多尺度和多物理场的电力电子变换器建模方法初探

针对电力电子变换器建模中存在多尺度交互难以划分和综合的问题,将多尺度概念引入建模过程,提出适用于电力电子变换器的尺度划分方法及多尺度建模方法,进而为解决尺度间信息交互的收敛性问题,以及计算精度与计算效率之间的矛盾,提出多尺度模型的尺度交互策略,并通过程序调用MATLAB与COMSOL软件实现了典型变换器的多尺度仿真。最后,通过与理想模型的对比,说明应用多尺度建模及尺度交互策略的方法,可以有效地反映出电力电子变换器中多尺度和多物理场现象。研究结果表明,多尺度模型是对电力电子变换器进行描述的一般形式,而理想模型是多尺度模型的一个特例。     

基于数字孪生的城轨供电系统高保真建模方法

针对传统模型难以对具备时变特性的城轨牵引供电系统进行精准模拟的问题,总结分析了传统建模在预设负荷、固定参数及离线计算等方面的缺点,提出了一种基于数字孪生技术的模型与数据混合驱动建模方法;并结合城轨牵引供电系统实际特点,设计了数字孪生模型的运行架构及计算算法,建立信息交互体系对系统模型负荷进行精确输入,采用基于群智能优化的混合闭环校正算法实现模型参数的主动校正。理论分析及仿真结果表明:系统参数的全局优化校正可以通过基于群智能优化的闭环校正算法实现,采取子系统参数辨识和整体参数校正的混合校正策略有助于减小参数的寻优范围,降低群智能优化在系统参数校正的计算时间成本,保证模型对于参数变化的校正响应速度;具备负荷精确输入和参数主动校正能力的数字孪生模型,其潮流计算结果高度逼近采样数据,相比传统模型大幅提升了潮流计算的精度,对于牵引供电系统运行决策及设计优化具有实际意义。     

多物理域质子交换膜燃料电池建模仿真及实验测试

燃料电池及其应用近些年逐渐成为研究热点,对于系统级的燃料电池运行工况分析及设计,底层的燃料电池本体模型显得至关重要。相比于已有的传统经验模型,重点提出了一种一般性的多物理域燃料电池分析模型,并从电化学域、流体力学域以及热力学动态域对质子交换膜燃料电池进行了精确建模。所提出的框架性建模方法可以适用于不同型号的质子交换膜燃料电池,同时也可以进一步拓展并应用于不同种类的燃料电池。随后以Ballard NEXA 1.2 kW质子交换膜燃料电池为例,对模型在不同工况下进行了仿真,并通过实验测试验证了所提出模型的有效性和准确性。在此基础上,可以展开相应的控制策略及电池本体运行分析,从而提升燃料电池系统的运行性能和工作寿命。     

城市轨道交通交直流统一的牵引供电计算

针对城轨牵引供电计算现状,即一般将交流系统等效至直流侧进行计算或者交直流侧分开迭代,简化了交直流系统的内在联系,在一定程度上影响计算的精度,探讨了一种基于整流机组模型的城轨牵引供电系统交直流统一的牵引供电计算方法,并采用改进的牛顿-拉夫逊法和高斯-赛德尔法求解,利用10节点直流牵引供电系统进行了验证.提出的交直流统一的牵引供电计算方法已成功应用在城轨牵引供电仿真系统中.     

城市轨道交通交直流统一的牵引供电计算

针对城轨牵引供电计算现状,即一般将交流系统等效至直流侧进行计算或者交直流侧分开迭代,简化了交直流系统的内在联系,在一定程度上影响计算的精度,探讨了一种基于整流机组模型的城轨牵引供电系统交直流统一的牵引供电计算方法,并采用改进的牛顿-拉夫逊法和高斯-赛德尔法求解,利用10节点直流牵引供电系统进行了验证。提出的交直流统一的牵引供电计算方法已成功应用在城轨牵引供电仿真系统中。     

