Содержание к диссертации
Введение
1. Многопульсовые выпрямительно-инверторные преобразователи тяговых подстанций при симметричном синусоидальном питающем напряжении 8
1.1 Анализ схем многопульсовых выпрямительно-инверторных преобразователей тяговых подстанций 8
1.2 Гармоники сетевого тока шести- и двенадцатипульсового инвертора при симметричном синусоидальном питающем напряжении 15
1.3 Влияние конструктивной несимметрии вентильных обмоток преобразовательного трансформатора на гармонический состав кривой сетевого тока инвертора при симметричном синусоидальном питающем напряжении 22
Выводы 26
2. Гармонический анализ кривой сетевого тока шестипульсового инвер тора при несимметричном несинусоидальном питающем напряжении 27
2.1 Гармоники кривой сетевого тока шестипульсового инвертора при несимметричном синусоидальном питающем напряжении 27
2.2 Гармоники кривой сетевого тока шестипульсового инвертора при симметричном несинусоидальном питающем напряжении 55
2.3 Гармоники кривой сетевого тока шестипульсового инвертора при несимметричном несинусоидальном питающем напряжении 61
Выводы 70
3. Гармонический анализ кривой сетевого тока двенадцатипульсового инвертора при несимметричном несинусоидальном питающем напряжении 73
3.1 Гармоники кривой сетевого тока двенадцатипульсового инвертора при несимметричном синусоидальном питающем напряжении 73
3.2 Гармоники кривой сетевого тока двенадцатипульсового инвертора при симметричном несинусоидальном питающем напряжении 90
3.3 Гармоники кривой сетевого тока двенадцатипульсового инвертора при несимметричном несинусоидальном питающем напряжении..-. 96
Выводы 107
4. Анализ качества электрической энергии, возвращаемой инверторами в сеть энергосистем 109
4.1 Расчет коэффициента искажения синусоидальности кривой питающего напряжения при возврате электроэнергии инверторами в сеть энергосистем 109
4.2 Экспериментальные исследования качества электрической энергии на тяговых подстанциях постоянного тока 113
4.2.1 Сравнительный анализ токов нагрузки в режиме потребления электроэнергии на тягу поездов.и в режиме возврата избыточной энергии рекуперации 116
4.2.2 Сравнительный анализ коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения в.режиме тяги и в режиме возврата избыточной энергии рекуперации 118
4.3 Программный комплекс для определения гармоник многопульсового выпрямительно-инверторного преобразователя при различных режимах работы питающей системы 120
4.4 Оценка адекватности разработанной математической модели
электромагнитных процессов в шести- и двенадцатипульсовом инверторах 123
4.4.1 Оценка адекватности математической'модели с использованием F-критерия Фишера 123
4.4.2 Оценка адекватности математической модели с использованием элементов корреляционного анализа 127
4.5 Расчет экономического эффекта от внедрения «Методических рекомендаций по обоснованию внедрения сальдированного учета электроэнергии на тяговых подстанциях» 130
Выводы 133
Заключение 135
Библиографический список 137
Приложение
- Гармоники сетевого тока шести- и двенадцатипульсового инвертора при симметричном синусоидальном питающем напряжении
- Гармоники кривой сетевого тока шестипульсового инвертора при симметричном несинусоидальном питающем напряжении
- Гармоники кривой сетевого тока двенадцатипульсового инвертора при симметричном несинусоидальном питающем напряжении
- Экспериментальные исследования качества электрической энергии на тяговых подстанциях постоянного тока
Введение к работе
Железнодорожный транспорт занимает ведущее место в транспортном комплексе России. На долю железных дорог приходятся основные объемы грузовых (80 — 82 %) и значительная часть пассажирских перевозок (40 -46 %). Железнодорожный транспорт относится к надежному виду транспорта, играющему важную роль в развитии экономики страны. Осуществляя основные для государства объемы перевозок, железнодорожный транспорт России, естественно, является одним из самых крупных и стабильных транспортных потребителей энергоресурсов [1]. Поэтому задача снижения доли затрат на потребляемые энергоресурсы в себестоимости перевозочного процесса является одной из наиболее актуальных для железнодорожного транспорта. Ориентация железнодорожного транспорта главным образом на электропотребление совпадает с общей направленностью энергетики страны [2]. В целом по сети железных дорог России ежегодно расходуется 5 — 6% вырабатываемой в стране электроэнергии, что составляет свыше 40 млрд. кВт-ч, в том числе 82 % приходится на тягу поездов [3]. Поэтому существенной составляющей затрат на энергоресурсы являются затраты на электроэнергию, расходуемые на тягу поездов.
