Разработка схемотехнических решений и методики расчета поперечной компенсации реактивной мощности с управляемым реактором в тяговом электроснабжении переменного тока тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.03, кандидат наук Мирощенко Василий Анатольевич

• Мирощенко Василий Анатольевич
• кандидат наук
• 2021

Оглавление диссертации кандидат наук Мирощенко Василий Анатольевич

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ И ПЕРСПЕКТИВНЫХ СХЕМОТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ УСТРОЙСТВ КОМПЕНСАЦИИ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ

1. 1 Классификация устройств компенсации реактивной мощности

1.2. Опыт эксплуатация существующих устройств поперечной компенсации

1.3 Сравнение основных схемотехнических решений устройств поперечной компенсации реактивной мощности

1.4 Выбор оптимальных схемотехнических решения для компенсации реактивной мощности в электротяговой сети переменного тока

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ СХЕМЫ ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ С АДАПТИВНЫМИ УСТРОЙСТВАМИ КОМПЕНСАЦИИ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ

2.1 Алгоритм работы адаптивного устройства компенсации реактивной мощности

2.2 Способ измерения и метод автономного регулирования реактивной мощности

2.3 Разработка и описания функциональных схем адаптивных устройств компенсации реактивной мощности в тяговом электроснабжении

2.4 Расчет разработанных схем

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ И ИССЛЕДОВАНИЕ НА МОДЕЛИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ КУ

3.1 Математическое описание модели КУ

3.2 Компьютерное моделирование разработанной математической модели

3.3 Анализ энергетических показателей КУ

3.4 Выводы об энергетической эффективности разработанных КУ

3.5 Технико-экономический расчет устройства на основе электромеханического регулятора

ГЛАВА 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК НА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКЕ

4.1 Описание физической схемы экспериментальной установки, порядок проведения эксперимента

4.2 Программная часть проведения эксперимента

4.3 Результаты работы экспериментальной установки и их анализ

4.4 Сравнения результатов, полученных на математической модели и экспериментальной установке

4.5 Выводы о целесообразности использования исследуемых КУ в электротяговой сети для повышения ее энергоэффективности

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ А

ПРИЛОЖЕНИЕ В

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка схемотехнических решений и методики расчета поперечной компенсации реактивной мощности с управляемым реактором в тяговом электроснабжении переменного тока»

ВВЕДЕНИЕ

Железные дороги являются одним из крупнейших потребителей энергоресурсов в транспортной инфраструктуре России. Потребление электроэнергии достигает 6% от генерируемой в стране ежегодно. В год потребляется около 38 млрд. кВт.ч электроэнергии, более 80% из которых расходуется на тягу поездов в соответствие с [1].

Возрастание цены на энергетические ресурсы, увеличивающаяся конкуренция в транспортной сфере требуют уменьшения эксплуатационных расходов, в том числе за счет снижения потребления электроэнергии тяговых потребителей и является одной из приоритетных задач стратегии железнодорожного транспорта в области энергетики.

В стратегии развития железнодорожного транспорта в Российской Федерации до 2030 года предполагается снижения удельного расхода электроэнергии на 7,5 процентов [2]. В достижении поставленной цели немаловажную роль играет усовершенствование устройств компенсации реактивной мощности. Кроме этого там же указывается на необходимость применения малообслуживаемых конструкций систем электроснабжения, поэтому современные устройства компенсации реактивной мощности должны быть в высокой степени автоматизированы.

На электрифицированных железных дорогах переменного тока в России, используются электровозы, оснащенные выпрямительными или выпрямительно-инверторными преобразовательными установкам для питания тяговых двигателей. Использование таких установок приводит к искажению формы тока в контактной сети. Главным недостатком электровозов, переменного тока является большое потребление реактивной мощности, которое составляет более 80% от активной мощности. При таких значениях коэффициент мощности в электротяговой сети составляет менее 0,8 в соответствие с [3]. В некоторых случаях почти половина полной потребляемой мощности - это реактивная мощность.

Одним из способов повышения энергоэффективности электрифицированных железных дорог переменного является компенсация реактивной мощности.

В системе тягового электроснабжения переменного тока установки компенсации реактивной мощности позволяют решать следующие задачи:

1. Повышение уровня напряжения в электротяговой сети, что, как следствие, увеличивает пропускную способность загруженных железнодорожных участков.

2. Уменьшение потерь электроэнергии, что обеспечивает энергосбережение;

3. Улучшение качества электроэнергии, что поднимает эффективность работы электрооборудования;

4. Улучшение электромагнитной совместимости тяговых сетей с другими линиями.

Одной из центральных проблем применения устройств компенсации реактивной мощности является управление реактивностью при резкопеременной тяговой нагрузке.

Большой вклад в разработку способов регулирования компенсирующих устройств внесли ряд известных ученых: Александров Г.Н., Бадёр М.П., Бородулин Б.М., Герман Л.А., Гончаренко В.П., Ермоленко Д.В., Железко Ю.С., Закарюкин В.П., Иньков Ю.М., Косарев А.Б., Косарев Б.Н., Мамошин Р.Р., Марикин А.Н., Марквардт К.Г., Николаев Г.А., Черемисин В.Т., Фигурнов Е.П. и др.

