2021 電気技師カップ数学モデリング
質問A 高速鉄道主力電源システムの動作データ分析と等価モデリング
元のタイトルを再掲:
我が国は、世界で最も電化鉄道の運行距離が長く、運行されている電気機関車の種類が最も多く、運行本数が最も多い国です。2020年末現在、我が国の鉄道は年間約800億キロワット時の電力を消費しており、三峡の年間総発電量の約80％を占めている。
図 1 は、主に主に変電所、主力ネットワーク、EMU を含む高速鉄道主力電源システムの概略図です。主変電所は 220kV の三相電圧を電気機関車の運転要件を満たす 27.5kV の単相電圧に変換するもので、その中心コンポーネントは主変圧器です。牽引ネットワークは、き電線、電車線、レール、戻り線などで構成され、電気機関車に電力を伝送する役割を果たします。
高速電車は運転中に大量の電力を消費し、その電力は電車の運転条件によって変動するほか、地域電力網の電圧・電流の不均衡や高調波問題も発生します。 、電力品質の悪化、系統運用規制の発生など悪影響をもたらします。したがって、高速鉄道の牽引負荷を含む地域の電力網の電力品質を評価し、エネルギー節約と消費削減戦略を策定し、牽引負荷を正確に予測することが特に重要です。この点に関して、上記の背景知識と付録に記載されている関連する測定データを組み合わせて、次の問題を解決してください。
質問 1: 電力品質の評価
主力電源システムの主負荷である高速電車の負荷は、非線形性、単相、衝撃の特性を持ち、高調波や逆相などの電力品質の問題につながります。地域の電力網。付録 1 で提供される主電源システムの高圧側 (220kV) の三相電圧と三相電流の測定データ (サンプリング間隔 50 マイクロ秒) を組み合わせて、以下の課題を分析および計算してください (実行可能なソースを提供します)。 1) 高速
EMU 主な動作条件は無負荷、トラクション、ブレーキの 3 つの動作条件に分けられ、それぞれ 0.2 秒のデータが取得されます。荷重）、[1600000、1604000]（トラクション）、【4000000、4004000】（ブレーキ
）ここでは、各動作条件における電圧と電流の正相成分、逆相成分、零相成分を計算し、相成分図を作成して電圧と電流のアンバランスの違いを解析します。
b. 各動作条件での電流スペクトルを描画し、最大 5 つの高調波成分の振幅と周波数を計算します。
c. 付録 1 の国の電力品質評価基準を組み合わせて、各動作条件での電圧と電流の不均衡と電流の全高調波ひずみ率を計算し、これに基づいて EMU の動作条件が電圧、電流の不均衡、および電流高調波に及ぼす影響を評価してください。効果。
2) すべてのデータを分析対象として取得します
。高速EMUは動作条件が変化するため、電流のアンバランス度合いや高調波成分が変化する場合がありますので、電流の正相、逆相、零相成分の振幅と3次高調波成分が変化する曲線を描いてみてください。インバランスが最も深刻な時期の電流インバランス度および第 3 高調波含有率を分析します。
b. 列車の瞬時動力を計算し、その時間変化曲線を描き、列車の牽引力と制動力が最大となる瞬間を求め、牽引力、制動力、三相アンバランス、高調波の関係を解析します。
質問 2: 省エネと消費量削減のスキーム
高速 EMU には、制動時に運動エネルギーを電気エネルギーに変換し、電力システムに無料でフィードバックする回生ブレーキ技術が広く適用されています。付録 1 の現場測定データと組み合わせて、以下の問題を解析および計算します (実行可能なソース プログラムが提供されます)
。高速エミュ。
b. 回生制動エネルギーを高速電車の牽引に使用するには、車載エネルギー貯蔵のための回生制動エネルギー利用計画 (エネルギー貯蔵システムの電源構成およびパワー エレクトロニクスのアクセスおよび制御計画を含む) を設計してください。付録 2 を組み合わせると、電気料金とエネルギー貯蔵装置のパラメータが得られ、EMU のエネルギー消費量削減における利点が計算されます。
c. 主変電所に配置される回生制動エネルギー利用エネルギー貯蔵ソリューション (エネルギー貯蔵システムの電力構成とパワー エレクトロニクスのアクセスおよび制御ソリューションを含む) を設計し、指定された電気料金およびエネルギー貯蔵デバイスのパラメーターと組み合わせてください。付録 2 を参照して、EMU のエネルギー消費量を削減するメリットを計算してください。経済性、技術、安全性と信頼性、エネルギー貯蔵容量の利用率の観点から、オプション b と c の長所と短所を比較します。
課題 3: 動的トラクション負荷の正確な予測
研究によると、高速鉄道変電所の動的な牽引負荷（有効電力）需要は、区間（駅に停車するかどうか）、グループ化（8グループと16グループ）、走行方向（上向き、下向き）、車両のタイプ（モデルによって定格電力が異なります）などの要因が密接に関係しています。具体的な特徴は次のとおりです: 1) 同じ動作プロセス、グループ化、動作方向、および車両モデルを持つ EMU は、同じ動的電力需要傾向とインターバル動作中の同様の電力消費/収益率を持ちます; 2) 同じ車両モデルの場合、16 台の EMU はグループ化された電車の定格出力は 8 ユニット電車の 2 倍です; 3) 電車は駅に停止する前に短時間の減速とブレーキを必要とするため、大量の回生制動エネルギーが発生します。付録 3 は、高速鉄道の変電所の 1 日を通して実測された有効電力データを示しています (サンプリング間隔は 1 秒、合計 86,400 データ)。変電所の電力供給間隔内で、同時に 2 つ以上の電車に電力が供給されるシナリオは存在しないと想定されます。測定データを組み合わせて以下の質問に答えてください (実行可能なソース プログラムを提供します):
a. 区間運転中の各 EMU 列車の動的有効電力需要シーケンス (動的牽引負荷) を抽出し、対応する動的牽引負荷データベースを作成します。
b. 抽出された動的牽引負荷の分類と識別を達成するために、付録 3 で提供される EMU の動作方向、車両タイプ、およびその他の情報と組み合わせて、相関関係およびその他の分析手法を適用します。
c. 分類された動的トラクション荷重については、線形回帰およびその他の方法を使用してさまざまな動的トラクション荷重モデルを確立し、対応する動的トラクション荷重モデル ライブラリを構築します。
d. 付録 4 の列車時刻表と組み合わせることで、高速鉄道変電所の動的な牽引負荷のシミュレーションと電力量の正確な予測が実現されます。
質問 4: 高速鉄道の牽引変電所と牽引負荷の等価モデリング
高速電車の運転が電力網に及ぼす影響を深く研究するには、高速電車の運転を反映する数学的モデルを確立する必要があります。
正確な数学モデルのシミュレーション結果は、付録 1 に示されているデータと一致している必要があります。
図 2 は、高速鉄道の牽引変電所 - 牽引負荷の概略図を示しています。高速電車の動作電気特性を反映する数学モデルを構築し、モデルの電圧と電流との誤差を解析してください。付録 1 に測定された電圧と電流 (利用可能な実行ソース プログラムを提供)、モデルの有効性と改善の見通しを示します。