Одним из направлений повышения эффективности использования электроэнергии на тягу поездов является применение рекуперативного торможения электроподвижного состава. Для обеспечения возврата избыточной энергии рекуперации в сети питающих энергосистем на тяговых подстанциях посто-янного тока необходима установка инверторов.
В соответствии с действующими техническими указаниями Департамента электрификации и электроснабжения ОАО «Российские железные дороги» применение выпрямительно-инверторных преобразователей (ВИП) при проектировании и реконструкции тяговых подстанций постоянного тока допускается только в тех случаях, когда имеется надлежащим образом оформленное согласие энергоснабжающей организации на учет возвращаемой из тяговой сети электроэнергии в общих расчетах за электроэнергию, потребляемую ОАО «РЖД» [4]. Однако некоторые энергосистемы отказываются принимать к расчету объемы возвращаемой из тяговой сети электрической энергии, аргументируя отказ рядом причин, наиболее весомой из ко-торых является несоответствие ее качества требованиям ГОСТ 13109-97 [5].
В настоящее время наиболее распространенным методом определения показателей качества электрической энергии являются экспериментальные
измерения. Однако при сооружении новых и реконструкции существующих
тяговых подстанций использование такого подхода для определения возмож
ного искажения качества возвращаемой электрической энергии, обусловлен
ного применением инверторов, не представляется возможным. Поэтому наи
более эффективными способами являются математические методы модели
рования, которые должны обладать высокой степенью детализации, возмож
ностью исследования динамики развития процессов, высокой степенью дос
товерности получаемых результатов. >
Существующие в настоящее время методы- анализа электромагнитных процессов в многопульсовых выпрямительно-инверторных преобразователях не- позволяют в полной мере достоверно определять показатели качества электрической энергии, возвращаемой инверторами в систему внешнего электроснабжения-
Цель диссертационной работы — оценка качества электрической энергии для обоснования применения инверторов на тяговых подстанциях постоянного тока путем использования усовершенствованных методов анализа электромагнитных процессов в многопульсовых выпрямительно-инверторных преобразователях с учетом несимметричных и несинусоидаль-ньгх режимов-работы системы внешнего электроснабжения.-
Для достижения'указанной цели в,диссертации поставлены следующие задачи:
уточнить метод расчета несимметричных питающих напряжений за счет использования комплексных значений коэффициента несимметрии напряжений по обратной» последовательности для обеспечения адекватности расчетных и экспериментальных результатов-исследований гармоник кривой сетевого тока в заданном режиме;
усовершенствовать,метод расчета углов коммутации вентильных токов на основе разработанной математической модели электромагнитных процессов в шести- и двенадцатипульсовом инверторах при несимметричных несинусоидальных режимах работы питающей системы путем применения метода простых итераций;
3)' усовершенствовать метод расчета сетевого тока многопульсового инвертора за счет использования уравнений, описывающих нелинейный характер его изменения в периоды коммутации при несимметричном несинусоидальном питающем напряжении, с учетом конструктивной несимметрии вентильных обмоток преобразовательного трансформатора;
разработать программный комплекс для обоснования целесообразности применения инверторов на тяговых подстанциях постоянного тока путем расчета гармоник преобразователя при несимметричных несинусоидальных режимах работы питающей системы; ,
оценить достоверность теоретических исследований качества электроэнергии, возвращаемой из тяговой сети в систему внешнего электроснабжения, путем экспериментальных измерений на тяговых подстанциях постоянного тока и экономическую эффективность от внедрения полученных результатов.
Методы исследования. Теоретические исследования проведены с использованием законов Кирхгофа, метода симметричных составляющих, метода простых итераций, разложения периодической функции в ряд Фурье. Расчеты производились с использованием программного комплекса, разработанного на языке Delphi, а также выполнялись в математической среде Math-cad. В работе использованы основные положения теории вероятностей и математической статистики.
Экспериментальные исследования проведены с применением многоканального измерительно-вычислительного комплекса (ИВК) «Омск-М».
