Система компенсации реактивной мощности в тяговой сети, управляемая по изменению параметров нагрузок в реальном времени тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.01, кандидат наук Табанаков, Павел Валерьевич

• Табанаков, Павел Валерьевич
• кандидат наук
• 2015

Оглавление диссертации кандидат наук Табанаков, Павел Валерьевич

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА И ОЦЕНКА АКТУАЛЬНОСТИ НАПРАВЛЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО УСТРОЙСТВАМ КОМПЕНСАЦИИ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ В СИСТЕМЕ ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

1.1. ' Критерии и методы повышения ' эффективности систем электроснабжения

1.2. Обзор и анализ методов управления потреблением реактивной

мощности в сложной системе тягового электроснабжения

1.3 Анализ выбора параметров устройств параллельной компенсации реактивной мощности и постановка задачи повышения их эффективности с

использованием методов системного анализа

Выводы:

ГЛАВА 2. СТРУКТУРНЫЙ И ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ СИСТЕМЫ ПАРАЛЛЕЛЬНОЙ КОМПЕНСАЦИИ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ В ТЯГОВОЙ СЕТИ, УПРАВЛЯЕМОЙ ПО ИЗМЕНЕНИЮ ПАРАМЕТРОВ НАГРУЗОК В РЕАЛЬНОМ ВРЕМЕНИ

2.1. Пространственный и параметрический анализ устройства параллельной компенсации реактивной мощности

2.2. Оценка эффективности размещения устройства параллельной компенсации реактивной мощности по критерию минимальных потерь активной мощности в тяговой сети

2.3. Синтез закона управления устройством параллельной компенсации реактивной мощности по критерию минимальных потерь в тяговой сети

2.4. Построение структурной схемы системы параллельной компенсации реактивной мощности, управляемой по критерию минимальных потерь в

тяговой сети

2.6. Численное обоснование применимости закона управления устройством параллельной компенсации реактивной мощности

Выводы:

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА ДИНАМИЧЕСКОЙ ИМИТАЦИОННОЙ МОДЕЛИ И ОЦЕНКА НА ЕЕ ОСНОВЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ СИСТЕМЫ ПАРАЛЛЕЛЬНОЙ КОМПЕНСАЦИИ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ, УПРАВЛЯЕМОЙ ПО ЗАДАННОМУ ЗАКОНУ

3.1 Декомпозиция сложной системы тягового электроснабжения в среде MatLab

3.2. Оценка погрешности моделирования

3.3. Область применения полученной оценки погрешности моделирования68

3.4. Формирование масштабных коэффициентов и представление тяговых расчетов в имитационном моделировании, реализуемом в среде MatLab

3.5. Построение имитационной динамической модели системы компенсации

* <

реактивной мощности, управляемой по заданному закону и оценка ее

эффективности

Выводы:

ГЛАВА 4. СПОСОБЫ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ УПРАВЛЯЕМОЙ СИСТЕМЫ КОМПЕНСАЦИИ РЕАКТИВНОЙ

МОЩНОСТИ СО СТУПЕНЧАТЫМ РЕГУЛИРОВАНИЕМ

4.1. Методика расчета нескомпенсированных потерь мощности в тяговой сети при использовании компенсирующего устройства со ступенчатым управлением

4.2 Методика определения эффективного времени работы ступеней

компенсирующего устройства

Выводы:

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Библиографический список

Приложение А

МАТЕРИАЛЫ О ВНЕДРЕНИИ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

АКФ - автокорреляционная функция ИМ - имитационное моделирование

КУ - устройство параллельной компенсации реактивной мощности

КС - контактная сеть

МПЗ - межподстанционная зона

ОАО «РЖД» - открытое акционерное общество «Российские железные дороги» Р - рельс

СТЭ - система тягового электроснабжения СВЭ - система внешнего электроснабжения ТП - тяговая подстанция ТС - тяговая сеть

УПК - устройство продольной компенсации реактивной мощности ЭПС - электроподвижной состав

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Система компенсации реактивной мощности в тяговой сети, управляемая по изменению параметров нагрузок в реальном времени»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Развитие современного рынка и, как следствие, увеличение товарооборота требует повышения интенсивности грузоперевозок, в том числе на железнодорожном транспорте. Стабильность работы железнодорожной отрасли как любого механизма зависит от надежности и эффективности ее технического оснащения. В условиях роста объема грузоперевозок необходимо внедренйе нового, высоконадежного и технологичного оборудования, позволяющего расширять возможности и перспективы железнодорожного транспорта.

Сегодня ситуация значительно осложнена ограничением инвестиционных средств, направляемых в развитие инфраструктуры железнодорожного транспорта. Несмотря на это, ежегодно объем перевозимых грузов в среднем возрастает на 3% по сети, что в значительной степени сказывается на повышении нагрузки на оборудование системы тягового электроснабжения, в ряде случаев имеющего срок службы более 30 лет.

Для системы тягового электроснабжения при оценке пропускной способности и разработке мероприятий по усилению эксплуатируемых технических средств руководствуются такими факторами как: вес поезда, количество поездов на фидерной зоне, схема их пропуска, межпоездной интервал. При этом особо значимой является системная направленность на развитие участков обращения поездов повышенной массы, длины и применение вагонов с большей осевой нагрузкой. Для этого система тягового электроснабжения должна обладать достаточной нагрузочной способностью.

Уже сегодня при пропуске поездов массой 6 тыс. тонн и более при возрастании токовой нагрузки возникает ряд «узких мест» по системе тягового электроснабжения, обусловленных нагревом оборудования, снижением уровня напряжения в контактной сети и соответствующим увеличением потерь электроэнергии.

Двигатель электровоза в совокупности с выпрямителем и его трансформатором являются активно-индуктивной нагрузкой с высоким

реактивным электропотреблением. Увеличение нагрузок как следствие увеличения масс поездов и их числа приводит к возрастанию реактивного электропотребления со всеми вытекающими последствиями.

