Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ состояния вопроса и выявление ниши научных исследований по устройствам компенсации реактивной мощности в системе тягового электроснабжения 13
1.1. Критерии и методы повышения эффективности систем электроснабжения 13
1.2. Обзор и анализ методов управления потреблением реактивной мощности в сложной системе тягового электроснабжения 17
1.3 Анализ выбора параметров устройств параллельной компенсации реактивной мощности и постановка задачи повышения их эффективности с использованием методов системного анализа 21
Выводы: 26
ГЛАВА 2. Структурный и параметрический синтез системы параллельной компенсации реактивной мощности в тяговой сети, управляемой по изменею параметров нагрузок в реальном времени 27
2.1. Пространственный и параметрический анализ устройства параллельной компенсации реактивной мощности 27
2.3. Оценка эффективности размещения устройства параллельной компенсации реактивной мощности по критерию минимальных потерь активной мощности в тяговой сети 44
2.4. Синтез закона управления устройством параллельной компенсации реактивной мощности по критерию минимальных потерь в тяговой сети 46
2.5. Построение структурной схемы системы параллельной компенсации реактивной мощности, управляемой по критерию минимальных потерь в тяговой сети 52
2.6. Численное обоснование применимости закона управления устройством параллельной компенсации реактивной мощности 55 Выводы: 57
ГЛАВА 3. Разработка динамической имитационной модели и оценка на ее основе эффективности системы параллельной компенсации реактивной мощности, управляемой по заданному закону 58
3.1 Декомпозиция сложной системы тягового электроснабжения в среде MatLab 58
3.2. Оценка погрешности моделирования 61
3.3. Область применения полученной оценки погрешности моделирования. 3.4. Формирование масштабных коэффициентов и представление тяговых расчетов в имитационном моделировании, реализуемом в среде MatLab 72
3.5. Построение имитационной динамической модели системы компенсации реактивной мощности, управляемой по заданному закону и оценка ее
эффективности 75
Выводы: 90
ГЛАВА 4. Способы повышения эффективности управляемой системы компенсации реактивной мощности со ступенчатым регулированием мощности . 92
4.1. Методика расчета нескомпенсированных потерь мощности в тяговой сети при использовании компенсирующей устройства со ступенчатым управлением 92
4.2 Методика определения эффективного времени работы ступеней компенсирующей устройства 99
Выводы: 103
Заключение 105
Библиографический список
- Обзор и анализ методов управления потреблением реактивной мощности в сложной системе тягового электроснабжения
- Анализ выбора параметров устройств параллельной компенсации реактивной мощности и постановка задачи повышения их эффективности с использованием методов системного анализа
- Оценка эффективности размещения устройства параллельной компенсации реактивной мощности по критерию минимальных потерь активной мощности в тяговой сети
- Методика определения эффективного времени работы ступеней компенсирующей устройства
Введение к работе
Актуальность работы. Ежегодно в среднем на 3% по сети возрастает объем железнодорожных грузоперевозок, что оказывает повышенную нагрузку на оборудование системы тягового электроснабжения, в ряде случаев имеющего срок службы более 30 лет. Уже сегодня при пропуске поездов массой более 6 тыс. тонн при возрастании токовой нагрузки возникает ряд «узких мест» по системе тягового электроснабжения, обусловленных нагревом оборудования, снижением уровня напряжения в контактной сети и соответствующим увеличением потерь электроэнергии.
Двигатель электровоза в совокупности с выпрямителем и его трансформатором является активно-индуктивной нагрузкой с высоким реактивным электропотреблением. Увеличение нагрузок как следствие увеличения масс поездов и их числа приводит к возрастанию реактивного электропотребления, увеличению потерь и соответствующему ограничению пропускной способности железной дороги. В отличие от промышленных и городских систем электроснабжения система тягового электроснабжения имеет резко переменный характер изменения нагрузки, что является основной особенностью исследований в данной области.
