一种含变频调速机和电气化铁路的特殊负荷数字物理仿真平台及仿真方法与流程
本发明涉及一种含变频调速机和电气化铁路的特殊负荷数字物理仿真平台，属于特殊负荷仿真实验技术领域。
背景技术：
随着经济的不断发展，城市化进程的不断加快，我们日常的城市负荷快速增长，其中电力电子设备的大量应用，使得非线性、冲击性负荷等特殊负荷给电网带来的电能质量问题日益突出，建立有效的特殊负荷模型对于研究电网电能质、计量分析都具有重要意义特殊负荷所占的比重越来越大。特殊负荷中比较典型的有变频调速机和电气化铁路。
在电机调速领域，随着电力电子技术、计算机应用技术以及自动控制技术的迅速发展，电气传动技术正经历着一场历史性的革命。随着交流传动技术的发展进步，交流传动技术越来越成熟，在很多领域交流传动技术调速性能己能和直流传动技术调速性能相媲美，并在许多工业控制领域己逐步取代直流传动调速。
电气化铁路具有运输能力大、行驶速度快、消耗能源少、运营成本低、工作条件好等一系列的优点，特别是有利于提高能源的利用率、防止环境污染，具有较高的经济效益和良好的社会效益，但随着电气化铁路的高速发展，其对电网的影响也越来越受到关注。电气化铁路负荷是一种单相工频交流制负荷，其特殊性使得牵引供电系统具有不同于一般三相电力系统的特征。对于给牵引变电所供电的三相对称电力系统来说，电气化铁路负荷具有不对称、非线性和波动性的特点，所产生的电能质量问题集中在谐波和负序上。电气化铁路负荷注入电网的谐波电流、负序电流严重时会影响到电力系统的安全稳定运行，对电力系统发电、输电、配电、用电等各环节的电力设备产生不利影响，甚至引起设备损坏。
因此我们需要构建特殊负荷数字物理仿真平台，依此对特殊负荷的工作特性、对电网的电能质量的影响、对电气设备的影响进行分析，以保证城市电网的安全、可靠、经济运行。
技术实现要素：
本发明采用如下技术方案：
一种含变频调速机和电气化铁路的特殊负荷数字物理仿真平台，其特征在于：包括
labview和starsim仿真开发平台：用于搭建特殊负荷的软件仿真模型，包括控制模块和显示模块；
特负荷仿真模型包括变频调速机和电气化铁路；
用户通过控制模块发出对模型的控制指令，
显示模块对模型进行潮流计算的结果波形显示；
nipxi测量与控制平台：用于数据采集，和上位机连接的实现远程控制和数据传输。包括具有定时和同步功能的机箱、系统控制器模块、外围模块；
在上述的一种含变频调速机和电气化铁路的特殊负荷数字物理仿真平台，特殊负荷数字物理仿真平台中，所述变频调速机采用恒压频比变频调速方式进行建模，即保持恒定的电动势频率比的控制方式；所述电气化铁路包括供电系统和电力机车组成，供电系统包括供电电源和牵引供电系统两部分。其中，牵引供电系统由牵引供电所和牵引网组成，系统通过牵引网将三相电网系统和牵引变电所相连。电动机车是铁路运输的牵引动力，电动机车本身不携带电源，靠接受牵引网输送的电流，通过车载变流器由电动机驱动车轮。
在上述的一种含变频调速机和电气化铁路的特殊负荷数字物理仿真平台，所述的特殊负荷数字物理仿真平台中，
所述外围模块包括配有：virtex-5lx110fpga的r系列多功能rio模块、针对于dsp的xilinxkintex-7fpga模块，通过labview软件对这两个fpga模块进行编程；高压模拟输出模块、10v输入的前置式接线盒和高速模拟输出模块。对fpga模块编程进行计算，计算结果通过模拟输出模块输出模拟波形。
具有定时和同步功能的机箱背板设有pci和pciexpress通信总线；所述系统控制器模块采用具备微软windows操作系统或实时操作系统的高性能嵌入式控制器、或台式机、或工作站、或服务器或笔记本电脑控制的远程控制器。