В этой области основным недостатком эксплуатируемых в настоящее время электровозов переменного тока с плавным регулированием напряжения (ВЛ65, ВЛ85) является низкий коэффициент мощности, в лучшем случае достигающий 0,84. Работа электровоза с низким значением коэффициента мощности приводит к существенным потерям электроэнергии.

Для того чтобы режим работы системы тягового электроснабжения соответствовал требуемым экономическим и техническим показателям, необходимо стремиться к уменьшению уровня передаваемой реактивной мощности по контактной сети. Это может быть достигнуто как с помощью улучшения режима работы электровозов, так и путем совершенствования режимов работы тяговой сети в целом. В отличие от электроэнергетических сетей общего назначения, система тягового электроснабжения обладает резкопеременной нагрузкой, что является одной из основных проблем при анализе задач о компенсации реактивной мощности.

При выполнении основных показателей ОАО «РЖД» в отношении обеспечения требуемого объема перевозок, необходимо учитывать требование постановления Правительства РФ от 31 августа 2006 г. № 530 «Об утверждении правил функционирования розничных рынков электрической энергии в переходный период реформирования электроэнергетики» и внесенным изменением в Правила недискриминационного доступа к услугам по передаче электрической энергии и оказания этих услуг, утвержденные постановлением Правительства РФ от 27 декабря 2004 г. № 861. В соответствии с указанными нормативными документами потребители электрической энергии должны соблюдать соотношение потребления активной и реактивной мощности, определенные в договоре [1]. В противном случае потребитель должен установить устройства компенсации реактивной мощности либо оплачивать услуги по передаче электрической энергии в составе конечного тарифа с учетом

соответствующего повышающего коэффициента. В этой связи компания ОАО «РЖД» как сетевая организация ежегодно, при заключении договора оказания услуг по передаче электрической энергии, должна составлять мероприятия по компенсации реактивной мощности.

Современные возможности вычислительной техники позволяют

проектировать эффективные способы контроля за работой отдельных

технических объектов, в том числе элементов системы тягового

электроснабжения. Резерв энергетической эффективности систем тягового

электроснабжения заключен в реализации гибкого управления режимами

работы в ходе текущего времени, что является крайне необходимым в условиях

непрерывно меняющихся параметров. Изменения режима работы системы

электроснабжения электрических железных дорог определяются рядом )

факторов, важнейшими из которых являются: изменение поездопотока, сложность профиля пути, различие в массах поездов. Это приводит к резкопеременному потреблению мощности в отдельные моменты времени.

Одним из наиболее эффективных методов снижения реактивного электропотребления в тяговой сети является применение устройств параллельной компенсации реактивной мощности. Вопросам использования компенсирующих устройств, а также оптимизации их работы посвящены труды ряда отечественных ученых, таких как Герман JI.A., Бородулин Б.М., Мамошин P.P., Чернов Ю.А., Серебряков A.C., Николаев Г.А. Однако, существующие подходы к их управлению, основанные на критериях стабилизации уровня напряжения, доли реактивной мощности (cos((p)), соответствующих требованиям нормативных документов, в отдельные периоды времени не позволяют достичь максимального эффекта компенсации, так как являются усредненными и не учитывают изменения параметров системы тягового электроснабжения в реальном времени.

Решение задачи использования резерва энергетической эффективности устройств параллельной компенсации реактивной мощности возможно только при исследовании технических средств электроснабжения железной дороги как

целостной сложной системы. В данном случае с точки зрения применения методов системного анализа ранее не исследовалась зависимость мощности компенсирующих устройств от ряда непрерывно изменяющихся параметров, таких как: реактивные составляющие токов поездов и их координаты в межподстанционной зоне, что позволяет раскрыть неиспользуемый резерв энергетической эффективности системы тягового электроснабжения, управляемой компенсирующим устройством.

Развитие систем телеметрии и позиционирования подвижных объектов снимает ограничения в области получения и обработки информации с подвижных нагрузок, каковыми являются электропоезда в ходе текущего времени, а значит, позволяет адаптировать работу устройства параллельной компенсации реактивной мощности в тяговой сети к условиям постоянно изменяющихся нагрузок с максимальной энергетической эффективностью.

Цель диссертационного исследования заключается в повышении эффективности работы системы тягового электроснабжения на основе разработки закона управления устройством параллельной компенсации реактивной мощности по изменению параметров нагрузок в реальном времени:

- анализ существующих методов повышения эффективности функционирования системы электроснабжения железной дороги и обоснования их дальнейшего совершенствования;

- структурный и параметрический синтез системы параллельной компенсации реактивной мощности в тяговой сети, управляемой по сформированному закону;

- разработка имитационной динамической модели и оценки на ее основе эффективности системы параллельной компенсации реактивной мощности, управляемой по параметрам нагрузок;

- формирование методики управления системой параллельной компенсации реактивной мощности с учетом принципа коммутации ее мощности.

( >

* . . . г •

* ■ • о

Объект исследований. Устройство параллельной компенсации реактивной мощности в системе тягового электроснабжения.

Предмет исследований. Методы управления устройством параллельной компенсации реактивной мощности.

Методы исследования базировались на математическом моделировании системы тягового электроснабжения с использованием методов системного анализа, линейной, алгебры, теории функций многих переменных. Для выполнения экспериментальных исследований и практических расчётов были использованы программные комплексы Ма1ЬаЬ, КОРТЭС, МаШСас!.

Научную новизну составляют следующие положения, выносимые на защиту:

1. Закон управления устройством параллельной компенсации реактивной мощности по критерию минимальных потерь в тяговой сети с учетом величин токов и координат размещения поездов в реальном времени.

2. Имитационная динамическая модель системы тягового электроснабжения с движущимися нагрузками и подсистемой параллельной компенсации реактивной мощности, управляемой по параметрам нагрузок.

3. Методика управления процессом компенсации реактивной мощности по изменению нагрузок в реальном времени с учетом способа регулирования мощности компенсирующего устройства.

