CN109359344B - 考虑普铁和高铁客货混跑影响的建模方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种考虑普铁和高铁客货混跑影响的建模方法，其步骤是：(1)变电所建模方面：根据变电所实际结构和参数建立用于电能质量影响研究的变电所模型；(2)牵引网负荷建模方面：采用链式模型对牵引变电所所连接的牵引网进行建模，同时结合瞬态直接电流控制策略分别对客车和货车两种车型进行建模；(3)列车建模：在建立好的变电所和牵引网模型基础上，以电气化铁路无车、有1列客车正常运行、有1列货车正常运行、有2列货车正常运行和有1列高铁客车再生制动运行的5种工况为典型例子，就电气化铁路运行对220kV三相母线电压波动和谐波的影响进行了仿真对比，并验证了建模方法的有效性。

Description

考虑普铁和高铁客货混跑影响的建模方法
技术领域
本发明涉及一种考虑普铁和高铁客货混跑影响的建模仿真分析方法。
背景技术
随着电气化铁路接入电网，其对整个电网系统的影响不可忽视，尤其是大量的不平衡负荷的接入对变电所的正常运行带来巨大挑战。根据已有运行经验，电气化铁路运行主要会对电网造成注入电压偏差、谐波无功、三相负荷不平衡。目前有部分学者针对电铁运行时对变电所电能质量的影响进行了研究，总结出电铁运行时除了产生大量谐波电流，还对三相交流供电系统产生不平衡负荷和负序电压电流，负序与谐波电流会对电力系统中电力变压器和继电保护装置等产生影响。部分学者通过建模仿真来分析电铁接入变电所所造成的影响，在建模过程中考虑了一些实际因素如反馈功率和列车运行的不同工况等，但目前的仿真分析往往只针对普速铁路或高速铁路不同类型客车运行的影响。然而，普速铁路中也有货车运行，且接入变电所母线的电气化铁路有可能存在多列货车运行的情况。因此，有必要在已有研究的基础上，就普铁和高铁不同车型负载在不同工况运行对变电所电能质量的污染给出更全面的建模分析方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种考虑普铁和高铁客货混跑影响的建模方法，旨在综合考虑普铁和高铁、且普铁中有货车运行的不同车型负载在不同工况运行情况下，电铁负荷对变电所电能质量的影响而提供更全面、更准确的仿真分析结果。
本发明的目的是这样实现的：一种考虑普铁和高铁客货混跑影响的建模方法，其步骤如下：
①变电所建模
基于矩阵实验室仿真软件(MATLAB/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。
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RB、等值电抗XB和励磁电阻RZ、励磁电抗XZ计算式分别见式(1)-式(4)；
Figure BDA0001807857940000021
Figure BDA0001807857940000022
Figure BDA0001807857940000023
Figure BDA0001807857940000024
式中，ΔPB为短路损耗；UB为变压器额定线电压；Se为变压器额定容量；Ud％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、分区所和列车等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；
Figure BDA0001807857940000031
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)；
Figure BDA0001807857940000032
式(5)中，Zii为导线i的自阻抗；Zij为导线i和导线j的互阻抗；ri为导线i的直流电阻；re为大地自身电阻，取0.0493Ω/km；Rεi为导线i的等效半径；dij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；Dg为大地等效深度，当土壤电导率为σ＝10-4Ω/km时通常将其视为930m；
导纳参数的计算式见式(6)；
Figure BDA0001807857940000033
式中，ε0为空气介电常数；ri为导体i的等效半径；hi为导体i到地面的高度；dij为导体i与导体j之间的空间距离；Dij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。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1).在考虑电铁不同类型列车以及多车运行的情况下，提出一种用于研究电铁负荷对变电所电能质量影响的建模分析方法。该方法考虑了电铁运行的实际情况，首先根据电网主变压器的铭牌参数及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，然后根据牵引变电所、牵引网、列车的铭牌参数和出厂测试报告，分别对牵引变电所、牵引网及不同类型列车进行建模，给出普铁和高铁不同车型负载在不同工况运行对变电所影响的比较分析。
2).本发明对变电所以及牵引网负载进行建模，牵引网负载建模包括牵引网本身建模以及车辆建模，在车辆建模时考虑多车、不同车型及再生制动运行和非再生制动运行，基于建立的模型对牵引网负载对变电所电能质量的影响进行仿真分析。
3).经仿真结果的对比，本发明的建模方案具备有效性，能够全面、准确反映不同电铁运行工况下对变电所电能质量的影响。
附图说明
图1是变电所主接线图。
图2是考虑普铁和高铁客货混跑影响的模型构建方法的流程图及特点。
图3是牵引网子网MATLAB/Simulink建模。
图4是客车和货车的动力单元模型(a是CRH3型动车组，b是HXD2B型机车)。
图5是客车和货车的车载变压器次边模型(a是CRH3型动车组，b是HXD2B型机车)。
图6是5种电铁运行工况下变电所220kV侧母线三相对地电压波形对比(a是无车运行，b是1列客车正常运行，c是1列客车再生制动运行，d是1列货车正常运行，e是2列货车正常运行)。
图7是5种电铁运行工况下220kV侧母线的三相电压谐波分析结果对比(a是无车运行，b是1列客车正常运行，c是1列客车再生制动运行，d是1列货车正常运行，e是2列货车正常运行)。
图8是4种电铁运行工况下变电所220kV侧母线三相电压不平衡度对比。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明做进一步的详细阐述。
这里，以某一具体的变电所为例，详细说明考虑普铁和高铁客货混跑影响的建模方法。举例的变电所接线图见附图1；模型构建方法的流程图及特点见附图2。如附图2所示，模型的构建包括变电所建模、非电铁负荷建模和电铁负荷建模。电铁负荷建模包括牵引变电所建模、牵引网建模和列车负荷建模。本发明所提出的建模方法的特点在于牵引网采用精细的链式π型网络等效，且电铁负荷建模计及普铁和高铁客货混跑的影响。下面分别对变电所建模、牵引网建模及列车建模进行介绍。
①变电所建模