Научная, новизна работы-состоит в;следующем:
уточнен метод расчета несимметричных питающих напряжений за счет использования- комплексных значений коэффициента несимметрии напряжений по-обратной последовательности для обеспечения* адекватности расчетных и экспериментальных результатов исследований гармоник кривой сетевого тока в заданном режиме;
усовершенствован метод расчета углов коммутации вентильных токов на основе разработанной математической, модели электромагнитных процессов в шести- и двенадцатипульсовом инверторах при несимметричных несинусоидальных режимах работы питающей системы путем применения метода простых итераций;
усовершенствован метод расчета сетевого тока многопульсового инвертора за счет использования уравнений, описывающих нелинейный характер его изменения в периоды коммутации при несимметричном несинусоидальном питающем напряжении, с учетом конструктивной несимметрии вентильных обмоток преобразовательного трансформатора.
Достоверность научных положений и результатов* обоснована теоретически и подтверждена экспериментальными исследованиями, выполненными на тяговых подстанциях Западно-Сибирской железной дороги. Расхож-
дение результатов теоретических исследований с экспериментальными данными не превышает 10 %.
Практическая ценность заключается в следующем:
усовершенствованные методы анализа электромагнитных процессов в многопульсовых выпрямительно-инверторных преобразователях с учетом несимметричных и несинусоидальных режимов работы системы внешнего электроснабжения позволяют принять научно-обоснованные решения о возможном применении инверторов.при проектировании и реконструкции тяговых подстанций постоянного тока;
разработанный программный комплекс позволяет рассчитать гармоники преобразователя при несимметричных несинусоидальных режимах работы питающей системы для определения соответствия качества электроэнергии, возвращаемой инверторами в систему внешнего электроснабжения, требованиям ГОСТ 13109-97;
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 XIII международной научно-практической конференции «Современные техника и технологии» (Томск, 2007), международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы Транссиба на современном этапе. Кадровое и научно-техническое обеспечение процессов интеграции в мировую транспортную систему» (Новосибирск, 2007); 'XIV международной научно-практической конференции «Современные техника и технологии» (Томск, 2008); научно-практической конференции «Энерго- и ресурсосбережение* в структурных подразделениях Западно-Сибирской железной дороги» (Омск, 2008).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 13 печатных работ, в том числе 12 статей (из них два - в изданиях, рекомендованных ВАК Минобразования РФ) и одни тезисы доклада..
Структура, и объем диссертации. Диссертация состоит из введения,
четырех глав, списка литературы из 114 наименований и четырех приложе
ний. Работа изложена на 148 страницах основного текста, содержит 53 ри
сунка, 19 таблиц. '
Гармоники сетевого тока шести- и двенадцатипульсового инвертора при симметричном синусоидальном питающем напряжении
Работа выпрямительно-инверторного преобразователя тяговой подстанции постоянного тока при симметричном питающем напряжении является предметом обширных исследований. Значительный вклад в исследование электромагнитных процессов в выпрямителях и инверторах при симметричном питающем напряжении внесли М. П. Бадер, Б. С. Барковский, Г. Н. Блавдзевич, А. Т. Бурков, В . П. Вологдин, С. Р. Глинтерник, И. Л. Каганов, М. П. Костенко, К. А. Круг, В . П. Маценко, Л. Р. Нейман, Ю. П. Неугодников, А. В. Поссе, Я. М. Червоненкис, М. Г. Шалимов, Б. М. Шляпошников и другие ученые [9, 11, 25, 34, 35, 40 - 42, 54 - 62]. Однако, подавляющее большинство работ относится, к исследованию электромагнитных процессов в управляемых и неуправляемых выпрямителях, и недостаточно исследо-ван гармонический состав кривой сетевого тока инвертора.
Проблема качества напряжения и тока в электрической системе в той или иной мере рассматривалась учеными с начала использования переменного тока. Первые публикации, связанные с теоретическими и экспериментальными исследованиями высших гармоник тока и напряжения в сетях электрических систем, появились в начале XX века. Интересные закономерности, которым подчиняются гармоники переменного тока установлены в работах, в частности, Дж. Арриллага, М. П. Бадера, А. Т. Буркова, С. Р. Глинтерника, И. В. Жежеленко, Ю. С. Железко, Ю. С. Крайчика, А. В. Поссе, В. И. Соколова, Я. М. Червоненкиса, М. А. Чернышева, Б. М. Шляпошникова, и ряда других отечественных и зарубежных авторов [9, 11, 54 - 78].