Достоверность и обоснованность научных результатов, полученных в диссертации, обеспечивается путем корректного использования математических методов анализа с широким применением современных средств вычислительной техники и программного обеспечения.

Предложенный закон управления устройством параллельной компенсации реактивной мощности проверен с привлечением имитационной модели системы тягового электроснабжения, сформированной в программной среде Ма1ЬаЬ.

Практическая значимость. На основе полученных в диссертационной работе результатов возможно решение следующих практических задач:

1. Повышение пропускной способности электрифицированной железной дороги вследствие нормализации уровня напряжения в тяговой сети путем использования системы параллельной компенсации реактивной мощности, управляемой по сформированному закону.

2. Повышение экономической эффективности использования устройств параллельной компенсации реактивной мощности.

Обеспечение надежности и увеличение срока службы элементов устройства параллельной компенсации реактивной мощности за счет оптимальной его загрузки, соответствующей уровню поездной работы.

Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы внедрены в практическое использование электротехнической лаборатории и службы электрификации и электроснабжения Восточно-Сибирской дирекции инфраструктуры ВСЖД в виде сформированной, на основе исследований автора, компьютерной модели участка железной дороги с устройством параллельной компенсации реактивной мощности, управляемым по сформированному закону.

Апробация работы. Материалы работы докладывались и обсуждались на следующих международных, всероссийских, региональных конференциях: межвузовской научно-практической конференции «Транспортная инфраструктура Сибирского региона» (Иркутск, 2012, 2013, 2014 г.); XI межвузовской научно-технической конференции «Молодая мысль-развитию энергетики» (Братск, 2013 г.), 3-й Всероссийской Интернет-конференции «Грани науки 2014» (Казань, 2014 г.), Международной научно-технической конференции «Электроэнергетика. Новые технологии - 2014», X молодежной международной научно-практической конференции студентов, аспирантов молодых ученых «Наука XXI века: новый подход» (Санкт-Петербург, 2014 г.), на научно-техническом совете в службе электрификации и электроснабжения Восточно-Сибирской дирекции инфраструктуры в 2014 году.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ, в том числе три статьи в журналах, включенных в список ВАК. В работах с

соавторами соискателю принадлежит от 30 до 75% результатов. Положения, составляющие новизну и выносимые на защиту, получены лично автором.

Структура и объём работы. Диссертация включает введение, четыре главы основного текста, заключение, библиографический список из 92 наименований. Общий объем диссертации 117 страниц, в тексте содержится 51 рисунок и 3 таблицы. В приложении приведены материалы о внедрении результатов работы.

В первой главе диссертации сформулирована задача системного анализа процесса компенсации реактивной мощности в системе электроснабжения железной дороги. Выполнен анализ существующих методов повышения эффективности функционирования системы электроснабжения железной

дороги и обоснование их дальнейшего совершенствования. Рассмотрены < «

критерии эффективности систем электроснабжения. Выполнен обзор и анализ методов управления потреблением реактивной мощности в системе тягового электроснабжения как одного из направлений повышения эффективности систем электроснабжения. Произведена оценка критериев управления устройством параллельной компенсации реактивной мощности и доказана необходимость ее управления с учетом полного спектра ограничений процесса кохмпенсации.

Во второй главе выполнен пространственный и параметрический анализ устройства параллельной компенсации реактивной мощности, доказана необходимость управления мощностью устройства параллельной компенсации в соответствии с основными параметрами режима системы электроподвижных нагрузок, которыми, как показано в диссертационной работе, являются реактивные токи поездов и места их размещения (координаты) для текущего времени.

В третьей главе с целью оценки эффективности решения задачи управления устройством параллельной компенсации по критерию минимальных потерь в тяговой сети, выполнен структурный и параметрический синтез имитационной динамической модели системы

!

электроснабжения железной дороги, сформированной в программном комплексе Ма1ЬаЬ. Решение поставленных в диссертационной работе задач потребовало анализа взаимодействия системы тягового электроснабжения, как с электроподвижным составом, так и с системой внешнего электроснабжения. Сформирована имитационная модель тяговой сети с подсистемой параллельной компенсации реактивной мощности, управляемой по параметрам нагрузок в реальном времени. Доказано повышение эффективности работы системы тягового электроснабжения в целом.

В четвертой главе рассмотрен вариант оценки остающегося резерва повышения эффективности компенсирующего устройства со ступенчатым управлением, оценки времени работы одной ступени компенсирующего устройства, основанной на применении автокорреляционного анализа, сформирована методика управления процессом компенсации в тяговой сети.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА И ОЦЕНКА АКТУАЛЬНОСТИ НАПРАВЛЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО УСТРОЙСТВАМ КОМПЕНСАЦИИ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ В СИСТЕМЕ ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

1.1. Критерии и методы повышения эффективности систем электроснабжения

К устройствам системы электроснабжения железнодорожного транспорта, как и к любым электроэнергетическим устройствам, предъявляются требования, в соответствии с которыми потребляемые энергетические ресурсы должны использоваться с максимальной эффективностью. Для этого потери электроэнергии в этих устройствах, вызываемые различными нагрузочными факторами должны быть как можно л меньшими.

Как известно, эффективный (оптимальный) режим электроэнергетической системы - это такой режим (из области допустимых), который удовлетворяет условиям надежности технических средств, входящих в систему, качества электроэнергии, и при котором обеспечивается минимум суммарного расхода ресурсов. Как правило, понятие эффективного функционирования электроэнергетических систем рассматривается в комплексном виде для длительных и краткосрочных режимов работы [2].

Исходя из классической теории состояния системы, определяемой по набору параметров, характеризующих ее эффективность, что в полной мере адекватно и для системы тягового электроснабжения, являющейся сложной, модель состояния системы можно представить в виде - рис. 1.1.