В настоящее время в электротяговой сети переменного тока в основном применяются нерегулируемые, либо ступенчато регулируемые установки компенсации реактивной мощности. Они не позволяют плавно управлять реактивной мощностью в широком диапазоне.

В последнее время на железных дорогах переменного тока появились примеры применения статических тиристорных компенсаторов. Эти компенсаторы обладают высоким быстродействием и широким диапазоном плавного регулирования. Основным недостатком указанных устройств является

генерация в сеть высших гармоник тока и напряжения за счет использования тиристорных ключей, тем самым снижая качество электрической энергии. Статические тиристорные компенсаторы требуют дополнительной установки фильтров высших гармоник на широкий диапазон, что увеличивает их стоимость.

Таким образом, основная цель использования статических тиристорных компенсаторов заключается в повышение напряжения в месте контакта токоприемника электровоза. Этим обусловлен и алгоритм их регулирования. Задающим воздействием на регулятор является напряжение контактной сети на посту секционирования. Поэтому с точки зрения повышения качества электрической энергии и, как следствие, повышения энергоэффективности электротяговых сетей статические тиристорные компенсаторы требуют дальнейшей доработки.

Учитывая сказанное, представляется актуальной разработка альтернативного устройства компенсации реактивной мощности для электротяговой сети переменного тока с плавным регулированием реактивности. Это устройство не должно ухудшать гармонический состав тока и напряжения, а, наоборот, работать в режиме широкополосного фильтра высших гармоник. Предполагается, что такое устройство сможет снизить потребление электрической энергии, увеличить пропускную способность линии, и, как следствие, обеспечить требуемый уровень напряжения в контактной сети.

В работе предлагается устройство компенсации реактивной мощности, в основе которого лежит регулируемый реактор, подключенный параллельно батареи конденсаторов. Изменение индуктивности реактора приводит к изменению общей реактивной мощности, потребляемой устройством. Механизм регулирования индуктивности заключается в изменении немагнитного зазора в сердечнике реактора с помощью электропривода. Устройство устанавливается на подстанции и осуществляет регулирования в зависимости от текущей реактивной мощности на питающем фидере.

Метод регулирования реактивности с помощью подвижного сердечника известен, но нет опыта его применения в устройствах компенсации реактивной

мощности с параллельно подключенной конденсаторной батареей. В современной отечественной и зарубежной литературе нет информации о разработке, моделировании или анализе работы такого устройства в тяговом электроснабжении. В связи с этим возникает задача разработки устройства компенсации реактивной мощности с переменной индуктивностью с целью дальнейшей оценки возможности использования его в электротяговой сети переменного тока.

Объектом исследования является устройство поперечной компенсации реактивной мощности с управляемым реактором для тягового электроснабжения переменного тока.

Предметом исследования является проблема компенсации реактивной мощности в сети тягового электроснабжения переменного тока в широком диапазоне электрической нагрузки.

Целью исследования является разработка системы поперечной компенсации реактивной мощности с обратной связью и оптимальным алгоритмом регулирования для сети тягового электроснабжения переменного тока.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Обоснование способа управления реактивной мощностью компенсирующей установки.

2. Разработка электрической схемы и обоснование точки подключения компенсирующего устройства к тяговой сети.

3. Разработка алгоритма управления автоматическим регулятором компенсирующего устройства.

4. Разработка динамических имитационных моделей устройств компенсации реактивной мощности в тяговой сети переменного тока, позволяющих выполнить оценку качества переходных процессов и энергетическую эффективность при резкопеременной нагрузке.

5. Исследование на физической модели использования компенсатора реактивной мощности с переменной индуктивностью в тяговой сети переменного

тока с целью оценки качества регулирования реактивной мощности и устойчивости устройства в переходных режимах.

Положения, выносимые на защиту:

1. Схемотехнические решения системы поперечной компенсации реактивной мощности на основе регулируемой индуктивности.

2. Имитационная математическая модель системы тягового электроснабжения с управляемым устройством компенсации реактивной мощности, позволяющая выполнить оценку качества переходных процессов регулятора в динамических режимах.

3. Алгоритм управления устройством компенсации реактивной мощности по регулирующему воздействию в зависимости от тяговой нагрузки.

Положения и результаты работы докладывались и обсуждались на конференциях и симпозиумах: Шестой, Седьмой, Восьмой и Девятый Международные симпозиум Eltrans'2011, Eltrans'2013, Eltrans'2015 и Eltrans'2017 (Санкт-Петербург, ПГУПС); Всероссийская научно-технической конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Транспорт: проблемы, идеи, перспективы» (2015, 2016, Санкт-Петербург, ПГУПС); научно-методические семинары кафедры «Электроснабжение железных дорог» ПГУПС (2013 - 2019).

