Введение к работе
Актуальность исследования в соответствии с «Энергетической стратегией холдинга «Российские железные дороги» на период до 2020 года и на перспективу до 2030 года» основными инновационными энергосберегающими техническими решениями и технологиями, на которые должна быть ориентирована железнодорожная энергетика на перспективу в части снижения потерь электроэнергии в распределительных сетях и повышения качества электроэнергии в распределительных сетях, является применение современных устройств компенсации реактивной мощности, фильтр-устройств, накопителей электроэнергии и систем контроля.
Успешное решение комплекса сложных вопросов обеспечения качества электрической энергии и снижения потерь электрической энергии во многом стало возможным благодаря работам ученых Аввакумова В. Г., Арриллаги Дж., Бадера М. П., Бардушко В. Д., Веникова В. А., Германа Л. А, Горюнова В. Н., Железко Ю. С., Жежеленко И. В., Идельчика В. И., Кордюкова Е. И., Лурье Л. С., Мамошина Р. Р., Черемисина В. Т., Шалимова М. Г., Шидловского А. К. и др.
В работах ученых Веникова В. А., Идельчика В. И., Гиршина, С. С., Медведева К. М., Холмского В. Г., Синькова В. М., Богословского А. В. и других достаточно глубоко проработаны вопросы оптимизации режимов электрических сетей, приводящей к уменьшению потерь активной мощности в сетях в результате оптимального выбора мощности и места размещения компенсирующих устройств в распределительных сетях 35-10/0,4 кВ с учетом технических ограничений. Указанные задачи в работах ученых в основном решались на основе уравнений установившегося режима с использованием различных оптимизационных методов.
Оптимизации состава работающего оборудования электростанций посвящены разработки широкого круга исследователей. В результате были созданы работоспособные алгоритмы и программные комплексы. Однако еще не в полной мере осуществлена оптимизация состава и параметров технических средств для компенсации реактивной мощности и связанных с этим отклонений и колебаний напряжений, поэтому данная проблема требует развития.
Отметим, что вопросы выбора установленной мощности нерегулируемых компенсирующих устройств (КУ) проработаны достаточно подробно, а выбор установленной мощности ступенчато регулируемых КУ, статических компенсирующих устройств (СТК) представляет собой сложную задачу и недостаточно проработан в научных кругах. В настоящее время отсутствуют нормативные документы, регламентирующие количественные критерии применения различных типов компенсирующих устройств, обоснованные алгоритмы выбора их состава и параметров для решения конкретных задач. Недостаточно проработаны вопросы выбора типов и параметров КУ исходя из обеспечения требуемого качества электроэнергии (КЭ) в узле питания (особенно по колебаниям напряжения).
В основе предлагаемого алгоритма оптимизации состава и параметров КУ лежит подход, который заключается в том, что компенсацию реактивной мощности групповой резкопеременной нагрузки необходимо выполнять не одним управляемым компенсатором с высокой установленной мощностью и стоимостью, а группой устройств, причем большая доля реактивной мощности – неизменная составляющая – компенсируется нерегулируемым КУ, а переменная составляющая – регулируемыми компенсаторами с учетом технической реализуемости с оптимальным составом и их параметрами для обеспечения заданного КЭ в узле питания.
Настоящая работа посвящена разработке алгоритма оптимизации состава и параметров компенсирующих устройств в распределительных электрических сетях нетяговых потребителей. Особое внимание уделено вопросам компенсации реактивной мощности при резкопеременных нагрузках, учету реальных графиков изменения нагрузок, определению допустимых диапазонов изменения реактивной мощности при соблюдении заданных значений колебаний, отклонений напряжения и других режимно-технологических ограничений.
Целью диссертационной работы является обеспечение требуемой компенсации реактивной мощности, отклонений и колебаний напряжения путем совершенствования алгоритмов оптимального выбора состава и параметров компенсирующих устройств в распределительных электрических сетях нетяговых потребителей.
Для достижения указанной цели в диссертационной работе необходимо решить следующие задачи:
1. Провести сравнительный анализ современных технических средств компенсации реактивной мощности и обосновать условия их применения в распределительных сетях нетяговых потребителей.
2. Выполнить анализ реальных графиков нагрузок, идентифицировать их параметры и обосновать значения параметров в качестве расчетных.
3. Разработать математическую модель трехфазной четырехпроводной электрической сети для расчета установившихся режимов и определения их влияния на выбор типов и параметров КУ.
4. Разработать алгоритм оптимизации состава и параметров технических средств для компенсации реактивной мощности и связанных с этим колебаний и отклонений напряжения.
5. Выполнить апробацию разработанных алгоритмов оптимизации состава и параметров КУ в условиях реальной системы электроснабжения нетяговых потребителей и оценить экономическую эффективность оптимизации состава и параметров компенсирующих устройств.
Методы исследования. В ходе проводимых исследований использовались теоретические и экспериментальные методы: теории электрических цепей; расчета трехфазных электрических сетей в условиях несинусоидальности токов и напряжений; непосредственного натурного эксперимента; теории вероятностей и математической статистики; нелинейной оптимизации.
Большинство выводов и результатов работы получено с использованием в математических программах средств вычислительной техники.
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем.
1. Предложен подход к выбору типов и установленной мощности КУ в распределительных сетях железнодорожного транспорта на основе оптимизационных алгоритмов.
2. Разработан алгоритм оптимизации состава и параметров КУ, учитывающий реальные графики изменения нагрузок, степень влияния КУ на показатели качества электроэнергии и другие параметры режима, а также изменение удельных затрат на компенсацию реактивной мощности в зависимости от установленной мощности КУ.
3. Предложен алгоритм определения количества и мощности ступеней компенсирующего устройства при переменном характере нагрузки.
Достоверность научных положений и результатов диссертации подтверждается использованием фундаментальных методов расчета электрических цепей (метод узловых потенциалов), сопоставлением результатов математического моделирования и натурных измерений с расхождением полученных данных в пределах 4,5 %. Адекватность математической модели подтверждена с помощью критерия Стьюдента.
Практическая ценность исследования. Использование предложенных математической модели и алгоритмов позволяет определить оптимальный состав и параметры КУ для получения требуемых характеристик установившихся режимов по реактивной мощности, отклонениям и колебаниям напряжения при минимальных материальных затратах.
Реализация результатов работы. Результаты исследований использовались при разработке энергосберегающих технологий и мероприятий по снижению потерь и улучшению КЭ в электрических сетях нетяговых потребителей, приняты к внедрению в вагонном ремонтном депо Московка Западно – Сибирской дирекции по ремонту грузовых вагонов – структурного подразделения центральной дирекции по ремонту грузовых вагонов – филиала открытого акционерного общества «Российские железные дороги».
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на нескольких научно-технических, научно-практических конференциях различного уровня: «Идентификация, измерение характеристик и имитация случайных сигналов (состояние, перспективы развития)» (Новосибирск, 2009), «Проблемы развития железнодорожного транспорта» (Красноярск, 2009), «Энергоэффективность», «Ресурсосберегающие технологии на Западно-Сибирской железной дороге» (Омск, 2010), «Инновации для транспорта» (Омск, 2010).
Публикации. По результатам проведенных исследований опубликовано 10 научных работ, в том числе одна – в издании, включенном в перечень ВАК Министерства образования и науки РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников из 107 наименований и одного приложения и содержит 147 страниц основного текста, 11 таблиц и 50 рисунков.
