通大学硕士研究生学位论文 第16页 图2.8动车组牵引计算流程图 2.2动车组动态负荷建模 2.2.1动车组动态基波模型 动车组的动态基波模型可等效为牵引负荷大小随着运动过程不断变化的复功率源, 动车组从接触网上获取牵引功率,依次经过受电弓、车载牵引变压器、整流器、逆变器、 牵引电机、牵引传动系统,最后转换为动车组车轮的轮周输出功率。图2-9所示为动车 zkq 万方数据 —— —— 西南交通大学硕士研究生学位论文 第17页 组运行过程中功率流向示意图。 效率:% 效率:协 二步电幽蝥异步电机莓丢;;;委捌呈==!;苎 整流器 逆变器 功率因数角:纯 功率因数角:妫 功粹氯-OM:‰瓣舭裂 图2-9动车组功率流向图 图中,%、(aM、研、%、卿分别为齿轮箱、牵引电机、逆变器、整流器、车载牵 引变压器的功率因数角;%、叩M、砀、qC、r/,分别为齿轮箱、牵引电机、逆变器、整 流器、车载变压器的传输效率;只。。、辟、圪、鼻、%、只。、尸分别表示网侧、车载 牵引变压器、整流器、逆变器、牵引电机、辅助供电绕组、轮对输出的牵引功率,其中, 尸可由瞬时功率方程求出[43] P=F‘口‘1000/3.6 (2—24) 式中,”表示动车组的实时速度,由牵引计算结果求出,单位km/h;F表示动车组在速 度口时的牵引力/制动力,由牵引计算结果给出,单位l斟。 从图2-9中可知,牵引工况时,网侧牵引功率为: 治2:7弩‰川C仇Mr/T‰ ~7 【Q。t=己。t/an(卿, 再生制动工况时,网侧牵引功率为: {美二茹t‰an(纤’≯”气。lQ。。=一只。,/ ) p26,一7 惰行运行时,网侧牵引功率为: r”P 1【Qn。。=只。。Qnc【met=:/‰-aux ) ) 结合式(2—24)~(2.27)以及动车组的牵引计算结果,可求出动车组在运行过程中 牵引网侧需求/反馈的功率情况,即是动车组的动态基波模型。 万方数据 西南交通大学硕士研究生学位论文 西南交通大学硕士研究生学位论文 第18页 2.2.2动车组动态谐波模型 2.2.2.1动车组输出谐波特性 动车组普遍采用单相PWM变流器,受电弓处动车组输出的谐波电流中除了含有3、 5、7等低次奇数次谐波外,还含有与变流器开关频率的倍数次有关的高次特征谐波,如 CRH2型动车组PWM变流器的开关频率为1250Hz,基高次特征谐波集中在43、47、 49、51、53次等【12】。图2—10所示为CRH2型动车组在满负荷、中负荷和低负荷时实测 的电流、电压及相应的频谱分析结果。 100+一一一,一一一一一一一一,F^:88·弘、、、、. ≤0+一一一一一i一一I’_一一一I,;一一0.、、,’一俨24.6二一100,.一一一一一?一一一一j。一一,}::一一一、、∑,。;莽:.。.!

