1.实验原理

1、实验项目顶层设计理念

实验原理

本项目以城市电气化交通系统建设、运行及用能为主线，以设备认知为基础，将仿真搭建、轨道交通能量回馈实验、电动汽车有序充电实验进行综合设计，将各过程的基本理论、基本操作、设备结构等知识贯穿于操作全过程。其中，仿真搭建原理包括配电网基本组成及组网原则、电力系统潮流计算原理；轨道交通能量回馈实验原理包括轨道交通供电系统结构及工作原理、能馈系统设计方案及工作原理；电动汽车有序充电原理包括电动汽车充放电特性、有序充电策略制定及优化原理。

 

图2.4.1城市电气化交通系统高效用能原理架构图

上述基本原理具体如下：

1、配电网基本组成及组网原则

配电网是指从输电网或地区发电厂接受电能，通过配电设施就地分配或按电压逐级分配给各类用户的电力网。配电网是由架空线路、电缆、杆塔、配电变压器、隔离开关、无功补偿电容以及一些附属设施等组成的，在电力网中起重要分配电能作用的网络。按电压等级的不同，可又分为高压配电网(110kV、35kV)、中压配电网(20kV、10kV、6kV、3kV)和低压配电网(220V/380V)；按供电地域特点不同或服务对象不同，可分为城市配电网和农村配电网；按配电线路的不同，可分为架空配电网、电缆配电网以及架空电缆混合配电网。

 

图2.4.2配电网组成架构图

配电网组网的基本原则是一般采用闭环设计、开环运行，其结构呈辐射状。放射式配电网是指一路配电线路自配电变电所引出，按照负荷的分布情况，呈放射式延伸出去，线路没有其他可连接的电源，所有用电点的电能只能通过单一的路径供给，如下图所示。

 

图2.4.3配电网组网原则

2、电力系统潮流计算原理

电力系统潮流计算是对复杂电力系统正常和故障条件下稳态运行状态的计算。其目的是求取电力系统在给定运行方式下的节点电压和功率分布，用以检查系统各元件是否过负荷、各点电压是否满足要求、功率分布和分配是否合理以及功率损耗等。

本平台采用牛顿-拉夫逊法，对非线性代数方程进行逐次线性化求解，求解算法框图如下图。

图2.4.4牛顿-拉夫逊法的求解流程框图

牛顿-拉夫逊法的几何解释如下图所示。

图2.4.5牛顿-拉夫逊法的几何解释

3、城市轨道交通供电系统结构及基本工作原理

城市轨道交通供电系统由主变电所、牵引变电站系统、牵引网系统、动力照明供电系统以及机车系统等部分构成，图2.4.6所示为其结构框图。其中，牵引变电站是牵引供电的核心，它将三相中压交流电变成供地铁机车所使用的低压直流电，直流馈线再将牵引变电所的直流电送到牵引网上，为地铁车辆提供所需的直流电能。牵引网系统是沿线路敷设的专为电动车辆供给电源的装置，由正极接触网供电，负极走行轨回流两部分组成。动力照明供电系统包括降压变电所、动力照明配电系统两部分，将交流中压电压降压变成交流220/380V电压，为运营需要的各种机电设备提供低压电源。机车采用逆变器与牵引网相连接，将电能引入车内使用，并通过走行轨回流至牵引变电站。

图2.4.6 城市轨道交通供电系统

4、轨道交通能馈系统设计方案及工作原理

牵引变电站是整个直流轨道交通系统运行的能量来源，负责电能的供应、转化与传输。近年来，随着功率半导体IGBT和转换器控制技术的发展，具有成本效益的IGBT逆变器越来越多地应用于直流牵引供电系统。带逆变器的牵引变电站称为逆变电站或可逆变电站。列车启动及运行过程中，由二极管整流器向列车供电；列车制动时，列车的剩余再生制动能量经过逆变器回馈至中压电网，为交流负载供电，从而有效降低整个供电系统的能耗，同时减少制动蹄的机械磨损，避免隧道温升。

