Анализ качества электроэнергии в системах электроснабжения железных дорог

Рост тяговой нагрузки, связанный с увеличением веса поездов и использованием современных электровозов большой мощности, приводит к снижению уровня напряжения как в тяговой сети, так и в сети, обеспечивающей питание тяговых подстанций. Результатом снижения напряжения в тяговой сети будет невозможность обеспечения планируемой скорости поездов, а, следовательно, срыв графиков движения. В табл. 1 приводятся основные показатели современных высокоскоростных поездов как зарубежных, так и используемых на дорогах России.

Таблица 1. Сравнительная характеристика электроподвижных составов.

Наименование Р, кВт Q, квар Конструктивная скорость, км/ч.

EUROSTAR (Франция) 12 000 5780 300.

TGV-A (Франция) 8800 1780 300.

ICE (Германия) 9600 4648 300.

Серия 300 (Япония) 12 000 5810 300.

Сокол (Россия) 10 800 9041,4 250.

ВЛ 85 (Россия) 9700 6265,6 85.

На рис. 1 показан график, позволяющий оценить минимальный уровень напряжения в контактной сети при приложении максимальной тяговой нагрузки (два поезда одного типа на участке), соответствующей номинальной мощности каждого из шести видов поездов EUROSTAR, Серия 300, TGV-A, ICE,.

Сокол" и ВЛ-85. Для анализа уровней напряжения в контактной сети было выделено 14 точек, длина между которыми составила 4км1. и, кВ —EUROSTAR TGV-A ICE Серия 300 -*— «Сокол» —•—ВЛ-85 —Н—21 кВ точки контактной сета.

Рис. 1. Изменение уровня напряжения на рассматриваемом участке при моделировании двух поездов в зоне.

Как видно из рис. 1, уровень напряжения в середине межподстанционной зоны для нагрузки, соответствующей мощности поездов марки EUROSTAR, Серия 300 и «Сокол», опустилось ниже 21кВ.

Это указывает на необходимость поиска путей усиления тяговой сети, аналогичные проблемы стоят и в других странах, где в качестве одного из основных направлений усиления рассматривается использование современного оборудования для усиления сети, каким являются FACTS, построенные на основе тиристорной технологии и заключающиеся в управлении в реальном времени уровнями напряжения. Такими устройствами могут быть шунтовые компенсаторы SVC, TCSC, STATCOM, а также продольные компенсаторы ASVC [52].

Система электроснабжения железных дорог — это сложная техническая система, включающая внешнюю и тяговую сети. Как любая электроэнергетическая система (ЭЭС) она подвергается различным внешним воздействиям, особенно это связано с резко изменяющимися, мощными по величине, несимметричными тяговыми нагрузками. При воздействии таких возмущений система реагирует изменением параметров режима работы — модулей и фаз напряжений, перетоков мощностей и токов. Для обеспечения надежности работы ЭЭС и по.

1 Моделировалась одна межподстанционная зона однопутного участка железной дороги электрифицированного по системе 1×25кВ, напряжение на шинах тяговых подстанций полагалось постоянным и равным 27,5кВ, длина участка 60 км, эквивалентное сопротивление вышения качества электрической энергии необходимо знать чувствительность параметров режима системы к внешним возмущениям и факторы, от которых она зависит. В этой связи актуальность приобретает поиск методов, позволяющих определять сенсорные места в системе электроснабжения железных дорог, а также средства анализа чувствительности напряжений к изменениям тяговой нагрузки. Применяемые в данной работе методы анализа чувствительности электрической сети, построенные на основе сингулярного и спектрального анализа матрицы Якоби, позволяют учитывать не только инвариантные к режиму функционирования факторы — схему и параметры сети, но и режим — изменения нагрузок узлов.

При рассмотрении совместной работы внешней и тяговой сетей, особенно на протяженных участках железных дорог, встает задача поиска наиболее эффективного пути повышения качества электрической энергии, одним из показателей которого является отклонение напряжения. При решении задачи важно знать, какие генераторы в большей мере оказывают влияние на уровни напряжения в сенсорной точке. Выход может быть найден за счет решения проблемы адресности токов или перетоков мощностей, позволяющей определить связь нагрузочных узлов с генераторными. С применением такого метода расчета отпадает необходимость заниматься перебором генераторов в поисках решения проблемы качества электроэнергии в сенсорной точке, что поможет не только предотвратить резкие колебания уровней напряжений в системе за счет усиления слабых мест, но и усовершенствовать системы управления автоматическим регулированием напряжения.

