同相柔性牵引供电系统安全高效运行的建模与优化方法研究

Traditional traction power supply system has series defects, such as the problems of power quality, locomotive passing phase separation and matching between power capacity and requirement, which affect the safety, reliability and effective operation seriously. New co-phase flexible traction power supply mode has been proposed firstly by our research group, which can break through the bottleneck. The new system has complex configuration and the operation characteristics are dynamically varied with different statuses. The whole model is lacking to describe the operation characteristics. The spatial-temporal distribution of traction power flow need to be controlled for the safety and economy. In addition, the power supply resources optimal allocation is related with the operation control, which directly affect the system performance. This project will carry out the researches around the main line, which is “Theoretical Modelling- Operation Analysis - Control Feedback- Optimal Allocation”, and will solve the following scientific questions: Firstly, the mathematic model will be built to describe the exact static and dynamic behavior and illustrate the impact traction load spatial-temporal distribution as well as the system run security domain. Secondly, the multi space-time scale energy optimization management method will be presented and safe and efficient control strategy will be demonstrated. Finally, considering the power flow, control strategy and response characteristic, the method of power source optimal allocation will be given and the optimized planning scheme in whole life-cycle will be obtained taking into account safety, economy and efficiency.

既有牵引供电系统存在电能质量问题、机车过分相问题以及供电能力匹配问题，严重制约安全、可靠和高质运行。课题组率先提出了同相柔性牵引供电模式，可以彻底解决上述“瓶颈”。同相柔性牵引供电系统构造复杂、运行特性随工况变化，目前缺乏能够全面表述系统复杂运行特性的完整模型，牵引负荷时空分布亟需以安全性和经济性为目标的主动调控机制，供电资源配置与运行控制之间的强耦合性直接影响系统服役性能。为此本项目拟以“理论建模-运行分析-控制反馈-优化配置”为主线开展研究，解决如下科学问题：①建立能够准确表述同相柔性牵引供电系统多运行工况静动态特性的数学模型，解析冲击性牵引负荷时空分布规律和系统运行安全域；②建立同相柔性牵引供电系统多时空尺度能量优化管理模型，阐明系统安全高效运行控制策略；③提出计及负荷潮流、运行控制及响应特性的同相柔性牵引供电系统优化配置方法，得到全寿命周期内兼顾安全、经济和效率的最优规划方案。

以单相工频交流制为代表的牵引供电系统是电气化铁路唯一的动力来源，然而既有牵引供电系统存在电能质量问题、机车过分相问题以及供电能力匹配问题。本项目创新性提出同相柔性牵引供电技术，从系统建模及运行特性、安全高效运行控制策略、全寿命周期优化配置方法三个方面深入研究，有效解决同相柔性牵引供电系统的安全高效运行问题。. 在系统建模及运行特性研究方面，针对同相柔性供电系统构造的独特性和运行工况的多样性，推导了“源-车-储”强耦合系统完整的数学模型，解析了牵引和制动双向能流在系统内部的时空分布规律，探明了牵引网内部环流分布和电压波动规律，找出了各类互动行为与系统运行安全域之间的映射关系。在安全高效运行控制策略研究方面，针对同相供电系统柔性互动环境下能流时变性和功率动态平衡及协调控制的复杂性，构建了同相柔性牵引供电系统多级联动能量管理模型，提出了多时空尺度协同自律控制策略，揭示了安全裕度约束下“源-车-储”强耦合系统经济运行轨迹。在全寿命周期优化配置方法研究方面，针对柔性牵引供电资源配置和运行控制策略之间的耦合关系，将可控负荷时空分布特性融入系统规划模型，推演了全寿命周期成本函数矩阵，提出了运行安全域内具有良好鲁棒性的同相柔性牵引供电系统资源配置模型及优化算法。. 本项目在在学术期刊、国际会议上发表论文32篇，SCI/EI收录28篇。授权发明专利8项，出版专著1部。培养博士2名，硕士18名。以本项目研究成果为基础，项目组获批国家自然科学基金委员会与英国皇家学会合作交流项目（NSFC-RS）1项，四川省国际科技创新合作项目1项，国网新疆电力有限公司科技项目1项，通号（北京）轨道工业集团有限公司技术开发项目1项，在国内外同相柔性牵引供电领域研究起到了引领作用。本项目的研究服务国家重大需求和经济主战场，具有鲜明的需求导向、问题导向和目标导向特征，对于助推我国“交通强国”重大战略具有重要作用。