По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ, в том числе 2 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК Министерства образования и науки России, 1 статья в журнале, входящим в список Scopus, и 1 полезная модель.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ И ПЕРСПЕКТИВНЫХ СХЕМОТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ УСТРОЙСТВ КОМПЕНСАЦИИ

РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ

1.1 Классификация устройств компенсации реактивной мощности

Реактивная мощность представляет собой обмен электрической энергией между приемником и источником электрической энергии с частотой, в два раза превышающей основную частоту напряжения переменного тока, при этом не преобразовываясь в другой вид энергии. Она характеризует скорость обмена электромагнитной электроэнергией между источником и приемником. Основное отличие реактивной мощности от активной состоит в том, что она не совершает полезную работу. Она необходима для создания переменных магнитных полей в индуктивных электроприемниках, таких как трансформаторы, двигатели переменного тока и др., постоянно циркулируя между приемником и ее источником. Принято считать, что реактивная мощности, которую потребляет индуктивность носит положительный характер, а которую потребляет емкость -отрицательный. При этом отрицательной потребляемой реактивной мощности отвечает положительная отдаваемая. Таким образом, индуктивные элементы являются потребителями реактивной мощности, а емкостные элементы - ее источниками.

Активная и реактивная мощность отличаются по способу генерации. Генераторы электростанций являются единственными источниками активной мощности в энергосистеме. Реактивная мощность генерируется не только генераторами, но и другими источниками реактивной мощности -компенсирующими устройствами (батареями конденсаторов, синхронными компенсаторами, двигателями, статическими тиристорными компенсаторами и

др.).

По принципу действия компенсация реактивной мощности классифицируется на продольную и поперечную. При продольной компенсации устройство включается последовательно с нагрузкой.

Схема такой компенсации представлена на рисунке 1.1. На ней Rл и Ел -активное и индуктивное сопротивления линии, Rн и Ен - активное и индуктивное сопротивления нагрузки, Ци - напряжение источника, Ск - емкостное сопротивление устройства компенсации.

Ск

Кл

1л

1_н

Рисунок 1.1 - Схема продольной компенсации реактивной мощности

На рисунке 1.2. представлена векторная диаграмма токов и напряжений при продольной компенсации реактивной мощности.

Рисунок 1.2 - Векторная диаграмма токов и напряжений для устройства

продольной компенсации

На векторной диаграмме Ц^ и - активные падения напряжений на элементах нагрузки и линии, Ц^ и - индуктивные падения напряжений на элементах нагрузки и линии. Сумма падений этих напряжений образуют вектор необходимого напряжения источника Ци. При подключении устройства компенсации реактивной мощности в линии, последовательно с нагрузкой, на емкостном элементе компенсирующего устройства падает напряжение Цк, противоположное по знаку падению напряжения на индуктивных элементах. Таким образом величина вектора необходимого напряжения источника Ци' уменьшается. При правильной настройке компенсирующего устройства можно добиться, чтобы падение напряжения на компенсационной обмотке было равно падению напряжения на индуктивности. В таком случае величина вектора напряжения источника будет минимальна, соответственно уменьшится нагрузка оборудования, напряжение на зажимах нагрузки будет на требуемом уровне, уменьшаться потери в линии.

Устройства продольной компенсации используют для снижения потерь напряжения в длинных линиях электропередачи, за счет изменения соотношения между напряжениями в начале и в конце линии. Одним из основных свойств продольной компенсации является способность стабилизировать напряжение при резкопеременной нагрузке. Такое устройство является саморегулируемым по току. При резком увеличении тока линии происходит увеличение индуктивного напряжения в той же мере, что и увеличение напряжения на емкости. Таким образом, величина потери в линии увеличивается только за счет активного сопротивления, а оно обычно на порядок ниже индуктивного в воздушных линиях.

Главным недостатком подключения компенсирующего устройства последовательно с нагрузкой является протекание через него полного рабочего тока сети. Это приводит к сложности настройки релейной защиты, в связи с увеличение тока короткого замыкания близ компенсирующего устройства. Кроме этого устройства компенсации могут вызывать различные коммутационные

явления в основной сети. Все это может привести к снижению надежности срабатывания релейной защиты. Так же при выходе из строя компенсирующего устройства возможно отключения всех потребителей, находящихся за устройством. Как дополнительный элемент в сети по теории надежности продольное устройство компенсации снижает надежность энергосистемы в целом.

На железной дороге нашло применение УПК (устройство продольной компенсации), представляющее собой набор конденсаторных батарей. Устройство может быть включено на вводных шинах 110(220) кВ, на шинах тяговой подстанции 27,5 кВ и непосредственно в контактную сеть. Включение УПК непосредственно в контактную сеть является наиболее эффективным с точки зрения повышения напряжения на токоприемнике, однако такое включение влечет за собой увеличение уравнительного тока контактной сети при параллельной работе подстанций и трудности при прохождении токоприемника электроподвижного состава нейтральной вставки в месте установки устройства. Поэтому на данный момент такой способ включения не применяют. Кроме стабилизации напряжения в контактной сети УПК способно симметрировать нагрузку высоковольтной трехфазной питающей линии при включении устройства в отсасывающий фидер [4]. Не смотря на явные преимущества продольной компенсации реактивной мощности для повышения уровня напряжения на подстанции и токоприемнике данный метод используется редко по причине низкой надежности современных УПК. В эксплуатируемых УПК завышены степени компенсации, что приводит к их неэффективной работе. [5]

При поперечной компенсации устройство включается параллельно нагрузке. Для определения эффективности поперечной компенсации реактивной мощности рассмотрим её схему, представленную на рисунке 1.3. Обозначение схемы на рисунке 1.3 совпадают с обозначениями схемы на рисунке 1.1. По данной схеме построена векторная диаграмма токов и напряжений, представленная на рисунке 1.4.

