Улучшение эксплуатационных показателей системы тягового электроснабжения за счет совершенствования работы регулируемых устройств поперечной компенсации реактивной мощности тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.22.07, кандидат наук Никонов Андрей Викторович

• Никонов Андрей Викторович
• кандидат наук
• 2019

Оглавление диссертации кандидат наук Никонов Андрей Викторович

ВВЕДЕНИЕ

1 АНАЛИЗ УСТРОЙСТВ ПОПЕРЕЧНОЙ КОМПЕНСАЦИИ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ, ПРИМЕНЯЕМЫХ В СИСЕМАХ ОБЩЕГО И ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

1.1 Устройства поперечной компенсации реактивной мощности на базе конденсаторных батарей

1.2 Статические тиристорные компенсаторы реактивной мощности

1.3 Статические генераторы реактивной мощности на базе автономных инверторов

1.4 Анализ устройств поперечной компенсации реактивной мощности в условиях эксплуатации в системе тягового электроснабжения

1.5 Регулируемые устройств компенсации реактивной мощности эксплуатируемые на Западно-Сибирской железной дороге

1.6 Анализ нормативной документации, регулирующей компенсацию реактивной мощности в системе тягового электроснабжения

1.7 Выводы по первому разделу

2 МЕТОДИКА ОЦЕНКИ ВЛИЯНИЯ ТЕХНИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ РЕГУЛИРУЕМЫХ УСТРОЙСТВ ПОПЕРЕЧНОЙ КОМПЕНСАЦИИ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ НА ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ СИСТЕМЫ ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

2.1 Концепция методика оценки влияния технических параметров регулируемых устройств поперечной компенсации реактивной мощности на эксплуатационные показатели системы тягового электроснабжения

2.2 Формирование данных для оценки влияния технических параметров регулируемых устройств поперечной компенсации реактивной мощности на эксплуатационные показатели системы тягового электроснабжения

2.3 Анализ данных полученных по результатам измерений

2.4 Сравнительный анализ потерь мощности в системе тягового электроснабжения с учетом потерь в основном оборудовании и энергопотребления на собственные нужды регулируемых устройств компенсации реактивной мощности

2.5 Сравнительный анализ изменения пропускной способности при внедрении регулируемых устройств поперечной компенсации реактивной мощности

2.6 Выводы по второму разделу

3 ФОРМИРОВАНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ СИСТЕМЫ ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

3.1 Анализ факторов, влияющих на изменение напряжения на шине поста секционирования

3.2 Формирование математической модели изменения напряжения на посту секционирования

3.3 Анализ факторов, влияющих на энергопотребление на межподстанционной зоне

3.4 Формирование математической модели энергопотребление на межподстанционной зоне

3.5 Выводы по третьему разделу

4 ТЕХНОЛОГИЯ ЭКСПЛУАТАЦИИ РЕГУЛИРУЕМЫХ УСТРОЙСТВ ПОПЕРЕЧНОЙ КОМПЕНСАЦИИ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ

4.1 Возможности изменения алгоритма управления регулируемых устройств компенсации реактивной мощности на постах секционирования

4.2 Выбор уставки напряжения

4.3 Выбор статизма

4.4 Выводы по четвертому разделу

5 ТЕХНИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ

ФАЗОЧУВСТВИТЕЛЬНЫХ ЗАЩИТ КОНТАКТНОЙ СЕТИ

5.1 Оценка влияния СТАТКОМ на фазочувствительные защиты контактной сети

5.2 Способ обеспечения селективной работы третьей ступени дистанционной

защиты контактной сети

5.3 Расчет экономической эффективности от внедрения технологии эксплуатации регулируемых устройств поперечной компенсации реактивной мощности и методики оценки влияния их технических параметров на эксплуатационные показатели тяговой сети

5.4 Выводы по пятому разделу

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Улучшение эксплуатационных показателей системы тягового электроснабжения за счет совершенствования работы регулируемых устройств поперечной компенсации реактивной мощности»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования. В соответствии с «Энергетической стратегией ОАО «Российские железные дороги» на период до 2020 года и на перспективу до 2030 года» приоритетными задачами ОАО «РЖД» являются повышение надежности энергетических систем и их эффективности, наряду с обеспечением перевозочного процесса. С целью решения поставленных задач ведется внедрение инновационных технических средств и автоматизированных технологических систем. Так для участков железных дорог, электрифицированных на переменном токе напряжением 27,5 кВ, наиболее эффективным и капиталоемким мероприятием для решения задачи улучшения эксплуатационных показателей системы тягового электроснабжения, включающей в себя обеспечение пропускной способности, снижение потерь электроэнергии, подавление высших гармонических составляющих тока нагрузки, является внедрение устройств поперечной компенсации реактивной мощности (КУ).