Одним из наиболее эффективных направлений по снижению реактивного электропотребления в тяговой сети является применение устройств параллельной компенсации реактивной мощности. Вопросам использования компенсирующих устройств, а также оптимизации их работы посвящены труды ряда отечественных ученых, таких как Герман Л.А., Бородулин Б.М., Мамошин P.P., Чернов Ю.А., Серебряков А.С., Николаев Г.А. Однако, существующие подходы к их управлению, основанные на критериях стабилизации уровня напряжения, предельно допустимом уровне потребления реактивной мощности (заданном энергосбытовыми компаниями) не учитывают изменения параметров системы тягового электроснабжения в реальном времени.
Решение задачи использования резерва энергетической эффективности устройств параллельной компенсации реактивной мощности возможно только при исследовании технических средств электроснабжения железной дороги как целостной сложной системы. С точки зрения применения методов системного анализа ранее не исследовалась зависимость мощности компенсирующих устройств от ряда непрерывно изменяющихся параметров подсистемы электроподвижных нагрузок: токов поездов и их координаты в межподстанционной зоне, что позволяет раскрыть неиспользуемый резерв энергетической эффективности системы тягового электроснабжения с управляемым компенсирующим устройством.
Цель диссертационного исследования заключается в повышении эффективности работы системы тягового электроснабжения на основе разработки закона управления устройством параллельной компенсации реактивной мощности по изменению параметров нагрузок в реальном времени.
Достижение указанной цели требует решения следующих задач:
анализ существующих методов повышения эффективности функционирования системы электроснабжения железной дороги и обоснования их дальнейшего совершенствования;
структурный и параметрический синтез системы параллельной компенсации реактивной мощности в тяговой сети, управляемой по сформированному закону;
разработка имитационной динамической модели и оценки на ее основе эффективности системы параллельной компенсации реактивной мощности, управляемой по параметрам нагрузок;
формирование методики управления системой параллельной компенсации реактивной мощности с учетом принципа коммутации ее мощности.
Объект исследования. Устройство параллельной компенсации реактивной мощности в системе тягового электроснабжения.
Предмет исследования. Методы управления устройством параллельной компенсации реактивной мощности.
Методы исследования базировались на математическом моделировании системы тягового электроснабжения с использованием методов системного анализа, линейной алгебры, теории функций многих переменных. Для выполнения экспериментальных исследований и практических расчётов были использованы программные комплексы MatLab, КОРТЭС, MathCad.
Научную новизну составляют следующие положения, выносимые на защиту:
-
Закон управления устройством параллельной компенсации реактивной мощности по критерию минимальных потерь в тяговой сети с учетом величин токов и координат размещения поездов в реальном времени.
-
Имитационная динамическая модель системы тягового электроснабжения с движущимися нагрузками и подсистемой параллельной компенсации реактивной мощности, управляемой по параметрам нагрузок.
-
Методика управления процессом компенсации реактивной мощности по изменению нагрузок в реальном времени с учетом способа регулирования мощности компенсирующего устройства.
Достоверность и обоснованность научных результатов, полученных в диссертации, обеспечивается путем корректного использования математических методов с широким применением современных средств вычислительной техники и программного обеспечения.
Эффективность предложенного закона управления устройством параллельной компенсации реактивной мощности проверена с привлечением имитационной динамической модели системы тягового электроснабжения, сформированной в программной среде MatLab.
Практическая значимость. На основе полученных в диссертационной работе результатов возможно решение следующих практических задач:
1. Повышение пропускной способности электрифицированной железной дороги вследствие нормализации уровня напряжения в тяговой сети путем использования системы параллельной компенсации реактивной мощности, управляемой по сформированному закону.
-
Повышение экономической эффективности использования устройств параллельной компенсации реактивной мощности.
-
Обеспечение надежности и увеличение срока службы элементов устройства параллельной компенсации реактивной мощности за счет оптимальной его загрузки, соответствующей уровню поездной работы.
Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы внедрены в практическое использование электротехнической лаборатории и службы электрификации и электроснабжения Восточно-Сибирской дирекции инфраструктуры ВСЖД в виде сформированной, на основе исследований автора, компьютерной модели участка железной дороги с устройством параллельной компенсации реактивной мощности, управляемым по сформированному закону.
Апробация работы. Материалы работы докладывались и обсуждались на
следующих международных, всероссийских, региональных конференциях:
межвузовской научно-практической конференции «Транспортная
инфраструктура Сибирского региона» (Иркутск, 2012, 2013, 2014 г.); XI межвузовской научно-технической конференции «Молодая мысль-развитию энергетики» (Братск, 2013 г.), 3-й Всероссийской Интернет-конференции «Грани науки 2014» (Казань, 2014 г.), Международной научно-технической конференции «Электроэнергетика. Новые технологии - 2014», X молодежной международной научно-практической конференции студентов, аспирантов молодых ученых «Наука XXI века: новый подход» (Санкт-Петербург, 2014 г.), на научно-техническом совете в службе электрификации и электроснабжения Восточно-Сибирской дирекции инфраструктуры ВСЖД в 2014 году.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 11 печатных работ, в том числе четыре статьи в журналах, включенных в список ВАК. В работах с соавторами соискателю принадлежит от 30 до 75% результатов. Положения, составляющие новизну и выносимые на защиту, получены лично автором.
Структура и объём работы. Диссертация включает введение, четыре главы основного текста, заключение, библиографический список из 92 наименований. Общий объем диссертации 117 страниц, в тексте содержится 51 рисунок и 3 таблицы. В приложении приведены материалы о внедрении результатов работы.
Обзор и анализ методов управления потреблением реактивной мощности в сложной системе тягового электроснабжения
При решении задач обеспечения эффективности систем электроснабжения необходимо рассматривать процесс электроснабжения в комплексном виде с учетом технических, экономических и экологических ограничений. В данном случае потери электрической энергии в системе электроснабжения являются комплексным ограничением коррелируемым с уровнем напряжения с одной стороны и с удовлетворением экономических показателей с другой.
Так как 80-90% потерь энергии в системе электроснабжения электрических железных дорог относится к тяговой сети, то целесообразно решать задачу повышения эффективности в первую очередь на стороне тяговой нагрузки. Однако, следует заметить, что в современных условиях необходимо рассматривать задачу повышения качества электрической энергии СТЭ в комплексном виде, где целевая функция будет зависеть в целом как для системы электрической тяги, так и внешнего электроснабжения.
При обеспечении требуемого уровня напряжения в контактной сети, соответствующего минимуму потерь электроэнергии, наиболее значимым является поддержание нормативных значений в середине межподстанционной зоны. Исходя из этого, большую значимость представляет исследование и совершенствование работы компенсирующих устройств на посту секционирования - устройств параллельной компенсации реактивной мощности (КУ) рис. 1.2 [36].
Структурная схема системы электроснабжения участка железной дороги с устройством параллельной компенсации реактивной мощности КС - контактная сеть; Р - рельс; ТП - тяговая подстанция; ЭПС -электроподвижной состав; КУ - регулируемое устройство параллельной компенсации реактивной мощности; СВЭ - система внешнего электроснабжения.
В целом устройства емкостной компенсации [37-46] являются эффективным средством стабилизации параметров электроэнергии в тяговой сети, но сегодня, применяя устройства параллельной компенсации реактивной мощности, по экономическим соображениям необходимо учитывать глубину компенсации и ее соответствие текущей поездной обстановке. На железных дорогах России применяется два типа КУ: - неуправляемые (с фиксированной мощностью конденсаторных батарей); - управляемые (имеющие набор ступеней компенсации, переключаемых в зависимости от нагрузки сети).