Рис. 1.1. Упрощенная модель состояния системы электроснабжения

железной дороги

В данном случае вектор значений входных параметров X определяется поездной обстановкой (уровнем поездопотока), которая в свою очередь влияет на уровень токовой нагрузки. Вектор значений воздействия внешней среды в определяется погодными условиями и воздействием человеческого фактора. К параметрам, характеризующим внутреннее состояние системы, определяемое вектором Ъ, следует отнести температурный режим оборудования, состояние сопротивления токопроводящих частей и изоляции. Таким образом, вектор выходных параметров можно представить как Основной задачей

системы электроснабжения является обеспечение требуемого качества электрической энергии на ее выходе.

Таким образом, к основным критериям эффективности электроэнергетических систем, и тягового электроснабжения в том числе, определяемых вектором выходных параметров У, обычно относят следующие:

1. расход электрической энергии;

2. потери электроэнергии в элементах системы электроснабжения;

3. уровень напряжения;

4. несимметрию напряжения;

5. уровень высших гармоник.

Кроме перечисленных существует ряд других производных показателей, исследованию которых посвящены работы ряда отечественных ученых [4-12].

Характеризуя каждый из приведенных показателей, следует отметить, что второй из них характеризует энергетическую эффективность устройства или системы в целом. Первый необходим для комплексной оценки энергетических затрат на единицу условной продукции. Третий в наибольшей мере определяет потери электроэнергии. Известно, что чем выше напряжение, тем меньше потери, однако в сеть включаются нагрузки с определенным номинальным напряжением, отклонение от которого приводит к дополнительным потерям.

Известно, что неравномерные потоки мощности в отдельных фазах, приводят к повышенным потерям, при аналогичных условиях, по сравнению с режимом симметричных нагрузок. В связи с этим, несмотря на то, что процент несимметрии допускается, ее уровень ограничивается в узких пределах [14]. Высшие гармонические составляющие также приводят к увеличению потерь и, следовательно, к снижению энергетической эффективности, о чем свидетельствуют ряд исследований [15,16] и др. Кроме перечисленных отрицательных последствий несоблюдения нормативных значений упомянутых (кроме первого) показателей имеют место и другие отрицательные последствия.

Таким образом, учитывая невозможность влияния на вектор внешних воздействий в, а также Ъ, зависящий напрямую от старения оборудования, для решения задачи повышения эффективности следует снижать влияние на систему нагрузочного воздействия, в частности для железной дороги - влияние реактивных составляющих токовых нагрузок.

Для обеспечения нормативных значений вышеупомянутых критериев (кроме первого), предусматривается ряд технических мероприятий, представленных на рис. 1.2.

Рис. 1.2. Методы повышения энергетической эффективности системы электроснабжения железной дороги

Первый из трех требует существенных материальных затрат. Наиболее эффективными в области повышения качества электроэнергии на железнодорожном транспорте являются второй и третий метод. Рассматривая второй метод в разрезе повышения качества электроэнергии путем модернизации потребителей, а именно схем преобразования электрической энергии на ЭПС, установку корректирующих систем непосредственно на электровозах, необходимо отметить, что такой подход требует значительных временных затрат по причине объемности локомотивного парка и в ряде случаев экономически нецелесообразен. Наибольшей эффективностью отличается третий метод, позволяющий в условиях ограниченных капитальных вложений получить наибольший эффект.

К основным техническим средствам коррекции качества электроэнергии для нормализации вышеупомянутых показателей могут быть отнесены:

- Устройства компенсации реактивной мощности.

- Фильтросимметрирующие устройства (ФСУ).

- Вольто-добавочные устройства (бустеры).

Одним из эффективных методов повышения электроэнергетических характеристик в системе тягового электроснабжения являются устройства параллельной компенсации реактивной мощности (КУ) [16-20], позволяющие снижать потери электроэнергии и повышать уровень напряжения в контактной сети до нормативного значения.

1.2. Обзор и анализ методов управления потреблением реактивной

мощности в сложной системе тягового электроснабжения

В отличие от промышленных сетей электроснабжения система тягового электроснабжения имеет резко переменный характер нагрузки. Обеспечение требуемого качества электрической энергии обусловлено необходимостью нормализации уровня напряжения на токоприемнике электроподвижного

ч 4

состава. Однако, необходимо учитывать, что обеспечение эффективности системы тягового электроснабжения по данному критерию возможно только при нормализации режима работы всех технических средств, входящих в систему.

Применение системного анализа в решении задач исследования режимов работы системы тягового электроснабжения, повышения ее эффективности, а также формирования эквивалентных моделей отражено в трудах Германа J1.A., Доманского И.В., Фомина A.B., Бардушко В.Д., Закарюкина В.П., Крюкова A.B.

На основе исследований вышеуказанных авторов сложная система электроснабжения электрической железной дороги может быть представлена тремя уровнями взаимоувязанных подсистем, см. рис. 1.3.

Система тягового электроснабжения (СТЭ)

ого \

Рис. 1.3. Укрупненное представление сложной системы электроснабжения

железной дороги

Так как система электроснабжения железной дороги является сложной технической системой, существуют методы повышения качества электрической энергии [21-23] на ее отдельных элементах (подсистемах):

- подсистеме внешнего электроснабжения (первичной сети);

- в тяговой сети;

- на шинах тяговой подстанции;

- подсистеме электроподвижных нагрузок.

При решении задач обеспечения эффективности систем электроснабжения необходимо рассматривать процесс электроснабжения в комплексном виде с учетом технических, экономических и экологических ограничений. В данном случае потери электрической энергии в системе электроснабжения являются комплексным ограничением, коррелируемым с уровнем напряжения с одной стороны, и с удовлетворением экономических показателей - с другой.

Так как 80-90% потерь энергии в системе электроснабжения электрических железных дорог относится к тяговой сети, то целесообразно решать задачу повышения эффективности в первую очередь на стороне тяговой

нагрузки. Однако, следует заметить, что в современных условиях необходимо рассматривать задачу повышения качества электрической энергии СТЭ в комплексном виде, где целевая функция будет зависеть в целом как для системы электрической тяги, так и внешнего электроснабжения.

