Development of an Approach to Ensure Stability of the Traction Direct Current System
Loading...
Date
2018
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
PC "Technology Center", Ukrainian State University of Railway Transport, Kharkov
Abstract
EN: The result of applying the quantitative approach to the calculation of static stability of the traction power system helped us establish that when a train runs along an actual section there emerge zones with lack of stability in terms of voltage. Exact solution to the task of evaluating the stability is extremely difficult because of the need to compute the nonlinear dependences determining the modes of operation of the traction power system and electric rolling stock. In this work, we constructed a system of four autonomous nonlinear differential equations based on experimental data that simulate the behavior of current and voltage in the contact network. We also calculated stability regions for voltage regulators in the traction network, which stabilize voltage at pantographs of electric rolling stock. The obtained stability regions of voltage regulators made it possible to estimate resource of stability and to find the most robust regulators out of those constructed. The study revealed that the non-linear regulator has better robust properties than the linear one. In this case, stability of the linear regulator is very narrow ‒ Δk=0.000004, which is an order of magnitude lower than for the non-linear regulator. When applying the non-linear regulator, voltage in the contact network stabilizes 3 times faster regardless of the place of its location. Application of the devised approach would make it possible to calculate the stability regions for various schematics of the traction network in the implementation of high-speed motion and to narrow the range of voltage fluctuations. The developed dynamic model of power consumption processes, as well as the voltage regulator, could be used when constructing an intelligent, adaptive traction power system for high-speed motion.
UK: В результатi застосування кiлькiсного пiдходу до розрахунку статичної стiйкостi системи тягового електропостачання було встановлено, що в процесi руху поїзда по реальнiй дiлянцi мають мiсце зони вiдсутностi стiйкостi по напрузi. Точне вирiшення завдання оцiнки стiйкостi надзвичайно ускладнене необхiднiстю розрахунку нелiнiйних залежностей, котрi визначають режими роботи системи тягового електропостачання i електрорухомого складу. В пропонованiй роботi виконане конструювання системи чотирьох автономних нелiнiйних диференцiальних рiвнянь на основi експериментальних даних, що моделюють поведiнку струму i напруги в контактнiй мережi. Також були розрахованi областi стiйкостi регуляторiв напруги в тяговiй мережi, що стабiлiзують напругу на струмоприймачах електрорухомого складу. Одержанi областi стiйкостi регуляторiв напруги дозволили оцiнити запаси стiйкостi i встановити найбiльш робастнi з побудованих регуляторiв. В результатi проведених дослiджень виявлено, що нелiнiйний регулятор має кращi робастнi властивостi, чим лiнiйний. При цьому стiйкiсть лiнiйного регулятора дуже вузька – Δk=0,000004, що на порядок менше, чим для нелiнiйного регулятора. При застосуваннi нелiнiйного регулятора напруга в контактнiй мережi стабiлiзується в 3 рази швидше незалежно вiд мiсця його розташування. Використання розробленого пiдходу дозволить здiйснювати розрахунки областей стiйкостi варiантних схемних рiшень тягової мережi при впровадженнi швидкiсного руху та звузити дiапазон коливань напруги. Розробленi динамiчна модель процесiв електроспоживання в тяговiй мережi та регулятор напруги можуть бути використанi при побудовi iнтелектуаль-ної, адаптивної системи тягового електропостачання для швидкiсного руху.
RU: В результате применения количественного подхода к расчету статической устойчивости системы тягового электроснабжения было установлено, что в процессе движения поезда по реальному участку имеют место зоны отсутствия устойчивости по напряжению. Точное решение задачи оценки устойчивости чрезвычайно затруднено необходимостью расчета нелинейных зависимостей, которые определяют режимы работы системы тягового электроснабжения и электроподвижного состава. В предлагаемой работе выполнено конструирование системы четырех автономных нелинейных дифференциальных уравнений на основе экспериментальных данных, моделирующие поведение тока и напряжения в контактной сети. Также были рассчитаны области устойчивости регуляторов напряжения в тяговой сети, которые стабилизируют напряжение на токоприемниках электроподвижного состава. Полученные области устойчивости регуляторов напряжения позволили оценить запасы устойчивости и установить наиболее робастные из построенных регуляторов. В результате проведенных исследований выявлено, что нелинейный регулятор имеет лучшие робастные свойства, чем линейный. При этом устойчивость линейного регулятора очень узкая – Δk = 0,000004, что на порядок меньше, чем для нелинейного регулятора. При применении нелинейного регулятора напряжения в контактной сети стабилизируется в 3 раза быстрее независимо от места его расположения. Использование разработанного подхода позволит осуществлять расчеты областей устойчивости вариантных схемных решений тяговой сети при внедрении скоростного движения и сузить диапазон колебаний напряжения. Разработаны динамическая модель процессов электропотребления в тяговой сети и регулятор напряжения которые могут быть использованы при построении интеллектуальной, адаптивной системы тягового электроснабжения для скоростного движения.