Применение микропроцессорной техники позволяет создавать автоматизированное управление ступеней компенсации, как для сохранения долговечности ее узлов, так и для еще большего повышения качества электроэнергии.
На современном этапе развития электроэнергетики по технико-экономическим соображениям целесообразным вариантом управляемых КУ в системе тягового электроснабжения считаются ступенчатые КУ.
Зарубежные и отечественные экспериментальные исследования и опыт эксплуатации компенсирующих устройств на современном этапе развития электроэнергетики позволяют создавать и внедрять управляемые установки поперечной емкостной компенсации в системе тягового электроснабжения без модернизации и переоснащения силового оборудования. Сегодня предложен ряд решений проблемы перенапряжений и бросков тока при коммутации компенсирующих устройств, что ранее являлось ограничивающим фактором. Основным решением в данной области является производство мощной коммутационной аппаратуры.
Отечественные и зарубежные разработки управляемых устройств емкостной компенсации доказывают, что на современном этапе развития системы электроснабжения железных дорог в нашей стране по технико-экономическим соображениям целесообразно применение устройств емкостной компенсации со ступенчатым управлением [46,47].
В настоящее время управление КУ необходимо, прежде всего, как было указано ранее, для соблюдения уровня напряжения соответсвующего нормативным значениям, принятым для системы тягового электроснабжения отечественных железных дорог. В перспективе управляемые устройства емкостной компенсации будут успешно применяться как комплексное техническое средство для повышения качества и снижения потерь электроэнергии, что подтверждается исследованиями данной диссертационной работы.
Анализ выбора параметров устройств параллельной компенсации реактивной мощности и постановка задачи повышения их эффективности с использованием методов системного анализа
Особым фактором, влияющим на необходимость развития управляемых устройств компенсации является, как было указано ранее, резко переменный характер нагрузки в тяговой сети. В частности наибольшая заинтересованность сегодня возникает во Франции, Китае, активно развивающих высокоскоростное движение [48, 49]. Сегодня предложен ряд вариантов управляемых устройств компенсации [50-56].
Как указано ранее, устройства компенсации реактивной мощности обладают уникальными функциями по улучшению режима тягового электроснабжения: - снижаются потери электроэнергии; - повышается и стабилизируется уровень напряжения; - снижение гармоник тока и напряжения; - осуществляется симметрирование режима тяговой подстанции.
Однако существует ряд основных критериев, применяемых для расчета управляемых устройств емкостной компенсации: - определяются номинальные мощности и координата размещения неуправляемых устройств емкостной компенсации для обеспечения заданной пропускной способности участка электрифицированной железной дороги. Принимается решение от технико-экономической целесообразности перехода от неуправляемых к отключаемым КУ для обеспечения требуемых значений напряжения в зависимости от изменения тяговой нагрузки. рассматривается выполнение требований сетевых компаний, отраженных в договоре оказания услуг по передаче электрической энергии в части уровня компенсации реактивной мощности. Принимается решение о необходимости включения коммутируемых КУ для обеспечения нормативов качества электроэнергии. выполняется расчет технико-экономической целесообразности осуществления управления мощностью устройств компенсации или дополнительно включаемых установок с целью повышения эффективности снижения потерь электроэнергии. Эффективная компенсация реактивной мощности в электроэнергетических сетях, и в частности, на железнодорожном транспорте, включает в себя обширный ряд вопросов, направленных на повышение экономичности работы электроустановок, улучшение качества электроэнергии. Данное направление включает в себя методы и критерии выбора и расчета параметров компенсирующих устройств.
Выбору методов расчета параметров и управления КУ посвящены многочисленные работы отечественных ученых, ряд из которых указан в [57-60]. Исходя из условий уникальности режимов работы системы электроснабжения железнодорожного транспорта, необходимо решать вопросы рационального размещения компенсирующих устройств выбора их параметров и методов управления с использованием системного подхода.