Выпрямительно-инверторные преобразователи тяговых подстанций постоянного тока, потребляя из питающей сети несинусоидальный ток, генерируют в питающую сеть переменного тока высшие гармоники. Токи высших гармоник протекают по элементам сети переменного тока и вызывают падение напряжения на сопротивлениях этих элементов, что приводит к появлению несинусоидальности напряжения в сети, дополнительных потерь напряжения и мощности и ухудшению изоляции электрооборудования. Кроме того, протекая по линиям системы внешнего электроснабжения, проходящим вдоль воздушных и кабельных линий связи, токи высших гармоник оказывают существенное мешающее влияние на их работу [79].
Взаимодействие выпрямительно-инверторных преобразователей с питающей энергосистемой выражается в первую очередь в искажении данным агрегатом кривой сетевого тока и питающего напряжения вследствие специфичности работы вентильных обмоток преобразовательного трансформатора. Для оценки этого искажения, а также для учета энергии рекуперации, возвращаемой в сети энергосистем, при взаиморасчетах с энергоснабжающей организацией необходим анализ гармоник кривой сетевого тока при различных режимах работы питающей сети. Эта задача довольно легко решается аналитически при симметричных и синусоидальных питающих напряжениях.
Порядок гармоник, содержащихся в кривой сетевого тока преобразовательного трансформатора, при симметричном синусоидальном питающем напряжении зависит от числа пульсаций кривой выпрямленного напряжения и определяется как для выпрямительного, так и для инверторного режима по выражению [42]
При работе в инверторном режиме углы коммутации вентильных токов преобразователя меньше, чем при работе в выпрямительном, что связано с наличием угла опережения открытия вентилей. Это обусловливает большее искажение формы кривой сетевого тока инвертора по сравнению с выпрямителем при одной и той же схеме преобразования (рис. 1.5).
Из анализа зависимостей, показанных на рис. 1.5, видно, что с ростом нагрузки улучшается форма кривой сетевого тока как для выпрямителя, так и для инвертора.
Таким образом, с увеличением числа пульсаций коэффициент искажения формы кривой сетевого тока преобразователей стремится к единице, а гармонический состав сетевого тока улучшается. Это обусловливает улучше ние условий электромагнитной совместимости системы тягового, электро снабжения с питающей системой.
Гармоники кривой сетевого тока шестипульсового инвертора при симметричном несинусоидальном питающем напряжении
В настоящее время в электроэнергетике и на железнодорожном транспорте значительное распространение получили нелинейные нагрузки, потребляющие из сети ток, кривая» которого оказывается-несинусоидальной. В результате возникают нелинейные искажения кривой напряжения, сети, или несинусоидальные режимы, которые неблагоприятно сказываются на работе силового электрооборудования, систем автоматики, телемеханики и связи. Выпрямительно-инверторный преобразователь вследствие особенностей своей работы в выпрямительном режиме потребляет или наоборот,, в инверторном отдает переменный ток, который содержит высшие гармоники.
Поэтому напряжение на стороне переменного тока выпрямительно-инверторного преобразователя всегда является несинусоидальным. Высшие гармоники, содержащиеся в кривой напряжения переменного тока, влияют на постоянную и переменную составляющие ЭДС преобразователя. Возникающее в результате этого искажение кривой ЭДС преобразователя, влечет за собой значительное изменение условий функционирования преобразователя в выпрямительном и инверторном режимах.
Уравнения кривых фазных ЭДС питающей сети, выраженные относительно оси, проходящей через амплитуду первой гармоники фазы А при симметричном несинусоидальном режиме, имеют вид: где v- номер гармоники, содержащейся в кривой питающего напряжения; E(v) - значение ЭДС v -й гармоники в питающей сети; С(у)" начальный фазовый сдвиг ЭДС v-й гармоники в питающей сети.
Линейные ЭДС вентильной обмотки при симметричном несинусоидальном питающем напряжении, соединенной по схеме звезды, могут быть представлены где E2(v) - значение ЭДС v -й гармоники в вентильной обмотке преобразовательного трансформатора с учетом коэффициента трансформации.
Нижний знак в уравнениях относится к гармоникам прямой последовательности (1, 7, 13 ...), а верхний - к гармоникам обратной последовательности (5, 11, 17 ...).