UK: В результатi застосування кiлькiсного пiдходу до розрахунку статичної стiйкостi системи тягового електропостачання було встановлено, що в процесi руху поїзда по реальнiй дiлянцi мають мiсце зони вiдсутностi стiйкостi по напрузi. Точне вирiшення завдання оцiнки стiйкостi надзвичайно ускладнене необхiднiстю розрахунку нелiнiйних залежностей, котрi визначають режими роботи системи тягового електропостачання i електрорухомого складу. В пропонованiй роботi виконане конструювання системи чотирьох автономних нелiнiйних диференцiальних рiвнянь на основi експериментальних даних, що моделюють поведiнку струму i напруги в контактнiй мережi. Також були розрахованi областi стiйкостi регуляторiв напруги в тяговiй мережi, що стабiлiзують напругу на струмоприймачах електрорухомого складу. Одержанi областi стiйкостi регуляторiв напруги дозволили оцiнити запаси стiйкостi i встановити найбiльш робастнi з побудованих регуляторiв. В результатi проведених дослiджень виявлено, що нелiнiйний регулятор має кращi робастнi властивостi, чим лiнiйний. При цьому стiйкiсть лiнiйного регулятора дуже вузька – Δk=0,000004, що на порядок менше, чим для нелiнiйного регулятора. При застосуваннi нелiнiйного регулятора напруга в контактнiй мережi стабiлiзується в 3 рази швидше незалежно вiд мiсця його розташування. Використання розробленого пiдходу дозволить здiйснювати розрахунки областей стiйкостi варiантних схемних рiшень тягової мережi при впровадженнi швидкiсного руху та звузити дiапазон коливань напруги. Розробленi динамiчна модель процесiв електроспоживання в тяговiй мережi та регулятор напруги можуть бути використанi при побудовi iнтелектуаль-ної, адаптивної системи тягового електропостачання для швидкiсного руху.
RU: В результате применения количественного подхода к расчету статической устойчивости системы тягового электроснабжения было установлено, что в процессе движения поезда по реальному участку имеют место зоны отсутствия устойчивости по напряжению. Точное решение задачи оценки устойчивости чрезвычайно затруднено необходимостью расчета нелинейных зависимостей, которые определяют режимы работы системы тягового электроснабжения и электроподвижного состава. В предлагаемой работе выполнено конструирование системы четырех автономных нелинейных дифференциальных уравнений на основе экспериментальных данных, моделирующие поведение тока и напряжения в контактной сети. Также были рассчитаны области устойчивости регуляторов напряжения в тяговой сети, которые стабилизируют напряжение на токоприемниках электроподвижного состава. Полученные области устойчивости регуляторов напряжения позволили оценить запасы устойчивости и установить наиболее робастные из построенных регуляторов. В результате проведенных исследований выявлено, что нелинейный регулятор имеет лучшие робастные свойства, чем линейный. При этом устойчивость линейного регулятора очень узкая – Δk = 0,000004, что на порядок меньше, чем для нелинейного регулятора. При применении нелинейного регулятора напряжения в контактной сети стабилизируется в 3 раза быстрее независимо от места его расположения. Использование разработанного подхода позволит осуществлять расчеты областей устойчивости вариантных схемных решений тяговой сети при внедрении скоростного движения и сузить диапазон колебаний напряжения. Разработаны динамическая модель процессов электропотребления в тяговой сети и регулятор напряжения которые могут быть использованы при построении интеллектуальной, адаптивной системы тягового электроснабжения для скоростного движения.
Description
V. Sychenko: ORCID 0000-0002-9533- 2897; V. Kuznetsov: ORCID 0000-0003-4165-1056; Ye. Kosariev: ORCID 0000-0003-3574-7414; P. Hubskyi: ORCID 0000-0002-0216-7256; V. Belozyorov: ORCID 0000-0002-9652-7303; V. Zaytsev: ORCID 0000-0001-7265-4343; M. Pulin: ORCID 0000-0003-0929-671X
Keywords
traction power system, voltage regulator, stability region, nonlinear recurrent analysis, система тягового електропостачання, регулятор напруги, область стiйкостi, нелiнiйний рекурентний аналiз, система тягового электроснабжения, регулятор напряжения, область устойчивости, нелинейный рекуррентный анализ, КІСЕ, КІТ
Citation
Development of an Approach to Ensure Stability of the Traction Direct Current System / V. Sychenko, V. Kuznetsov, Ye. Kosariev, P. Hubskyi [et al.] // Eastern-European Journal of Enterprise Technologies. – 2018. – № 2 (95). – P. 47–56. – doi: 10.15587/1729-4061.2018.142936.