Исследованиями установлено, что в ряде случаев существенное значение на режим работы системы электроснабжения влияют параметры, которые могут меняться по ряду причин, например, температурных колебаний, изменения сопротивления стальных проводников от тока в них протекающих (например, в рельсах, являющихся неотъемлемой частью СТЭ). Все это приводит к необходимости управления режимов работы по законам, обеспечивающих эффективность по какому-либо критерию.
Анализ выбора параметров устройств параллельной компенсации реактивной мощности и постановка задачи повышения их эффективности с использованием методов системного анализа
Далее целесообразно оперировать только реактивными составляющими токов от электроподвижных нагрузок и устройства компенсации реактивной мощности, поскольку они и являются целью минимизации и могут рассматриваться как независимые от активных потерь электроэнергии в силу ортогональности этих составляющих.
Действительно, потери мощности в тяговой сети можно рассматривать как сумму потерь мощности от активных и реактивных токов, определенных независимо друг от друга. Если имеется электрическая цепь, то потери в ней зависят, при прочих равных условиях, от квадрата тока, а принцип наложения приемлем в случае линейных величин. Пусть имеется элементарная электрическая цепь однофазного переменного тока, приведенная на рис. 2.3
К вопросу о применимости принципа суперпозиции при определении потерь электроэнергии в контактной сети от активной и реактивной составляющих тока Для этой цепи справедливо: / = І1 + І2. Тогда можно принять, что 1г и 12 совпадают по фазе и активные потери мощности определяются: АР = I2R = (I; + I2)2R = IJR + l]R + 21/ = AP1 + AP2 + AAP.
Последнее выражение наглядно показывает, что потери в этом конкретном случае не равны сумме потерь от отдельных составляющих тока. Далее рассмотрен вариант, когда токи І} и І2 являются комплексными и сдвинутыми относительно друг друга на некоторый угол VJ/ . Тогда для электрической цепи, изображенной на рис. 2.3. справедливо др = +/2]3-д. зо Модуль суммы двух векторов, как известно, можно определить на основании теоремы косинусов, тогда AP = \(l+i2 .R = lf + I22-2IxI2Cos\fj.
В данном случае выражение потерь отличается от полученного ранее наличием сомножителя Cosy/. Однако и в этом общем случае метод наложения не применим поскольку АР Ф APj + АР2. Если рассмотреть вариант, когда по неразветвленной части цепи протекает геометрическая сумма активного и реактивного токов, то векторы этих токов, как известно из курса теоретических основ электротехники, сдвинуты относительно друг друга на 90 градусов. То есть cos {у/) = 0 и АР = I[R + I2R . Следовательно AP = APl + АР2, что доказывает применимость принципа наложения при определении потерь мощности в цепи с активными и реактивными токами. Если ток тяговой сети представить в комплексной форме, то потери мощности могут быть определены как сумма потерь мощностей от активного и реактивного тока.
Очевидно, что если бы на каждом ЭПС имела место компенсация реактивной мощности, компенсирующая индуктивный ток ЭПС, то достигался бы полный эффект компенсации. Однако, в настоящее время КУ на ЭПС практически не используются ввиду недостаточной мощности, которую по технико-экономическим соображениям можно разместить на ЭПС. Кроме того, КУ на ЭПС будет иметь низкий коэффициент использования, поскольку электровозы значительное время могут находиться вне поездной работы.
В настоящее время в МПЗ включается одна КУ. Далее рассмотрены вопросы, связанные с конкретным размещением такой компенсирующей устройства и её мощностью. Возможность использования принципа наложения, значительно упрощает анализ минимизации потерь в МПЗ от реактивных токов. Поэтому для анализа, на основе ранее принятых допущений, рассматривалась только реактивная (индуктивная) составляющая нагрузок ЭПС - /. и емкостный ток КУ - 1К так как это показано на рис. 2.4.
