电气化铁路AT牵引供电系统的状态空间模型建立方法技术方案

本发明专利技术公开了一种电气化铁路AT牵引供电系统的状态空间模型建立方法，高速铁路牵引供电系统暂态数学模型是分析牵引供电系统动态问题的基础。本发明专利技术提供了全并联自耦变压器(AT)牵引供电系统详细状态空间模型的模块化建立方法，当机车移动导致牵引网拓扑结构改变时，针对不同的机车位置，只需要重新组合模块化微分方程，修改参数矩阵，实现了牵引供电系统暂态模型建立和参数修改的简单化、快速化。模块化的建模方法简化了机车位置及数量、故障点位置变化时的模型建立。此模型可以用于牵引网电磁暂态仿真、动态特性分析。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术应用于电气化铁路AT牵引供电系统仿真、动态特性分析领域，属于牵引供电系统暂态数学模型的建立方法
技术介绍
随着高速电气化铁路的发展，出现了电力机车过分相过电压、高次谐波谐振、低频振荡等问题。目前有关牵引供电系统的暂态分析，都是基于电力系统电磁暂态仿真软件搭建电磁暂态模型，这些仿真软件中的模型是针对电力系统所设计，基本不包含牵引供电系统元件，例如牵引变压器、牵引网等。而牵引变压器接线方式、牵引网结构具有其特殊性，使得利用电磁暂态仿真软件进行牵引供电系统的数字仿真时，其模型建立或当牵引网拓扑结构变化时，需要重新放置和逐个修改各单元模块参数，过程复杂繁琐。
技术实现思路
本专利技术提出了建立高速电气化铁路全并联自耦变压器(AT)牵引供电系统状态空间模型的方法。根据变电所至分区所的牵引网拓扑结构，组合各模块，构建状态方程。当牵引网拓扑结构因机车位置的移动而改变时，只需要重新组合模块化微分方程，再修改参数矩阵即可，实现牵引供电系统暂态模型建立和参数修改的简单化、快速化。为解决上述问题，本专利技术采用的技术方案是：电气化铁路AT牵引供电系统的状态空间模型建立方法，包括以下步骤：步骤一、采集模型原始数据：根据电力系统和变压器短路参数和牵引网各导体型号及尺寸、空间位置，获取建模所需原始数据，包括电力系统短路阻抗ZS、牵引变压器短路阻抗ZT，自耦变压器漏抗Zat；牵引网多导体单位串联电阻矩阵，单位串联电感矩阵，单位并联电容矩阵，并获得将牵引网导体进行合并成6导体的串联电阻矩阵R′，单位串联电感矩阵L′，单位并联电容矩阵C′；步骤二、建立模块化的微分方程：将全并联AT牵引供电系统暂态数学模型的构成模块，包括对电源模块，AT模块，串联模块，并联模块建立微分方程；步骤三、根据变电所至分区所线路实际结构及运行状况，确定牵引网横向切割点，组合电源模块、AT模块、串联模块和并联模块等值电路，建立全系统等值电路；步骤四、根据模块组合情况，计算各微分方程中各常系数或常系数矩阵：牵引变电所等值短路阻抗ZST为ZST＝RST+jωLST＝2ZS+ZT将自耦变压器绕组电阻和漏电感折算到原边，获得Rat和Lat；计算长度为l的牵引网∏型等值电路串联电阻矩阵Rl，串联电感矩阵Ll和并联电容矩阵Cl；步骤五、建立全系统状态空间模型。 x · = Ax + Bu ]]>状态方程中各矩阵的确定如下:5.1确定状态变量矩阵x:根据模块化等值电路组合情况，依次输入对应状态变量构成列矩阵；5.2确定系数矩阵A:由状态变量矩阵x的排列顺序，对应各状态变量xi的微分方程系数，依次在系数矩阵A的对应行、列输入方程系数,若状态变量矩阵x是n×1列矩阵，则系数矩阵A为n×n列矩阵；A的第i行内容要与x的第i行状态变量xi对应的微分方程系数有关；当变量xi的微分方程等号右边的某一项变量位于x的第k行，则在A的第i行k列位置输入该变量相关常系数矩阵；5.3确定输入向量u:当牵引网空载时，输入向量为电源电压us，即u＝us。5.4确定输入矩阵B:当牵引网空载时，输入矩阵B为 B T = 1 L S T 0 ... 0 ]]>说明：当电源模块状态变量is位于状态变量矩阵x中的第f行时，则上式中非零元素在B中第f行。5.5当牵引网含有机车负载时，机车负载会向该切面对应节点注入电流iLL为：iLL＝M3iL式中，iL为机车电流，是状态方程式的另一输入变量；含有机车负载的输入向量u1和输入矩阵B1为： u 1 T = [ u s i L ] B 1 T = 1 L S T 0 ... 0 0 0 ... 本文档来自技高网...

