Крюков А.В. Энергосбережение: Технологии, Приборы, Оборудование (Сборник научных трудов Иркутск)
Подождите немного. Документ загружается.
увеличивают общую емкость сети по отношению к земле и снижают
наводимое напряжение электрического влияния.
Указанные особенности систем электроснабжения железных дорог
необходимо учитывать при решении вопросов применения технологий
распределенной генерации. Неучет этих особенностей может привести к
резкому снижению эффективности прогрессивных технологий, а в
некоторых случаях и к неработоспособности установок РГ.
Наиболее рациональный путь преодоления указанных затруднений
состоит в использовании комплексного подхода к решению проблем
повышения энергоэффективности и нормализации качества
электроэнергии. Современные технические средства, такие как накопители
ЭЭ [16…21], устройства FACTS [7], новые СТЭ с симметрирующими
трансформаторами [9…10], активные кондиционеры гармоник [7, 22]
позволяют эффективно решать проблему повышения качества
электроэнергии в СЭЖД. Дополнительные финансовые затраты могут
достаточно быстро окупиться за счет снижения штрафных санкций,
которые предполагают вводить энергоснабжающие организации к
потребителям, ухудшающим качество ЭЭ.
В работе [19] показана применимость в системах тягового
электроснабжения накопителей электроэнергии (НЭ) различных типов:
механических (инерционных), индуктивных (сверхпроводниковых),
емкостных и электрохимических. Показано, что на основе НЭ может быть
значительно снижена неравномерность электропотребления в СТЭ.
Следует отметить, что накопители ЭЭ могут эффективно применяться при
использовании в установках РГ нетрадиционных источников энергии и
объединении отдельных установок в микроэнергосистемы (кластеры) [1].
Структурная схема СЭЖД с установками РГ показана на рис. 3.
11
ЭЭС
СТЭ
РЭС
поток ЭЭ от источников ЭЭС;
энергия рекуперативного торможения.
НЭ
СУ УФК АКГ
энергия установок РГ
НЭ
Установки РГ,
объ единенные в
кластер
Рис. 3. Структурная схема СЭЖД с установками РГ: НЭ – накопитель ЭЭ:
СУ – симметрирующие устройства; АКГ – активные кондиционеры гармоник;
УФК – устройство фильтрации и компенсации реактивной мощности
Таким образом, проблема нестационарности электротяговой нагрузки
и связанные с ней колебания и отклонения напряжения на шинах
районных обмоток тяговых трансформаторов может быть решена на
основе использования накопителей электроэнергии. В третьем и четвертом
разделах настоящей работы на основе компьютерного моделирования
показано, что установки РГ также способствуют уменьшению отклонений
и колебаний напряжения в электрической сети РЭС и системах
электроснабжения предприятий железнодорожного транспорта.
Проблема несимметрии напряжения может решаться путем
применения симметрирующих трансформаторов [10], создания новых СТЭ
повышенного напряжения [9], применения пофазно управляемых
устройств компенсации реактивной мощности (FACTS).
Нормализация качества электроэнергии по критерию
несинусоидальности может быть достигнута путем применения
фильтрокомпенсирующих устройств и активных кондиционеров гармоник
[7, 22]. Так, например, в работе [22] с помощью инструментальных средств
системы визуального моделирования MATLAB – базового пакета SIM-
ULINK и прикладного SimPowerSystems – проведено сравнение двух типов
фильтрации: пассивного и активного фильтров, установленных в плечах
12
тяговой подстанции. На основе разработанных моделей проведен анализ
эффективности активного кондиционера гармоник (АКГ) и устройства
фильтрации и компенсации реактивной мощности (УФК) на показатели
искажения синусоидальности кривых тока плеч питания тяговой
подстанции (ТП).
В режиме без средств фильтрации коэффициент искажения
синусоидальности кривой тока k
i
плеча тяговой подстанции достигал 26 %.
При параллельном подключении к тяговой нагрузке УФК искажение тока
составило 22 %. Подключение к УФК инвертора, т.е. превращение
пассивного фильтра в АКГ, приводит к снижению коэффициента
искажения синусоидальности кривой тока плеча до значения 5.3 %. Малая
эффективность влияния УФК, подключенных к выводам плеч питания
обмотки, соединенной в треугольник, на показатели искажения
синусоидальности токов плеч питания объясняется увеличением
проводимости на высших гармониках между узлами плеч питания. В
результате гармоники тока, генерируемые выпрямительной нагрузкой в
одном плече питания, проникают через тяговую обмотку в пассивный
фильтр другого плеча питания. Обмотка трансформатора загружается
гармониками тока, что снижает ресурс трансформатора в связи с
ускорением старения витковой изоляции.
