Введение к работе
Актуальность исследования. Железнодорожный транспорт является крупным потребителем электроэнергии. За 2010 г. железные дороги России потребили 44321 млн кВтч, из них на тягу поездов – 38589. Среди расходов ОАО «РЖД» плата за электроэнергию в среднем по сети дорог составляет 9 %, или 88451 млн р.
Крупномасштабные инвестиционные проекты холдинга ОАО «РЖД» по увеличению грузооборота предполагают увеличение нагрузки на существующие участки электрифицированных железных дорог, что влечет за собой их перегрузку, следовательно, актуальной является проблема обеспечения пропуска по участкам железных дорог требуемого количества пар поездов.
С другой стороны, в условиях роста цен на энергоносители и возрастающей конкуренции со стороны других видов транспорта одной из приоритетных задач энергетической стратегии железнодорожного транспорта является снижение эксплуатационных расходов за счет уменьшения энергоемкости перевозочного процесса. «Программой инновационного развития ОАО «РЖД» на период до 2015 года» определен критерий оценки эффективности работы в данном направлении – снижение удельного расхода электроэнергии на тягу поездов на
4 % до 2015 г. Это определяет необходимость разработки мероприятий по усилению системы тягового электроснабжения (СТЭ).
Известные способы усиления, такие как снижение сопротивления тяговой сети, применение более мощных и эффективных по конструкции трансформаторов, более экономичного электроподвижного состава, являются эффективными, но и затратными.
Наименее капиталоемким, а в некоторых случаях и единственно возможным рациональным способом усиления СТЭ переменного тока является использование устройств поперечной компенсации реактивной мощности (КУ).
Существует множество схем КУ, отличающихся характеристиками и стоимостью. Однако из всего этого множества необходимо выбрать тот единственный вариант, который обеспечит эффективное вложение средств.
Кроме того, учитывая специфику работы железнодорожного транспорта, а это несимметричная, несинусоидальная и резкопеременная нагрузка, особое внимание следует уделять вопросу управления мощностью КУ, т. е. применению регулируемых устройств. Способ управления должен быть основан на анализе как можно большего количества показателей работы системы тягового электроснабжения.
Перевод устройств в регулируемый режим сопряжен с увеличением числа включения и отключения установок, которые сопровождаются перенапряжениями на их основном оборудовании, снижая надежность его работы. Поэтому необходимо рассмотреть способы ограничения коммутационных перенапряжений.
Цель диссертационной работы – разработка алгоритма дискретного управления работой устройства поперечной компенсации реактивной мощности с переменной выдержкой времени, адаптированной к режиму тяги, и способа снижения коммутационных перенапряжений на элементах этого устройства для повышения эффективности работы системы тягового электроснабжения переменного тока.
Достижение поставленной цели требует решения следующих задач.
1. Систематизировать по энергетической эффективности внедрение в эксплуатацию существующие в мировой практике и на железных дорогах России способы повышения качества электроэнергии и управления потоками реактивной мощности.
2. Разработать алгоритм управления устройством поперечной компенсации реактивной мощности на основе технико-экономического анализа работы СТЭ.
3. Провести оценку эффективности предложенного алгоритма управления КУ на модели системы тягового электроснабжения.
4. Разработать мероприятия по повышению надежности работы КУ за счет снижения коммутационных перенапряжений на его элементах.
5. Оценить экономический эффект и энергетическую эффективность внедрения регулируемого КУ.
Методы исследования. В основу работы положены теоретические и экспериментальные исследования, а также имитационное моделирование системы тягового электроснабжения на ЭВМ. Использованы основные законы и методы расчета линейных и нелинейных электрических цепей, положения математической статистики и теории вероятностей. Экспериментальные исследования проведены с использованием многоканального информационно-вычислительного комплекса «Омск-М» и программно-технического измерительного комплекса РЕТОМ-51 с последующим применением пакета прикладных программ обработки экспериментальных данных.
Научная новизна работы заключается в следующем:
разработан алгоритм управления КУ, при включении и отключении которого используется адаптированная к нагрузке тяговой подстанции переменная выдержка времени, определяемая на основании анализа показателей энергоэффективности работы устройства;
предложен алгоритм управления синхронизированным гибридным выключателем, применяемым для реализации способа снижения коммутационных перенапряжений на элементах КУ при его включении, основанного на выводе добавочного сопротивления из цепи устройства в момент перехода его тока через нулевое значение.
Достоверность научных положений и результатов диссертационной работы обоснована теоретически и подтверждена экспериментально с использованием современных методов измерения, оборудования и приборов. Расхождение теоретических и экспериментальных данных не превышает 7 %.
Практическая ценность диссертации и реализация результатов работы. На основании теоретических и экспериментальных исследований разработаны и доведены до внедрения:
алгоритм управления КУ с переменной выдержкой времени на его включение и отключение, учитывающий потребление тяговой подстанцией активной и реактивной мощности, ресурс коммутационных аппаратов и производящий статистическую обработку тяговой нагрузки;
алгоритм управления синхронизированным гибридным выключателем, используемым для снижения коммутационных перенапряжений на элементах КУ при его включении.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на научно-практической конференции «Ресурсосберегающие технологии на Западно-Сибирской железной дороге» (Омск, 2010), международной заочной научной конференции «Актуальные вопросы технических наук» (Пермь, 2011), международной научно-практической конференции «Наука и современность-2011» (Новосибирск, 2011), конкурсе инновационных проектов «Новое звено-2011» в рамках V ежегодного слета молодежи ОАО «РЖД» (Москва, 2011), научно-техническом семинаре ОмГУПСа «Повышение эффективности работы железнодорожного транспорта, объектов промышленной теплоэнергетики, телекоммуникационно-информационных систем, автоматики и телемеханики» (Омск, 2011).
Публикации. Основное содержание диссертационной работы приведено в 12 печатных работах, включая две статьи в изданиях, входящих в перечень ВАКа и одном патенте на изобретение.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа содержит 116 страниц печатного текста, 51 рисунок, 27 таблиц и состоит из введения, четырех разделов, заключения, библиографического списка из 102 наименований и двух приложений на шести страницах.
Похожие диссертации на Повышение эффективности работы системы тягового электроснабжения переменного тока регулируемыми устройствами поперечной компенсации реактивной мощности, адаптированными к режиму тяги