ииП^)

Рисунок 1.3 - Схема поперечной компенсации реактивной мощности

1с

Рисунок 1.4 - Векторная диаграмма токов и напряжений при поперечной

компенсации

На рисунке 1.4 ГО. и !Ь - вектора активной и индуктивной составляющей тока линии. Суммарный ток линии обозначен как I. При включении устройства компенсации параллельно нагрузке, через него протекает емкостной ток. По первому закону Кирхгофа вектор суммарного тока линии с подключенным компенсирующим устройством I', равен векторной сумме тока без компенсации и емкостной составляющей тока. Таким образом уменьшается значение общего тока сети, что приводит к уменьшению потерь в линии и, как следствие, увеличение напряжения на зажимах нагрузки. При точно подобранном значение емкостного сопротивления компенсирующего устройства можно снизить величину

индуктивного тока до 0 и, тем самым, в линии будет протекать только активная составляющая тока.

Уменьшение тока позволяет снизить сечение проводов линий энергосистемы. Понижается установленная мощность трансформаторов и снижаются потери напряжения в сети за счет уменьшения потока реактивной мощности. Таким образом увеличивается пропускная способность линии. Компенсирующие устройства при поперечной установке не подвергаются воздействию полного тока сети, не вносят существенные коррективы в работу релейной защиты и не снижают общую надежной системы электроснабжения.

Недостатком поперечных компенсирующих устройств является ограниченность стабилизации напряжения в сети. Максимальное повышение напряжения достигается при полной компенсации реактивной мощности.

Устройства поперечной компенсации нашло широкое применение в сети железных дорог переменного тока. Оно может быть установлено на вводах тяговой подстанции 110(220) кВ, на выводах подстанции, на постах секционирования. Наибольшая эффективность с точки зрения стабилизации напряжение достигается при установке устройств поперечной компенсации на постах секционирования за счет удаленности расположения устройства от источника питания. Но при таком расположении усложняется регулирование компенсирующего устройства (если оно регулируемое), и при отсутствии нагрузки на линии к собственным потерям энергии устройства прибавляются потери от протекания тока компенсации через контактную сеть.

По возможности регулирования устройства компенсации реактивной мощности делятся на регулируемые и нерегулируемые. Регулируемые в свою очередь делятся на ступенчато регулируемые и плавно регулируемые.

Нерегулируемые устройства компенсации реактивной мощности обычно представляют собой батареи статических конденсаторов, подключаемые через защитный реактор при поперечной компенсации (рисунок 1.5). Основными элементами конструкции конденсаторов являются бак с изоляторами и съемная часть, состоящая из батареи секций простейших конденсаторов. Осуществляется

групповая защита конденсаторов плавкими предохранителями. Оптимальным считается установка одного предохранителя на секцию конденсаторов, таким образом, чтобы номинальный ток секции не превышал значение в 100 А в соответствии с [6]. Для дополнительной защиты устанавливается общий предохранитель на всю конденсаторную батарею.

Рисунок 1.5 - Батарея статических конденсаторов

Емкость конденсаторной батареи обычно подбирается по средней потребляемой реактивной мощности в сети. В электротяговой сети переменного пока нагрузка имеет резкопеременный характер, поэтому при использовании нерегулируемых устройств компенсации реактивной мощности возможна как недокомпенсация, так и перекомпенсация.

Несмотря на это нерегулируемые компенсирующие устройства получили широкое распространения на электрифицированных железных дорогах переменного тока. Главными преимуществами таких устройств является простота конструкции и эксплуатации и невысокая стоимость. Статические конденсаторные батареи имеют большой опыт эксплуатации и зарекомендовали себя как надежное устройство, способное частично компенсировать реактивную мощность, увеличивая пропускную способность линии, повышая уровень напряжения на токоприемнике электровоза.

Основным недостатком является невозможность регулирования вырабатываемой реактивной мощности, что сильно снижает эффективность использования данного типа компенсации в электротяговой сети, где присутствует резко-переменная нагрузка. Кроме этого недостатками конденсаторных батарей являются зависимость генерируемой реактивной мощности от питающего напряжения, что может способствовать возникновению резкого нарастания напряжения и чувствительности к искажениям формы кривой питающего напряжения.

Другим нерегулируемым устройством компенсации реактивной мощности является фильтрокомпенсирующее устройство. Кроме компенсации реактивной мощности такие устройства обеспечивают фильтрацию высших гармоник тока и напряжения, повышая тем самым качество электрической энергии в питающей сети. Схема фильтрокомпенсирующего устройства включает в себя одну или несколько LC-цепочек. LC-цепочки подключаются параллельно друг другу, каждая из них рассчитана на частичную компенсацию реактивной мощности и фильтрацию определенного спектра высших гармоник тока и напряжения (рисунок 1.6). На рисунке С1, С2, С3, С4 - конденсаторные батареи разной емкости, L1, L2, L3, L4 - реакторы разной индуктивности. Конденсаторы и реакторы подобраны таким образом, чтобы обеспечивать колебательные контуры для гармоник, требующих фильтрацию.