  20时 {丹h【皖=眈2一/丹h--即cc㈣” (2—29) 式中,‘为动车组的基波电流有效值;厶{。~为动车组典型频谱图中h次谐波的幅值; /,-s,。o~为动车组典型频谱基波的幅值;眈勘。。为动车组典型频谱图巾h次谐波的相位; E为基波电流的相位;p,为随机产生的相位;h为谐波次数。 2.2.3模型验证 某高铁设计时速350km/h,其中一个区间的线路条件和目标速度情况如表2—1所示 表2.1区间线A垂d动车组在该区间的牵引计算结果如图2一ll所示,图a)为整个运行过程中, 动车组运行速度、时问以及运行工况与位移之问的关系,图b)为网侧所需的有功功率、 无功功率与位移之间的关系,图c)为图a)、b)中O区域的速度、功率与位移之间关系的 放大图。 万方数据 .200 .200 i运行工况 苦150 J 专100 毛=)I/瑙鼎 警50 0 。空气制动工况 再生制动工况 惰行工况 牵引工况 运行区域 线 位置/l(In a)速度、时间、运行工况.位移特性 一 运行工况 5 3 1 F O 、一 一,..¨、 ,一 矗

  苫李善阱罨 .1 兰 -3 气制动工况 .5 譬一::叠竿翌===F 生制动工况 f一一一一一广 行工况 空再惰牵 运行区域[a】 【b】- 【c】 [羽 .[c】 [d】 [c】..[e】 引工况 0 5 10 15 20 25 30 35 位置/km b)功率、运行工况一位移特性 ≤4405 姜30 簧20 10 主 8 ;2 蠢, 播0 0 0.1 0.2 0.3 O.4 0.5 位置肥n c1Q区域放大图 国巾,【a]表示恒转矩加速区:【b】表示恒功率加速区;【c]表示稳定运行区:[d]表示过分丰}1IX;[e】表示进站制动『并 图2—1 1 CRH2A型动车组区间运行特性 从图2—11 a)、b)知,动车组在区间运行过程中,主要包括“出站启动过程一中间运 行过程(包括:稳定运行和过分相)一进站制动”4个运行过程,其中 万方数据 西南交通大学硕士研究生学位论文 西南交通大学硕士研究生学位论文 第22页 出站启动过程:加速启动过程包括恒转矩加速和恒功率加速两个过程,首先动车组 以恒转矩牵引加速使动车组的速度增大,随着速度的上升,牵引功率不断增大。为保证 动车组既能较快的加速到目标速度,又要保证加速的平稳性以保障乘客的安全舒适,在 实际运行过程中,动车组启动时,自动列车保护装置(AutoTrainProtection,ATP)限速 45km/h,牵引手柄加载20%以下的牵引力,当动车速度超过3km/h以后,如图2.11中 c)图G点,牵引手柄逐步加载100%的牵引力,当速度接近40km/h时,如图2.11中C) 图H点,控制牵引力在10%左右,并调整速度接近43km/h,当动车组接收到应答器发 出信号后,如图2.11中c)图I点,再根据目标速度■,满牵引负荷迅速提高运行速度z, 【74l。当速度增长到图示A点(CRH2A速度为125km/h)时,牵引功率达到最大后保持 不变,动车组转入恒功率牵引加速工况,继续提升动车组的运行速度直到目标速度。 稳定运行过程:当运行速度达到图示B点处的目标速度时,转入稳定运行区,动车 组在恒速牵引策略下,保持恒速运行,此时所对应的牵引功率随着速度的稳定渐渐趋于 稳定。 过分相过程:当动车组运行到图示C点过分相区时,动车组迅速关闭整流器组,转 入惰行工况,速度在运行阻力的作用下迅速下降;驶出过分相区后,再迅速恢复动力, 转换到牵引工况,迅速提高运行速度到目标速度,随后转入稳定运行。 进站制动过程:在进站制动过程中,首先进行进站停车试凑,求得制动起始点(图示 E点),随后进入再生制动工况,使动车组的速度迅速下降,并向牵引网反送功率;当速 度降到图示F点(Skrn/h)时,再生制动失效,进入空气制动工况,直到动车组的速度降为 0km/h。 