系统控制器模块和外围模块插入pxi机箱插槽中，外部pc设备通过系统控制器模块的外设接口和pxi系统连接，并通过机箱背板的通信总线进行数据传输和远程控制；特殊负荷的仿真模型在外部pc设备上的labview和starsim仿真平台进行开发。
一种特殊负荷数字物理仿真方法，其特征在于：包括：
步骤1，在labview中分别编写上位机host程序、下位机rt程序，选用labview自带的功率计算元件进行计算；
步骤2，运行rt程序，数字仿真模型与外部物理接口在pxi上进行部署；
步骤3，运行host程序，发出控制指令；
步骤4，数据流传输到下位机，cpu、fpga对模型进行仿真计算；
步骤5，计算结果返回上位机，在host主界面进行显示；或者通过pxi外部模块输出至接线盒，在示波器显示。
异步电动机调速方式主要有电动机转子串电阻调速、斩波调速、串级调速以及应用电磁转差离合器、液力偶合器、油膜离合器等调速。改变同步转速有改变定子极对数多速电动机，改变定子电压、变频调速等。在交流电机调速系统中，调速性能最佳、最稳定的是变频调速系统。因此，对变频调速技术的研究是当前电机调速领域中最有前景、最有实际应用价值的工作。
异步电动机的变压变频调速系统一般称为变频调速系统，异步电动机的转速
要保持磁通不变，当频率从额定值向下调节时，必须同时降低e，使
基频以上调速时，随着频率的升高，定子电压也应该升高，但定子电压不能超过异步电动机的额定电压，这就迫使磁通与频率成反比下降。
电气化铁路由供电系统和电力机车组成，供电系统包括供电电源和牵引供电系统两部分。其中，牵引供电系统由牵引供电所和牵引网组成。电动机车是铁路运输的牵引动力，电动机车本身不携带电源，靠接受牵引网输送的电流，通过车载变流器由电动机驱动车轮。
牵引供电系统主要包括牵引变电所和牵引网。其中，牵引变电所是电气化铁路的心脏，主要功能是根据电力机车对电流和电压的不同要求，通过一定接线形式的牵引变压器，将供电系统中高压输电线送来的电能变成适合电力机车使用的单相工频交流电，再经过馈线将电能输到接触网，给电力机车供电。牵引网主要由接触网、馈线、轨道回路和回流系统构成，负责给行驶中的机车提供电能。
电力机车按照传动方式不同分为直流传动和交流传动两种。目前我国主要使用的电力机车分为交直型和交直交型。交直型机车从接触网引入工频单相交流电，使用晶闸管整流装置，将其变成直流后牵引直流电机。而交直交型机车采用四象限pwm整流，将工频单相交流电变成直流电，再通过变压变频逆变后牵引交流异步电机。
单相v/v接线采用变压器分别向牵引供电所的两个供电臂供电。两台单相变压器原边绕组的末端相连作为公共端，三个引出线端子分别接电力系统的三个相线；两个副边绕组相连作为公共端，首端分别接牵引供电所的两个供电臂的牵引母线。左臂馈线电压就是t1的副边绕组电压，右臂馈线电压就是t2的副边绕组电压。经分析可知，两供电臂的电压相位差为60°。
本发明选用以ss4型电动机车为模型中的电动机车。ss4型电力机车采用按比例等分三绕组变压器供电的4段桥式半控型整流调压电路。三绕组为ab，bz，和cn。若u2为三绕组电压之和，则有：
uab＝ubz＝1/2u2；ucn＝1/2u2
即组成1/4，1/4，1/2的三段对称的等分比例。从0～ud连续可调输出电压共分为4段：
附图说明
图1为恒压频比变频调速控制特性。
图2为变频调速机异步电动机转速。
图3为变频调速机网侧功率。
图4为电气化铁路基本结构。
图5为vv接线原理图。
图6为电气化铁路直流侧电压及均值。
图7为电气化铁路网侧功率。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好的理解本发明技术方案，下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明。
一、首先是本发明涉及的平台搭建原理：