Рисунок 1.6 - Фильтрокомпенсирующие устройство

Описанные фильтрокомпенсирующие устройства, наравне с конденсаторным батареями, являются нерегулируемыми. Данное устройство убирает только один недостаток конденсаторной батареи: чувствительность к искажениям формы питающего напряжения.

В настоящее время данный вид компенсации реактивной мощности технически устарел и не удовлетворяет современным требованиям к качеству электроэнергии. Кроме этого при их использовании появляется риск перекомпенсации, что приводит к увеличению напряжения и конце линии и может стать причиной пробоя изоляции.

Увеличение скорости поездов и повышения пропускной способности линии требует использования регулируемых установок компенсации реактивной мощности.

На сегодняшний день широкое распространение на электрифицированных железных дорогах переменного тока получили установки ступенчатого регулирования реактивной мощности. Обычно они состоят из нескольких батарей статических конденсаторов (две и более), подключенных параллельно друг другу через контакторы. Последовательно с каждой батареей конденсаторов могут

подключаться реакторы, как для защиты, так и для обеспечения фильтрации высших гармоник (рисунок 1.7). На рисунке 1.7 К1, К2, КЗ - контакторы, L1, L2, L3 - реакторы разной емкости, С1, С2, СЗ - конденсаторные батареи, разной индуктивности.

Рисунок 1.7 - Ступенчато регулируемое устройство компенсации реактивной

мощности

Регулирования реактивной мощности осуществляется за счет подключения/отключения батарей конденсаторов. Чем больше ступеней, тем выше точность регулирования.

Переключения между плечами можно осуществлять как вручную, так и автоматически. В настоящее время существуют специальные контакторы, которые имеют возможность как удаленное управление с пульта силами оперативного персонала, так и автоматическое управление. Автоматическое управление осуществляется по времени или по датчикам реактивной мощности в зависимости от установленных уставок. Автоматическое регулирование подключенных плеч конденсаторов позволяется не допускать режимов перекомпенсации и недокомпенсации. Существуют схемотехнические решения,

позволяющие плавно включать ступени конденсаторов. Таким образом исключается резкие коммутационные изменения тока и напряжения в сети.

Ступенчато-регулируемые конденсаторные установки производят в модульном исполнении. Используется вводная ячейка и ячейки конденсаторных плеч. Вводная ячейка состоит из автоматического выключателя, защитной и коммутационной аппаратуры. В конденсаторных ячейках установлены самовосстанавливающиеся конденсаторы, реакторы, предохранители, контакторы и разрядные резисторы, позволяющие уменьшить остаточное напряжение до безопасного уровня. Имеется возможность собрать компенсирующее устройство требуемой емкости и с необходимым количеством ступеней. Ячейки ступенчато-регулируемых конденсаторов оснащаются программируемым

микропроцессорным регулятором реактивной мощности, позволяющим изменять алгоритм управления и уставки регулируемых величин.

В качестве исполнительного механизма, кроме контакторов, используются тиристорные ключи, которые позволяют увеличивать количество коммутаций в сутки. При правильно подобранных кратных величинах емкости имеется возможность более плавного регулирования реактивной мощности.

В отличие от нерегулируемых компенсирующих устройств установки ступенчатого регулирования имеют лучшие компенсационные характеристики.

Плавно-регулируемые компенсирующие устройства разделяются по способу регулирования реактивной мощности на электромашинные, тиристорные, самокоммутируемые, компенсаторы на основе реактора с подмагничиванием, электромеханические, трансформаторного типа.

Электромашинные компенсирующие устройства представляют собой синхронные машины (синхронные генераторы), которые работают в двигательном режиме без нагрузки на валу двигателя. Синхронные генераторы, по сравнению с обычными двигателями, изготавливают с облегченным валом, поэтому они имеют сниженные массогабаритные характеристики. Такие машины используются как для потребления, так и для генерации реактивной мощности. При изменении тока возбуждения синхронного генератора происходит изменение

знака и количества генерируемой реактивной мощности. При недовозбуждении компенсатор работает как приемник, потребляет из сети реактивною мощность, а при перевозбуждении, наоборот, генерирует реактивную мощность в сеть. Такой способ регулирования компенсацией реактивной мощности известен уже более 60 лет, но так и не получили широкое применение [51].

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Мирощенко Василий Анатольевич, 2021 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Электрифицированные железные дороги России (1929 - 2004 г. г.) / Под общ. ред. П. М. Шилкина. - М.: Интекст, 2004. - 336 с.

2. Энергетическая стратегия холдинга «Российские железные дороги» на период до 2020 года и на перспективу до 2030 года [Текст]. -2016. - 76 с.

3. Марквардт К.Г. Электроснабжение электрифицированных железных дорог. - 4-ое изд., перераб. и дополн. / К.Г. Марквардт - М.: Транспорт, 1982. -528 с.

4. Герман Л. А. Продольная емкостная компенсация в системе тягового электроснабжения переменного тока /Л. А. Герман // ЖДМ. - 2007. - №11. -С. 53-58.

5. Герман Л. А. Наука на службе электрификации железных дорог / Л. А. Герман // Евразия Вести. - 2013. - №10. - Режим доступа: http://www. eav. га/риЫ 1. php?publid=2013-10а08.