图2—12所示为CRH2型动车组整个运行过程中不同运行过程的实测电流情况,对 比图2—1 1 b)可知,在不同运行工况下,仿真得到的动车组功率需求变化趋势与实测结果 基本吻合,验证了动车组动态基波模型的正确性和基于牵引计算动态建模方法的可行性。 KTmeml , ■L 万方数据 西南交通大学硕士研究生学位论文 西南交通大学硕士研究生学位论文 第23页 b)稳定运行过程 c)过分相过程 d)迸站制动过程 图2.12 CRH2A型动车组区间运行特性 表2-2从区间运行时问、动车组最大消耗功率、再生制动反馈功率以及动车组牵引 和制动时的功率因数几个方面给出了仿真结果与实测结果的对比,从表2—2可知,仿真 结果与实测结果基本吻合,验证了本文所采用的牵引计算方法和基于牵引计算动车组动 态基波模型的可行性和正确性。 万方数据 西南交通大学硕士研究生学位论文 西南交通大学硕士研究生学位论文 第24页 表2.2仿线基于行车运行图的动态牵引负荷建模 结合行车运行图提供的信息以及动车组在各个区间的牵引计算结果,便可获得该线 路全天行车运行情况和供电臂上牵引负荷动态变化情况,图2—13给出了基于行车运行图 的牵引负荷特性计算流程图,其详细过程描述如下: Step 1整合线路资料,包括运行资料和线路资料,其中运行资料主要是对所有车站 进行编号,按照发车时间顺序,统计该线路各个车站的发车车次、各车次的运行时刻表、 运行的动车组型号、经过的车站编号、上下行情况,并统计该线路所有可能的行车区间; 线路条件包括各区间的线路坡段数、每个坡段的长度和坡度、曲线坡段的曲率半径、隧 道坡道的长度、各个坡段的目标速度等,统计完成后转入Step 2; Step 2根据统计结果,利用动车组牵引计算程序,计算所有区间的牵引计算结果, 并将牵引计算结果根据动车组类型乃、上下行Dir(定义上行用l表示,下行用2表示)、 运行区间OJ(由两个相邻车站的编号组成)3个因素进行区分并保存,然后转入Step 3; Step 3以车次为循环依据,初始化车次Num tr=I,转入Step 4; Step 4根据该车次通过的区问号9,以及动车组类型乃,从牵引计算结果中调用 该车次在该区间的牵引计算结果,然后转入Step 5; Step 5根据该车次的发车时间,更新牵引结果中的运行时刻,即f=疋,+f,转入 Step 6: Step 6判断该车次是否为上行,即Dir=1,若是,转入Step 7,否则,更新牵引计 算结果中的位移,即s=L—S,式中三表示该线路的总长,然后转入Step 7: Step7判断是否已经加入该车次的所有区间牵引计算结果,即i=m,若是,转入Step 8,否则,更新区间号Q,,转入Step 4; Step 8判断所有车次是否都已经添加,即Num tr=N,若是,转入Step 9,否则,更 新车次,转入Step 3; Step 9程序结束,保存结果。 万方数据 西南交通大学硕士研究生学位论文 西南交通大学硕士研究生学位论文 第25页 图2一13基于行车运行图的牵引负荷建模流程图 2.4本章小结 本章结合动车组牵引计算和行车运行资料,研究了动车组的动态负荷特性,建立了 基于行车运行图的动态牵引负荷模型。首先,分析了动车组运行过程中受力情况,建立 了动车组的运动方程,在此基础上,阐述了动车组恒速牵引策略,建立了动车组牵引计 万方数据 西南交通大学硕士研究生学位论文 西南交通大学硕士研究生学位论文 第26页 算算法流程;接着,结合动车组网侧功率需求/馈出方程和牵引计算结果,建立了动车组 的动态基波模型,分析了动车组在不同工况下的谐波输出特性,在此基础上,建立了动 车组的动态谐波模型;然后,通过实例仿真验证了牵引计算算法和动车组动态负荷建模 方法的可行性和正确性;最后,结合行车运行图给出了全天24小时牵引负荷动态模型的 流程。 