Применение АКГ целесообразно не только для нормализации
показателей качества напряжения по высшим гармоникам на выводах
обмоток высокого напряжения и обмоток, питающих районных и
нетяговых потребителей, но и для уменьшения искажений
синусоидальности тока тяговой обмотки.
Предложен целый ряд технических решений, направленных на
снижение электромагнитного влияния контактной сети, например, монтаж
экранирующих проводов [23]. Кроме того, разработаны эффективные
технические решения, направленные на снижение продольной
несимметрии в линиях ДПР, например, применение в качестве
заземленной фазы не рельсовой сети, а дополнительного провода,
подвешиваемого на опорах КС [24].
Второй путь эффективного использования преимуществ РГ в
системах электроснабжения с пониженным качеством ЭЭ состоит в
применении вставок постоянного тока. Как отмечается в работе [1],
реализация таких устройств на базе современных средств силовой
электроники легко осуществима и не связана со значительными затратами.
Кроме того, дополнительные затраты, связанные с созданием развязок по
постоянному току, быстро окупятся за счет повышенной надежности
электроснабжения, оптимизации режимов СЭЖД и повышения
экономичности производства и распределения ЭЭ.
Железнодорожные районы электроснабжения (РЭС) предназначены
для снабжения электроэнергией нетяговых и нетранспортных
13
потребителей, расположенных вдоль железной дороги, и отличаются
большей протяженностью линий, достигающей нескольких десятков
километров. Это обстоятельство определяет достаточно большую
удаленность отдельных потребителей как от источников питания, так и
друг от друга, и в такой ситуации влияние установок распределенной
генерации на качество электроэнергии может быть значительным.
Для иллюстрации этого положения использована расчетная схема
РЭС, включающая сети тягового и внешнего электроснабжения,
показанная на рис. 4. Моделирование осуществлялось на основе
программного комплекса «Fazonord-Качество», разработанного в
ИрГУПСе [25, 26]. Питание осуществляется по линии 220 кВ через два
автотрансформатора 220/110 кВ; к двухцепной линии 110 кВ присоединено
пять трехобмоточных тяговых трансформаторов. Анализируемый район
электроснабжения подключен к сетевой обмотке тягового трансформатора
подстанции А кабельной линией и ВЛ 10 кВ. Район включает восемь
трансформаторов 10/0.4 кВ, размещенных вдоль участка железной дороги
длиной 12 км. Дополнительный девятый трансформатор установлен почти
в конце РЭС (узлы 238, 239, 240) для подключения установки
распределенной генерации мощностью 0.64+j0.48 МВ·А на фазу. На
основе автоматического регулирования возбуждения обеспечивается
поддержание напряжения на шинах генератора на уровне 230 В. Кроме
того, такой же генератор установлен на шинах 0.4 кВ (узлы 217, 218, 219)
трансформатора, расположенного почти в начале РЭС, в 3.7 км от центра
питания.
В качестве точек контроля режима РЭС выбраны шины 0.4 кВ
трансформатора НХСМ (узлы 196, 197, 198), ближайшего к центру
питания и достаточно удаленного от ближнего генератора (3 км линии АС-
70), а также шины 0.4 кВ наиболее удаленного от центра питания
трансформатора подстанции ТП-8 (узлы 235, 236, 237), расположенного на
той же подстанции, что и генераторный трансформатор.
14
Рис. 4. Расчетная схема РЭС
Режим тяговых нагрузок определяется профилем пути
межподстанционных зон и графиком движения поездов. В данном случае
тяговая подстанция А расположена на верхней точке профиля с уклонами
до 18 ‰, так что и нечетные, и четные поезда потребляют большие
мощности; кроме того, предполагается движение поездов массами 1100,
3000 и 6300 т с интервалами 12 мин (рис. 5), что соответствует ситуации,
близкой к полному использованию пропускной способности участка по
тяговому электроснабжению. Большие поездные нагрузки приводят к
значительным отклонениям напряжения района электроснабжения при
движении поездов.