6. Бородулин В.М. Конденсаторные установки электрифицированных железных дорог / В.М.Бородулин, Л.А.Герман, Г.А.Николаев - М.: Транспорт, 1983. - 183 с.

7. Кабышев А. В. Компенсация реактивной мощности в электроустановках промышленных предприятий/ А. В. Кабышев; Томский политехнический университет. - Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2012. - 234 с.

8. Кузьмин С. В. Принцип построения и математическое моделирование статического компенсатора реактивной мощности в тяговой сети переменного тока: статья / С. В. Кузьмин // Известия Петербургского университета путей сообщения. - СПб : ПГУПС. - 2011. - Вып. 3 (28). - С. 70-77.

9. Ильяшов В. П. Автоматическое регулирование мощности конденсаторных установок / В. П. Ильяшов - М.: Энергия, 1977. - 104 с.

10. Герман Л.А. Эффективность регулируемых малоступенчатых фильтрокомпенсирующих установок в тяговой сети переменного тока / Л. А. Герман // Вестник ВНИИЖТ. - 2018. - Т. 77. - № 5. - С. 288-294.

11. Никонов А. В. Оценка энергоэффективности статического тиристорного компенсатора / А. В. Никонов // Повышение энергетической эффективности наземных транспортных систем: Материалы второй международной научно-практической конференции: Омский гос. Ун-т путей сообщения. - Омск. - 2016. - С. 98-105.

12. Кургузов К. А. Ресурсосберегающие технологии энергообеспечения на железнодорожном транспорте / К. А. Кургузов // Евразия Вести. - 2017. -№11. - Режим доступа: http://www.eav.m/puЫ1.php?puЫid=2017-11a05.

13. Герман Л.А. Регулируемые установки емкостной компенсации в системах тягового электроснабжения железных дорог. Учебное пособие / Л.А. Герман, А.С. Серебряков - М.: ФГБОУ «Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте». - 2013. — 315 с.

14. Доманский И. В. Режимы работы системы тягового электроснабжения переменного тока с устройствами компенсации реактивной мощности / И. В. Доманский// Электротехника и электромеханика. - № 3. - 2015. - С. 59-66.

15. Соколов С. Е. Управляемые реакторы. Обзор технологий. / С. Е. Соколов, А. Г. Долгополов // Новости Электротехники. - 2012. - № 3(75). - С. 18-22.

16. Марикин А. Н. Устройство поперечной компенсации реактивной мощности с изменяющейся индуктивностью / С. В. Кузьмин, А. Н. Марикин, В. А. Мирощенко // Изв. Петерб. гос. ун-та путей сообщения. - 2015. - Вып. 3(44). - С. 77-84.

17. Идельчик В. И. Электрические системы и сети: Ученик для вузов / В. И. Идельчик - М.:Энергоатомиздат, 1989. - 592 с.

18. Босый Д. А. Комплексная оценка показателей качества электроэнергии на тяговых подстанциях переменного тока / Д. А. Босый //

Наука и прогресс транспорта. Вестн. Днепропетровск. нац. ун-та ж.-д. транспорта. - 2013. - № 4(46). - С.30-37.

19. Минина А. А. Методика выбора параметров средств компенсации реактивной мощности в тяговых сетях переменного тока / А. А. Минина, В. И. Пантелеев, Е. В. Платонова // Вестн. Сиб. гос. аэрокосмич. ун-та им. Акад. М. Ф. Решетнева. - 2013. - Вып.1 (47). - С. 59-63.

20. Щербаков В. С. Основы моделирования систем автоматического регулирования и электротехнических систем в среде Ма^аЬ и Simulink: учебное пособие. / В. С. Щербаков, А. А. Руппель, В. А. Глушец - Омск: Изд-во СибАДИ, 2003. - 160 с.

21. Черных И. В. Моделирование электротехнических устройств в МАТЬАВ, SimPowerSystems и Simulink. / И. В. Черных - М.: ДМКПресс; СПб.: Питер, 2008. - 288 с.

22. Берзан В. П. Компенсация реактивной мощности тяговой сети электрифицированного железнодорожного транспорта / В. П. Берзан, В. И. Пацюк, М. С. Тыршу, И. В. Андрос, В. Д. Шелягин, А. Т. Никулин, А. В. Бернацкий // Проблемы региональной энергетики. - 2010. - № 2(13). - С. 19-34.

23. Черемисин В. Т. Двухрезонансные фильтрокомпенсирующие устройства электрифицированных железных дорог / В. Т. Черемисин, В. А. Кващук, С. Н. Бренков // Транспорт Российской Федерации. - 2008. - № 5. -С.48-51.

24. Евстафьев А. М. Повышение энергетической эффективности электровозов переменного тока / А. М. Евстафьев, А. Н. Сычугов // Изв. Петерб. гос. ун-та путей сообщения. - 2013. - Вып. 1 (34). - С.22-30.

25. Кулинич Ю. М. Адаптивная система автоматического управления гибридного компенсатора реактивной мощности электровоза с плавным регулированием напряжения: Монография / Ю.М.Кулинич // Дальневосточный гос. Ун-т путей сообщения. - Хабаровск, 2001. - 153 с.