万方数据 西南交通大学硕士研究生学位论文 西南交通大学硕士研究生学位论文 第27页 第3章高速铁路牵引供电系统动态数学模型 高速铁路牵引供电系统数学模型是指根据牵引供电系统重要组成设备的电气特性, 推导其等效电路模型,然后结合牵引供电系统拓扑结构,搭建整个牵引供电系统的等效 模型,精确的牵引供电系统数学模型是进行潮流计算、电能质量分析的基础和核心。 ■曩露霸■只黢j算t, ;删 高速铁路牵引供电系统的基本组成如图3.1所示 甄融 。 ● L一_缓羝繇敷璺 、J 童烫窿捌鑫J 漪; 一一 一 电厂{ 输电线 外部电源

  l 。I L。I 口 口 0 \ q O 0 ≥砾 蕊。 0 0 0 《 添 ■■一■一 添 //7/,V-ks响J, ,,,,,【厢网,,,: :b,-础-b// / ’黧瀚麓黼 图3.1高速铁路牵引供电系统构成 由图3—1可知,牵引供电系统主要包括3个部分:外部电源、牵引变电所、牵引网, 每一个部分的等效数学模型相对独立。其中,外部电源和牵引变电所的数学模型在动车 组运动过程中保持不变,可用固定的数学模型描述;而牵引网的拓扑结构随着动车组数 量、位置的改变实时变化着,导致其等效数学模型具有动态时变性,进而使得整个牵引 供电系统的数学模型具有动态时变性。 基于行车运行图的动态牵引负荷模型可以准确的提供动车组数量、位置的动态变化 情况,使建立牵引供电系统的动态数学模型成为可能。因此,本章将分别建立外部电源、 牵引变电所的数学模型和牵引网的动态数学模型,在此基础上,建立基于动态牵引负荷 模型的牵引供电系统的动态数学模型。 3.1外部电源数学模型 牵引供电系统的外部电源是从就近的地方电源获取的三相交流电源,图3.2所示为 外部电源的等效模型,它是由发电厂和输电线两部分组成。其中,发电厂应用诺顿模型 万方数据 西南交通大学硕士研究生学位论文 西南交通大学硕士研究生学位论文 第28页 等效,输电线用多导体传输线模型模拟。 q 西A TL[‰】 : ∥B C 弧:甄了畦f 痊 乓≤ ≥厶≤ 弧e 霹。 。匕. 外 引 部 变 士 发E 王J 输电线外部电源等效模型 图中,rs表示发电厂的系统导纳矩阵,可由系统的短路容量和额定电压求得;S表 示发电厂的短路容量;J)=r。表示输电线的等效导纳矩阵。 外部电源的诺顿等效模型可表示为 耻k+匮赳。2r善城1 K丢I] 仔·, 式中:K2【1/ZS 0 0;0 l/ZS o;0 0 1/Zs】,其中Zs=u;/S为系统等效阻抗;K、 z.为传输线l-I型等效导纳和阻抗矩阵,均为3阶。 等效的系统注入电流矩阵为 ‘。=I毛A,S。厶。厶,R毛I (3—2) 式中:t一=舌,ta=责叩吖},点。=妾∥}分别为发电厂等效注入三相电流。 值得注意的是:诺顿等效电流源模型仅适用于基波分析,在谐波分析中,系统电流 源应设置为开路,即是外部电源的谐波模型表征为导纳负载。 3.2牵引变电所数学模型 牵引变电所是连接外部电源和牵引网的枢纽,其关键设备是牵引变压器。高速铁路 牵引变电所内多采用Scott牵引变压器,二次侧中性点抽出式Scott接线变压器是对传统 Scott牵引变压器的改进,其接线所示 万方数据 西南交通大学硕士研究生学位论文 西南交通大学硕士研究生学位论文 第29页 B T R F a1 scott变压器 T R F b)口丰目寺双电路 图3.3二次侧中点抽出Scott变压器模型 图中,ZA、ZR、zc为变压器原边的等效阻抗;Z2为变压器次边的等效阻抗;七为变压 器变tLk=220/27.5;IA、毛、丘为变压器原边电流的有效值;辟、名、塔、群、帮、蹭 为变压器次边电流的有效值。 