一種含變頻調速機和電氣化鐵路的特殊負荷數字物理仿真平臺及仿真方法與流程
2023-12-02 17:49:21 5
本發明涉及一種含變頻調速機和電氣化鐵路的特殊負荷數字物理仿真平臺，屬於特殊負荷仿真實驗技術領域。
背景技術：
隨著經濟的不斷發展，城市化進程的不斷加快，我們日常的城市負荷快速增長，其中電力電子設備的大量應用，使得非線性、衝擊性負荷等特殊負荷給電網帶來的電能質量問題日益突出，建立有效的特殊負荷模型對於研究電網電能質、計量分析都具有重要意義特殊負荷所佔的比重越來越大。特殊負荷中比較典型的有變頻調速機和電氣化鐵路。
在電機調速領域，隨著電力電子技術、計算機應用技術以及自動控制技術的迅速發展，電氣傳動技術正經歷著一場歷史性的革命。隨著交流傳動技術的發展進步，交流傳動技術越來越成熟，在很多領域交流傳動技術調速性能己能和直流傳動技術調速性能相媲美，並在許多工業控制領域己逐步取代直流傳動調速。
電氣化鐵路具有運輸能力大、行駛速度快、消耗能源少、運營成本低、工作條件好等一系列的優點，特別是有利於提高能源的利用率、防止環境汙染，具有較高的經濟效益和良好的社會效益，但隨著電氣化鐵路的高速發展，其對電網的影響也越來越受到關注。電氣化鐵路負荷是一種單相工頻交流制負荷，其特殊性使得牽引供電系統具有不同於一般三相電力系統的特徵。對於給牽引變電所供電的三相對稱電力系統來說，電氣化鐵路負荷具有不對稱、非線性和波動性的特點，所產生的電能質量問題集中在諧波和負序上。電氣化鐵路負荷注入電網的諧波電流、負序電流嚴重時會影響到電力系統的安全穩定運行，對電力系統發電、輸電、配電、用電等各環節的電力設備產生不利影響，甚至引起設備損壞。
因此我們需要構建特殊負荷數字物理仿真平臺，依此對特殊負荷的工作特性、對電網的電能質量的影響、對電氣設備的影響進行分析，以保證城市電網的安全、可靠、經濟運行。
技術實現要素：
本發明採用如下技術方案：
一種含變頻調速機和電氣化鐵路的特殊負荷數字物理仿真平臺，其特徵在於：包括
labview和starsim仿真開發平臺：用於搭建特殊負荷的軟體仿真模型，包括控制模塊和顯示模塊；
特負荷仿真模型包括變頻調速機和電氣化鐵路；
用戶通過控制模塊發出對模型的控制指令，
顯示模塊對模型進行潮流計算的結果波形顯示；
nipxi測量與控制平臺：用於數據採集，和上位機連接的實現遠程控制和數據傳輸。包括具有定時和同步功能的機箱、系統控制器模塊、外圍模塊；
在上述的一種含變頻調速機和電氣化鐵路的特殊負荷數字物理仿真平臺，特殊負荷數字物理仿真平臺中，所述變頻調速機採用恆壓頻比變頻調速方式進行建模，即保持恆定的電動勢頻率比的控制方式；所述電氣化鐵路包括供電系統和電力機車組成，供電系統包括供電電源和牽引供電系統兩部分。其中，牽引供電系統由牽引供電所和牽引網組成，系統通過牽引網將三相電網系統和牽引變電所相連。電動機車是鐵路運輸的牽引動力，電動機車本身不攜帶電源，靠接受牽引網輸送的電流，通過車載變流器由電動機驅動車輪。
在上述的一種含變頻調速機和電氣化鐵路的特殊負荷數字物理仿真平臺，所述的特殊負荷數字物理仿真平臺中，
所述外圍模塊包括配有：virtex-5lx110fpga的r系列多功能rio模塊、針對於dsp的xilinxkintex-7fpga模塊，通過labview軟體對這兩個fpga模塊進行編程；高壓模擬輸出模塊、10v輸入的前置式接線盒和高速模擬輸出模塊。對fpga模塊編程進行計算，計算結果通過模擬輸出模塊輸出模擬波形。
具有定時和同步功能的機箱背板設有pci和pciexpress通信總線；所述系統控制器模塊採用具備微軟windows作業系統或實時作業系統的高性能嵌入式控制器、或臺式機、或工作站、或伺服器或筆記本電腦控制的遠程控制器。
系統控制器模塊和外圍模塊插入pxi機箱插槽中，外部pc設備通過系統控制器模塊的外設接口和pxi系統連接，並通過機箱背板的通信總線進行數據傳輸和遠程控制；特殊負荷的仿真模型在外部pc設備上的labview和starsim仿真平臺進行開發。
一種特殊負荷數字物理仿真方法，其特徵在於：包括：
步驟1，在labview中分別編寫上位機host程序、下位機rt程序，選用labview自帶的功率計算元件進行計算；
