Введение к работе
Актуальность исследования. Железнодорожный транспорт является энергоемким потребителем электроэнергии. В 2010 г. для нужд электрической тяги израсходовано 38,59 млрд кВтч электроэнергии, что составило 3,8 % от ее общей выработки в стране. В этот же период доля затрат на оплату электроэнергии в среднем по сети дорог России составила 7,5 % от общих эксплуатационных расходов, а на отдельных железных дорогах превышала 9 %.
В соответствии с распоряжением президента ОАО «Российские железные дороги» от 11 февраля 2008 г. утверждена Энергетическая стратегия железнодорожного транспорта на период до 2010 года и на перспективу до 2030 года. Одним из главных целевых ориентиров стратегии является снижение энергоемкости перевозочного процесса.
Закон Российской Федерации от 23 ноября 2009 г. № 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации» направлен на организацию и проведение дополнительных экономических и организационных мероприятий по стимулированию энергосбережения и повышению энергетической эффективности. Для ОАО «РЖД» актуален вопрос повышения энергетической эффективности железнодорожного транспорта, в том числе на тягу поездов.
Одним из эффективных направлений в области снижения энергоемкости перевозочного процесса и повышения энергетической эффективности является снижение протекания реактивной мощности по сетям, уравнительных потоков мощности; стабилизация напряжения на шинах тяговых подстанций и улучшение показателей качества электрической энергии в системе тягового электроснабжения.
При наличии уравнительных токов и применении рекуперативного торможения на ряде тяговых подстанций переменного тока наблюдается возврат электрической энергии в систему внешнего электроснабжения. Однако некоторые энергосбытовые компании отказываются учитывать возвращаемую из тяговой сети электрическую энергию по причинам ее низкого качества, что снижает энергетическую эффективность системы тягового электроснабжения (СТЭ).
Цель диссертационной работы – повышение энергетической эффективности системы тягового электроснабжения путем обеспечения условий внедрения сальдированного учета электрической энергии при протекании повышенных уравнительных токов и применении рекуперативного торможения за счет выбора параметров и мест размещения установок продольной и поперечной емкостной компенсации.
Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:
провести экспериментальные исследования уравнительных токов в тяговой сети и показателей качества электрической энергии на шинах тяговых подстанций переменного тока, характеризующихся возвратом электрической энергии от уравнительных потоков мощности в системе тягового электроснабжения и рекуперативного торможения;
выполнить выбор параметров и мест размещения установок продольной и поперечной емкостной компенсации по существующему методу для действующего участка электрифицированной железной дороге со сложным профилем пути при наличии уравнительных токов и применении рекуперативного торможения;
усовершенствовать методику выбора параметров и мест размещения установок продольной и поперечной емкостной компенсации в условиях протекания повышенных уравнительных токов и применения рекуперативного торможения;
провести натурные исследования показателей качества электрической энергии при выбранном варианте включения установок продольной и поперечной емкостной компенсации в условиях рекуперативного торможения и протекания уравнительных токов;
усовершенствовать метод расчета электроэнергетической системы, содержащей электротяговую нагрузку, с целью определения вторичных потоков мощности от несимметрии и несинусоидальности электротяговой нагрузки и потерь в системе тягового электроснабжения в режимах нагрузки и рекуперативного торможения;
обосновать возможность применения сальдированного учета электрической энергии в условиях рекуперативного торможения и протекания уравнительных токов при применении фильтрокомпенсирующих устройств.
Методы исследования. В основу работы положены теоретические и экспериментальные исследования, а также имитационное моделирование системы тягового электроснабжения на ЭВМ в программных комплексах Кортэс, Fazonord «Расчеты режимов и нагрузочной способности систем тягового электроснабжения в фазных координатах» и Bonbt «Итерационный метод расчета участка электроэнергетической системы, содержащей электротяговую нагрузку». Использованы основные законы и методы расчета линейных и нелинейных электрических цепей, положения математической статистики и теории вероятностей. Экспериментальные исследования проведены с применением 18-канальных измерительно-вычислительных комплексов (ИВК) «Омск-М» с последующим использованием пакета прикладных программ обработки экспериментальных данных.
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем: решен комплекс задач по повышению энергетической эффективности системы тягового электроснабжения в условиях протекания уравнительного тока и применения рекуперативного торможения.
К наиболее значимым необходимо отнести такие теоретические результаты:
усовершенствована методика выбора параметров и мест размещения установок продольной и поперечной емкостной компенсации, учитывающая показатели качества электрической энергии (ПКЭ) в условиях протекания повышенных уравнительных токов и применения рекуперативного торможения;
предложены алгоритмы определения вторичных потоков мощности в системах тягового и внешнего электроснабжения, позволяющие оценить эффективность выбранных параметров установок продольной и поперечной емкостной компенсации в режимах тяги и рекуперации за счет снижения потерь электрической энергии от несимметрии и нелинейности электротяговой нагрузки.
Достоверность научных положений и результатов диссертационной работы обоснована теоретически и подтверждена результатами экспериментальных исследований, выполненных на действующих тяговых подстанциях Северной, Южно-Уральской, Западно-Сибирской, Красноярской, Забайкальской, Дальневосточной железных дорог.
Практическая ценность и реализация результатов работы:
усовершенствованная методика выбора параметров и мест размещения установок продольной и поперечной емкостной компенсации за счет использования имитационного моделирования в программном комплексе Fazonord в условиях протекания повышенных уравнительных токов и применения рекуперативного торможения позволяет учитывать требования, предъявляемые к качеству электрической энергии;
усовершенствованный метод расчета электроэнергетической системы, содержащей электротяговую нагрузку, позволяет определять вторичные потоки мощности от несимметрии и несинусоидальности электротяговой нагрузки и потери в СТЭ в режимах тяговой нагрузки и рекуперативного торможения;
разработаны и внедрены на сети железных дорог методические рекомендации по обоснованию внедрения сальдированного учета электроэнергии на тяговых подстанциях.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на пятой европейской научно-технической конференции «Транспорт как средство глобализации» (Чехия: Прага и Пардубице, 2007); на XIV международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современная техника и технологии» (Томск, 2008); на научно-практической конференции «Инновационные проекты и новые технологии на железнодорожном транспорте» (Омск, 2008); на научно-техническом семинаре кафедры «Теоретическая электротехника» Омского государственного университета путей сообщения (Омск, 2010); на научно-техническом семинаре Омского государственного университета путей сообщения «Повышение эффективности работы железнодорожного транспорта, объектов промышленной теплоэнергетики, телекоммуникационно-информационных систем, автоматики и телемеханики» (Омск, 2011).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 13 печатных статей (из них четыре – в изданиях, рекомендованных ВАК РФ).
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, списка литературных источников из 127 наименований и пяти приложений и содержит 174 стр. основного текста, 108 рисунков и 22 таблицы.