Существует множество различных схем КУ, имеющих свои преимущества и недостатки. Кроме того, развитие полупроводниковой техники привело к появлению новых типов регулируемых устройств компенсации реактивной мощности (РКУ): статических тиристорных компенсаторов (СТК) и статических генераторов реактивной мощности на базе преобразователей напряжения СТАТКОМ, имеющих свои особенности и новые функциональные возможности. Эти типы РКУ ранее не эксплуатировались в системе тягового электроснабжения и нашли свое распространение в последние несколько лет на постах секционирования (ПС).

Оценка изменения эксплуатационных показателей системы тягового электроснабжения при использовании РКУ является сложной задачей. Существующие методы, основанные на сравнения результатов измерений параметров двух режимов работы устройств (при отключенном и включенном устройстве), не позволяют обеспечить достоверность результатов оценки. Кроме того, рассмотрение эффективности РКУ необходимо выполнять комплексно.

В настоящее время функциональные возможности РКУ реализованы не в полной мере. Это связано с особенностями их управления на ПС. Повысить эффективность работы РКУ за счет обеспечения снижения потерь электроэнергии в системе тягового электроснабжения при существующем алгоритме работы можно за счет изменения вольт-амперной характеристики (ВАХ) путем оптимизации ее параметров, а именно: уставки напряжения и наклона характеристики.

Принцип работы РКУ, а именно СТАТКОМ, отличается от используемых ранее устройств поперечной компенсации, в связи с чем он оказывает большее влияние на работу фазочувствительных защит контактной сети. Для исключения негативных последствий необходимы новые технические решения, направленные на повышение эффективности системы тягового электроснабжения в аварийных режимах.

В данной работе учтено большинство из перечисленных актуальных проблем, учтен опыт зарубежных ученых и предложены конкретные пути решения задач, стоящих перед ОАО «РЖД».

Степень разработанности темы исследования. Значительный вклад в решение задач повышения энергетической эффективности систем тягового и нетягового электроснабжения внесли такие известные ученые, как Б. А. Аржанников, Дж. Аррилаги, М. П. Бадер, Л. А. Баранов, В. Д. Бардушко, Б. М. Бородулин, А. С. Бочев, А. Т. Бурков, Л. А. Герман, В. А. Гречишников, Б. Е. Дынькин, Д. В. Ермоленко, Ю. И. Жарков, И. В. Жежеленко, Ю. С. Железко, В. П. Закарюкин,

A. Б. Косарев, А. В. Котельников, В. И. Кочкин, В. А. Кучумов, Р. Р. Мамошин,

B. З. Манусов, А. Н. Марикин, Г. К. Марквардт, Н. И. Молин, Г. А. Николаев, А. С. Серебряков, В. Т. Черемисин и др.

Рассмотрен зарубежный опыт: работы в области совершенствования и разработки схем РКУ вели Х. Акаги, Н. Г. Хингорани, К. Р. Падияр, Виджей К. Суд и др.

Вопросы оценки энергоэффективности РКУ и их совершенствования в условиях эксплуатации в системе тягового электроснабжения рассматривались рядом исследователей, однако подходы к решению указанных задач имеют некоторые области потенциального развития.

Целью диссертационной работы является разработка технологических решений для повышения эксплуатационных показателей и снижения потерь электроэнергии в системе тягового электроснабжения в условиях тяжеловесного и высокоскоростного движения поездов.

Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи: выполнить анализ технических характеристик и типов устройств поперечной компенсации реактивной мощности, применяемых в системах общего и тягового электроснабжения, и на его основе обосновать необходимость оценки эффективности регулируемых устройств поперечной компенсации реактивной мощности на действующих участках железных дорог;

разработать методику оценки влияния технических параметров регулируемых устройств поперечной компенсации реактивной мощности на эксплуатационные показатели системы тягового электроснабжения;

разработать математические модели эксплуатационных показателей системы тягового электроснабжения в условиях применения регулируемых устройств поперечной компенсации реактивной мощности;

разработать технологию эксплуатации регулируемых устройств поперечной компенсации реактивной мощности, управляемых по уровню напряжения на шине поста секционирования, для снижения потерь электроэнергии в системе тягового электроснабжения за счет выбора вольт-амперной характеристики;

предложить технологическое решение для повышения эффективности фазочувствительных защит контактной сети с обеспечением их селективной работы при наличии в границах межподстанционной зоны регулируемых устройств поперечной компенсации реактивной мощности.