基于谐波耦合机理的V/v接线牵引供电系统谐波阻抗辨识方法

随着交–直–交型电力机车的广泛运用,高次谐波引发的牵引供电系统谐振严重威胁电气化铁路安全运行,系统谐波阻抗是研究谐振机理及治理措施的关键参数,但提高谐波阻抗辨识精度具有较大挑战性。该文以V/v接线牵引变压器为算例,提出一种基于谐波耦合模型与谐波阻抗解耦的牵引供电系统谐波阻抗辨识方法。首先,推导不平衡牵引变压器两侧谐波的交互影响,建立牵引供电系统谐波耦合模型。然后,利用复独立分量分析法对谐波耦合模型进行解耦,分离出系统侧与负荷侧谐波阻抗,进而求得牵引变压器端口的总谐波阻抗。与几种传统算法的仿真对比表明,提出的方法在宽频域系统侧与负荷侧阻抗幅值相对大小波动性较强时、背景谐波较大时仍然适用;运用现场实测数据的辨识结果表明,所提方法能准确找到实际系统的谐振频率。     

电气化铁路牵引供电系统车网耦合的潮流计算方法

以多导体传输线模型为基础,推导了牵引变电所和分区所等值电路,构建了适用于不同结构和供电方式的牵引网统一数学模型。对列车牵引传动系统利用参数辨识的方法,建立了感应电动机并联静止负荷的数学模型,实现对列车更准确建模。以此为基础,开发了基于车网耦合潮流计算的电气化铁路牵引供电系统仿真软件。实例计算表明,该方法充分考虑列车与牵引供电网的交互影响,能够更真实地反映牵引供电系统的潮流分布,具有重要的工程应用价值。     

城轨列车节能措施研究

城市轨道交通系统因其快速性、污染小和安全可靠性高等特点而快速发展起来,其能耗问题也备受关注.首先从列车和线路设计两个方面出发分析了影响城轨列车能耗的关键因素.针对于城轨列车能耗的现状,分别提出了节能坡、减轻列车质量和提高牵引电动机效率三种节能措施.由于考虑列车在实际运行过程中受牵引供电系统的约束作用,因此搭建了牵引供电系统模型及列车模型,并基于牵引供电系统仿真模型分析了节能坡、减轻列车质量和提高牵引电动机效率等节能措施的节能效果,供城轨列车节能优化运营参考与借鉴.     

中压柔性直流铁路牵引供电系统运行域模型

中压柔性直流铁路牵引供电系统因能解决现有电气化铁路存在的过分相和电能质量问题而受到广泛关注。本文提出中压柔性直流铁路牵引供电系统的运行域模型,旨在通过对最少变量的监测实现系统供电安全性评价。首先,介绍中压柔性直流铁路牵引供电系统的结构。然后,依次建立工作点向量、系统等式约束、系统不等式约束,形成中压柔性直流铁路牵引供电系统运行域模型,并给出模型的解析化求解方法。最后,通过算例求解得到机车牵引电流和机车运行位置需满足的运行域解析表达式,实现对中压柔性直流铁路牵引供电系统的供电安全性评价。本文工作可为中压柔性直流铁路牵引供电系统的安全运行和调度提供参考。     

牵引供电系统综合负荷模型结构

随着电气化铁路在现代铁路运输中的广泛应用,牵引负荷在电力负荷中所占比重越来越高,对电网产生的影响不容忽视,但当前对牵引变电站综合负荷特性的研究比较薄弱.在系统分析电气化铁路牵引供电系统的组成结构及运行特性的基础上,提出一种基于电气化铁路牵引供电系统实际负荷构成特性的"感应电动机并联牵引电机和恒阻抗"的机理负荷模型.该模型结构简单,物理意义明确,使用方便.基于Simulink仿真平台测量数据的总体测辨建模表明,模型具有良好的描述能力,可以作为研究电气化铁路牵引负荷对电力系统影响的实用负荷模型.     