Кривые противоЭДС вентильной обмотки и токов фаз сетевой обмотки шестипульсового мостового инвертора при симметричном несинусоидальном питающем напряжении в режиме нагрузки изображены на рис. 2.16.
Исходя из условия, что в момент коммутации мгновенные значения-противоЭДС смежных пульсаций вентильных обмоток равны, по значению, запишем выражения для определения момента открытия вентилей шестипульсового инвертора т2 (еса =есЬ) (см. рис. 2.16)
При несинусоидальном питающем напряжении достаточно определить по выражению (2.54) один из моментов открытия вентилей (например, т2).
Остальные моменты естественного открытия вентилей вычисляются как показано на рис. 2.16.
Углы коммутации вентильных токов у мостового шестипульсового инвертора при симметричном несинусоидальном питающем напряжении для всех фаз одинаковы, поэтому можно вычислить значение одного угла. Вывод уравнения для вычисления угла у осуществляется аналогичным способом, использованным в разделе 2.1, но только с учетом рис. 2.16 и системы (2.53).
Уравнение для нахождения угла коммутации представлено в следующем ex Решение этого уравнения осуществляется численным методом в математической среде Mathcad.
Ток гармоники v-ro порядка фазы А сетевой обмотки преобразовательного трансформатора мостового шестипульсового инвертора при симметричном несинусоидальном питающем напряжении определяется по следующему выражению [93]:
Выражения для определения тока гармоник v-ro порядка фазы В и С записываются аналогичным образом в соответствии с рис. 2.16;
Численные значения коэффициентов v-й гармонической составляющей сетевого тока KI(v) мостового шестипульсового инвертора при симметричном несинусойдальном питающем напряжении в режиме номинальной нагрузки для всех трех фаз А, В, С одинаковы и для одной из фаз приведены в таблице 2.31
Гармоники кривой сетевого тока двенадцатипульсового инвертора при симметричном несинусоидальном питающем напряжении
Выполнен расчет коэффициента искажения синусоидальности кривой питающего напряжения при возврате электроэнергии инверторами в сеть энергосистем.
Разработаны и зарегистрированы в Федеральной службе по интеллектуальной собственности, патентам» и товарным знакам программные комплексы «Гармоники мостового шестипульсового инвертора при различных режимах работы питающей сети» и, «Гармоники шести-, двенадцати- и два-дцатичетырехпульсового выпрямителей тяговых подстанций».
Подтверждена достоверность и- адекватность теоретических исследований качества электрической энергии, возвращаемой из тяговой сети в сети внешнего электроснабжения; путем экспериментальных измерений на тяговых подстанциях постоянного тока с использованием F-критерия Фишера и коэффициента корреляции.
Разработаны с участием автора на основании теоретических жэкспери-ментальных исследований и в 2007 г. утверждены Департаментом-электрификации и электроснабжения ОАО «РЖД» «Методические рекомендации по обоснованию внедрения сальдированного учета электроэнергии на тяговых подстанциях», внедренные по сети железных дорог. Апробация методических рекомендаций осуществлена на тяговых подстанциях Западно-Сибирской железной дороги о чем имеется соответствующий акт внедрениям
Выполнен расчет экономического эффекта (ЧДД)от внедрения «Методических рекомендаций по обоснованию внедрения сальдированного учета электроэнергии на тяговых подстанциях» на одной тяговой подстанции Западно-Сибирской железной дороги, этот эффект за расчетный период (Т = 10 лет) составляет 6,9 млн р. в ценах 2008 г. В результате выполненного в диссертационной работе комплекса теоретических и экспериментальных исследований решена задача по оценке качества электрической энергии для обоснования применения инверторов на тяговых подстанциях постоянного тока путем использования усовершенствованных методов анализа электромагнитных процессов в многопульсовых вы-прямительно-инверторных преобразователях с учетом несимметричных и несинусоидальных режимов работы системы внешнего электроснабжения.