Объект исследования - устройства тягового электроснабжения переменного тока.

Область исследования - методы и средства снижения потерь электроэнергии; улучшение эксплуатационных показателей устройств электроснабжения.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

разработана методика оценки влияния технических параметров регулируемых устройств поперечной компенсации реактивной мощности на эксплуатационные показатели системы тягового электроснабжения;

разработаны математические модели эксплуатационных показателей системы тягового электроснабжения в условиях применения регулируемых устройств поперечной компенсации реактивной мощности;

разработана технология эксплуатации регулируемых устройств поперечной компенсации реактивной мощности, управляемых по уровню напряжения на шине поста секционирования для снижения потерь электроэнергии в системе тягового электроснабжения за счет выбора вольт-амперной характеристики, основанная на исключении влияния потерь напряжения от активной составляющей тяговой нагрузки;

предложено технологическое решение для повышения эффективности фазочувствительных защит контактной сети с обеспечением их селективной работы при наличии в границах межподстанционной зоны регулируемых устройств поперечной компенсации реактивной мощности.

Теоретическая и практическая значимость работы. Разработанная методика оценки влияния технических параметров регулируемых устройств поперечной компенсации реактивной мощности на эксплуатационные показатели системы тягового электроснабжения позволяет определить наиболее эффективное устройство для конкретных технико-экономических условий.

Предложенные математические модели эксплуатационных показателей системы тягового электроснабжения позволяют обеспечить их сравнение в условиях применения регулируемых устройств поперечной компенсации реактивной мощности с учетом влияния производственных и климатических факторов.

Разработанные технология эксплуатации регулируемых устройств поперечной компенсации реактивной мощности, управляемых по уровню напряжения на шине поста секционирования путем выбора вольт-амперной характеристики, позволяет снизить потери электроэнергии в системе тягового электроснабжения за счет исключения перекомпенсации, вызванной падением напряжения на активной составляющей тяговой нагрузки.

Предложенное технологическое решение для повышения эффективности фа-зочувствительных защит контактной сети при влиянии на них регулируемых устройств компенсации реактивной мощности обеспечили селективность работы защит, что повысило надежность системы тягового электроснабжения.

Методология и методы исследования. При решении поставленных задач использованы основные положения теории электрических цепей, осуществлены теоретические и экспериментальные исследования, использован корреляционно-регрессионный анализ, принципы нечеткой логики на основе гибридных нейронных сетей, а также общие положения математической статистики и теории построения сложных алгоритмов. Для проведения расчетов и анализа математических зависимостей использовались программные продукты: электронные таблицы Microsoft Excel, КОРТЭС, Statistica и пакет прикладных программ Matlab.

Положения диссертации, выносимые на защиту:

методика оценки влияния технических параметров регулируемых устройств поперечной компенсации реактивной мощности на эксплуатационные показатели системы тягового электроснабжения;

технология эксплуатации регулируемых устройств поперечной компенсации реактивной мощности, управляемых по уровню напряжения на шине поста секционирования, для снижения потерь электроэнергии в системе тягового электроснабжения путем выбора вольт-амперной характеристики;

новое технологическое решение для повышения эффективности фазочувстви-тельных защит контактной сети.

Реализация результатов работы. Методика оценки влияния технических параметров регулируемых устройств поперечной компенсации реактивной мощности на эксплуатационные показатели системы тягового электроснабжения и технология эксплуатации регулируемых устройств поперечной компенсации реактивной мощности, управляемых по уровню напряжения на шине поста секционирования путем выбора вольт-амперной характеристики, внедрены в дистанциях электроснабжения Западно-Сибирской железной дороги. Их применение позволяет снизить ежегодные эксплуатационные расходы на 237 тыс. руб. с одного устройства.

