基于混沌理论的磁暴对动车电压互感器影响研究

摘要

随着中国经济、社会的迅速发展，高速动车组成为当代铁路的发展趋势。中国高铁规模日益壮大，结构日趋复杂，磁暴作为一种大规模、突发性的灾害性空间天气，已有报道其对铁路系统的安全运行形成了威胁。由于目前对磁暴影响铁路系统的研究处于起步阶段，对于磁暴灾害和铁路系统的研究主要采用传统的对线性系统的分析方法，而这种分析方法对于一些非线性现象不能准确分析。本文以非线性理论为基础，用混沌学分析法研究高铁牵引供电系统中动车电压互感器的混沌现象，具有前瞻性和创新性。
　　本文针对地磁感应电流(GIC，Geomagnetically Induced Current)侵害动车电压互感器影响其磁化特性，以非线性理论为基础，将非线性与励磁电流相结合，通过建立动车电压互感器GIC模型电路，根据混沌理论判断了电压互感器电压出现混沌振荡的可能性，并运用Melnikov函数法求出不同参数下动车电压互感器出现混沌现象的定量化条件。
　　利用分岔图、李雅普诺夫指数对电压互感器在不同激励下的非线性特性进行了总体性的研究，并研究不同磁化特性对其混沌现象造成的影响，从而确定了电压混沌振荡的参数范围。利用平面相图、电压波形图、庞加莱截面和三维图研究了电压互感器电压的“稳定”“混沌”和“过渡”这三种非线性形态。
　　针对容易受到GIC影响的电压互感器铁心损耗电阻，通过仿真分别分析了线性铁心损耗电阻与非线性铁心损耗电阻模型对电压互感器混沌特性的影响，并进行了对比分析，得出非线性铁心损耗电阻的影响效果相当于较大值线性铁心损耗电阻的效果。并通过仿真得出动车在AT供电区的位置不同，电压互感器电压的混沌振荡情况也不相同。
　　最后针对磁暴引起的混沌现象，分别设计了追踪控制器和反馈脉冲控制器来抑制电压互感器电压出现的混沌振荡，通过找到一个电压互感器电压在额定电压下工作的系统作为参照，在混沌系统中加入控制信号，将发生混沌现象的系统同步到参照系统，实现混沌振荡电压与正常工作电压的同步，从而抑制电压的混沌振荡。并通过仿真验证了控制器的有效性。

目录

声明

致谢

摘要

1．1 研究背景及意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 国外研究现状

1．2．2 国内研究现状

1．3 论文的主要内容

2 GIC侵入动车电压互感器的影响及混沌理论

2．1 牵引供电系统概述

2．1．1 牵引供电系统现状

2．1．2 AT供电方式工作原理

2．1．3 自耦变压器工作原理

2．1．4 动车电压互感器工作原理

2．2 GIC对电压互感器特性影响分析

2．2．1 GIC的流通路径

2．2．2 直流偏磁对电压互感器磁化特性的影响

2．2．3 直流偏磁对电压互感器铁心损耗的影响

2．3 混沌学的理论研究

2．3．1 混沌的定义

2．3．2 混沌的特征

2．3．3 非自治系统与自治系统

2．3．4 混沌学分析方法

2．4 本章小结

3 GIC影响动车电压互感器混沌特性的机理研究

3．1 牵引网电路模型

3．1．1 牵引网等值电路及阻抗计算

3．1．2 AT供电方式下的牵引网阻抗计算

3．1．3 变压器等效电路

3．2 电压互感器GIC模型

3．2．1 建立GIC模型电路

3．2．2 模型电路状态方程的分析

3．3 计算混沌阈值

3．3．1 平面哈密顿系统及梅尔尼科夫方法

3．3．2 考虑ESP的等价系统方程

3．3．3 异宿轨道的计算

3．3．4 Melnikov函数法计算混沌阈值

3．4 本章小结

4 动车电压互感器混沌特性的仿真分析

4．1 模型电路方程求解方法及系统参数

4．1．1 模型电路方程求解方法

4．1．2 模型电路参数的选取及归一化

4．2 磁化特性对混沌特性影响的仿真研究

4．2．1 电压非线性特性的发展趋势的仿真与分析

4．2．2 系统稳定性定量描述仿真与分析

4．2．3 不同状态电压的仿真与分析

4．3 铁心损耗对混沌特性影响的仿真分析

4．2．1 线性铁心损耗和非线性铁心损耗

4．2．2 线性铁心损耗对混沌特性影响的仿真与分析

4．2．3 非线性铁心损耗与线性铁心损耗对混沌特性影响的对比分析

4．4 动车不同位置的电压互感器混沌特性

4．5 本章小结

5 混沌现象的抑制方法

5．1 追踪控制同步设计

5．1．1 追踪控制的基本原理

5．1．2 李雅普诺夫函数的构造

5．1．3 追踪控制器的设计与仿真

5．1．4 追踪控制器的改进

5．2 反馈脉冲同步设计

5．2．1 反馈脉冲控制的基本原理

5．2．2 反馈脉冲控制器的设计依据

5．2．3 反馈脉冲控制器的设计与仿真

5．3 其他方法

5．4 本章小结

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

作者简历及攻读硕士学位期间取得的研究成果

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