При обеспечении требуемого уровня напряжения в контактной сети, соответствующего минимуму потерь электроэнергии, наиболее значимым является поддержание нормативных значений в, середине межподстанционной зоны. Исходя из этого, большую значимость представляет исследование и совершенствование работы компенсирующих устройств на посту секционирования - устройств параллельной компенсации реактивной мощности (КУ) [36], представленного в структурной схеме на рис. 1.2.

Рис. 1.4. Структурная схема системы электроснабжения участка железной дороги с устройством параллельной компенсации реактивной мощности

КС - контактная сеть; Р - рельс; ТП - тяговая подстанция; ЭПС -электроподвижной состав; КУ - регулируемое устройство параллельной компенсации реактивной мощности; СВЭ - система внешнего электроснабжения.

В целом устройства емкостной компенсации [37-46] являются эффективным средством стабилизации параметров электроэнергии в тяговой

сети, но сегодня, применяя устройства параллельной компенсации реактивной мощности, по экономическим соображениям необходимо учитывать глубину компенсации и ее соответствие текущей поездной обстановке.

На железных дорогах России применяется два типа КУ:

- неуправляемые (с фиксированной мощностью конденсаторных батарей);

- управляемые (имеющие набор ступеней компенсации, переключаемых в зависимости от нагрузки сети).

Применение микропроцессорной техники позволяет создавать автоматизированное управление ступеней компенсации, как для сохранения долговечности ее узлов, так и для еще большего повышения качества электроэнергии.

На современном этапе развития электроэнергетики по технико-экономическим соображениям целесообразным вариантом управляемых КУ в системе тягового электроснабжения считаются ступенчатые КУ.

Зарубежные и отечественные экспериментальные исследования и опыт эксплуатации компенсирующих устройств на современном этапе развития электроэнергетики позволяют создавать и внедрять управляемые установки параллельной емкостной компенсации в системе тягового электроснабжения без модернизации и переоснащения силового оборудования. Сегодня предложен ряд решений проблемы перенапряжений и бросков тока при коммутации компенсирующих устройств, что ранее являлось ограничивающим фактором. Основным решением в данной области является производство мощной коммутационной аппаратуры.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Табанаков, Павел Валерьевич, 2015 год

Библиографический список

1. Железко, Ю.С. Новые нормативные документы по условиям потребления реактивной мощности / Ю.С. Железко // Энергетик. - 2009. - №1. -С. 41-43.

2. Русина, А. Г. Современные концепции оптимизации режимов j

электроэнергетических систем [Электронный ресурс] / А. Г. Русина, Т. А.

* *

Филиппова // Энергетика России в 21 веке: стратегия развития - восточный вектор. - 2010. - Режим доступа: http://sei.irk.ru/symp2010/papers.html.

3. ГОСТ 23875 Качество электрической энергии. Термины и определения. - Минск: изд. стандартов, 1997. — 18 с.

4. Агунов, A.B. Управление качеством электроэнергии при несинусоидальных режимах /A.B. Агунов. — СПб.: СПбГМТУ, 2009. — 134 с. *

5. Аввакумов, . В.Г. Технико-экономическая оценка качества электроэнергии в промышленности / В.Г. Аввакумов, Г.Л. Багиев, Д.М. Воскобойников; ред. Б. А. Константинов. - СПб.: Издательство Санкт-Петербургского университета, 1977. - 131 с.

6. Жежеленко, И. В. Показатели качества электрической энергии и их контроль на промышленных предприятиях / Жежеленко И.В. - Киев: Техника, 1981.- 160 с.

7. Железко, Ю.С. Выбор мероприятий по снижению потерь электрической энергии в электрических сетях / Ю.С. Железко. - М.: Энергия, 1989. —387 с.

8. Железко, Ю.С. Компенсация реактивной мощности в электрических системах / Ю.С. Железко. - М.: Энергия, 1981. - 392 с.

9. Железко, Ю.С. Компенсация реактивной мощности и повышение качества электрической энергии / Ю.С.Железко. - М.: Энергия, 1985. - 182 с.

10. Чернов, Д.В. Взаимосвязь надежности электроснабжения и качества электрической энергии. / Г.Ф. Ковалев, Д.В. Чернов // Материалы научно-

практической конференции, посвященной 50-летию аспирантуры ИрГСХА. -

2003.-№1-С. 43-44.

11. Чернов, Д.В. Взаимосвязь показателей качества электрической энергии и надежности электроснабжения / Д.В. Чернов // Материалы научно-практической конференции посвященной 70-летию образования ИрГСХА. -

2004.-С. 21-23.

12. Чернов, Д.В. Оценка качества электрической энергии при различных уровнях надежности схем электроснабжения. / Д.В. Чернов, Г.Ф. Ковалев // Материалы научно-практической конференции «Актуальные проблемы АПК». -2005.-С. 71-72.

13. ГОСТ 29322-92 Стандартные напряжения: межгосударственный стандарт. - М.: ИПК Издательство стандартов, 1993. - 6 с.

14. ГОСТ 13109-97 Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения: межгосударственный стандарт. - М.: ИПК Издательство стандартов, 1993. - 36 с.

15. Кузнецов, В.П. Учет несинусоидальности напряжения на конденсаторах при расчете компенсирующго устройства / В.П. Кузнецов // Сборник научных трудов МИИТа. - 1974. - № 467. - С. 226-233.

16. Бардушко, В.Д. Исследование форм кривых тока и напряжения электроподвижного состава методами имитационного моделирования / В.Д. Бардушко // Сборник научных трудов ИрИИТа - 1999. - № 5 - С. 26-28.

17. Бардушко, В.Д. Анализ работы междупутного компенсирующего устройства / В.Д. Бардушко // Информационные технологии контроля транспортными системами. - 2000. - № 6. - С. 141-145.

18. Герман, Л.А. Повышение эффективности поперечно-емкостной компенсации / Л.А. Герман, И.М.Затучный, В.П. Кузнецов // Сборник научных трудов МИИТа. -1972. - №416.