Степень достоверности научных положений и результатов диссертационной работы подтверждена экспериментальными исследованиями, практической реализацией

и основана на использованных положениях математической статистики и математического моделирования. Адекватность предложенных решений подтверждена достаточно высокой степенью согласования теоретических расчетов с экспериментальными данными и практическими результатами (расхождение составляет не более 10 %).

Апробация результатов работы. Результаты, полученные на основе проведенных в процессе подготовки диссертации исследований, докладывались и обсуждались на третьей всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Технологическое обеспечение ремонта и повышение динамических качеств железнодорожного подвижного состава» (Омск, 2015), второй международной научно-практической конференции «Повышение энергетической эффективности наземных транспортных систем» (Омск, 2016), всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Приборы и методы измерений, контроля качества и диагностики в промышленности и на транспорте» (Омск, 2016), II международном молодежном конгрессе «Энергетическая безопасность» (Курск, 2017), научных конференциях, посвященных Дню российской науки «Инновационные проекты и технологии в образовании, промышленности и на транспорте» (Омск, 2017, 2018), международной молодежной научно-технической конференции «Интеллектуальная энергетика на транспорте и в промышленности» (Омск, 2018), четвертой всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Эксплуатационная надежность локомотивного парка и повышение эффективности тяги поездов» (Омск, 2018), третьей международной научно-практической конференции «Разработка и эксплуатация электротехнических комплексов и систем энергетики и наземного транспорта» (Омск, 2018).

Публикации. По результатам проведенных исследований опубликованы 13 научных работ, в том числе четыре научные статьи в рецензируемых научных изданиях, рекомендованных ВАК при Минобрнауки России.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, заключения, списка используемой литературы из 105 наименований и содержит 109 страниц основного текста, 53 рисунка и 19 таблиц.

1 АНАЛИЗ УСТРОЙСТВ ПОПЕРЕЧНОЙ КОМПЕНСАЦИИ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ, ПРИМЕНЯЕМЫХ В СИСЕМАХ ОБЩЕГО

И ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

Низкая себестоимость передаваемой энергии является одним из основных показателей рыночной экономики. Увеличение объемов передачи электроэнергии требует усиления или строительства новых высоковольтных линий. Решением данной проблемы является увеличение их пропускной способности, а также управление потоками передаваемой мощности.

Выбирая средства для решения поставленных задач необходимо учитывать доступность тех или иных технологий на отечественном рынке, стоимость, принципы управления, параметры.

Так разработка и внедрение устройств гибких систем передачи переменного тока (Flexible Alternative Current Transmission Systems ) - FACTS занимает лидирующие позиции по данному направлению [2].

Применение устройств на базе технологии FACTS является основой для создания сетей нового поколения - интеллектуальных сетей («умной энергосистемы» - Smart Grid.) которые внедряются уже несколько десятилетий в Европе, США, Китае. В Российской федерации широкое распространение данный термин получил лишь в последние нескольколет [3 - 7].

FACTS является одной из наиболее перспективных электросетевых технологий, ее целью является преобразование электрической сети из пассивного устройства транспорта электроэнергии в устройство, активно участвующее в управлении режимами работы электрических сетей. В связи с этим имеется возможность беспрерывно управлять значением пропускной способности линии электропередачи, перераспределять между параллельными линиями потоки активной мощности, оптимизируя их в установившихся режимах и перенаправлять их по сохранившимся после аварий линиям электропередачи, не опасаясь нарушения устойчивости, обеспечивая повышение надежности электроснабжения потребителей [8 - 14].

FACTS (FACTS -1) - это первое поколение устройств, обеспечивающих регулирование напряжения (реактивной мощности) и требуемую степень компенсации реактивной мощности в электрических сетях. Представителями этого поколения являются статические тиристорные компенсаторы (СТК), типовые компенсирующие устройства и др. Наиболее распространёнными среди схем СТК в последнее время являются: статический компенсатор с реактором, управляемым тиристорами - Thyristor controlled reactor (TSR) и статический компенсатор с конденсаторной батареей, коммутируемой тиристорами - Thyristor switched capasitors (TSC).

FACTS (FACTS-2) это второе поколение устройств, обеспечивающих регулирование режимных параметров, чаще всего реализованы на базе управляемых полупроводниковых приборов силовой электроники (запираемых тиристоров -Gate Turn Off (GTO), биполярных транзисторов с изолированным затвором -Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT)). FACTS-2 способны к векторному регулированию. Т. е. регулируется величина, а также фаза вектора напряжения. Наиболее распространённым представителем FACTS-2 является СТАТКОМ - static synchronous compensator (STATCOM). Силовая часть данных устройств может быть реализована как на базе GTO тиристоров, так и основе IGBT транзисторов [15].