15
Рис. 5. График движения поездов по расчетному участку
150
160
170
180
190
200
210
220
230
0 50 100 150 200 250 300 350
Время, мин
U, В
Без генератора 640+-j480
Рис. 6. Изменение напряжения фазы В (узел 236) ТП-8 при движении поездов
Наибольшие отклонения напряжения удаленной трансформаторной
подстанции ТП-8 в расчетах получены для фазы В, узел 236 (рис. 6); при
движении на подъем тяжелых поездов напряжение кратковременно
снижается до 160…170 В. Установка РГ этой подстанции при пределах
регулировки ±480 квар уже дает существенный эффект, поднимая
минимальное напряжение на 24 В, а в среднем увеличивая напряжение на
17 В; несимметрия напряжения на шинах 0.4 кВ ТП-8 в узлах 235, 236, 237
при этом снижается на 1…2% (рис. 7), а установка РГ большую часть
времени работает на пределе генерации реактивной мощности (РМ) (рис.
8).
16
0
2
4
6
8
10
12
14
16
0 50 100 150 200 250 300 350
Время, мин
К2, %
Без генератора 640+-j480
Рис. 7. Динамика несимметрии напряжения в узлах 235, 236, 237
-0.2
-0.1
0
0.1
0.2
0 50 100 150 200 250 300 350
Время, мин
Q, Мвар
Рис. 8. Генерация РМ фазы В (узел 239)
170
180
190
200
210
220
230
240
0 50 100 150 200 250 300 350
Время, мин
U, В
Без генератора 640+-j480
Рис. 9. Изменение напряжения фазы В (узел 197) при движении поездов
17
В то же время установка РГ, подключенная в узлах 217, 218, 219
сравнительно недалеко от центра питания РЭС, но значительно удаленная
от контрольной подстанции НХСМ, дает значительно меньший эффект
(рис. 9…11). Установка РГ, работающая в основном на крайних уровнях
регулирования реактивной мощности (РМ), обеспечивает весьма
небольшое улучшение в отношении уровней и несимметрии напряжений.
0
2
4
6
8
10
12
14
16
0 50 100 150 200 250 300 350
Время, мин
К2, %
Без генератора 640+-j480
Рис. 10. Несимметрия напряжения в узлах 196, 197, 198 при пределах ±480 квар
-0.2
-0.1
0
0.1
0.2
0 50 100 150 200 250 300 350
Время, мин
Q, Мвар
Рис. 11. Генерация РМ фазы В (узел 218)
Увеличение пределов генерации РМ способно улучшить ситуацию и в
критических точках сети. На рис. 12…17 показаны режимные
характеристики контрольных точек сети при дополнительном размещении
в местах установки генераторов статических тиристорных компенсаторов
(СТК) с пределами регулирования реактивной мощности ±1500 квар
(суммарно с установкой РГ – по 660 квар на фазу). Приведенные
зависимости демонстрируют еще один важный фактор для повышения
качества электроэнергии в узлах с большими отклонениями напряжения, а
именно – правильный выбор опорного напряжения регулирования.
18
150
160
170
180
190
200
210
220
230
0 50 100 150 200 250 300 350
Время, мин
U, В
Без генератора 640+-j1980
Рис. 12. Изменение напряжения фазы В (узел 236) ТП-8 при пределах ±1980 квар
0
2
4
6
8
10
12
14
16
0 50 100 150 200 250 300 350
Время, мин
К2, %
Без генератора 640+-j1980
Рис. 13. Несимметрия напряжения в узлах 235, 236, 237 при пределах ±1980 квар
-0.3
-0.2
-0.1
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0 50 100 150 200 250 300 350
Время, мин
Q, Мвар
Рис. 14. Генерация реактивной мощности фазы В (узел 239)
Как видно из рис. 17, пределы регулирования по РМ используются
неравномерно и большую часть времени установка работает при верхнем
19
пределе генерации. При правильном выборе положения регулятора ПБВ
трансформатора РГ можно использовать СТК меньшей мощности.
170
180
190
200
210
220
230
240
0 50 100 150 200 250 300 350
Время, мин
U, В
Без генератора 640+-j1980
Рис. 15. Изменение напряжения фазы В (узел 197) при пределах ±1980 квар
0
2
4
6
8
10
12
14
16
0 50 100 150 200 250 300 350
Время, мин
К2, %
Без генератора 640+-j1980
Рис. 16. Несимметрия напряжения в узлах 196, 197, 198 при пределах ±1980 квар
-0.7
-0.6
-0.5
-0.4
-0.3
-0.2
-0.1
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0 50 100 150 200 250 300 350
Время, мин
Q, Мвар
Рис. 17. Генерация реактивной мощности фазы В (узел 218)
20