Основные результаты состоят в следующем: 1. Уточнен метод расчета несимметричных питающих напряжений за счет использования комплексных значений коэффициента несимметрии напряжений по обратной последовательности, позволяющий повысить точность расчета значений питающих напряжений и, соответственно, гармоник сетевого тока на 2 - 3 % в сравнении с существующим методом, обеспечивая при этом адекватность расчетных и экспериментальных результатов исследований качества электроэнергии. . Усовершенствован метод расчета углов коммутации вентильных токов на основе разработанной математической модели электромагнитных процессов в шести- и двенадцатипульсовом инверторах, позволяющий определять углы коммутации вентильных токов с учетом несимметричных несинусоидальных режимов работы питающей системы. 3. Усовершенствован метод расчета сетевого тока многопульсового инвертора за счет использования уравнений, описывающих нелинейный характер его изменения в периоды коммутации при несимметричном несинусоидальном питающем напряжении, с учетом конструктивной несимметрии вентильных обмоток преобразовательного трансформатора, для обеспечения адекватности расчетных и экспериментальных результатов исследований гармоник кривой сетевого тока. 4. Разработан и зарегистрирован в Федеральной службе по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам программный комплекс, позволяющий рассчитать гармоники шестипульсового преобразователя при несимметричных несинусоидальных режимах работы питающей системы для определения соответствия качества электроэнергии, возвращаемой инверторами в систему внешнего электроснабжения, требованиям ГОСТ 13109-97 для обоснования целесообразности применения инверторов на ТП постоянного тока. 5. Выполнен на основании предложенной математической модели тео-ретическш расчет значений коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения при возврате избыточной энергии рекуперации, подтвержденный экспериментальными измерениями на ТП постоянного тока Западно-Сибирской железной дороги, полученные значения рассматриваемого коэффициента в основном не превышают нормально» допустимых значений, установленных ГОСТ 13109-97. Адекватность теоретических исследований качества электроэнергии подтверждена статистическими методами с использованием F-критерия Фишера (для шести- и двенадцатипульсового ВИПа рассчитанное значение F не превышает критического 1,48 1,8 и-2,8 2,94 соответственно) и элементов-корреляционного анализа (коэффициент корреляции равен 0,988 И 0,987 соответственно). 6: Разработаны с участием, автора на основании теоретических иэкспе-риментальных исследований и утверждены Департаментом электрификации и электроснабжения 0А0 «РЖД» «Методические рекомендации по обоснованию внедрения сальдированного учета электроэнергии на тяговых подстанциях», внедренные на сети железных дорог. Апробация, методических рекомендаций осуществлена на ТП Западно-Сибирской железной дороги, о чем имеется соответствующий акт внедрения.. 7. Выполнен расчет экономического эффекта (ЧДД) от внедрения разработанных методических рекомендаций-, на одной тяговой подстанции» Западно-Сибирской железной дороги, который за расчетный период (Т = 10 лет) составляет 6,9 млн р. в ценах 2008 г.
Экспериментальные исследования качества электрической энергии на тяговых подстанциях постоянного тока
Железнодорожный транспорт занимает ведущее место в транспортном комплексе России. На долю железных дорог приходятся основные объемы грузовых (80 — 82 %) и значительная часть пассажирских перевозок (40 -46 %). Железнодорожный транспорт относится к надежному виду транспорта, играющему важную роль в развитии экономики страны. Осуществляя основные для государства объемы перевозок, железнодорожный транспорт России, естественно, является одним из самых крупных и стабильных транспортных потребителей энергоресурсов [1]. Поэтому задача снижения доли затрат на потребляемые энергоресурсы в себестоимости перевозочного процесса является одной из наиболее актуальных для железнодорожного транспорта. Ориентация железнодорожного транспорта главным образом на электропотребление совпадает с общей направленностью энергетики страны [2]. В целом по сети железных дорог России ежегодно расходуется 5 — 6% вырабатываемой в стране электроэнергии, что составляет свыше 40 млрд. кВт-ч, в том числе 82 % приходится на тягу поездов [3]. Поэтому существенной составляющей затрат на энергоресурсы являются затраты на электроэнергию, расходуемые на тягу поездов.
Одним из направлений повышения эффективности использования электроэнергии на тягу поездов является применение рекуперативного торможения электроподвижного состава. Для обеспечения возврата избыточной энергии рекуперации в сети питающих энергосистем на тяговых подстанциях посто-янного тока необходима установка инверторов.