1.1 Устройства поперечной компенсации реактивной мощности на базе

конденсаторных батарей

Сегодня существует множество схемных решений устройств, построенных на разной элементной базе. Кроме того, с развитием полупроводниковых технологий произошли значительные изменения функциональных возможностей устройств, а также методов их управления. Однако в ряде случаев в зависимости от местных условий целесообразно использовать типовые нерегулируемые КУ на базе конденсаторных батарей.

Типовые нерегулируемые КУ представляют собой одно- или двухзвенные фильтры, настроенные соответственно на одну или две резонансные частоты.

Однозвенное КУ состоит из реактора и конденсаторной батареи, соединенных последовательно и образующих резонансную цепь на частоте настройки. Для создания полосы расстройки дополнительно последовательно с ними подключается активное сопротивление. На частоте сети однорезонансный фильтр (рисунок 1.2 а) работает как эквивалентный шунтовый конденсатор, генерирующий реактивную мощность. Основной функцией реактора в таких схемах является ограничение скорости изменения тока при включении конденсаторной батареи. Для гашения коммутационных переходных процессов параллельно реактору подключается активное сопротивление (рисунок 1.2, б) [16- 18].

В компенсаторах, где используются насыщающиеся реакторы, для дополнительного снижения гармоник с целью исключения риска субсинхронного резонанса конденсаторная батарея и реактор устанавливаются параллельно. Последовательно им устанавливается демпфирующий резистор (рисунок 1.2, в) [19].

Наряду с однозвенными фильтрами широкое распространение получили двухзвен-ные (рисунок 1.3). Они состоят из двух конденсаторов и двух реакторов, включенных последовательно-параллельно, образующих две последовательные резонансные цепи, между которыми имеется параллельная резонансная цепь, настраиваемая на желаемую частоту. На основной частоте фильтр работает как эквивалентный конденсатор.

В основе построения двухзвенных устройств компенсации используются канонические схемы реактивных двухполюсников. Наибольшее распространение получили схемы Фостера и Кауэра. Такие устройства используется при необходимости подавления высших гармонических составляющих, другое их название фильтровые компенсирующие устройства (ФКУ).

Первая схема Фостера представляет собой параллельно соединенные колебательные контура (рис. 1.3, а). Вторая - последовательное их соединение (рис. 1.3, б).

Я

а б в

Рисунок 1.2 - Классические схемы устройств компенсации: а - однозвенный шунтовый фильтр; б - демпфирующий фильтр верхних частот; в - демпфирующий однорезонансный сериесный фильтр

В схемах Кауэра двухполюсники представлены в виде цепочных (лестничных) схем. Первая схема представляет собой двухполюсник в продольных плечах которого располагаются индуктивные элементы (рисунок 1.3, в), а в поперечных емкостные. Во второй схеме Кауэра наоборот в продольных плечах распологаются емкостные элементы (рисунок 1.3, г), а в поперечных индуктивные [16, 19].

С1-Ь1(

С1-

ы(

Ь2

С2-

С1

С2 г

-1 »-1 I-

6

С2-—

а б в г

Рисунок 1.3 - Схемы двухзвенных фильтров на основе реактивных двухполюсников: а, б - схемы Фостера; в и г - схемы Кауэра

С развитием полупроводниковой техники появились новые представители типы КУ, а именно статические тиристорные компенсаторы, по сути они представляют усовершенствованные типовые устройства с возможностью плавного регулирования генерируемой мощности.

1.2 Статические тиристорные компенсаторы реактивной мощности

Основной функцией статического тиристорного компенсатора или СТК (SVC - Static VAR Compensator) является регулирование напряжения в точке его подключения [19].

СТК имеют возможность в непрерывном режиме и практически мгновенно в соответствии с запросами сети вводить емкостную или индуктивную составляющую, регулируя, таким образом, напряжение в линии и поддерживая необходимый уровень генерации реактивной мощности. Скорость реакции данных устройств при изменении управляющих параметров обычно находится в диапазоне от 25 до 100 мс. Их установка в необходимых точках сети позволяет увеличить пропускную способность линий электропередачи, снизить потери, улучшить синусоидальность кривой напряжения в различных режимах работы. В дополнение к этому, они снижают колебания активной мощности, вызванные изменениями напряжения.