城轨交通牵引供电系统参数与储能系统容量配置综合优化

在城轨交通中安装地面式超级电容储能系统将有效回收列车再生制动能量,降低系统运行能耗。各个变电所、牵引/制动列车与储能系统通过牵引网进行实时能量交互,组成一个复杂的多能源耦合系统,因此,为了提高牵引供电系统的整体能量效率,减少投资成本,该文提出供电系统参数与储能系统容量配置综合优化方法。首先建立不同列车运行场景的等效电路模型,分析变电所空载电压和制动电阻启动电压对变电所、牵引/制动列车与储能系统之间能量传递效率与有效传输距离的影响;其次,建立以系统能耗和配置成本为目标的多目标优化问题,将NSGA-II优化算法与城轨牵引供电潮流计算相结合,对供电系统参数与储能系统容量配置进行综合优化;最后,基于北京地铁八通线算例,求解综合优化的帕累托最优解集。结果表明,相比于单一储能系统优化,综合优化在投资成本相近的情况下有效提高了储能系统的节能率。     

电力设备多物理场仿真技术及软件发展现状

电力设备在运行中受到电、磁、热、力及流体等多物理场的综合作用,多物理场耦合仿真对保证电力设备设计最优性以及运行可靠性不可或缺。在电力设备多物理场计算及软件开发时须攻克材料非线性建模、快速瞬变多空间/时间尺度问题等效方法、多场耦合作用机理及数学模型的建立、大规模微分代数方程组(DAE)的稳定高效求解等关键问题。为此,分别从材料参数等效、多场耦合计算技术、大规模跨尺度计算、DAE方程组求解等方面介绍了自主软件开发过程中应该重点关注的研究内容和算法技术。为促进基于数值仿真的数字孪生技术在电力设备领域的应用,总结分析了集成几何/仿真分析于一体的等几何分析法、模型降阶方法和基于数据驱动的多物理场仿真方法等新型技术。最后,针对国产计算机辅助工程（CAE）软件存在的问题,分析了国内外多物理场软件开发技术发展现状,并对研发国产电力设备多物理场计算软件作了展望。     

计及系统级控制的柔性直流牵引供电系统潮流计算方法

柔性直流牵引供电系统是城轨交通牵引供电技术的重要发展方向,而潮流计算是对其进行分析和设计的重要依据.柔直牵引供电系统的潮流分布直接受到系统级控制的影响,因此需要在潮流计算中计及系统级控制.本文基于高斯迭代法,研究了柔直牵引供电系统的建模问题,设计了能可靠收敛的潮流算法,解决了在柔直牵引供电系统潮流计算中考虑系统级控制问...     

基于电压源换流器的高压直流输电系统多尺度暂态建模与仿真研究（英文）

针对基于电压源转换器的高压直流(high voltage direct current based voltage source converter,VSC-HVDC)输电系统,该文提出电磁暂态–机电暂态多尺度建模方法并验证多尺度仿真算法的准确、快速和灵活性。该模型采用频移分析(shifted-frequency analysis,SFA)等多尺度建模方法。首先推导移频(shifted frequency,SF)域和dq域之间的解析变换关系,并提出用于系统特性分析的VSC移频多尺度模型;其次,选择性插入π模型获得直流输电线的多尺度暂态模型;最后,通过调整仿真参数,如仿真时间步长和移动频率,使得建立的模型能够灵活仿真具有多个时间尺度和不同网络位置的各种暂态。采用两端和五端VSC-HVDC输电系统作为算例,仿真结果对比表明,提出的模型和算法能够精确模拟高频暂态,快速仿真慢变化暂态,降低计算成本。此外,多尺度模型还可提高VSC-HVDC输电系统电磁–机电暂态混合仿真的灵活性。     