26. Москалев, Ю. В. Определение места размещения и мощности компенсирующего устройства в системе тягового электроснабжения

переменного тока двухпутного участка по минимуму потерь активной мощности / Ю. В. Москалев, Г. Г. Ахмедзянов // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск. - 2016. - № 2 (26). - C. 100 - 107.

27. Измерительно-вычислительный комплекс ИВК "Омск-М". Руководство по эксплуатации.: Омск, 2001.

28. Александров Г.Н. / Управляемые реакторы. // Г.Н. Александров, В.П Лунин. - СПб.: Третье издание Центра подготовки кадров энергетики, 2005 г. -200 с.

29. Регулируемые шунтирующие реакторы для компенсации реактивной мощности. / Trench Austria GmbH - 2009 - 8 с.

30. Мастрюков Л. А. Новый высокоэкономичный шунтирующий реактор РОМБС-110000/750/110 для ЛЭП 750 кВ с компенсированной нейтралью. / Л. А. Мастрюков // Журнал Электро. - 2005. - №6 - C. 21-27.

31. Носов В. В. Сравнение поступательных приводов технологических машин. / В. В. Носов // Молодежь и наука: сборник материалов IX Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых с международным участием, посвященной 385-летию со дня основания г. Красноярска [Электронный ресурс]. — Красноярск: Сибирский федеральный ун-т, 2013 - Режим доступа: https: //core. ac. uk/download/pdf/38642322. pdf.

32. Янгулов С. В. Проектирование передач с линейными перемещениями выходного звена. Учебное пособие. / С. В. Янгулов — Издательство Томского политехнического университета, 2011. — 169 с.

33. Болдырев Г.Л. «Проектирование преобразовательных трансформаторов». Методические указания. / Г.Л. Болдырев, М.Б. Матвеев -СПб.- ЛИИЖТ 1992г.

34. Тихомиров П. М. Расчет трансформаторов: Учеб. пособие для вузов. - 5-е изд., перераб. и доп. / П. М. Тихомиров - М.: Энергоатом-издат, 1986. -528 с.

35. Кисляков В.А. Электрические железные дороги. Учебник для вузов ж.-д. транспорта / В.А. Кисляков, А.В. Плакс, В.Н. Пупынин и др.; под ред. А.В. Плакса и В.Н. Пупынина. - М.: Транспорт, 1993. - 280 с.

36. Усольцев А.А. Частотное управление асинхронными двигателями. Учебное пособие. / А.А. Усольцев - СПб: СПбГУ ИТМО, 2006, - 94 с.

37. Межгосударственный стандарт ГОСТ 32114-2013 Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. - М: Стандартинформ, 2014. - 39 с.

38. Беляевский Р. В. Вопросы компенсации реактивной мощности: учеб. пособие дял студентов специальности «Электроснабжение» очной формы обучения/Р. В. Беляевский. - Кемерово: КузГТУ, 2011. - 132 с.

39. Денисенко В.В. ПИД регуляторы: принципы построения и модификации / В.В. Денисенко // Современные технологии автоматизации. -2007. - № 1. - С. 78-88.

40. Реброва И.А. Планирование эксперимента: учебное пособие. / И.А. Реброва - Омск: СибАДИ, 2010. - 105 с.

41. Веников В.А. Теория подобия и моделирования (применительно к задачам электроэнергетики). Учебное пособие для вузов. Изд. 2-е, доп. и перераб. / В.А. Веников - М., «Высшая школа», 1976. - 479 с.

42. Ковалев И. Н. Энергосберегающая синергетика при компенсации реактивной мощности в энергосистемах на современном этапе / И. Н. Ковалев // Энергосбережение. - 2019. - N 6. - С. 58-62

43. Распоряжение ОАО "РЖД" от 30.05.2017 № 1026р «Об утверждении методики оценки и критериев экономической эффективности отправительских маршрутов».

44. Приказ Минэнерго России от 23.06.2015 № 380 «О Порядке расчета значений соотношения потребления активной и реактивной мощности для отдельных энергопринимающих устройств (групп энергопринимающих

устройств) потребителей электрической энергии». (Зарегистрировано в Минюсте России 22.07.2015 № 38151)

45. Марикин А. Н. Адаптивное устройство поперечной компенсации реактивной мощности в тяговом электроснабжении переменного тока / А. Н. Марикин, В. А. Мирощенко // Известия Петербургского университета путей сообщения. - 2014. - №1. - С. 16-21.

46. Марикин А. Н. Анализ электромагнитных процессов в устройстве компенсации реактивной мощности с переменной индуктивностью / А. Н. Марикин, В. А. Мирощенко // Известия Петербургского университета путей сообщения. - 2017. - №2. - с. 298-306.

47. Марикин А.Н. Управляемое устройство компенсации реактивной мощности для электрифицированных железных дорог переменного тока. / А. Н. Марикин, В. А. Мирощенко, В. В. Никитин, А. В. Третьяков // Электротехника. - 2017. - № 10. С. - 19-22.

48. Патент № 178667 Российская Федерация, МПК H02J 3/01, H02J 3/18 Устройство фильтрации и компенсации системы тягового электроснабжения переменного тока / Марикин А.Н., Мирощенко В.А., заявитель и патентообладатель федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I». - №2017104981; заявл. 28.08.2017; опубл. 17.04.2018, Бюл. № 11. - 2 с.