二次侧中点抽出式Scott牵引变压器次边抽出的中点与钢轨直接相连接,由此可以 节省掉AT牵引供电系统牵引变电所内的AT,其节点导纳方程可表示为[52] [:.:]==[:塞≥:][孑:]==,’,。。[爱] c3-3, 式中,‘=[‘毛丘]1;取2[叭UB Uc]1: I。=lI;Ivt I警I;l:飞; U12p:U;U芒U;U;弋; 万方数据 2 2 2 2 0 0 0 43Zo 一3z: y:1 1 一1 o兰土 七 矗z: q3Z: Z 6 Z 8 1 一1 o上兰 q3z。 q3Z。 Z8 Z B 4 —2 一 3乙 3乏 3乙 1 ————I——一2 1 1 l 1 ‰2一k2 3zo 3Zd Z 3z,ZB 一2 1 1 ——J-——1 l 3zo 3z Z 8 3z Z 1 l 一l l ——J-—— ——-L—— 0 O kzo 222 kz,222 —1 1 1 1 0 0 圾222 圾222 —1 —1 —1 —1 耳,= Z2 Z2 ●一≮ Z2 Z2 ——i——1 1 —1 1 O O kz.2乙 勉8 222 一1 1 1 1 0 0 一。一 ——l一 一l乙生互牛:兰磊兰乏一l乙生互44互兰磊兰乏 kZB 222 磁B 222 乙≮4:(ZA+学),乙=芋。 3.3牵引网动态数学模型 高速铁路牵引网普遍采用全并联AT供电方式,即是由牵引变电所供给2×27.5kV电 压,牵引网沿线kin并联一个AT,通常一个供电臂上设置3台Ar,分别设置 在分区所、供电臂的中端、牵引变电所。接触线和正馈线接在牵引变压器二次侧母线kV的回路,而钢轨和AT的中点连接,使接触网与钢轨之间的电压保持 27.5kV[16】,图3—4所示为全并联AT供电方式的示意1訇150]。 万方数据 西南交通大学硕士研究生学位论文 西南交通大学硕士研究生学位论文 第3l页 一一一一一一一蜜I旦一一一一一一一 上行承力索I 上行接触线o I 卜行钢轨 I 上行正馈线I 上行PW线I l 贯通地线 I I I I {雾耋盍蠢:卜行接触线: 下行钢轨 l 纛嚣:下行Pw线全并联AT供电方式 从图3.4可以看出,牵引网是由多根平行导线构成的复杂传输线供电系统,动车组 数量、位置的实时变化使得其拓扑结构动态变化着。因此,建立精确牵引网动态数学模 型的关键之一在于:如何根据牵引网的电气链接结构和动车组数量、位置的变化抽象出 它的动态拓扑结构。 高速铁路牵引网供电系统具有一定的特殊性:采用架空接触式供电、钢轨用作回流 线、各导体的架设地理环境多样(概括起来可分为:路基、桥梁、隧道)等,导致其供 电导线多是形状不规则的导体,使得常用的导线电气参数计算公式不再适用。因此,建 立精确牵引网动态数学模型的另一个关键在于:如何根据各种导线的形状、材质、空间 位置、地理环境等因素计算各导线的精确等效参数。目前己有大量文献对其进行研究[钇 751,本文不再累述。 根据拓扑结构关系,牵引网可等效为一个链式网络【761。链式网络的切面分割采用自 然切割法,即以牵引网上的并联元件(主要包括AT所、分区所、动车组等)所在的位 置为切点进行切割,其中AT所、分区所进行固定切割,动车组根据实时数量和位置对 牵引网进行动态切割,图3.5所示为全并联AT供电系统牵引网在t时刻的等效电路以及 对应的链式网络数学模型 万方数据 西南交通大学硕士研究生学位论文 西南交通大学硕士研究生学位论文 第32页 上行 下行 切面 a)t时壶lJ牵引供电系统等效电路简圈 b)t时刻等效链式网络数学模型 图3.5牵引网等效链式网络模型 图中,rW哪表示牵引变电所的等效导纳矩阵,‘啷表示牵引变电所等效的诺顿电流 矩阵;S用于模拟动车组,在基波模型中墨表示各动车组消耗的复功率,而在谐波模型 中置则表示各动车组注入的谐波电流∑厶,同时‘嘲将被置为开路;II。