高速铁路牵引供电系统的状态空间模型

高速铁路牵引供电系统的状态空间模型

谷世鹏

（中国铁路青藏集团有限公司西宁供电段青海省西宁市810006）

摘要：牵引供电系统是为高速动车组提供动力的重要系统，其工作性能的安全可靠，是高速动车组安全运行的重要保障。高速铁路对牵引供电系统有很高的要求，一方面供电系统要为高速动车组提供大容量、高电压等级、高可靠性的电能；另一方面，高速动车组的运行也会对电网造成较大的影响。本文分析了高速铁路牵引供电系统的状态空间模型。

关键词：高速铁路；牵引供电系统；状态空间模型；

牵引供电系统的数学模型是对牵引供电物理过程的数学描述，是分析牵引供电系统稳态、暂态问题的基础。先将牵引供电系统各单元元件等效为伴随模型，然后建立系统伴随网络进而求解网络方程，这亦是有益的工作。

一、高速铁路牵引供电系统

1.外部电源。为高速列车提供能量的源头来自电力系统，通过牵引变压器实现从电力系统到牵引供电能量的转换。一般普通铁路，所接入的电压等级为110kV，而高速铁路牵引供电系统所接入的电压则为220kV，为高速铁路供电提供更加完备的保障。

2.牵引变电所。牵引变电所相对于整个牵引供电系统，就好比人的心脏。牵引变电所把电力系统送来的电能，根据电力牵引对电流和电压的不同要求，转变为适用于电力牵引的电能，然后分别送到沿铁路线上空架设的接触网，为列车供电。一条电气化铁路沿线设有多个牵引变电所，相邻变电所间的距离约为40～50km。不过与人只有一个心脏不同，牵引变电所在铁路沿线每隔40～50km就有一个。同时每个牵引供电所都有两套设备，做到“双保险”。在牵引变电所中，发挥最主要作用的，当属牵引变压器了，可谓心脏中的心脏。其实，牵引变压器并没有那么神秘，它与我们熟悉的常规变压器没什么太大的不同，只因它是为牵引机车提供电能的变压器而得此名。当然，作为牵引变电所的核心设备，由于牵引供电的需要，牵引变压器与一般的变压器还是有些差别。首先，牵引变压器的任务是将电力系统的高电压降低到适合列车运行的27.5kV电压等级;再有牵引变压器还担负着将三相电转换为列车运行所需要的单相电的功能。既然列车需要的是单相电，容易想到用单相变压器是最简单的，但是单相变压器取电的不对称性(电力系统要求用户应在三相上取电均匀)会影响电力系统的稳定运行。为此，又发明了多种类的牵引变压器，以尽量保证牵引负荷取电的对称性。牵引变电所内除了牵引变压器以外，也包括给牵引变压器配套的其它相关设备，如开关设备、电压电流测量设备等。

二、高速铁路牵引供电系统的状态空间模型

1.牵引供电动态模拟系统设计。一是概述。牵引供电动态模拟系统是以京津高速客运专线为原型进行设计的,它的参数(线路阻抗角、发电机组配置、牵引变压器容量等)必须严格按照原型参数进行设置。为保证线路参数能够满足要求,须对线路元件的设计及其等值简化方式进行深入研究。为满足牵引供电动态模拟试验要求,考虑到今后高速铁路客运专线的发展趋势,将按以下原则进行相关模型的设计。二是牵引网模拟元件。线路模拟元件的设计不仅是模拟元件设计的难点,也是关系到能否成功模拟牵引供电系统的重要因素。在动态仿真时,我们没有必要模拟每根导线的阻抗,根据文献,并联的、处于同极性电压下的导线可以合并为一组,因此,线路在动态仿真时可以分为三组进行建模,一组是接触线和承力索合并为正极性导线;一组是正馈线为负极性导线,另一组是钢轨和回流线合并为地线。这样,接触网系统就可以简化上下行均由三根导线平行传输的系统。由于每个供电臂都很短(一般不超过50km),接触网系统模型可以用集中参数表示的模型(包括串联阻抗和并联导纳)来表示。由于供电臂较短,并联导纳可以忽略不计。因此,牵引网模型可以用一个串联阻抗矩阵来表示。根据京津高速原型的线路参数设置,通过实验室仿真得到的线路的阻抗角大约为76°左右。与实际参数相比保留了一定的裕度。因此能够满足模拟输电线路实际参数的需要。

2.供电系统状态空间模型。一是模块化的系统。定切面后系统可等效为由电源、AT、机车等切割6导体形成的多个多端网络级联而成。按照切割后供电系统电路特点，将系统模块化，可以分成电源模块、AT模块、串联模块、并联模块、负载(故障)模块，由于每个多端网络同侧两节点之间电压与这两个节点对地电压(节点电压)成线性关系，故以电源电流、导体节点电压、串联元件电流、自耦变压器漏抗电流为状态变量。除了负载和短路模块外，其余模块均含有状态变量。二是电源模块高速铁路牵引变压器通常采用V/x接线、Scott接线、V/v接线等。V/x接线变压器由两台二次侧中点抽头的单相变压器组合而成；Scott接线、V/v接线则由二次侧中点不抽头的两台单相变压器组合而成，但它们的次边各要并联一台AT。二次侧中点抽出式单相变压器可以等效为一台单相两绕组变压器同一台AT的组合，因此，V/x接线变压器可以等效为两台单相双绕组组合AT的模式，这样转换可以实现采用不同接线变压器的变电所建模的普遍性。三是AT模块。自耦变压器不仅有磁耦合，还有电的连接。假定励磁阻抗为无穷大，基于受控源原理表示的自耦变压器等值电路。RT和LT为折算到原边的自耦变压器绕组电阻和漏电感。四是串联模块。串联元件是两切面之间多端网络串联等效电阻RL和电感LL(后面统一用矩阵R和L表示)。状态变量为串联电感电流。自耦变压器上、下行并联连接线的等效电阻，以及钢轨对地漏泄电阻。模型建立时假设机车位置、台数，或牵引网短路、断线点均是固定的，当其变化时，只需要重新组合模块。

3.系统的应用。(1)为电气化铁道提供继电保护装置的检验测试条件。保护装置的动态模拟试验方案是保证试验结果有效、可信的重要依据。电铁保护装置动态模拟方案中应包括试验模拟系统情况、各种参数、保护的接线要求、保护装置的整定值、详细的试验项目、各项试验中对保护装置的要求等。试验方案应充分考虑电铁系统的特殊性,并尽可能考虑多种运行能够方式和故障情况。(2)拟对馈线保护、牵引变压器保护、自耦变压器保护、母线保护进行全面的试验。并采用多套装置并行测试,同时进行检验,统一整定值。

4.系统评价。根据高速铁路牵引供电系统RAMS要求，其系统评价按设计阶段、实施阶段、联调联试与试运行阶段进行，以保证其综合性能。牵引供电系统的安全可靠性评价包括系统功能的完备性、设备及通信冗余及设备布置合理性，以速度300km/h运行的机车在电磁暂态仿真的毫秒级时间内，如200ms，移动距离仅在16m，此时间内机车位置的改变，对牵引网拓扑结构及参数的影响较小，故用固定时刻的状态空间模型去分析牵引网电磁暂态具备一定的准确性

以牵引网切面导体节点电压、网络串联电感电流、自耦变压器漏抗电流为状态变量，推导了模块化的系统微分方程。根据变电所至分区所线路结构及运行情况，进行模块组合，验证了所提模型的正确性和有效性。

参考文献：

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