[发明专利]考虑普铁和高铁客货混跑影响的建模方法

权利要求书

1.一种考虑普铁和高铁客货混跑影响的建模方法，其特征在于，其步骤如下：

①变电所建模

基于MALTAB/Simulink平台，结合实际的变电所结构和数据，包括其主变压器容量、电压等级、主接线方式、外接负荷情况以及结合所研究时间点各负荷实测数据对变电所及接入变电所母线的非铁路负荷进行建模；

②牵引网建模

对电气化铁路的牵引供电系统采用精细的链式模型进行等效，并采用Carson公式计算链式模型中各导线的阻抗和导纳参数；

③列车建模

考虑高铁客货多工况混距运行的情况，采用瞬态直接电流控制策略，分别建立客车和货车模型，且客车建模要考虑再生制动的情况；

④仿真分析部分

根据步骤①、②和③所建立的变电所和牵引网以及列车模型，考虑5种电铁运行的情况：无车运行、1列客车正常运行、1列货车正常运行、2列货车正常运行和有1列高铁客车再生制动运行，仿真分析牵引网负载对变电所电能质量的影响，分析对象包括变电所母线三相对地电压、母线三相电压谐波以及母线三相电压不平衡度。

2.根据权利要求1所述的考虑普铁和高铁客货混跑影响的建模方法，其特征在于，所述步骤①中，变电所有主变压器2台，其容量分别为120MVA和150MVA；有三个电压等级，分别为220kV、110kV、10kV；220kV、110kV，系统的主接线方式为采用双母线带专用旁母的接线方式即母联兼旁路，10kV系统采用两段单母线的接线方式；负荷1～负荷12为非电铁负荷；220kV进出线四回，分别接入6处负荷；110kV系统出线七回，分别接入7处负荷；10kV系统出线2回，分别连接两个其他变电所；在变电所模型中，三相变压器各绕组的等值电阻R_B、等值电抗X_B和励磁电阻R_Z、励磁电抗X_Z计算式分别见式(1)-式(4)；

式中，ΔP_B为短路损耗；U_B为变压器额定线电压；S_e为变压器额定容量；U_d％为短路电压百分数；ΔP₀为变压器的空载有功损耗；I₀％为空载电流；

所述步骤②牵引网建模中，电气化铁道的牵引供电系统采用我国常见的AT牵引供电系统，链式网络模型由串联子网和并联支路2部分组成，通过牵引变电所、AT所、分区所和列车并联支路将牵引网分割成若干个串联子网；平行的多导体传输线构成了子网中的串联支路，以并联支路作断面；每个子网中的平行多根传输导体用π型等效电路表示，从而将整个牵引网等效为链式网络；

根据上述链式网络的等效方法，在矩阵实验室仿真软件MATLAB/Simulink中用π型等效电路建立切割后的子网模型，每个子网表达10km的牵引网线路，该线路包括上行的接触网T1、钢轨R1、保护线P1、正馈线F1和下行的接触网T2、钢轨R2、保护线P2和正馈线F2；链式模型考虑了各导线的自电感、互电感和各导线的自电容、互电容；

典型的AT牵引供电系统参数见附表1；

基于如上数据，采用Carson公式计算链式模型中各导线的阻抗参数和导纳参数；其中，阻抗参数的计算式见式(5)；

式(5)中，Z_ii为导线i的自阻抗；Z_ij为导线i和导线j的互阻抗；r_i为导线i的直流电阻；r_e为大地自身电阻，取0.0493Ω/km；R_εi为导线i的等效半径；d_ij为导体i与导体j之间的几何距离；f为电流频率，取工频50Hz；D_g为大地等效深度，当土壤电导率为σ＝10^-4Ω/km时将其视为930m；

导纳参数的计算式见式(6)；

式中，ε₀为空气介电常数；r_i为导体i的等效半径；h_i为导体i到地面的高度；d_ij为导体i与导体j之间的空间距离；D_ij为导体i与导体j之间的镜像距离；

所述步骤③列车建模中，为充分对比普铁和高铁不同车型负载在不同工况运行的影响，以高铁的CRH3型动车组和普铁的HXD2B型货车为例，分别建立客车模型和货车模型；其中，CRH3型动车组采用4动4拖模式，每个动力单元有4个变流器柜，每个变流器柜中含有2个整流器，1个中间直流环节和1个逆变器，每个逆变器带动4个牵引电机；HXD2B型货车含有3个主变流器柜，其中每个主变流器柜中含有2个逆变器、2个整流器以及2套中间直流环节，每个逆变器带动1台牵引电机；

CRH3型动车组模型的整流器控制单元采用瞬态直接电流控制策略，中间直流环节包括2倍电网频率的串联谐振电路、支撑电容和过电压限制电路，逆变器控制单元采用直接转矩控制策略；HXD2B型货车每个环节的建模方法与CRH3型动车组类似，CRH3型动车组中间直流环节电压为1550V，HXD2B型机车中间直流环节电压为3775V，其他电路结构与电路参数也不同；

所述步骤④仿真分析中，利用矩阵实验室仿真软件(MATLAB/Simulink)将已建立的变电所模型、牵引网模型以及列车模型按照以下接线方式连接得到用于仿真的模型；该连接方式具体为：三绕组主变压器1和主变压器2的220kV侧连接220kV I母线与220kV II母线，主变压器1和主变压器2的110kV侧连接110kV I母线与110kV II母线；220kV母线给负荷1、负荷2、电气化铁路负荷、负荷3、负荷4、负荷5供电；110kV母线给负荷6、负荷7、负荷8、负荷9、负荷10、负荷11、负荷12供电；其中，220kV母线通过牵引变压器给电气化铁路负荷供电；考虑220kV母线与牵引变压器连接，牵引变压器与牵引网连接且列车在牵引网中运行，牵引变压器模型衔接在变电所模型与牵引网模型之间，列车模型根据列车在牵引网的位置位于牵引网模型的接触网导体与钢轨导体之间。