(扛1,2, N.1) 表示第f段牵引网的Ⅱ型模型,互’f、K.,/2为第f段牵引网兀型等效阻抗矩阵和导纳矩 阵;若平行导线的数目为n,则图中各个阻抗和导纳矩阵的阶数为玎×,l阶。 由图3—5可得到t时刻牵引网的等效数学模型为 琳一驯, 一冽。■一碰: -z::联。一冽, 一2Z,+, 鲜,。。 一z;,七 耳PN= (3—4) 一引m y:, 一引m 一冽川l‰一z:棚 一z矗,致, 一引剃 __g。-I+4 珞 式中:瑶=K.。/2+ZLl,。+yA。表示分区所处的节点导纳矩阵,×表示分区所所在切面; 万方数据 西南交通大学硕士研究生学位论文 西南交通大学硕士研究生学位论文 第33页 联。=rL.。/2+引++l;=+./2+z_+k表示AT所处的节点导纳矩阵,章表示AT所的切 面;群娜=rL,./2+雹.rL,.+.12+Z。-I州+耳嘟表示牵引变电所处的节点导纳矩阵,·表示 牵引变电所所在切面;巧=rL,。/2+Z。-1一。+K,。12+ZLl,。表示动车组所在切面的导纳矩阵; L,表示AT变压器的等效导纳矩阵1751。 通过不断更新时间,便可建立任意时刻牵引网的数学模型,即是牵引网的动态数学 模型。 3.4牵引供电系统动态数学模型 在建立了各部分的数学模型后,根据牵引供电系统的拓扑结构,即可建立牵引供电 系统的动态数学模型,图3.6所示为牵引供电系统动态建模的流程图,详细的实现过程 如下: Step 1初始化基本资料和牵引负荷资料,其中,牵引负荷资料主要是全天牵引供电 臂上动车组的实时数量和各动车组的实时位置,基本资料主要包括电网资料、输电网资 料、牵引变电所资料、接触网资料以及牵引供电系统基本资料,根据前面的参数以及数 学模型计算公式,分别建立外部电源的数学模型k、牵引变电所的数学模型yT嗍,求 出牵引网的基本参数,转入Step 2; Step2获取丁时刻牵引供电系统上动车组的数量及位置,确定牵引网在丁时刻的拓 扑结构,并建立丁时刻牵引网的数学模型耳。,并转入Step 3; Step3根据牵引供电系统在丁时刻的拓扑结构,建立r时刻牵引供电系统的数学模 型,并转入Step4; Step 4更新时刻21=丁+△f,出与动态牵引负荷模型相同,并转入Step2。 通过不断地更新时间获得牵引供电系统全天任意时刻的数学模型,也即是牵引供电 系统的动态数学模型,其详细流程如图3-6所示: 初始化 电力系统资料 牵引变电所资料 牵引网资料 动态牵引负荷模型 + ◆ + + 外部电源数 牵引变电所 耶寸刻 学模型yP。 数学模型耳粥 牵引网模型‰J’ 动车组数量疗 、上. 动车组位置S T 耐刻 牵引供电系统数学模型 二f’=21+凡·At T=0 图3.6牵引供电系统动态数学建模流程 万方数据 西南交通大学硕士研究生学位论文 西南交通大学硕士研究生学位论文 第34页 3.5本章小结 本章结合高速铁路牵引供电系统的重要组成部分:外部电源、牵引变电所和牵引网 的电气特性,分别建立了各自的节点导纳数学模型,结合前面获得的实时牵引负荷特性, 建立高速铁路牵引供电系统动态数学模型,为后续章节的潮流计算及电能质量分析奠定 基础。 万方数据 西南交通大学硕士研究生学位论文 西南交通大学硕士研究生学位论文 第35页 第4章高速铁路牵引供电系统动态潮流计算 高速铁路牵

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