Реальные статические компенсаторы состоят из комбинации конденсаторов, реакторов, трансформаторов, а также коммутирующего и управляющего оборудования.

Основными реактивными элементами статического компенсатора являются шунтовые реакторы и конденсаторы. Регулирование реакторов осуществляется с помощью тиристорных вентилей либо путем изменения насыщения сердечника реактора. Конденсаторные батареи могут быть постоянно подключенными либо ступенчато-регулируемыми с помощью тиристорных ключей. На основе этих принципов разработан ряд разновидностей статических компенсаторов.

Разделяют следующие виды статических компенсаторов:

- с насыщенным реактором;

- с реактором, управляемым тиристорами;

- с управляемым тиристорами реактором-трансформатором;

- с конденсаторной батареей, коммутируемой тиристорами;

- с реактором, управляемым тиристорами и коммутируемой конденсаторной батареей [10 - 22].

Однако наиболее распространенными типами СТК являются TSR и TSC. Далее представлено более подробное их описание.

Статический компенсатор с реактором, управляемым тиристорами (TSR)

Данная схема является наиболее распространенной схемой статического тиристорного компенсатора (рисунок 1.4). Она состоит из одной или нескольких постоянно включенных фильтро-компенсирующих цепей (ФКЦ), состоящих из конденсаторных батарей с реакторами и образующих резонансные контура, настроенные на частоту 3, 5, 7... гармоник. А также управляемый тиристорами реактор или тиристорно-реакторная группа - ТРГ, вводимая в работу полностью или частично для компенсации емкостной реактивной мощности, генерируемой ФКЦ.

С

l1(d

У Z^ VT

Рисунок 1. 4 - Схема статического компенсатора с ректором, управляемым

тиристорами

Постоянно включенные конденсаторы с реакторами образуют фильтры для снижения искажений питающей сети. Генератором «вредных» токов высших гармоник помимо нагрузки является ТРГ, их процентное содержание и зависимость от угла зажигания (рисунок 1.5) могут быть определены из выражения [19, 23]:

4

I л • n • (n — 1)

[cos а • sin(a • n) — n • sin а • cos(a • n)]

(1.1)

где n = 5, 7, 9

VA

6

%

4 3 2 1 0

я / /

. > % ч \ 7 л / V ,

Г Ч \ . —^-н 'Л / -. 4

90 100 110 120 130 140 150 160 град 180

a->

Рисунок 1.5 - Спектр гармоник тока ТРГ

Регулирование мощности ТРГ осуществляется за счет изменения угла зажигания а. Зависимость амплитуды основной гармоники тока ТРГ от угла зажигания а (рисунке 1.6) определяется выражением [23]:

I =1 • [2 • (л - а) - sin 2(л - а)]. л

(1.2)

а ->

Рисунок 1.6 - Зависимости тока основной гармоники ТРГ и его среднеквадратичного значения от угла зажигания а

Режим схемы зависит от значения напряжения системы по отношению к рабочему диапазону компенсатора. Если напряжение системы меньше или равно нижнему пределу регулировочного диапазона компенсатора, то вся реактивная мощность, генерируемая конденсаторами, поступает в сеть. При этом, мощность, потребляемая реакторами равна нулю. С увеличением напряжения часть мощности, генерируемая конденсаторами, потребляется реакторами. Когда напряжение

сети равно напряжению уставки компенсатора, то мощность, генерируемая конденсаторами равна мощности, потребляемой реакторами, и говорят, что компенсатор разгружен. При увеличении напряжения выше номинального реакторы продолжают поглощать реактивную мощность, пока не будет достигнута их номинальная загрузка, которая определяет верхний предел мощности компенсаторов. Потребление реактивной мощности за верхним пределом зависит от перегрузочной способности компенсатора.

Статический компенсатор с конденсаторной батареей, коммутируемой тиристорами (TSQ

Схема TSC нашла меньшее распространение чем TSR (рисунок 1.7). В этой схеме реактор (индуктивность) включен постоянно, а регулирование реактивной мощности происходит быстрым включением-отключением ступеней конденсаторов. Конденсаторы обычно полностью включаются тиристором, соответственно, гармоники тока не генерируются. Момент включения конденсаторов выбирается из условия минимума разницы потенциалов в сети и на выводах конденсатора, момент отключения при переходе тока через 0. Соответственно, переходные процессы при коммутации конденсаторов сведены к минимуму [19, 23].