异步电动机调速方式主要有电动机转子串电阻调速、斩波调速、串级调速以及应用电磁转差离合器、液力偶合器、油膜离合器等调速。改变同步转速有改变定子极对数多速电动机，改变定子电压、变频调速等。在交流电机调速系统中，调速性能最佳、最稳定的是变频调速系统。因此，对变频调速技术的研究是当前电机调速领域中最有前景、最有实际应用价值的工作。
异步电动机的变压变频调速系统一般称为变频调速系统，异步电动机的转速
要保持磁通不变，当频率从额定值向下调节时，必须同时降低e，使
基频以上调速时，随着频率的升高，定子电压也应该升高，但定子电压不能超过异步电动机的额定电压，这就迫使磁通与频率成反比下降。
电气化铁路由供电系统和电力机车组成，供电系统包括供电电源和牵引供电系统两部分。其中，牵引供电系统由牵引供电所和牵引网组成。电动机车是铁路运输的牵引动力，电动机车本身不携带电源，靠接受牵引网输送的电流，通过车载变流器由电动机驱动车轮。
牵引供电系统主要包括牵引变电所和牵引网。其中，牵引变电所是电气化铁路的心脏，主要功能是根据电力机车对电流和电压的不同要求，通过一定接线形式的牵引变压器，将供电系统中高压输电线送来的电能变成适合电力机车使用的单相工频交流电，再经过馈线将电能输到接触网，给电力机车供电。牵引网主要由接触网、馈线、轨道回路和回流系统构成，负责给行驶中的机车提供电能。
电力机车按照传动方式不同分为直流传动和交流传动两种。目前我国主要使用的电力机车分为交直型和交直交型。交直型机车从接触网引入工频单相交流电，使用晶闸管整流装置，将其变成直流后牵引直流电机。而交直交型机车采用四象限pwm整流，将工频单相交流电变成直流电，再通过变压变频逆变后牵引交流异步电机。
单相v/v接线采用变压器分别向牵引供电所的两个供电臂供电。两台单相变压器原边绕组的末端相连作为公共端，三个引出线端子分别接电力系统的三个相线；两个副边绕组相连作为公共端，首端分别接牵引供电所的两个供电臂的牵引母线。左臂馈线电压就是t1的副边绕组电压，右臂馈线电压就是t2的副边绕组电压。经分析可知，两供电臂的电压相位差为60°。
本发明选用以ss4型电动机车为模型中的电动机车。ss4型电力机车采用按比例等分三绕组变压器供电的4段桥式半控型整流调压电路。三绕组为ab，bz，和cn。若u2为三绕组电压之和，则有：
uab＝ubz＝1/2u2；ucn＝1/2u2
即组成1/4，1/4，1/2的三段对称的等分比例。从0～ud连续可调输出电压共分为4段：
二、以下是采用上述原理的具体实施例。
变频调速机：根据前面建立好的模型，搭建基于恒压频比控制的变频调速仿真模型。其主要由电源，整流电路，逆变电路，调制型号生成电路(其中包含恒压频比控制环节)以及异步电动机组成。其中整流电路包含三相整流桥和脉冲触发模块；调制信号生成模块包含恒压频比控制模块和pwmgenerator；异步电动机的期望转速为1000转/分，1s后变为1500转/分。
电气化铁路：如前所述，牵引变电所采用v/v接线方式，原边绕组额定电压为110kv，副边绕组额定电压为27.5kv；用π型等效电路模拟牵引网，其参数为长30km，单位长度电阻为0.01273ω/km，单位长度电抗为0.9337×10-3h/km，单位长度容抗为12.74×10-9f/km；在牵引网的左右两侧分别连接ss4型电动机车，为保证电动机车的对称运行，两台电动机车均运行在第四段，第一台t3，t4移相，且触发角设为900，t1、t2、t5、t6满开放，第二台所有晶闸管的触发角均比第一台提前600；
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
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