49. Кузьмин С.В. Математическое моделирование статического компенсатора реактивной мощности в тяговой сети переменного тока / С. В. Кузьмин, В. А. Мирощенко, С. В. Мясных, И. А. Осадчий // Электрификация и развитие инфраструктуры энергообеспечения тяги поездов на железнодорожном транспорте: материалы Шестого Международного симпозиума «Элтранс-2011». - Санкт-Петербург - 2011. - С. 436-441.

50. Марикин А.Н. Адаптивное устройство компенсации реактивной мощности для сетей переменного тока/ А. Н. Марикин, В. А. Мирощенко // Электрификация и развитие инфраструктуры энергообеспечения тяги поездов

скоростного и высокоскоростного железнодорожного транспорта: тезисы докладов Седьмого Международного симпозиума «Элтранс-2013». - Санкт-Петербург - 2013. - С. 67.

51. М Марикин А.Н. Управляемый реактор переменного тока в составе устройства компенсации реактивной мощности. / А. Н. Марикин, В. А. Мирощенко // Электрификация, развитие электроэнергетической инфраструктуры и электрического подвижного состава скоростного и высокоскоростного железнодорожного транспорта: материалы VIII междунар. симп. «Элтранс-2015». - Санкт-Петербург. - 2017. - 477 с.

52. Марикин А.Н. Управляемый реактор переменного тока в составе устройства компенсации реактивной мощности. / А. Н. Марикин,

B. А. Мирощенко // Прорывные технологии электрического транспорта: тезисы докладов IX междунар. симп. «Элтранс-2017». - Санкт-Петербург. - 2017. -

C. 58.

53. Марикин А.Н. Исследование энергетических характеристик устройства компенсации реактивной мощности с регулируемой индуктивностью в электротяговой сети на экспериментальной установке. / А. Н. Марикин, В. А. Мирощенко // Известия Петербургского университета путей сообщения. - СПб.: ПГУПС, 2020. - Т. 17. - Вып. 4. - С. 534-544.

54. Dixon J. Reactive Power Compensation Technologies: State-of-the-Art Review / J. Dixon ; L. Moran ; J. Rodriguez ; R. Domke // Proceedings of the IEEE, vol. 93 - 2005 - P. 2144 -2164.

ПРИЛОЖЕНИЕ А ПАТЕНТ НА ПОЛЕЗНУЮ МОДЕЛЬ

ПРИЛОЖЕНИЕ В КОД ПРОГРАММЫ УПРАВЛЕНИЯ КОМПЕНСИРУЮЩИМ УСТРОЙСТВОМ ФИЗИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ

#include <ModbusRtu.h>

int16_t au16data[16]; // массив данных для опроса MODBUS

uint8_t u8state; // состояние опроса

int enb=3; // выход для разрешения работы привода

int stp = 4; // выход для шага мотора

int dir = 5; // выход для направления вращения мотора

int a = 0; // количество шагов

float fi; // тангенс угла ф

float d_time=1; // время между шагами двигателя(определяет скорость) Modbus master(0,0,1); // 0 - RS-485, 0 - адрес master, 1 - адрес slave modbus_t telegram; // библиотечная структура unsigned long u32wait; // время ответа

void setup() {

pinMode(stp, OUTPUT);

pinMode(dir, OUTPUT);

master.begin( 9600 ); // скорость обмена

master.setTimeOut( 2000 ); // время ожидания ответа мс

u32wait = millis() + 1000; // время ответа

u8state = 0;

}

void loop() {

switch( u8state ) // проверка состояния опроса

{

case 0:

if (millis() > u32wait) u8state++; // превышение времени ожидания

break; case 1:

telegram.u8id = 1; // адрес slave

telegram.u8fct = 3; // тип регистра (3-read)

telegram.u16RegAdd = 1; // стартовый адрес регистра

telegram.u16CoilsNo = 16; // количество запрашиваемых регистров

telegram.au16reg = au16data; // массив для записи полученных данных

master.query( telegram ); // послать запрос

u8state++; следующее состояние опроса

break;

case 2:

master.poll(); // проверка входящих сообщений

if (master.getState() == COM_IDLE) // условие нахождения в ожидании {

u8state = 0;

u32wait = millis() + 50;

}

break; }

if (au16data[10]==0) // активная мощность=0, нет команды на привод {

return;

}

fi=float(au16data[14])*100/float(au16data[10]); // вычисление тангенса ф d_time=30/(abs(fi)+1)+1; // время шага двигателя

if (fi<1) // тангенс ф меньше 1 {

if(a==3200) // максимальное количество шагов {

a=3200;

}

else {

a++; // шаги в прямом направлении digitalWrite (dir, HIGH); // направление прямое digitalWrite(stp, HIGH); // импульс на шаг delay(d_time); // задержка digitalWrite(stp, LOW); // сброс импульса на шаг delay(d_time); // задержка

}

}

if(fi>5) // тангенс ф больше 5 {

if(a==0) // минимальное количество шагов {

a=0;

}

else {

a- // шаги в обратном направлении digitalWrite(dir, LOW); // направление обратное digitalWrite(stp, HIGH); // импульс на шаг delay(d_time); // задержка digitalWrite(stp, LOW); // сброс импульса на шаг delay(d_time); // задержка

}

}

}