19. Герман, Л.А. Оценка технических показателей продольной емкостной компенсации, включенной между путями электрифицированной

железной дороги / Л.Л.Герман, В.Д. Лукконен // Известия ВУЗов «Энергетика».

- 1983.-№ 12.-С. 44-46.

20. Рекомендации по компенсации реактивной мощности в системах тягового электроснабжения [Электронный ресурс]. - М.: ООО «ЭЛЭКО», 2014.

- Режим доступа: http //www.eleco.ru /libl/docs/recomendations/rcomend2.html.

21. Указания по компенсации реактивной мощности в распределительных сетях. - М.: Энергия, 1974. - 72 с.

22. Бобров, Е.Г. Схемы и характеристики статистических вентильных компенсаторов реактивной мощности / Е.Г. Бобров. -Свердловск.: Средне-Уральское изд-во, 1969.

23. Бородулин, Б.М. Рациональное размещение установок компенсации реактивной мощности в тяговой сети переменного тока/ Б.М. Бородулин // Вестник ЦНИИ. - 1965. - № 5. - С. 19-23.

24. Сапельченко, A.M. Расчет комплексных фильтро-симметрирующих устройств / A.M. Сапельченко, Е.И. Кордюков // Научные труды ОМИИТа. -1972.-№ 137.

25. Марченко, Б.А. Основные характеристики конденсаторов для продольной компенсации / Б.А Марченко. - М.: Госэнергоиздат, 1958.

26. Марченко, Е.А., Продольная емкостная компенсация линий электропередачи // Е.А. Марченко, Ю.А. Розовский, С.С. Щур. - М.: Госэнергоиздат, 1957. - 48 с.

27. Иоффе, М.С. Устройства продольной компенсации 400 кВ/ М.С. Иоффе // Дальняя электропередача Волжская ГЭС им. В.И. Ленина - Москва. -М.: Госэнергоиздат, 1958. - 223 с.

28. Подстанции и устройства продольной компенсации электропередач: переводы докладов международной конференции по электрическим системам.

- СИГРЭ: Энергия, 1967.

29. Поярков, K.M. Управление напряжением в электрических сетях сельских районов / K.M. Поярков. - М.: Энергия, 1965. - С 77-97.

30. Ибрагимов, И.Э. Применение последовательных конденсаторов в нефтепромысловых сетях 6 кВ / И.Э., Ибрагимов, М.А. Бабаев А.Н. Иетросян // Промышленная энергетика. - 1960. - №9.

31. Бауман, В.Г. К вопросу об эффективноти применения последовательных конденсаторов для компенсации потерь напряжения в рудничных электрических сетях // Электричество. - 1962. - №1. \

32. Побуль, Г.Х. Продольная емкостная компенсация для управления напряжением в высоковольтных распределительных сетях / Г.Х Побуль., Ф.Ф. Повод // Электрические станции. - 1965. - №3.

33. Иванов, О.В. Устройство продольной емкостной компенсации в распределительной сети шахты / О.В. Иванов // Промышленная энергетика. -1966. - №5.

34. Либкинд, М.С. Устранение влияния быстроизменяющейся нагрузки на напряжение электрической сети / М.С. Либкинд, М.Г. Летаева // Промышленная энергетика, 1967. - №6.

35. Вагин, Т.Л. Устройство продольной емкостной компенсации в сети, питающей контактную электросварку / Т.Л. Вагин // Промышленная энергетика. - 1970. - №1.

36. Марквардт, К.Г. Электроснабжение электрифицированных железных дорог / К.Г. Марквардт. - М.: Транспорт, 1982. - 528 с.

37. Герман, Л.А. Уменьшение потерь энергии батареями поперечно-емкостной компенсации, расположенными в тяговой сети / Л.А. Герман // Вопросы энергоснабжения электрических железных дорог. - Труды МИИТа. -1969. - №302. - С. 69-82.

38. Герман Л.А., Бренков С.Н. Устройство поперечной емкостной компенсации в системе тягового электроснабжения переменного тока // Патент России №103330. 10.04.2011.

39. Мамошин, P.P. Применение устройства поперечной компенсации в тяговой сети / P.P. Мамошин, A.B. Ефимов // Труды МИИТа. - 1971. - № 380. -С. 87-97.

40. Серебряков А.С. Устройство поперечной емкостной компенсации // Патент России №2410252.2011.

41. Щербаков Е.Ф., Петров В.М., Карпов И.О. Регулятор реактивной мощности // Патент России №2097824.1997.

42. Указания по компенсации реактивной мощности в распределительных сетях. - М.: Энергия, 1974.

43. Ропальский Б.С. Автоматический регулятор конденсаторных батарей // Патент России №2052215.1996.

44. Герман, JI.A., Лукконен В.Д. Оценка технических показателей продольной емкостной компенсации, включенной между путями электрифицированной железной дороги / JI.A. Герман, В.Д. Лукконен // Известия ВУЗов. Энергетика. - 1983. - № 12. - С. 44-46.

45. Герман, Л.А. Управляемые устройства емкостной компенсации тягового электроснабжения [Электронный ресурс]/Л.А. Герман// Евразия Вести. - 2011. - №Х 2011. - Режим доступа: ttp://www.eav.ru/publ 1 .php?publid=2011 -10а 12].

46. Мамошин, P.P., Ефимов А.В. Схема автоматического управления однофазной компенсирующей установкой, работающей в режиме стабилизации напряжения / P.P. Мамошин А.В. Ефимов // Труды МИИТа. - 1971. - №380. -С. 97-109.

47. Герман, Л.А. Автоматизация электроснабжения тяговой сети переменного тока / Л.А. Герман, В.Л. Герман. - М.: МГУПС, 2014. - 174 с.

48. Chenmeng Zhang. A Novel Collaboration Compensation Strategy of Railway Power Conditioner for a High-Speed Railway Traction Power Supply System / Chenmeng Zhang // UKACC International Conference. - 2012. - page 731-736.

