高速铁路牵引供电系统数字仿真与动态模拟平台的设计与开发

摘要

随着我国高速铁路的快速发展，大量的新建线路不断投入运行和运营。牵引供电系统是高速铁路的重要组成部分，是保证其安全、稳定、可靠运行的关键系统之一。与普速铁路相比，高速铁路牵引供电系统在供电方式及负荷特性上都有较大差别，牵引供电系统运营的人才储备及技术积累两方面面临巨大挑战。为了适应我国高速铁路的发展速度，建立牵引供电系统数字仿真平台以及动态模拟平台具有重要的意义。
　　牵引供电系统的电气参数计算和运行原理分析作为仿真和动态模拟平台的核心和基础，对建立的仿真及动模平台的准确度具有重要作用。基于此，本文开展了牵引供电系统潮流计算方法、高速列车仿真模型的理论研究，分别完成了牵引供电系统潮流计算仿真平台、动车组牵引传动系统仿真平台的设计，这两者共同构成了高速铁路牵引供电系统数字仿真平台。最后，建立了高速铁路牵引供电系统等比例缩小的动态模拟平台。
　　在牵引供电系统潮流计算仿真平台方面，本文首先给出适于计算机编程的牵引网阻抗/电容计算公式，利用多导体链式模型建立了复杂牵引网的数学模型以及三种常用接线的主变压器数学模型;针对高速铁路的牵引网导线数目多、节点导纳矩阵阶数大的情况，采用导线合并的方法对牵引网多导体模型做降阶处理。通过对高速铁路车网耦合特性分析，以恒功率源等效机车，并提出了一种考虑车网耦合的牵引负荷迭代方法。对牵引供电系统轻载、中载、重载三种不同工况的潮流计算，计算结果表明该算法具有较快的计算速度，且电压电流等电气参数符合实际情况。将此潮流算法作为计算核心，本文利用Matlab中的图形用户界面(GUI)完成了潮流计算平台的设计。
　　在高速列车牵引传动系统仿真平台方面，本文分析了交流传动高速列车的牵引整流器、牵引逆变器工作原理及控制方式，从而完成牵引供电系统主要元件的数学建模及运行原理分析。根据牵引整流器、逆变器的工作原理及控制策略，本文利用Matlab/Simulink建立了考虑机车运行特性的高速动车组的牵引传动系统仿真模型，并对其运行特性及谐波传播特性进行了仿真。仿真结果符合实际高速动车组工作情况，能较真实模拟高速列车运行及其谐波特性。以此仿真模型作为计算核心，利用MatlabGUI设计了牵引传动系统仿真平台。
　　最后，根据上述章节所述的牵引供电系统结构及运行原理，计算得到高速铁路牵引供电系统缩小比例参数，并结合现场施工资料，设计实现了高速铁路牵引供电系统动态模拟平台。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题的提出和意义

1．2 课题国内外的研究现状

1．2．1 高速铁路牵引供电系统及高速列车建模的研究现状

1．2．2 牵引供电系统数字仿真平台的研究现状

1．2．3 轨道交通模拟实物平台的研究现状

1．3 论文的主要工作

第2章 高速铁路牵引供电系统潮流计算平台的设计

2．1 引言

2．2 高速铁路全并联AT供电方式概述

2．3 牵引网导线数学模型

2．3．1 牵引网导线参数计算方法

2．3．2 牵引网链式电路

2．3．3 多导体传输线路的等效电路元件参数

2．3．4 变压器数学模型

2．4 考虑车网耦合特性的牵引供电系统潮流算法

2．4．1 节点导纳矩阵的降阶方法

2．4．2 牵引负荷的迭代方法

2．4．3 牵引供电系统潮流算法

2．5 不同工况下牵引供电系统的算例分析

2．5．1 仿真目标

2．5．2 工况1(单列车运行于上行线路)

2．5．3 工况2(上下行各1列车运行)

2．5．4 工况3(6列车运行)

2．5．4 仿真结论

2．6 牵引供电系统潮流计算平台的设计

2．6．1 牵引供电系统潮流计算平台的基本结构

2．6．2 潮流计算平台的界面设计及参数调用方法

2．7 本章小结

第3章 高速铁路动车组牵引传动系统仿真平台的设计

3．1 引言

3．2 高速铁路动车组概述

3．2．1 高速铁路动车组牵引传动系统

3．2．2 高速铁路动车组运行特性

3．3 高速铁路动车组牵引变流器工作原理及仿真建模

3．3．1 牵引整流器原理及控制策略

3．3．2 牵引整流器仿真模型

3．3．3 牵引逆变器原理及控制策略

3．3．4 牵引逆变器仿真模型

3．4 高速铁路动车组电气特性仿真分析

3．4．1 高速列车运行特性分析

3．4．2 高速列车谐波传播特性分析

3．5 动车组牵引传动系统仿真平台的设计

3．5．1 动车组牵引传动系统仿真平台的基本结构

3．5．2 牵引传动系统仿真平台的界面设计

3．6 本章小结

第4章 高速铁路牵引供电系统动态模拟平台的开发设计

4．1 引言

4．2 牵引供电及传动模拟平台

4．2．1 牵引供电及传动模拟平台整体规划

4．2．2 模拟平台各单元说明

4．2．3 高速铁路沙盘动态演示平台

4．3 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及科研成果