Работа связана с изучением методов анализа уровней напряжений в тяговой сети и сети электроснабжения тяговых подстанций, оценки влияния тяговых нагрузок на чувствительность напряжений, вклада источников активной и реактивной мощностей в уровни напряжений. Работа является одним из звеньев, проводимых в ИрГУПСе на кафедре «Электроснабжение железнодорожного транспорта» исследований под руководством зав. кафедры Н. И. Молина, проф. В. Д. Бардушко, проф. А. В. Крюкова, анализа возможности поддержания допус.

14,28+j30,3 Ом. тимых уровней напряжения как в линии продольного электроснабжения, так и в контактной сети на участке Лена — Таксимо. Важность проведения такого исследования связана с предполагаемым существенным ростом тяговой нагрузки, вызванным началом вывоза руды из Чинейского железо — титано — ванадиевого месторождения. Именно этим объясняется, почему в качестве объекта исследования методов анализа уровней напряжений в электрической сети выбран указанный участок железной дороги.

Цель и задачи исследований. Целью диссертационной работы является разработка методов и алгоритмов, направленных на обеспечение надежности работы системы электроснабжения железнодорожного транспорта и повышение качества электроэнергии.

Задачи исследования:

• Разработка средств анализа уровней напряжений в системах электроснабжения железных дорог на основе спектрального и сингулярного анализа.

• Разработка методов и алгоритмов оценки вклада генераторов в уровни напряжений в электрической сети.

В диссертации впервые получены, составляют предмет научной новизны и выносятся на защиту следующие наиболее важные результаты:

•метод выбора эффективных способов поддержания уровней напряжения в тяговой сети, основанный на использовании сингулярного анализа матрицы Якоби для выявления сенсорных узлов в системах электроснабжения железных дорог;

•алгоритм и программа спектрального анализа матрицы узловых прово-димостей в фазных координатах для определения сенсорных фаз напряжения;

•алгоритм и программная реализация решения проблемы адресности токов в системах электроснабжения железных дорог и получения оценки вклада генераторов в уровни напряжений в электрической сети.

Методы исследований. Для решения поставленных задач использовались методы системного анализа режимов электрических систем, методы теории графов и линейная алгебра.

Практическая значимость и внедрение результатов работы. На основе проведенных научных исследований с использованием разработанных алгоритмов и программ для анализа уровней напряжения систем тягового и внешнего электроснабжения железных дорог разработаны рекомендации по стабилизации уровней напряжения и нормализации показателей качества электроэнергии, внедренные в эксплуатационной практике на ВосточноСибирской железной дороге.

Публикации. Опубликовано 9 работ в сборниках и трудах всероссийских конференций [1−9].

Состояние вопроса. Вопросу поддержания и регулирования уровней напряжения в тяговой сети посвящено много работ, в числе которых следует отметить работы К. Г. Марквардта и Г. Г. Марквардта (МИИТ), P.P. Мамошина (МИИТ), JI.A. Германа (ВЗИИТ), В. Е. Марского (ВНИИЖТ), Н. Л. Фукса (ВСЖД), Н. И. Молина (ИРГУПС), Б. М. Бородулина (ВНИИЖТ), Ю. А. Чернова (МИИТ) и др.

Для регулирования напряжения на тяговых и районных подстанциях применяют понижающие трансформаторы с устройством регулирования напряжения под нагрузкой (РПН) путем изменения коэффициента трансформации [12,21,42,43]. Такие устройства дешевы и просты в эксплуатации, поэтому нашли широкое применение в электрических сетях.

Принцип работы вольтодобавочных трансформаторов (бустеров) аналогичен работе трансформаторов с РПН [18], их преимуществом является быстродействие и возможность установки в любой точке сети. Однако бустеры не нашли применения на железных дорогах России.

Регулировать напряжение, изменяя реактивные мощности, и, следовательно, потери напряжения, можно путем использования таких устройств, как синхронные компенсаторы [39,52], установки продольной и поперечной емкостной компенсации[15,43,44,45,46,47], управляемые и шунтирующие реакторы [39].

Изменяя сопротивление сети и влияя при этом на потери напряжения, можно улучшить режим напряжения. Одним из средств уменьшения реактивного сопротивления сети является продольная компенсация — последовательное включение конденсаторов [15,47]. Уменьшить сопротивление тяговой сети можно подвеской усиливающих проводов или системой усиливающего и экранирующего провода [20]. В системе 2×25кВ [21] питающий провод так же можно рассматривать, как средство уменьшения сопротивления тяговой сети.

В зарубежных странах в качестве одного из основных направлений усиления сети рассматривается использование современного высоковольтного быстродействующего электронного оборудования. Таким оборудованием являются FACTS (Flexible AC Transmission System), построенные на основе тиристор-ной технологии, позволяющие в реальном времени контролировать и управлять перетоками мощности и, следовательно, напряжением [52]. Устройствами FACTS могут быть шунтовые компенсаторы SVC, TCSC, STATCOM, а также продольные конденсаторы CSC, GTO-CSC и статические компенсаторы SVC.

