Введение к работе
Актуальность исследования. В современных условиях важным направлением научных исследований является повышение эффективности использования топливно-энергетических ресурсов. Для успешного решения этой проблемы необходима разработка и внедрение энергосберегающих технологий, систем контроля и учета расхода энергоресурсов, совершенствование методик прогнозирования и нормирования, проведение последовательной энергосберегающей политики в целом.
На железнодорожном транспорте проблема энергосбережения также актуальна и связана со снижением удельных расходов энергетических ресурсов на тягу поездов и стационарную энергетику. Среди существующих причин снижения энергетической эффективности железнодорожной электроэнергетики особое место занимают проблемы качества электрической энергии (КЭ) и компенсации реактивной мощности (КРМ). Улучшение КЭ, КРМ и снижение потерь электроэнергии - взаимосвязанные проблемы, решение которых возможно с использованием способов и технических средств управления обменом реактивной мощностью.
В 2008 г. утверждена «Энергетическая стратегия ОАО «Российские железные дорога» на период до 2010 года и на перспективу до 2030 года», за основу котороіі принята энергосберегающая политика Повышение эффективности работы железнодорожного транспорта - одно из основных направлений научно-технического развития ОАО «Российские железные дороги», поэтому улучшение КЭ и КРМ как составляющие проблемы энергосбережения в отрасли являются актуальными.
Успешное решение комплекса сложных вопросов обеспечения КЭ, КРМ и снижения потерь электрической энергии во многом стало возможным благодаря работам ученых АввакумоваВ. Г., Арриллаги Дж., БадераМ. П., Бардушко В. Д., ВениковаВ. А., Германа Л. А, ГорюноваВ. Н., Железко Ю. С, ЖежеленкоИ. В., Кордюкова Е. И., Мамошина Р. Р., ЧеремисинаВ. Т., Шалимова М. Г., Шидловского А. К. и др.
Известные инструктивно-методические указания содержат рекомендации по КРМ в низковольтных электрических сетях, основанные на экономическом значении потребляемой реактивной энергии предприятием, определенной суммарной расчетной мощности компенсирующих устройств (КУ), с их последующим размещением централизованно и (или) децентрализовано в цеховых сетях. При этом сложно определить оптимальные места размещения, структуры и параметры КУ для улучшения КЭ и уменьшения потерь электроэнергии в цеховых сетях.
Цель работы - разработка методики определения оптимальных мест размещения, структур и параметров нерегулируемых КУ в низковольтных электрических сетях нетяговых железнодорожных потребителей с учетом нестационарных случайных нагрузок для снижения потерь и улучшения КЭ.
Для достижения указанной цели в диссертационной работе поставлены следующие задачи:
выполнить анализ существующих способов и технических средств снижения потерь и улучшения КЭ в электрических сетях;
провести экспериментальные исследования процессов потребления активной и реактивной мощности нагрузками в сетях действующих нетяговых железнодорожных потребителей, по результатам которых идентифицировать параметры математических моделей нагрузок;
разработать оптимизационную математическую модель для решения задачи определения оптимальных мест размещения, структур и параметров нерегулируемых КУ в низковольтных электрических сетях нетяговых железнодорожных потребителей;
предложить алгоритм определения оптимальных мест размещения, структур и параметров нерегулируемых КУ с учетом нестационарных случайных нагрузок нетяговых потребителей;
разработать методику определения оптимальных мест размещения, структур и параметров нерегулируемых КУ в низковольтных электрических сетях нетяговых железнодорожных потребителей с учетом нестационарных случайных нагрузок для снижения потерь и улучшения КЭ;
выполнить оценку экономической эффективности внедрения КУ по предложенной методике в электрических сетях ремонтного депо Западно-Сибирской железной дороги.
Методы исследования. В ходе проводимых исследований для решения поставленных задач использовались фундаментальные законы теоретической электротехники; методы симметричных составляющих и гармонического анализа; метод решения системы линейных алгебраических уравнений Гаусса; оптимизационный метод Хука-Дживса; методы синтеза электрических цепей; метод непосредственного натурного эксперимента с использованием двух сертифицированных многоканальных измерительно-вычислительных комплексов ИВК «Омск-М», анализатора количества и качества электроэнергии AR.5.
Большинство выводов и результатов работы получены с использованием системы MatLab.
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем.
Предложена математическая модель низковольтной электрической сети нетягового железнодорожного потребителя, позволяющая выполнять аналитический расчет токораспределения с учетом кондуктивного взаимовлияния фаз и нулевого провода в комплексном виде.
Разработан алгоритм определения оптимальных мест размещения, структур и параметров нерегулируемых компенсирующих устройств с учетом нестационарных случайных нагрузок нетяговых железнодорожных потребителей.
Разработана методика определения оптимальных мест размещения, структур и параметров нерегулируемых компенсирующих устройств в низковольтных электрических сетях нетяговых железнодорожных потребителей.
Предложено использовать нерегулируемые низковольтные статические КУ с различными структурами и параметрами, выбор которых зависит от места подключения КУ в сети и заданных графиков изменения нагрузок.
Достоверность научных положений и результатов диссертации подтверждается применением фундаментальных методов расчета электрических цепей (метод узловых потенциалов), сопоставлением результатов расчета по предложенной методике и схемно-технического моделирования в Simulink системы MatLab. Расхождение результатов теоретических расчетов и проведенного численного моделирования составило не более 1,04 %.
Практическая ценность диссертации. Использование предложенной методики позволяет определить оптимальные места размещения, структуры и параметры нерегулируемых КУ в низковольтных четырехпроводных электрических сетях нетяговых железнодорожных потребителей с учетом нестационарных случайных нагрузок для снижения потерь и улучшения КЭ для действующих и проектируемых объектов. Установка и подключение нерегулируемых КУ по предложенной методике позволит улучшить КЭ и снизить нагрузочные потери в электрической сети потребителя на 15 - 25 %.
Реализация результатов работы. Предложенная методика определения оптимальных мест размещения, структур и параметров нерегулируемых КУ в сетях нетяговых железнодорожных потребителей использовалась при разработке мероприятий по снижению потерь и улучшению КЭ в электрических сетях ремонтного вагонного депо ((Московка», при проведении энергетического обследования Инско-го узла Новосибирского отделения Западно-Сибирской железной дороги.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на нескольких научно-технических, научно-практических конференциях: «Энергетика, экология, энергосбережение, транспорт» (Омск, 2007); «Математическое моделирование, обратные задачи, информационно-вычислительные технологии» (Пенза, 2007); «Энергетика: управление, качество и эффективность использования энергоресурсов)) (Благовещенск, 2008); научно-технических семинарах кафедр ОмГУПСа (Омск, 2009).
Публикации. Научные материалы диссертационной работы опубликованы в одиннадцати печатных работах, в том числе три - в изданиях, включенных в перечень ВАК Министерства образования и науки РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников из 145 наименований и четырех приложений. Общий объем диссертации составляет 164 страницы, включая 44 рисунка, 18 таблиц и 4 приложения.
