[发明专利]一种基于列车运行图的牵引负荷建模方法

说明书

技术领域

本发明属于电力系统的运行、仿真与电力系统稳定分析领域，尤其涉及一种基于列车运行图的牵引负荷建模方法。

背景技术

近年来，我国高速铁路事业得到了迅猛的发展，高速铁路牵引供电负荷具有冲击性强、高次谐波丰富等特点，准确描述其电力综合负荷特性，寻求合理的负荷模型结构并获得准确的模型参数，建立用于电力系统的运行、仿真与稳定分析的牵引负荷模型，已成为学术界、工程界研究的热点。

目前牵引负荷建模领域中广泛使用的方法是对牵引网的一个供电臂建立Matlab/simulink仿真模型，通过搭建接触网线路、牵引变电所、电力机车等详细的电磁暂态模型，经仿真得到牵引负荷的等效模型^[1-2]。该方法具有以下缺点：(1) 时域仿真计算量比较大，需要较长的计算时间；(2) 没有将时域仿真与列车运行图进行结合，仿真所获得的模型不具有通用性；(3) 牵引网不同供电臂之间并非完全电气绝缘，存在相互影响；(4) 将牵引供电系统和机车牵引传动系统作为独立的两部分分析，并没有考虑牵引网电压对电流的影响，使电力机车的注入电流与实际值偏差较大；(5)忽略了电力系统对牵引变压器二次侧电压幅值和相角的影响，使分析结果不完全正确。

相关文献：

[1] 张广东. 牵引供电系统综合负荷模型结构研究[D]. 湖南：湖南大学，2009.

[2] 方雷. 高速铁路牵引供电系统数字建模及仿真[D]. 四川：西南交通大学,  2010。

发明内容

本发明的目的是为了充分列车在供电臂上的不同位置和数量对牵引负荷特性的影响，区别于已有的通过搭建时域仿真模型，建立固定列车数量和位置情况下牵引负荷模型的方法，提供一种基于列车运行图的牵引负荷建模方法。

本发明采用的技术方案的步骤如下：

1）以列车运行图的发车间隔为一个周期，在一个周期内，以每5秒为一个间隔，每个时间间隔取其中1秒在牵引变电所25kV侧加入一个电压扰动，然后恢复电压，通过牵引网潮流计算或实测数据得到每个供电臂各个时刻的电压、功率随时间变化的值，步长为0.01秒；

2）根据列车运行图使用查表-插值的方法计算列车的位置和速度，得到每个供电臂上的列车运行数量和速度；

3）将一个供电臂上的每辆列车等效为一个感应电动机模型，描述牵引网上各机车的牵引传动部分，机车牵引回路中的无功部分和牵引供电系统的线路阻抗上的消耗等效为一个静态指数模型；

将一个供电臂上的多个感应电动机模型并联为一个等效的感应电动机模型，由于机车型号相同，所以等效模型的等值惯性常数不变，励磁电抗相当于n台感应电动机励磁电抗值并联，机械转矩Tm与列车数量成正比，即：

5）根据步骤1）中得到的数据，利用粒子群算法（PSO）对并联感应电动机模型加静态指数模型进行参数辨识，建立牵引负荷模型；

6）根据步骤5）中辨识得到的参数对负荷模型仿真功率与实测数据进行对比，验证模型的正确性。

所述的步骤3）静态指数模型具体描述如下：

式中：——静态有功功率值

——静态无功功率值

——稳态有功功率值

——稳态无功功率值

——稳态电压值

——电压值

——有功功率指数，待辨识

——无功功率指数，待辨识

所述的步骤4）并联感应电动机模型具体描述如下：

状态方程：

电动机负荷吸收的功率为：

式中：——并联感应电动机等值励磁暂态电抗

——同步电抗

——暂态时间常数

——惯性时间常数

——转子转速；

——同步转速；

——并联感应电动机等值机械转矩

——感应电动机暂态电动势

——感应电动机转子旋转角度

——动态有功功率

——动态无功功率

。

所述的步骤5）并联感应电动机模型加静态指数模型的描述如下：

式中：——动态有功功率

——动态无功功率

——静态有功功率值

——静态无功功率值

——总有功功率

——总无功功率

所述的步骤5）粒子群算法（PSO）的描述如下：

它的进化方程可描述为：

式中：——微粒的当前位置

——微粒的当前飞行速度