步驟2，運行rt程序，數字仿真模型與外部物理接口在pxi上進行部署；
步驟3，運行host程序，發出控制指令；
步驟4，數據流傳輸到下位機，cpu、fpga對模型進行仿真計算；
步驟5，計算結果返回上位機，在host主界面進行顯示；或者通過pxi外部模塊輸出至接線盒，在示波器顯示。
異步電動機調速方式主要有電動機轉子串電阻調速、斬波調速、串級調速以及應用電磁轉差離合器、液力偶合器、油膜離合器等調速。改變同步轉速有改變定子極對數多速電動機，改變定子電壓、變頻調速等。在交流電機調速系統中，調速性能最佳、最穩定的是變頻調速系統。因此，對變頻調速技術的研究是當前電機調速領域中最有前景、最有實際應用價值的工作。
異步電動機的變壓變頻調速系統一般稱為變頻調速系統，異步電動機的轉速當轉差率變化不大時，轉速近似正比於頻率，改變電源的頻率就能改變異步電動機的轉速。目前異步電動機的變頻調速方式主要有恆壓頻比變頻調速，轉差頻率控制變頻調速，矢量控制變頻調速，直接轉矩控制變頻調速等。本發明經過篩選選用恆壓頻比變頻調速法進行建模。
要保持磁通不變，當頻率從額定值向下調節時，必須同時降低e，使為常值，即採用恆定的電動勢頻率比的控制方式。然而，繞組中的感應電動勢是難以直接控制的，當電動勢值較高時，可以忽略定子繞組的漏磁阻抗壓降，而認定定子相電壓u1＝e，即為定值。低頻時，u1和e都較小，定子阻抗壓降所佔的份量就比較顯著，不再能忽略。這時，可以人為地把電壓u1抬高一些，以便近似地補償定子壓降。
基頻以上調速時，隨著頻率的升高，定子電壓也應該升高，但定子電壓不能超過異步電動機的額定電壓，這就迫使磁通與頻率成反比下降。
電氣化鐵路由供電系統和電力機車組成，供電系統包括供電電源和牽引供電系統兩部分。其中，牽引供電系統由牽引供電所和牽引網組成。電動機車是鐵路運輸的牽引動力，電動機車本身不攜帶電源，靠接受牽引網輸送的電流，通過車載變流器由電動機驅動車輪。
牽引供電系統主要包括牽引變電所和牽引網。其中，牽引變電所是電氣化鐵路的心臟，主要功能是根據電力機車對電流和電壓的不同要求，通過一定接線形式的牽引變壓器，將供電系統中高壓輸電線送來的電能變成適合電力機車使用的單相工頻交流電，再經過饋線將電能輸到接觸網，給電力機車供電。牽引網主要由接觸網、饋線、軌道迴路和回流系統構成，負責給行駛中的機車提供電能。
電力機車按照傳動方式不同分為直流傳動和交流傳動兩種。目前我國主要使用的電力機車分為交直型和交直交型。交直型機車從接觸網引入工頻單相交流電，使用晶閘管整流裝置，將其變成直流後牽引直流電機。而交直交型機車採用四象限pwm整流，將工頻單相交流電變成直流電，再通過變壓變頻逆變後牽引交流異步電機。
單相v/v接線採用變壓器分別向牽引供電所的兩個供電臂供電。兩臺單相變壓器原邊繞組的末端相連作為公共端，三個引出線端子分別接電力系統的三個相線；兩個副邊繞組相連作為公共端，首端分別接牽引供電所的兩個供電臂的牽引母線。左臂饋線電壓就是t1的副邊繞組電壓，右臂饋線電壓就是t2的副邊繞組電壓。經分析可知，兩供電臂的電壓相位差為60°。
本發明選用以ss4型電動機車為模型中的電動機車。ss4型電力機車採用按比例等分三繞組變壓器供電的4段橋式半控型整流調壓電路。三繞組為ab，bz，和cn。若u2為三繞組電壓之和，則有：
uab＝ubz＝1/2u2；ucn＝1/2u2
即組成1/4，1/4，1/2的三段對稱的等分比例。從0～ud連續可調輸出電壓共分為4段：
附圖說明
圖1為恆壓頻比變頻調速控制特性。
圖2為變頻調速機異步電動機轉速。
圖3為變頻調速機網側功率。
圖4為電氣化鐵路基本結構。
圖5為vv接線原理圖。
圖6為電氣化鐵路直流側電壓及均值。
圖7為電氣化鐵路網側功率。
具體實施方式
為了使本技術領域的人員更好的理解本發明技術方案，下面結合附圖和實施方式對本發明作進一步的詳細說明。
一、首先是本發明涉及的平臺搭建原理：
異步電動機調速方式主要有電動機轉子串電阻調速、斬波調速、串級調速以及應用電磁轉差離合器、液力偶合器、油膜離合器等調速。改變同步轉速有改變定子極對數多速電動機，改變定子電壓、變頻調速等。在交流電機調速系統中，調速性能最佳、最穩定的是變頻調速系統。因此，對變頻調速技術的研究是當前電機調速領域中最有前景、最有實際應用價值的工作。