Следует отметить работы С. Д. Соколова, В. Е. Марского [19,20] и другие [35], посвященные изучению усиления тяговой сети в связи с повышением массы и скорости поездов.

Для исследования эффективности вышеописанных методов различными учеными были созданы имитационные модели тяговой сети, такие модели описаны в работах [10,35,36,37]. Для расчета тяговых нагрузок изучаемого участка железной дороги автором была использована имитационная модель тяговой сети, реализованная в программном комплексе NORD, разработанном В.Е. Мар-ским.

В работах JI.A. Германа [16,48] предложен метод матричных расчетов тяговой сети совместно с системой внешнего электроснабжения в фазных координатах. Совместный расчет внешней и тяговой сетей в фазных координатах также реализован в программном комплексе Fazocor, разработанном В.П. Зака-рюкиным [49]. В данной работе, из-за необходимости проведения спектрального анализа матрицы узловых проводимостей в фазных координатах, в рамках программного комплекса СДО-6 [28] была разработана исследовательская программа расчета несимметричных режимов в фазных координатах.

Вопросам анализа чувствительности напряжений к изменениям нагрузки в электрической сети на базе спектрального и сингулярного анализа посвящены работы Н. И. Воропая, А. З. Гамма, И. И. Голуб [25,26,27], однако они не затрагивают вопросов, связанных с исследованием тяговых нагрузок. В расчетах тяговых сетей методы теории чувствительности применяются в работе JT.A. Германа [16], где автор получает матрицы чувствительности уравнительного тока, напряжения тяговой сети и потерь мощности к изменению параметров компенсирующих установок и регулирующих устройств, используя при этом матрицу узловых сопротивлений. Применяемые в данной работе методы анализа электрической сети на основе сингулярного и спектрального анализа определяются свойствами матрицы Якоби [25], значения элементов которой, определяются не только инвариантными к режиму факторами — схемой и параметрами сети, но и учитывают режим — мощности узлов.

Большой интерес к задаче распределения мощностей генерации между потребителями и доле участия конкретных генераторов в снабжении нагрузки связан с переходом энергетики к рыночным отношениям. Проблема адресности перетоков мощностей и адресности потерь решается в целом ряде зарубежных работ. Первыми из них являются работы, позволяющие для потокораспределе-ния без потерь — переток начала ветви равен перетоку конца ветви — определить коэффициенты адресности. Такие коэффициенты показывают какую часть мощности отдельного генератора получает конкретная нагрузка, и какая ее часть течет по каждой ветви схемы сети [38]. Из отечественных публикаций следует отметить работы ученых ИСЭМ СО РАН [30,31], в которых предлагается алгоритм, реализованный в виде Фортран — программы, позволяющий решить проблему адресности активной и реактивной мощностей для схем большой размерности. Работа автора, решающая задачу адресности потерь напряжения и адресности токов применительно к сетям электроснабжения железнодорожного транспорта, является пионерной. и.

Состав и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 56 наименований и приложения. Общий объем 136 стр., из них 95 стр. основного текста, 4 таблицы, 62 рисунка.

Основные результаты работы следующие:

1.Доказана возможность анализа чувствительности напряжений в сложных системах электроснабжения тяговых подстанций и в тяговой сети к изменению тяговых нагрузок и оценки эффективности методов усиления сети на основе сингулярного анализа.

2.Для симметричного режима на участке Лена — Таксимо проведен анализ уровней напряжения на шинах тяговых подстанций, в том числе и на основе сингулярного анализа матрицы Якоби и показана достаточность существующих средств поддержания уровней напряжения.

3.Разработан алгоритм и на его основе проведен анализ по выявлению наиболее сенсорной фазы напряжения в процессе спектрального анализа матрицы узловых проводимостей в фазных координатах и предложен подход для снижения несимметрии напряжения.

4.Разработан алгоритм адресности токов в электрической сети и на его основе:

•получен алгоритм определения вклада генераторов и источников реактивной мощности в уровни напряжений в электрической сети;

•исследована связь составляющих падений напряжений, обусловленных активными и реактивными мощностями, активными и реактивными составляющими токов, текущих от разных генераторов, позволяющая определить средства для нормализации уровней напряжения в электрической сети.

Разработаны ФОРТРАН — программы:

• программа, моделирующая тяговую нагрузку как симметричную нагрузку в узлах подключения тяговых подстанций;

• программа перевода параметров сбалансированного режима трехфазной симметричной сети в фазные координаты;

• программа, моделирующая в фазных координатах элементы тяговой сети для проведения совместного анализа внешней и тяговой сетей;

• программа адресности токов в электрической сети и на ее основе программа определения вклада генераторов в падения напряжений в электрической сети.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.