Эпюра тока контактной сети от УК при наличии ЭПС При наличии ЭПС в МПЗ эпюра токов может быть представлена рис. 2.5. На этом рисунке: МПЗТЯГА=/ ток в тяговой сети. Анализ упростится, если ступенчатую линию эпюры тяговых токов в МПЗ заменить прямой линией ІМПЗТЯГА — f
Погрешности, возникающие от такой замены тем меньше, чем больше электроподвижных нагрузок в МПЗ. Кроме того, и КУ наиболее эффективна тогда, когда имеют место большие нагрузки, что вероятнее всего при большом числе ЭПС. Таким образом, при решении поставленной задачи предположенная аппроксимация вполне правомерна. Такая эпюра получается, если всю нагрузку от ЭПС в МПЗ распределить равномерно. Из рисунка 2.6 видно, что как бы не размещалась КУ в МПЗ, её токи никогда полностью не скомпенсируют индуктивные токи ЭПС. Если задаться целью скомпенсировать максимальные индуктивные токи в головных участках МПЗ, как это показано на рис. 2.6, то в МПЗ будет иметь место перекомпенсация, которая приведет к потерям уже от емкостного тока.
Эпюра тока контактной сети от КУ при наличии ЭПС Если принять мощность КУ меньшую, что будет соответствовать, то и тогда на части зоны будет перекомпенсация, а на другой - недокомпенсация реактивных токов. Требуемая задача - определить такие параметры КУ, при которых эффект от уменьшения потерь будет больше чем ущерб при увеличении потерь в зонах с перекомпенсацией. Идеальным решением задачи являются такие параметры КУ, для которых потери в МПЗ были бы минимальные. Для решения поставленной задачи выбрана система координат, в которой эпюра токов в МПЗ размещена от ЭПС и КУ (рис. 2.7) . За начало координат принята точка первой тяговой подстанции (ТП1) . Символом у обозначена оптимальная координата КУ, 1к - ток КУ, I=Ii+I2 суммарное значение реактивных токов фидеров ТП1 и ТП2 тяговой нагрузки. Целесообразно на этом этапе использовать значение не мощности, а тока. На заключительном этапе целесообразно перейти от найденного оптимального значения тока КУ к её мощности, используя часто принимаемое допущение о том, что напряжение в тяговой сети неизменно и равно [/=25кВ. Qnnc=U UyK. Таким образом, расчетная схема может быть представлена в виде рис. 2.8. Закон изменения тягового (индуктивной составляющей) тока можно получить так, как это было указано выше, но возможен и второй подход. Используем координаты двух точек xj=0, Ix=Ii и х2= , Ix =h- Тогда, как известно из курса математики, для прямой линии справедливо:
Оценка эффективности размещения устройства параллельной компенсации реактивной мощности по критерию минимальных потерь активной мощности в тяговой сети
Нельзя не учитывать тот факт, что данный расчет произведен для одного поезда, а при моделировании реальной поездной обстановки доля реактивного тока и общего уровня потребления реактивной мощности может достигать гораздо больших значений. Итогом данного расчета является массив данных с реактивной составляющей тока как функция пути рассматриваемого участка. Полученный массив использован для получения закона управления тока КУ, описываемым уравнением (2.29).
Результаты расчета с различным количеством ЭПС, представленные в табл. 2.1, свидетельствуют о целесообразности привлечения полученного закона в период неравномерных нагрузок, и оправдывает его применение в современной поездной обстановке, и тем более для перспективных нагрузок от пропуска сдвоенных поездов весом до 12000 т.
В табл. 2.1: х - координата ЭПС, км; Ір - реактивный ток ЭПС; Ір х - промежуточные результаты вычислений; L - длина МПЗ; Іку - ток компенсирующего устройства, полученный в результате вычислений по предлагаемому закону управления.