【技术保护点】
电气化铁路AT牵引供电系统的状态空间模型建立方法，其特征在于，建模方法包括以下步骤：步骤一、采集模型原始数据：根据电力系统和变压器短路参数和牵引网各导体型号及尺寸、空间位置，获取建模所需原始数据，包括电力系统短路阻抗ZS、牵引变压器短路阻抗ZT，自耦变压器漏抗Zat；牵引网多导体单位串联电阻矩阵，单位串联电感矩阵，单位并联电容矩阵，并获得将牵引网导体合并成6导体的串联电阻矩阵R′，单位串联电感矩阵L′，单位并联电容矩阵C′；步骤二、建立模块化的微分方程：将全并联自耦变压器(AT)牵引供电系统暂态数学模型的构成模块，包括对电源模块，AT模块，串联模块，并联模块建立微分方程；步骤三、根据变电所至分区所线路实际结构及运行状况，确定牵引网横向切割点，组合电源模块、AT模块、串联模块和并联模块等值电路，建立全系统等值电路；步骤四、根据模块组合情况，计算各微分方程中各常系数或常系数矩阵：牵引变电所等值短路阻抗ZST为ZST＝RST+jωLST＝2ZS+ZT自耦变压器绕组电阻和漏电感折算到原边，获得Rat和Lat；计算长度为l的牵引网∏型等值电路串联电阻矩阵Rl，串联电感矩阵Ll和并联电容矩阵Cl；步骤五、建立全系统状态空间模型；x·=Ax+Bu]]>状态方程中各矩阵的确定如下:5.1确定状态变量矩阵x:根据模块化等值电路组合情况，依次输入对应状态变量构成列矩阵；5.2确定系数矩阵A:由状态变量矩阵x的排列顺序，对应各状态变量xi的微分方程系数，依次在系数矩阵A的对应行、列输入方程系数,若状态变量矩阵x是n×1列矩阵，则系数矩阵A为n×n列矩阵；A的第i行内容要与x的第i行状态变量xi对应的微分方程系数有关；当变量xi的微分方程等号右边的某一项变量位于x的第k行，则在A的第i行k列位置输入该变量相关常系数矩阵；5.3确定输入向量u:当牵引网空载时，输入向量为电源电压us，即u＝us；5.4确定输入矩阵B:当牵引网空载时，输入矩阵B为BT=[1LST0...0]]]>说明：当电源模块状态变量is位于状态变量矩阵x中的第f行时，则上式中非零元素在B中第f行；5.5当牵引网含有机车负载时，机车负载会向该切面对应节点注入电流iLL为：iLL＝M3iL式中，iL为机车电流，是状态方程式的另一输入变量；含有机车负载的输入向量u1和输入矩阵B1为：u1T=[usiL]B1T=1LST0...000...000...0Q0...0]]>式中，Q＝(C‑1M3)T，在矩阵B1中的列位置对应x中机车接入点节点电压变量位置；含有机车负载的系统状态方程中，系数矩阵对比与空载时要新增两行，对应输入机车所在切面下的并联模块微分方程各系数矩阵和串联模块微分方程各系数矩阵；5.6对牵引网短路故障和牵引网断线故障作处理。...

【技术特征摘要】
1.电气化铁路AT牵引供电系统的状态空间模型建立方法，其特征在于，建模方法包括以下步骤：步骤一、采集模型原始数据：根据电力系统和变压器短路参数和牵引网各导体型号及尺寸、空间位置，获取建模所需原始数据，包括电力系统短路阻抗ZS、牵引变压器短路阻抗ZT，自耦变压器漏抗Zat；牵引网多导体单位串联电阻矩阵，单位串联电感矩阵，单位并联电容矩阵，并获得将牵引网导体合并成6导体的串联电阻矩阵R′，单位串联电感矩阵L′，单位并联电容矩阵C′；步骤二、建立模块化的微分方程：将全并联自耦变压器(AT)牵引供电系统暂态数学模型的构成模块，包括对电源模块，AT模块，串联模块，并联模块建立微分方程；步骤三、根据变电所至分区所线路实际结构及运行状况，确定牵引网横向切割点，组合电源模块、AT模块、串联模块和并联模块等值电路，建立全系统等值电路；步骤四、根据模块组合情况，计算各微分方程中各常系数或常系数矩阵：牵引变电所等值短路阻抗ZST为ZST＝RST+jωLST＝2ZS+ZT自耦变压器绕组电阻和漏电感折算到原边，获得Rat和Lat；计算长度为l的牵引网∏型等值电路串联电阻矩阵Rl，串联电感矩阵Ll和并联电容矩阵Cl；步骤五、建立全系统状态空间模型； x · = A x + B u ]]>状态方程中各矩阵的确定如下:5.1确定状态变量矩阵x:根据模块化等值电路组合情况，依次输入对应状态变量构成列矩阵；5.2确定系数矩阵A:由状态变量矩阵x的排列顺序，对应各状态变量xi的微分方程系数，依次在系数矩阵A的对应行、列输入方程系数,若状态变量矩阵x是n×1列矩阵，则系数矩阵A为n×n列矩阵；A的第i行内容要与x的第i行状态变量xi对应的微分方程系数有关；当变量xi的微分方程等号右边的某一项变量位于x的第k行，则在A的第i行k列位置输入该变量相关常系数矩阵；5.3确定输入向量u:当牵引网空载时，输入向量为电源电压us，即u＝us；5.4确定输入矩阵B:当牵引网空载时，输入矩阵B为 B T = [ 1 L S T 0 ... 0 ] ]]>说明：当电源模块状态变量is位于状态变量矩阵x中的第f行时，则上式中非零元素在B中第f行；5.5当牵引网含有机车负载时，机车负载会向该切面对应节点注入电流iLL为：iLL＝M3iL式中，iL为机车电流，是状态方程式的另一输入变量；含有机车负载的输入向量u1和输入矩阵B1为： u 1 T = [ u s i L ] B 1 T = 1 L S T 0 ... ...

【专利技术属性】
技术研发人员：吕晓琴，王晓茹，
申请(专利权)人：西南交通大学，
类型：发明
国别省市：四川;51