В соответствии с действующими техническими указаниями Департамента электрификации и электроснабжения ОАО «Российские железные дороги» применение выпрямительно-инверторных преобразователей (ВИП) при проектировании и реконструкции тяговых подстанций постоянного тока допускается только в тех случаях, когда имеется надлежащим образом оформленное согласие энергоснабжающей организации на учет возвращаемой из тяговой сети электроэнергии в общих расчетах за электроэнергию, потребляемую ОАО «РЖД» [4]. Однако некоторые энергосистемы отказываются принимать к расчету объемы возвращаемой из тяговой сети электрической энергии, аргументируя отказ рядом причин, наиболее весомой из ко-торых является несоответствие ее качества требованиям ГОСТ 13109-97 [5].
В настоящее время наиболее распространенным методом определения показателей качества электрической энергии являются экспериментальные измерения. Однако при сооружении новых и реконструкции существующих тяговых подстанций использование такого подхода для определения возмож ного искажения качества возвращаемой электрической энергии, обусловлен ного применением инверторов, не представляется возможным. Поэтому наи более эффективными способами являются математические методы модели рования, которые должны обладать высокой степенью детализации, возмож ностью исследования динамики развития процессов, высокой степенью дос товерности получаемых результатов. Существующие в настоящее время методы- анализа электромагнитных процессов в многопульсовых выпрямительно-инверторных преобразователях не- позволяют в полной мере достоверно определять показатели качества электрической энергии, возвращаемой инверторами в систему внешнего электроснабжения Цель диссертационной работы — оценка качества электрической энергии для обоснования применения инверторов на тяговых подстанциях постоянного тока путем использования усовершенствованных методов анализа электромагнитных процессов в многопульсовых выпрямительно-инверторных преобразователях с учетом несимметричных и несинусоидаль-ньгх режимов-работы системы внешнего электроснабжения. Для достижения указанной цели в,диссертации поставлены следующие задачи: 1) уточнить метод расчета несимметричных питающих напряжений за счет использования комплексных значений коэффициента несимметрии напряжений по обратной» последовательности для обеспечения адекватности расчетных и экспериментальных результатов-исследований гармоник кривой сетевого тока в заданном режиме; 2) усовершенствовать,метод расчета углов коммутации вентильных токов на основе разработанной математической модели электромагнитных процессов в шести- и двенадцатипульсовом инверторах при несимметричных несинусоидальных режимах работы питающей системы путем применения метода простых итераций; 3) усовершенствовать метод расчета сетевого тока многопульсового инвертора за счет использования уравнений, описывающих нелинейный характер его изменения в периоды коммутации при несимметричном несинусоидальном питающем напряжении, с учетом конструктивной несимметрии вентильных обмоток преобразовательного трансформатора; 4) разработать программный комплекс для обоснования целесообразности применения инверторов на тяговых подстанциях постоянного тока путем расчета гармоник преобразователя при несимметричных несинусоидальных режимах работы питающей системы; , 5) оценить достоверность теоретических исследований качества электроэнергии, возвращаемой из тяговой сети в систему внешнего электроснабжения, путем экспериментальных измерений на тяговых подстанциях постоянного тока и экономическую эффективность от внедрения полученных результатов. Методы исследования. Теоретические исследования проведены с использованием законов Кирхгофа, метода симметричных составляющих, метода простых итераций, разложения периодической функции в ряд Фурье. Расчеты производились с использованием программного комплекса, разработанного на языке Delphi, а также выполнялись в математической среде Math-cad. В работе использованы основные положения теории вероятностей и математической статистики. Экспериментальные исследования проведены с применением многоканального измерительно-вычислительного комплекса (ИВК) «Омск-М». Научная, новизна работы-состоит в;следующем: уточнен метод расчета несимметричных питающих напряжений за счет использования- комплексных значений коэффициента несимметрии напряжений по-обратной последовательности для обеспечения адекватности расчетных и экспериментальных результатов исследований гармоник кривой сетевого тока в заданном режиме; усовершенствован метод расчета углов коммутации вентильных токов на основе разработанной математической, модели электромагнитных процессов в шести- и двенадцатипульсовом инверторах при несимметричных несинусоидальных режимах работы питающей системы путем применения метода простых итераций; усовершенствован метод расчета сетевого тока многопульсового инвертора за счет использования уравнений, описывающих нелинейный характер его изменения в периоды коммутации при несимметричном несинусоидальном питающем напряжении, с учетом конструктивной несимметрии вентильных обмоток преобразовательного трансформатора.