жк VT

С

Рисунок 1.7 - Схема коммутируемого конденсатора

1.3 Статические генераторы реактивной мощности на базе автономных

инверторов

В начале 90 - х годов прошлого века были созданы запираемые GTO тиристоры, мощные транзисторы IGBT и быстродействующие диоды на напряжение от 2500 до 6000 В и отключаемые токи от 1500 до 4000 А. В итоге развитие полупроводниковых приборов привело к созданию новым типам РКУ на основе преобразователей напряжения

С появлением мощных высоковольтных полностью управляемых приборов типа IGCT и IGBT началось внедрение нового типа устройств, называемых СТАТ-КОМ. Он является представителем второго поколения FACTS, которая в свою очередь является подсистемой «умных линий» Smart Grid.

Основные функции СТАТКОМ: стабилизация и регулирование напряжения, компенсация реактивной мощности, симметрирование нагрузки, демпфирование колебаний в системе электроснабжения, активная фильтрация высших гармонических составляющих.

Существующие топологии реализации схем СТАТКОМ многообразны, однако основой их схемного построения является импульсный четырехквадрант-ный преобразователь - 4q-S. Он выполняет функции, как автономного инвертора напряжения, так и выпрямителя переменного тока, в зависимости от направления потока электрической энергии. С целью более подробного рассмотрения принципов работы 4q-S преобразователя на рисунке 1.8 представлена его упрощенная схема подключения [24].

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Никонов Андрей Викторович, 2019 год

об использовании

результатов научных исследований

и разработок в производстве

Основание: Разработки Омского государственного университета путей сообщения (ОмГУПС), выполненные под руководством заведующего кафедрой «Подвижной состав электрических железных дорог», д.т.н., профессора Черемисина В.Т. при личном участии аспиранта Никонова A.B.

Методика оценки влияния технических параметров регулируемых устройств поперечной компенсации реактивной мощности (РКУ) на эксплуатационные показатели системы тягового электроснабжения.

Технология эксплуатации РКУ, управляемых по уровню напряжения на шине поста секционирования.

Составлен комиссией в составе:

Представители предприятия:

заместитель начальника Дорожной электротехнической лаборатории Волненко В.А.;

электромеханик Дорожной электротехнической лаборатории

Кващук В.А.

Представители ОмГУЛСа:

д.т.н., профессор Черемисина В.Т.

аспирант Никонов A.B.

I. Разработки ОмГУПСа, характеризуемые основными особенностями (признаками):

Разработанная методика оценки влияния технических параметров РКУ на эксплуатационные показатели системы тягового электроснабжения позволяет определить наиболее эффективное устройство для конкретных

технико-экономических условий.

Разработанная технология эксплуатации РКУ, управляемых по уровню напряжения на шине поста секционирования путем выбора вольт-амперной характеристики позволяет снизить потери электроэнергии в системе тягового электроснабжения за счет исключения перекомпенсации, вызванной падением напряжения на активной составляющей тяговой нагрузки.

Указанные разработки приняты к использованию и с 2019 года внедрены в Алтайской и Каменской дистанциях электроснабжения ЗападноСибирской Дирекции по энергообеспечению - структурного подразделения Трансэнерго - филиала ОАО «РЖД».

2. Технико-экономическая эффективность:

Разработанные и внедренные ОмГУПСом под руководством д.т.н., профессора Черемисина В.Т. и при личном участии аспиранта Никонова A.B. методика и технология позволили снизить эксплуатационные расходы предприятия.

Суммарный ожидаемый эффект от использования предложенных разработок составит не менее 237 тыс. рублей на одно устройство поперечной компенсации реактивной мощности.

3. Предложения о дальнейшем использовании и другие замечания:

Использовать указанные разработки в других дирекциях

энергообеспечения, имеющих РКУ на участках переменного тока.

Составлен в трех экземплярах:

1-й экземпляр - ОмГУПС, НИЧ;

2-й экземпляр - Западно-Сибирской Дирекции по энергообеспечению;

3-й экземпляр - ОмГУПС, разработчику.

Председатель комиссии: Члены комиссии:

В.А. Волненко