电气化铁道牵引负荷概率分布特性与数学模型研究

摘要

电力负荷建模是开展电力系统仿真研究的关键技术之一，牵引负荷模型对于研究电气化铁路对电网的影响有非常重要的理论价值和工程意义。牵引负荷具有随机性强、波动幅度大、三相不对称等显著特点，这给负荷建模工作带来了挑战。采用概率法分析牵引负荷的统计特征，进而研究影响上述特征的决定性因素及其影响程度、影响方式，有助于更准确、更真实地描述牵引负荷，最终建立牵引负荷的数学模型。本文主要研究了电力牵引列车（以下称列车）、供电馈线及牵引变电所的基波负荷与谐波负荷的概率分布，设计了负荷模型及参数辨识算法，同时提出了系统谐波阻抗的估算方法。
　　首先分析了单列列车基波负荷的概率特征，这是馈线和变电所叠加负荷分析的基础;此外，研究了列车谐波电流的统计规律，提出了利用实测数据进行谐波负荷建模的思路，针对新型动车组构建了数学模型并完成了与实测数据的对比验证。通过对列车运行过程的分析，结合实测数据的统计结果，本文指出列车在单一限速区间内的基波有功功率的概率密度服从正态分布。同时，分析了动车组和交直交型电力机车的谐波幅值和相角的统计特点，据此构建了谐波电流的数学模型，实例应用表明该数学模型具有较好的适用性和易用性。
　　研究了牵引变电所的负荷概率模型，包括馈线的负荷建模方法。与已有的针对馈线电流的负荷建模方法不同，所提负荷模型是以有功和无功功率为研究对象，由于有功和无功均为标量因此叠加机理更易于分析和理解。进而，明确提出了馈线和变电所有功功率的概率分布是由行车密度和列车功率共同决定的，并据此构建了叠加负荷的数学模型。最后，介绍了利用非线性寻优算法辨识负荷模型参数的具体方法和步骤，并通过实例建模和数据对比介绍了负荷概率模型的应用效果。
　　基于负荷概率模型分析了牵引变电站高压侧负序电流的概率分布特征，提出了负序电流的描述方法。首先，针对常用的单相变压器和平衡变压器，分别探讨了负序电流的概率分布特点。然后，分析了相邻两个供电臂列车行车密度相关性对负序电流概率分布的影响，指出对于复线铁路而言两臂相关性非常小，并据此研究了采用前述负荷模型参数直接描述负序电流的可行性。此外，提出了以负序电流概率密度为拟合对象的建模思路，构建了概率法数学模型，通过实例介绍了参数识别的具体步骤。
　　围绕牵引负荷谐波相关问题进行了概率分布特征的研究，包括馈线谐波电流、谐波发射水平以及公网谐波阻抗辨识等。首先，分析了交直型（DC Drive，直流驱动）和交直交型(AC Drive，交流驱动)电力机车谐波分布的特点，通过仿真分析研究了两种类型的电力机车对馈线谐波电流概率分布特征的影响;同时，提出了采用均匀随机分布描述单车谐波电流幅值的方法，据此构建了馈线谐波电流的数学模型，介绍了参数识别方法和步骤并进行了实例验证。负荷的谐波发射水平是谐波分析领域一个重要问题，本文针对电气化铁路的运营特点提出了利用组合概率密度公式描述高压侧谐波电压幅值分布及参数辨识方法，简化了估计牵引负荷谐波发射水平的步骤。在谐波阻抗辨识方面，分别探讨了在高压侧和牵引侧估算系统谐波阻抗的方法，主要思路是基于波动量法的基本原理、采用概率密度函数提高辨识的稳定性、可靠性及准确性，同时提出了误差修正措施，用仿真分析和实例对比证明了方法的有效性。

目录

声明

致谢

摘要

1．1．1 牵引负荷的特点

1．1．2 研究的意义

1．2 国内外研究现状

1．2．1 牵引负荷的分布规律

1．2．2 牵引变电所高压侧负序电流的仿真方法

1．2．3 谐波负荷的描述方法

1．2．4 系统谐波阻抗的估算方法

1．3 本文主要工作

2．1 引言

2．2 列车基波负荷的数字特征

2．2．1 影响列车牵引出力的因素

2．2．2 列车牵引出力的概率统计特征

2．2．3 列车无功功率的描述方法

2．3 列车谐波电流的统计规律

2．3．1 谐波电流含有率变化规律的描述方法

2．3．2 谐波电流含有率随机波动性的描述方法

2．3．3 谐波电流相角的描述方法

2．4 列车牵引负荷的仿真及校验

2．4．1 仿真思路及步骤

2．4．2 实测对比验证

2．5 小结

3．1 引言

3．2 供电区间列车数量的统计规律

3．2．1 区段列车数量的理论分析

3．2．2 维修天窗对行车数量分布的影响

3．2．3 利用正态分布描述行车数量的适用性分析

3．3 列车叠加负荷的概率分布特性

3．3．1 多列车叠加负荷的统计规律与数学模型

3．3．2 多列车叠加无功功率的分布规律

3．3．3 基于概率负荷模型的馈线电流分析

3．4 负荷概率模型的参数辨识

3．4．1 解空间分析

3．4．2 模拟退火算法的设计与算例

3．4．3 蚁群算法的设计与算例

3．5 利用概率模型估算牵引负荷

3．6 牵引负荷的时序性探讨

3．7 小结

4．1 引言

4．2 负序电流的概率分布特征

4．2．1 负序电流的概率分布

4．2．2 相邻供电臂行车数量相关性分析

4．2．3 应用案例介绍

4．3 以负序电流为拟合对象的数学模型及参数辨识

4．4 监视点负序电流及负序电压的仿真计算

4．5 小结

第5章 牵引负荷谐波的概率特征及谐波阻抗辨识

5．1 引言

5．2 馈线谐波电流的数字特征

5．2．1 馈线谐波电流的统计分布规律

5．2．2 馈线谐波电流数学模型的参数辨识

5．3 牵引变电所高压侧谐波发射水平的估计方法

5．3．1 电网背景谐波的统计特征

5．3．2 PCC谐波电压的统计特征

5．3．3 牵引负荷谐波发射水平估计

5．3．4 估计方法的适用性探讨

5．4 电力系统谐波阻抗的估算方法

5．4．1 波动量比值符号的统计特征

5．4．2 谐波阻抗辨识步骤及误差分析

5．4．3 估算实例介绍

5．5 牵引侧端口系统谐波阻抗分析

5．5．1 谐波阻抗辨识方法

5．5．2 高次谐波谐振案例分析

5．6 概率法与波动量法、协方差法的比较

5．7 小结

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

攻读博士学位期间取得的研究成果

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