49. Giuliano Raimondo. Power quality improvements in 25kv 50hz railway substations based on chopper controlled impedances / Giuliano Raimondo. - France: Institut National Polytechnique de Toulouse (INP Toulouse), 2011. - 180 page.

50. Белей В.Ф., Гусев H.A. Способ коммутации трехфазной конденсаторной батареи // Патент России №2025768 РФ. 1994.

51. Герман, JI.A. Синхронизированные выключатели для управления поперечной емкостной компенсации / J1. А. Герман, С. Н. Бренков и др. // Локомотив. - 2011. - №1. - С. 23-25.

52. Бренков, С.Н. Управление устройствами поперечной емкостной компенсации электрифицированных железных дорог с зависимой выдержкой времени / С. Н. Бренков // Известия Транссиба. - 2011. - №1(5). - С. 46-50.

53. Алферов, Д.В. Гибридный выключатель с управляемой коммутацией для цепей с конденсаторными батареями / Д.В. Алферов и др. // Электротехника. - 2010. - №3. - С. 49-56.

54. Красник, В.В. Автоматические устройства по компенсации реактивной мощности в электросетях предприятий [Электронный ресурс]/ В.В. Красник. - М.: Энергоатомиздат, 1983. - 17с. - Режим доступа: http://leg.co.ua/knigi/oborudovanie/avtomaticheskie-ustroystva-po-kompensacii-rcakti vnoy-moschnosti-12.html

55. Герман, Л.А. Управляемые устройства емкостной компенсации в системах тягового электроснабжения железных дорог: учебное пособие / Л.А. Герман, A.C. Серебряков. - М.: Транспортная книга, 2013.

56. Ковалев, И.Н. Методика учета тяговых сетей при системном расчете компенсации реактивной мощности / И.Н. Ковалев, И.Г. Акперов // Электричество. - 1991. - № 5. - С. 12-17.

57. Заварнакин, А.Н. К вопросу определения рациональных параметров установок продольной емкостной компенсации на тяговых подстанциях / А.Н. Заварнакин // Труды МИИТа. - 1971. - № 380. - С. 76-82.

58. Заварнакин, А.Н. Методика определения рациональных параметров совместной установки параллельной и продольной емкостной компенсации на тяговых подстанциях / А.Н. Заварнакин // Труды МИИТа. - 1971. - № 380, С. 82-87.

59. Чернов, Ю.А. Выбор мощности установок поперечной емкостной компенсации с учетом уравнительного тока / Ю.А. Чернов // Труды МИИТа. -1971.-№380.-С. 53-59.

60. Бардушко, В.Д. Параметрический синтез системы параллельных емкостных компенсирующих устройств в тяговой сети в современных условиях.-2013.-№6.-С. 8-13.

61. Бородулин, Б.М. Конденсаторные устройства электрифицированных железных дорог переменного тока / Б.М. Бородулин, JI.A. Герман, Г.А. Николаев. - М.: Транспорт, 1983. - 184 с.

62. Бородулин, Б.М. Конденсаторные устройства электрифицированных железных дорог переменного тока / Б.М. Бородулин, JI.A. Герман. - М.: Транспорт, 1976. - 136 с.

63. Бородулин, Б.М. Шевцов Б.В. Определение параметров установок компенсации / Б.М. Бородулин, Б.В. Шевцов // Сб. научн. тр.: Электрификация и энергетическое хозяйство. - 1973. - № 3.

64. Бардушко, В.Д. Алгоритмы контроля и оптимизации параметров системы тягового электроснабжения / В.Д. Бардушко. - Иркутск: ИрИИТ, 2000. - 108 с.

65. Табанаков, П.В. Пространственная и параметрическая оптимизация системы параллельной компенсации реактивной мощности / П.В. Табанаков // Транспортная инфраструктура Сибирского региона. - 2013. - №2. - С. 122-128.

66. Табанаков, П.В. Повышение энергетической эффективности регулируемой компенсирующей установки / П.В. Табанаков // Транспортная инфраструктура Сибирского региона. - 2014. - С. 47-52.

67. Табанаков, П.В. Оптимизация управления устройством параллельной компенсации реактивной мощности / П.В. Табанаков // Грани науки. - 2014. -№3. - С. 494-495.

68. Табанаков, П.В. Повышение энергетической эффективности устройства параллельной компенсации / П.В. Табанаков // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. - 2013. - №1(37). - С. 186-191.

69. Кувичинский, А.Н. К вопросу определения параметров установок компенсации реактивной мощности имитационным моделированием // А.Н. Кувичинский, А.А. Уренев // Сб. научн. тр. МИИТа. - 1986. - С. 75-79.

70. Марквардт, К.Г., Марквардт Г.Г., Бардушко В.Д. Моделирование тяговой сети / К.Г. Марквардт, Г.Г. Марквардт, В.Д. Бардушко // Сб. науч. тр. ИрИИТа. - 1997. - № 3. - С. 51-53.

71. Пакулин, .А.Г. Моделирование на ЭВМ систем тягового электроснабжения при расчетах компенсации реактивной мощности / А.Г. Пакулин // Сб. научн. тр. ВЗИИТа. - 1984. - № 121. - С. 34-39.

72. Ильяшенко, В.П. Влияние квантования по пути на точность расчетов / В.П. Ильяшенко // Сб. научн. тр. ВЗИИТа, 1981. - №115. - С. 20-31.

73. Табанаков, П.В. Вопросы обеспечения требуемой точности моделирования тяговой сети / П.В. Табанаков, В.Д. Бардушко, А.Г. Туйгунова // Вестник транспорта Поволжья. - 2014 г. - №2 (44). - С. 60-68.

74. Бардушко, В.Д. Параметричнии синтез системи паралельных емшсних компенсуючих пристро1в в тягово1в мереж1 в сучасних умовах / В.Д. Бардушко // Електр1ф1кащя транспорту, 2013. - № 6. - С. 8-13.

75. Бардушко, В.Д. Новые подходы в формировании законов управления средств повышения энергетической эффективности систем электрической тяги / В.Д. Бардушко // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. - 2010. - №3 (27). - С. 134-138.