異步電動機的變壓變頻調速系統一般稱為變頻調速系統，異步電動機的轉速當轉差率變化不大時，轉速近似正比於頻率，改變電源的頻率就能改變異步電動機的轉速。目前異步電動機的變頻調速方式主要有恆壓頻比變頻調速，轉差頻率控制變頻調速，矢量控制變頻調速，直接轉矩控制變頻調速等。本發明經過篩選選用恆壓頻比變頻調速法進行建模。
要保持磁通不變，當頻率從額定值向下調節時，必須同時降低e，使為常值，即採用恆定的電動勢頻率比的控制方式。然而，繞組中的感應電動勢是難以直接控制的，當電動勢值較高時，可以忽略定子繞組的漏磁阻抗壓降，而認定定子相電壓u1＝e，即為定值。低頻時，u1和e都較小，定子阻抗壓降所佔的份量就比較顯著，不再能忽略。這時，可以人為地把電壓u1抬高一些，以便近似地補償定子壓降。
基頻以上調速時，隨著頻率的升高，定子電壓也應該升高，但定子電壓不能超過異步電動機的額定電壓，這就迫使磁通與頻率成反比下降。
電氣化鐵路由供電系統和電力機車組成，供電系統包括供電電源和牽引供電系統兩部分。其中，牽引供電系統由牽引供電所和牽引網組成。電動機車是鐵路運輸的牽引動力，電動機車本身不攜帶電源，靠接受牽引網輸送的電流，通過車載變流器由電動機驅動車輪。
牽引供電系統主要包括牽引變電所和牽引網。其中，牽引變電所是電氣化鐵路的心臟，主要功能是根據電力機車對電流和電壓的不同要求，通過一定接線形式的牽引變壓器，將供電系統中高壓輸電線送來的電能變成適合電力機車使用的單相工頻交流電，再經過饋線將電能輸到接觸網，給電力機車供電。牽引網主要由接觸網、饋線、軌道迴路和回流系統構成，負責給行駛中的機車提供電能。
電力機車按照傳動方式不同分為直流傳動和交流傳動兩種。目前我國主要使用的電力機車分為交直型和交直交型。交直型機車從接觸網引入工頻單相交流電，使用晶閘管整流裝置，將其變成直流後牽引直流電機。而交直交型機車採用四象限pwm整流，將工頻單相交流電變成直流電，再通過變壓變頻逆變後牽引交流異步電機。
單相v/v接線採用變壓器分別向牽引供電所的兩個供電臂供電。兩臺單相變壓器原邊繞組的末端相連作為公共端，三個引出線端子分別接電力系統的三個相線；兩個副邊繞組相連作為公共端，首端分別接牽引供電所的兩個供電臂的牽引母線。左臂饋線電壓就是t1的副邊繞組電壓，右臂饋線電壓就是t2的副邊繞組電壓。經分析可知，兩供電臂的電壓相位差為60°。
本發明選用以ss4型電動機車為模型中的電動機車。ss4型電力機車採用按比例等分三繞組變壓器供電的4段橋式半控型整流調壓電路。三繞組為ab，bz，和cn。若u2為三繞組電壓之和，則有：
uab＝ubz＝1/2u2；ucn＝1/2u2
即組成1/4，1/4，1/2的三段對稱的等分比例。從0～ud連續可調輸出電壓共分為4段：
二、以下是採用上述原理的具體實施例。
變頻調速機：根據前面建立好的模型，搭建基於恆壓頻比控制的變頻調速仿真模型。其主要由電源，整流電路，逆變電路，調製型號生成電路(其中包含恆壓頻比控制環節)以及異步電動機組成。其中整流電路包含三相整流橋和脈衝觸發模塊；調製信號生成模塊包含恆壓頻比控制模塊和pwmgenerator；異步電動機的期望轉速為1000轉/分，1s後變為1500轉/分。
電氣化鐵路：如前所述，牽引變電所採用v/v接線方式，原邊繞組額定電壓為110kv，副邊繞組額定電壓為27.5kv；用π型等效電路模擬牽引網，其參數為長30km，單位長度電阻為0.01273ω/km，單位長度電抗為0.9337×10-3h/km，單位長度容抗為12.74×10-9f/km；在牽引網的左右兩側分別連接ss4型電動機車，為保證電動機車的對稱運行，兩臺電動機車均運行在第四段，第一臺t3，t4移相，且觸發角設為900，t1、t2、t5、t6滿開放，第二臺所有晶閘管的觸發角均比第一臺提前600；
本文中所描述的具體實施例僅僅是對本發明精神作舉例說明。本發明所屬技術領域的技術人員可以對所描述的具體實施例做各種各樣的修改或補充或採用類似的方式替代，但並不會偏離本發明的精神或者超越所附權利要求書所定義的範圍。