图2.4.7 城市轨道交通能馈系统

5、电动汽车充放电特性及其对电网的影响

电动汽车充电特性通常包含充电电流、电压降落及充电时间等几个方面。电动汽车电池有常规充电、快速充电和机械充电三种充电模式。其中，快速充电特性曲线如下图所示。

 

图2.4.8 电动汽车快速充电特性

不同类型的电池具有不同的放电特性，电动汽车锂离子动力电池恒流放电时，在放电初始阶段电池工作电压下降迅速，而后进入线形下降区；在放电接近终止时，电池工作电压又开始急剧下降。锂离子动力电池的工作电压变化与放电深度存在着密切关系。图2.4.9为锂离子动力电池放电特性。

 

图2.4.8 锂离子电池放电特性

大规模电动汽车同时充电必然增加系统的负荷需求，当电动汽车的充电行为不受控制时（即无序充电），将会进一步加大电网峰谷差，甚至引发功率过载等电网拥塞问题，影响供电质量。另一方面可能是网络损耗率增加，影响电网的经济运行。因此有必要实施电动汽车有序优化控制策略。

6、电动汽车有序充电策略制定及优化原理

电动汽车有序充放电技术可实现电动汽车的有序调度，充分利用其空间可移动、时间可调度的特点，在电力处于“低谷”时充电，在电力处于“尖峰”时放电，不仅可以缓解无序状态下引发的峰谷差大、功率过载等问题，保证城市电气化交通系统可靠运行，还可以进一步缓解城市交通拥堵等情况。

对于电动汽车用户而言，有序充电控制策略如图所示。

 

图2.4.8 用户有序控制策略

对于充电站而言，有序充电控制就是充电站通过与电网的联动，在电网统筹安排下进行充电行为。充电站的控制策略流程如图所示。

 

图2.4.8 充电站有序控制策略

仿真要素

本实验项目的核心要素为轨道交通实验和电动汽车实验中系统运行及用能场景的真实仿真程度。本平台设备类型为经过广泛市场调研后归纳得出，且设备参数设置均依据实际厂商提供的数据经过科学的合理化处理后得到；本平台后台算法结合现有电力系统仿真软件算法及当前成熟的轨道交通能馈技术、电动汽车有序充电技术，经过不同拓扑、不同规模系统（拓扑、数据来源于实际系统）的多方面比较测试及与电力、交通部门技术人员的沟通，验证了算法的正确性和合理性。因此，本虚拟仿真实验项目仿真环境接近真实的运行环境，仿真度较高。

设备认知模块	电动汽车	3D高度仿真	参考实际工程中电动汽车、轨道交通、风电、发电机、变电站等设备的形态、参数及工作原理进行设计
	充电站	3D高度仿真
	储能	3D高度仿真
	普通负荷	3D高度仿真
	母线	3D高度仿真
	光伏	3D高度仿真
	发电机	3D高度仿真
	变压器	3D高度仿真
	风电	3D高度仿真
	变电站	3D高度仿真
	轨道交通	3D高度仿真
	断路器	3D高度仿真
仿真搭建模块	潮流计算方法	高度仿真	参考《电力系统分析》教材与实际电力系统潮流计算方法
	电动汽车充放电特性	高度仿真	参考厂商提供技术手册及实际电动汽车充点电特性曲线
	轨道交通运行特性	高度仿真
轨道交通实验模块	能馈系统设计及工作原理	高度仿真	参考实际物理系统相应方案设计及相关技术人员提供的技术支持

 

知识点：共  8  个

（1）配电网基本组成及分类

（2）配电网组网原则

（3）电力系统潮流计算

（4）牛顿-拉夫逊法

（5）城市轨道交通供电系统基本结构及工作原理

（6）城市轨道交通能馈系统设计方案及工作原理

（7）电动汽车充放电特性

（8）电动汽车有序充电策略及优化