IGBT多物理场建模技术与应用研究概述

IGBT作为电能变换的核心器件,在电力电子中的地位不言而喻。然而IGBT内部复杂的多物理场交互及不同的应用场景使人们难以对其行为特性以及机理进行精确描述。多物理场仿真从场的角度刻画IGBT在运行过程中的内部规律,为解决上述问题提供了有效手段。文中总结前人研究成果,梳理当下IGBT的多物理场建模技术以多物理场分析在IGBT中的应用现状,归纳所存在的问题和难点,并分析未来该技术在IGBT中继续应用发展的趋势,如模型的降阶、非线性求解、电磁热力全耦合、多尺度协调、数字孪生等技术。可以预见,随着宽禁带半导体材料的应用,多物理场建模技术将进一步在机理揭示、封装优化、状态监测和失效分析等领域发挥重要作用。     

城轨牵引供电系统PWM整流器无源性功率控制研究

现行城轨牵引供电系统多用多脉波整流的方式,但是存在谐波污染严重、能量不能双向流动的缺点,针对上述问题,文章提出了基于无源控制策略的整流器控制方式,对该种控制方式首先进行了理论推导,根据电压型整流器的主电路拓扑结构,建立了系统在两相同步旋转坐标系下的EL模型,并采用了解耦控制策略对控制器进行设计,最后将该方法用于城轨牵引供电系统中,控制整流器输出接触网(轨)的电压,并且在此基础上分析了负载扰动,机车制动,电网不平衡条件下整流器的性能,仿真结果表明,整流器具有很好的稳定性、抗干扰性,单位功率因数运行特性,对城轨牵引供电系统提供了很好的理论依据。     

面向扰动的多尺度交直流混联电压校正策略

目前,中国电网已建成多个交直流混联系统,运行中遇到的扰动带来的电压安全问题备受关注。传统电压校正控制受限于调控能力及响应速度,无法应对所有扰动。因此,文中提出运用直流系统的调控能力对越限电压进行校正。首先,基于不同动作方式及扰动的特性,分多尺度建立交直流系统电压域优化模型,作为电压校正控制的基础。其次,针对不同尺度的电压安全域建立了电压校正控制模型,以最小动作代价为目标,保证系统电压在正常情况下和N-1故障后均能满足安全性要求。最后,以某实际系统为模型进行仿真验证,证明了该方法的可行性与有效性。     

枢纽牵引供电系统谐波特性分析

针对枢纽牵引供电系统严重的谐波问题,基于实测数据进行剖析、分类,建立枢纽牵引供电系统数学模型,并结合实测数据建立牵引负荷非耦合谐波诺顿模型。最后,仿真分析了多种枢纽牵引供电系统实际运行工况,得到了其谐波特性。     

城轨交流牵引供电系统钢轨电位分析与治理*

在已有城轨交流牵引供电系统研究基础上,针对该系统的独有电缆牵引网结构特点,推导了城轨交流牵引供电系统分布钢轨电位表达式,搭建仿真模型,仿真分析各种工况下的钢轨电位,发现新系统钢轨电位过高的问题。为了使城轨交流牵引供电系统远期高峰工况钢轨电位不超过相关标准规定,借鉴现有电气化铁路钢轨电位的治理思路,提出了新系统在牵引所设置集中接地极、增设贯通地线、上下行钢轨横联、并联回流线等措施并逐步进行仿真分析,根据仿真结果提出新系统钢轨电位治理的综合措施,最后验证了该综合措施可有效治理新系统的钢轨电位。     

交流牵引供电系统仿真通用数学模型及其应用

对交流牵引供电系统进行统一的数学建模,是实现数字化仿真的关键。以多导体传输线模型为基础,构建了适用于不同供电方式的牵引网统一数学模型;基于牵引变电所端口电气量通用变换关系,推导了适用于不同变压器接线形式和不同相序接入的牵引变电所通用等值电路;在链式网络结构的基础上,建立了交流牵引供电系统仿真通用数学模型,并改进潮流计算方法。以此为基础,开发交流牵引供电仿真软件。实例计算表明,该模型具有良好的通用性和较高的精确度,适用于高速、重载电气化铁道牵引供电系统仿真。