如附图1所示，此变电所有主变压器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(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。10kVⅠ母无功补偿装置电容器四组，其总容量为14400kVar；10kVⅡ母无功补偿装置电容器四组，其总容量为15600kVar。在变电所模型中，三相变压器各绕组的等值电阻(RB)、等值电抗(XB)和励磁电阻(RZ)、励磁电抗(XZ)计算式分别见式(1)-式(4)。
Figure BDA0001807857940000051
Figure BDA0001807857940000052
Figure BDA0001807857940000061
Figure BDA0001807857940000062
式中，ΔPB为短路损耗；UB为变压器额定线电压；Se为变压器额定容量；Ud％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。
②牵引网建模
本发明用链式模型对牵引网进行建模。假设电气化铁道采用我国常见的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、分区所和列车等并联支路可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可用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，如附图3所示。附图3中的子网表达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)。由附图3可知，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(1)。
Figure BDA0001807857940000063
式(1)中，Zii为导线i的自阻抗；Zij为导线i和导线j的互阻抗；ri为导线i的直流电阻；re为大地自身电阻，取0.0493Ω/km；Rεi为导线i的等效半径；dij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；Dg为大地等效深度，当土壤电导率为σ＝10-4Ω/km时通常将其视为930m。
导纳参数的计算式见式(2)。
Figure BDA0001807857940000071
式中，ε0为空气介电常数；ri为导体i的等效半径；hi为导体i到地面的高度；dij为导体i与导体j之间的空间距离；Dij为导体i与导体j之间的镜像距离。
③列车建模
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型动车组和HXD2B型货车的MATLAB/simulink模型的动力单元模型和车载变压器次边模型分别见附图4、附图5。
在附图5(a)和附图5(a)中，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。
④多工况下影响的对比分析
将上文建立的变电所模型、电铁模型和运行电铁外的其他负荷模型按照附图1的接线方式连接得到本文用于仿真的MATLAB/Simulink模型。为验证模型及开展普铁和高铁客货混跑对变电所的影响，改变模型中电铁负载的接入情况形成5种电铁运行情况，并在这5种情况下进行仿真分析。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，选取的5种电铁运行情况分别为：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。其中，2列货车运行的情况即仿真模型中的牵引网部分在距离牵引变电所2km和30km处分别接入HXD2B型货车模型。此外，仿真时间设置为0.08s，步长设置为1×10-5s。此时间段内运行电铁外的其他负荷(负荷1～负荷12的具体位置见附图1)输入至电网的有功功率和无功功率见附表2，时间间隔设为0.01s。
针对5种典型的电铁运行情况，仿真得到的220kV侧母线三相对地电压及其谐波分量分别见附图6和附图7。以表格形式呈现的5种电铁运行工况下变电所220kV侧母线电压谐波分析结果对比见附表3。附图8为无车运行、1列客车正常运行、1列货车正常运行和2列货车正常运行4种电铁运行工况下变电所220kV侧母线三相电压不平衡度对比。仿真结果能验证建模方案的有效性，且根据仿真结果的对比，可以得到3个结论：
(1)5种电铁运行工况下母线对地电压无论幅值还是波形均正常；没有车运行、1列客车正常或再生制动运行、1列货车运行、2列货车运行对三相母线电压波动的影响区别不明显。
(2)在谐波方面，如附表3所示，2列货车运行引起的总谐波失真最严重，其次分别为1列货车正常运行时、1列客车正常运行时、1列客车再生制动运行时、无车运行时。无车运行时引起的总谐波失真最轻微。
(3)在三相不平衡方面，如附图8所示，有列车运行会比无车时给电网带来更显著的三相负荷不平衡。有列车运行时，货车会比客车带来更显著的三相负荷不平衡。
表1
Figure BDA0001807857940000081
表2
Figure BDA0001807857940000082
表3
Figure BDA0001807857940000083
Figure BDA0001807857940000091
表1是AT牵引网系统的典型参数。
表2是输入至电网的非电铁负荷的有功功率和无功功率。
表3是5种电铁运行工况下变电所220kV侧母线三相电压谐波分析结果对比。

Claims (2)

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RB、等值电抗XB和励磁电阻RZ、励磁电抗XZ计算式分别见式(1)-式(4)；
Figure FDA0003926076510000011
Figure FDA0003926076510000012
Figure FDA0003926076510000013
Figure FDA0003926076510000014
式中，ΔPB为短路损耗；UB为变压器额定线电压；Se为变压器额定容量；Ud％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；
Figure FDA0003926076510000021
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)；
Figure FDA0003926076510000022
式(5)中，Zii为导线i的自阻抗；Zij为导线i和导线j的互阻抗；ri为导线i的直流电阻；re为大地自身电阻，取0.0493Ω/km；Rεi为导线i的等效半径；dij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；Dg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)；
Figure FDA0003926076510000031
式中，ε0为空气介电常数；ri为导体i的等效半径；hi为导体i到地面的高度；dij为导体i与导体j之间的空间距离；Dij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。
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