電力系統及其自動化實驗電力系統及其自動化實驗報告2一、 實驗目的1. 了解并熟悉微電網及控制實驗系統；2. 通過模擬的牽引供電系統，了解牽引供電系統的結構和工作情況；3. 了解西南交通大學施耐德電氣聯合實驗室。二、 實驗內容1. 微電網及控制實驗系統1.1概述微網系統是一種相對于配電網規模較小的分散式獨立系統，它基于以現代電力電子技術，將風電，光伏發電，儲能設備組合在一起，直接供小型用戶使用，它可以被視為電網中的一個可控單元，在短時間內動作以滿足外部輸配電網絡及負載的需求。我們所參觀的實驗室中風電是由發動機模擬的，其系統由8個子系統所組成：1) 同步發電機組，容量 10kW，380V；2) 風力直驅發電機組，容量 5kW，380V；3) 雙饋風力發電機組，容量 10kW，380V；4) 光伏發電系統，容量 2kW，120V；5) 蓄電系統，容量 2kW，20AH；6) 負載，容量 15kW，功率因數-0.81，非線性負載；7) 并網控制器，電流 50A/380V；8) 線纜監控系統，線纜長度 05km；每套系統采用模塊化設計，安裝于獨立測試臺內，便于安裝和維護。但是其抗電磁干擾問題還有待進一步研究。其系統結構如圖1所示。微電網的運行方式有并網和孤島兩種模式：并網模式是指在正常情況下微電網與常規電網并網運行，當檢測到電網故障或者電能質量不滿足要求時，微電網將及時與電網斷開而獨立運行，轉為孤島模式運行。孤島模式是只至同步發電機建立一個穩定的電壓和頻率并使之運行在允許范圍內，其他子系統更隨該電網運行?？刂品绞讲捎弥鲝恼究刂茖崿F其基本功能，為多代理控制技術奠定基礎。微電網還應有以下幾點功能：1) 任意電源接入對系統不造成影響，確保人員電氣安全；2) 自主可選擇運行點，微電網控制應該做到能夠基于本地信息對電網中的事件進行反映，并自動切換至獨立運行方式；3) 并網或脫網平滑；4) 有功無功獨立控制；5) 具有校正電壓跌落和系統不平衡能力。圖1 系統結構框圖1.2主要子系統介紹1) 中央控制裝置：通過計算機進行任務的調度及功率的分配，并且顯示個子系統的運行狀況，本系統采用自勵方式，當拖動變頻器拖動同步發電機，同步發電機定子繞組產生感應電壓，經過整流提供給勵磁繞組勵磁。勵磁器通過測量發電機端電壓并與給定值做比較，當端電壓高于給定值時，減小勵磁電流，使發電機端電壓回到設定值。2) 同步發電機系統：微網中以同步發電機為主，其他子系統以其發出的電壓計頻率為參考變量。當拖動變頻器拖動同步發電機，同步發電機定子繞組產生感應電壓，經過整流提供給勵磁繞組勵磁。勵磁器通過測量發電機端電壓并與給定值做比較，當端電壓高于給定值時，減小勵磁電流，使發電機端電壓回到設定值。若并入電網運行，輸出電壓及頻率由電網決定，不能改變，可以通過調節勵磁電流調節電機的功率因數和無功功率。3) 風力發電直驅系統：風力發電直驅系統是通過將永磁同步電機產生的電能轉換為直流并逆變輸出的一種控制方式。該系統的主要特點是：a) 無需齒輪箱，機械損耗小，運行效率高，維護成本低。b) 消除勵磁銅耗，功率密度高，轉子慣性低，轉子結構簡單。c) 可實現有功功率和無功功率的完全調節。d) 與雙饋風力發電機組相比，低風速時效率更高。e) 變流器成本提高。f) 采用高速多級發電機的體積及重量較大。4) 風力發電雙饋系統: 風力發電雙饋系統是通過對雙饋異步電機轉子勵磁控制定子電壓電流頻率與電網直接相連的一種控制方式。雙饋變流器是通過控制發電機轉子勵磁，實現定子發電的一種系統。機側逆變器主要負責發電機的轉子勵磁，網側逆變器主要是穩定母線電壓以及對電網進行無功補償。5) 光伏發電系統: 光伏發電系統是通過光電池板將太陽能轉化為直流電并采用光伏逆變器進行的一種控制方式。所參觀的系統采用長弧燈來模擬太陽光，通過改變燈的光源位置，來調節追日系統。6) 儲能系統：儲能系統是將電網電能暫存于電池中，并在電網電壓跌落是支撐電網的一種系統。