76. Бардушко, В.Д. Формирование расчетных периодов имитационного моделирования работы системы тягового электроснабжения вероятностным методом / В.Д. Бардушко // Известия Транссиба. - 2013. - № 4 (16). - С. 58-62.

77. Табанаков, П.В. Формирование масштабных коэффициентов и представление тяговых расчетов в имитационном моделировании, реализуемом в среде Ма1ЬаЬ / П.В. Табанаков // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. - 2014. - №2(42). - С. 107-110.

78. Ермаков, С.M. Метод Монте-Карло в вычислительной математике / С.М. Ермаков. - Спб: Санкт-Петербургский государственный университет, 2009. - 188 с.

79. Табанаков, П.В. Моделирование устройства параллельной компенсации реактивной мощности, управляемого законом управления по критерию минимальных потерь в тяговой сети в среде MatLab / П.В. Табанаков // Наука XXI века: новый,подход. - 2014. - №10. - С. 36-42.

80. Марквардт, Г.Г. Автоматизация расчетов по выбору параметров устройств электроснабжения при проектировании / Г.Г. Марквардт, П.Б. Куликов, Ю.Л. Тимченко. - 1980. - № 107. - С. 32-39.

81. Герман, Л.А., Управляемые устройства емкостной компенсации в системах тягового электроснабжения железных дорог: учебное пособие / Л.А. Герман, A.C. Серебряков. - М.: ФГБОУ «Учебно-методический центр по образованию нажелезнодорожном транспорте», 2013. — 315 с.

82. Лукутин, Б.В. Силовые преобразователи в электроснабжении / Б.В. Лукутин, С.Г. Обухов. - Томск: Изд-во ТПУ, 2007. - 144 с.

83. Герман, Л.А. Контроль изоляции конденсаторов / Л.А. Герман, Л.А. Синицына, В.Г. Петренко // Электрическая и тепловозная тяга, 1983. - № 12.

84. Свешников, A.A. Прикладные методы теории случайных функций. Издание 2-е, переработанное и дополненное / A.A. Свешников. - М.: Наука, 1968-463 с.

85. Марквардт, Г.Г. Применение теории вероятностей и вычислительной техники в системе энергоснабжения / Г.Г Марквардт. - М.: Транспорт, 1972. - 204 с.

86. Пугачев, B.C. Теория случайных функций и ее применение к задачам автоматического управления / B.C. Пугачев. - М.: Изд. Физ. - Мат. Литературы, 1960. - 884 с.

87. Тимофеев, Д.В. Режимы в электрических системах с тяговыми нагрузками/ Д.В. Тимофеев. - М.: Энергия, 1972. - 267 с.

88. Лившиц, В.Н. Распределение вероятностей тяговой нагрузки / В.Н. Лившиц, Р.И. Мирошниченко, А.И. Тамазов. - «Вестник ЦНИИ МПС», 1967. -№3.

89. Лившиц, В.Н., Тамазов А.И. Определение расчетного тока для выбора мощности трансформатора по износу изоляции при заданном случайном графике нагрузки / В.Н. Лившиц, А.И. Тамазов // Электромеханика,

1968. -№ 5.

90. Мирошниченко, Р.И. Режимы работы электрифицированных участков / Р.И. Мирошниченко. - М: Транспорт, 1982. - 207 с.

91. Банг Вонг Ха. Исследование закона распределения вероятностей фидерного тока тяговой нагрузки / Банг Вонг Ха // Вопросы энергоснабжения электрических железных дорог. - М.: Транспорт, 1969. - № 302.

92. Марквардт, К.Г. Распределение тяговой нагрузки / К.Г. Марквардт // Вопросы энергоснабжения электрических железных дорог. - М.: Транспорт,

1969. - 302 с.

Приложение А МАТЕРИАЛЫ О ВНЕДРЕНИИ

р/Э

ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКАЯ ЛАБОРАТОРИЯ ВСДИ

АКТ

об использовании результатов диссертации «Система компенсации реактивной мощности в тяговой сети, управляемая по изменению параметров нагрузок в реальном времени», представленной Табанаковым Павлом Валерьевичем на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности: 05.13.01 - Системный анализ, управление и обработка информации (промышленность)

Настоящим актом удостоверяется, что результаты диссертационной работы «Система компенсации реактивной мощности в тяговой сети, управляемая по изменению параметров нагрузок в реальном времени», представленной Табанаковым Павлом Валерьевичем на соискание ученой степени кандидата технических наук, используются при анализе работы устройств емкостной компенсации и выработке технических решений во взаимодействии с ОАО «НИИЭФА-Энерго».

Начальник лаборатории

И.Б.Волосов

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Иркутский государственный университет путей сообщения» ФГБОУ ВПО ИрГУПС

(бО

У".* л "

-

Утверждаю вый проректор Артюнин А.И. t*^

2014 г.

АКТ

об использовании результатов диссертации «Система компенсации реактивной мощности в тяговой сети, управляемая по изменению параметров нагрузок в реальном времени», представленной Табанаковым Павлом Валерьевичем на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности: 05.13.01 - системный анализ, управление и обработка информации (промышленность)

Предложенные в диссертационной работе эквивалентные модели систем тягового электроснабжения электрических железных дорог являются эффективным средством изучения вопросов повышения энергетической эффективности электрических железных дорог, электроснабжение которых формируется на основе адаптивных (smart grid) систем. Вышеупомянутые модели реализованы в среде MatLab и используются в рамках лабораторных работ дисциплин: «САПР электроснабжения». Планируется их использование для изучения дисциплин в рамках третьего образовательного стандарта - «Основы компьютерного проектирования и моделирования устройств электроснабжения» и «Режимы работы систем тягового электроснабжения».

Заведующий кафедрой

«Электроэнергетика транспорта» ИрГУПС,

доктор техн. наук, профессор ______ В.Д. Бардушко

«<3 » 2014 г.