所參觀的儲能控制系統為 DC200V/DC200V 蓄電池系統，與光伏發電系統配套使用，當光電池板滿功率輸出時，儲能系統向電池充電。當光電池板功率下降時，儲能系統可以相負載提供功率，維持電網的正常運行。7) 負載系統：負載系統是模擬電網系統的一種非線性負載，功率因數可以控制。微網系統發出的電可以通過該負載進行消耗。2. 牽引供電系統牽引供電系統主要由牽引變電所和接觸網組成。牽引變電所將電力系統通過高壓輸電線送來的電能加以降壓和變流后輸送給接觸網，以供給沿線路行駛的電力機車。接觸網是沿電氣化鐵路架空敷設的輸電網，它和電力機車受電弓的滑動接觸將牽引變電所送來的電流送給電力機車。我國牽引供電系統采用工頻25kV交流電。牽引供電系統的主要組成部分為牽引變電所、分區所、開閉所、AT所等。牽引供電系統的供電方式可分為：直接供電方式（包括帶回流線的直接供電方式）、BT供電方式和AT供電方式。1) 直接供電方式直接供電方式又可分為不帶回流線直接供電方式(圖2.1)和帶回流線的直接供電方式(圖2.2)兩種。圖2.1 不帶回流線的直接供電方式圖2.2 帶回流線的直接供電方式2) BT供電方式圖2.3 BT供電方式BT（Boost Transformer）供電方式又稱吸流變壓器供電方式，其主要目的是為了提高牽引網防干擾能力，但隨著通訊線路電纜化和光纜化，防干擾矛盾越來越不突出，該種供電方式目前已經基本不采用。3) AT供電方式圖2.4 AT供電方式 AT（Auto-Transformer）供電方式又稱自藕變壓器供電方式，相對于其它供電方式而言，AT供電方式具有更好的防干擾效果和更大的供電潛力，特別適合于高速和重載鐵路。3. 西南交通大學施耐德電氣聯合實驗室 在聯合實驗室里，老師為我們講解了實驗室的平臺體系架構，現總結如下： 圖2為初步設計的聯合實驗室平臺體系架構，平臺的設計在充分考慮供電可靠性、實驗室布局與實現不便的客觀條件的基礎上，最大限度地保留了鐵路牽引供電系統與配電系統的特點。采用 400V 配電網絡來模擬實際鐵路的 10kV 配電。同時，依托施耐德電氣強大的行業背景，通過采用相應智能設備方便地實現了對整個實驗室系統的集中管理、保護與控制自動化、電能質量監測等。 圖2中牽引供電部分模擬實際牽引變電所，通過升壓變壓器將 10kV 升至 27.5kV 為牽引負荷供電。配電部分模擬鐵路配電網，采用 400V 電壓模擬實際線路采用的 10kV 電壓。在一級負荷貫通線路上設置有故障模塊，模擬實際鐵路配電線路的各種故障，借以觀察故障后保護以及斷路器等的動作情況，實際鐵路配電網絡中的分段裝置開關房用施耐德電氣的配電柜來模擬。 實驗平臺的檢測、通信、管理：實驗室內綜合自動化采用以太網通信代替光纖以太網。各部分電源進線、母聯斷路器和負荷開關采用 SCADA（供電系統管理自動化）遠動控制和就地控制（實現系統的遙控、遙信、遙測）。通過通信和監測來實現遠程電網管理。系統管理層設置有牽引供電監控主機、配電監控主機、打印機以及其他監控主機。圖2實驗平臺體系架構三、 心得體會 通過這次參觀學習實驗，對微電網及其控制系統、聯合實驗室參觀學習與老師的細心講解，我獲益匪淺。 首先，通過對微電網及控制系統的了解，我對整個系統有了一個比較直觀清晰的認識。結合自己平時所看的論文書籍，對抽象的系統結構，有了更為直接形象的認識。對于系統的各個子系統的功能、系統構成以及相互之間的聯系影響也有了全面的了解。雖然對里面的具體實現還是不太明白，但已經建立了一個完整的微電網概念模型。同時，老師的耐心解答在很大程度上解決了平時學習中的疑問。 其次，在實驗平臺的接觸中，我看到了很多只有書里面才能看到甚至都看不到的開關器材和設備，比如斷路器、熔斷器、功率因數控制器等等，讓我對基本的電氣設備有了更多地認識，在以后的學習中會更多地思考實物是什么樣子的，極大的拓展了我的視野，激發了我學習的熱情。 最后，牽引供電系統模型