Реализация представленного закона позволит получить ряд эффектов, важнейшие из которых: снижение тока в тяговой сети, повышение уровня напряжения на токоприемнике электровоза, снижение потребления реактивной мощности, улучшение условий при пропуске сдвоенных поездов. Таким образом, новые методы в решении вопросов повышения энергетической эффективности систем электрической тяги, позволят реализовать неиспользуемый в настоящее время резерв устройств компенсации реактивной мощности, достигая максимально возможного эффекта снижения энергетических и финансовых потерь. Для выработки оптимальных параметров такой системы необходим детальный анализ ее работы при изменении во времени параметров системы на основе работы имитационной модели.
Мощным инструментом для решения задач таких сложных систем как СТЭ, является имитационное моделирование (ИМ). Вопросам ИМ тягового электроснабжения посвящен ряд работ, основные из которых приведены в [69-72]. Решение поставленных в диссертационной работе задач требует прогнозирования поведения системы тягового электроснабжения и ее взаимодействия как с системой внешнего электроснабжения, так и с электроподвижным составом. Сложность изучаемой системы ставит вопрос о возможности упрощения компьютерной модели ее представляющую. В этом направлению существует множество исследований на предмет влияния внешней системы тягового электроснабжения на искомые параметры режима работы системы тягового электроснабжения. Такое анализ необходим, поскольку в ряде исследований указывается, что неучет или упрощенный учет системы внешнего электроснабжения (СВЭ), в этом случае, может приводить к совершенно недостоверным результатам и, следовательно, к последующим неверным решениям об оптимизации работы системы тягового электроснабжения. Так в [48] отмечается, что ошибки в определении уравнительных токов в тяговой сети без учета СВЭ могут достигать 17 до 300%. В [49] отмечается, что при нагрузке нетяговых потребителей, составляющей более 40% от полной мощности районной обмотки тягового трансформатора, ею нельзя пренебрегать. Анализ степени загрузки трансформаторов тяговых подстанций показывает, что в большинстве случаев она не превышает 10%, 15% мощности районной обмотки. В этом случае моделированием ее нагрузки можно пренебречь. Исследования [50,51] указывают на возможность упрощения модели при изучении поведения СТЭ, при серийном решении задач подобного класса.
На этапе анализа сложной системы, каковой является электрическая железная дорога, выполнена оценка о возможности декомпозиции изучаемой системы и сделано заключение, что она возможна на уровне представления модели подсистемами меньшей размерности в виде отдельных электроэнергетических объектов.
Декомпозиция, позволила сформировать отдельные элементы СТЭ и адекватно представить систему внешнего электроснабжения ее упрощенной моделью: значениями мощностей короткого замыкания и источниками ЭДС. В результате массовые расчеты многочисленных вариантов ускоряются вследствие упрощения модели. На этапе синтеза отдельных моделей подсистем сформирована адекватная целостная модель для решения вопроса регулируемых КУ в межподстанционных зонах с большим реактивным электропотреблением.
1. Моделирование системы внешнего электроснабжения. Matlab предоставляет достаточно широкую возможность выполнения моделирования СВЭ, посредством заложенных в него моделей: источников тока и напряжения, повышающих и понижающих трансформаторов и автотрансформаторов, реакторов, линий электропередач с распределенными и сосредоточенными параметрами и других. На основе топологической схемы СВЭ формируется в той или другой степени полноты электрическая схема. Выполняется моделирование нагрузок СВЭ не относящихся к электрической железной дороге путем моделирования их мощностей и мест включения.
2. Моделирование тяговых подстанций СТЭ переменного тока. Такое моделирование выполняется формированием модели, состоящей из моделей силовых трехобмоточных трансформаторов, коммутационной аппаратуры, компенсирующих устройств реактивной мощности в случае их наличия, симметрирующих устройств для тяговых подстанций, где они имеют место и некоторых других элементов системы. Кроме того, моделируется нагрузка нетяговых потребителей, как электрическая мощность, нагружающая третью обмотку трансформатора с известными параметрами-номинальное напряжение, полная и реактивная мощность.
3. Моделирование тяговой сети. Тяговая сеть, состоящая из подвески контактной сети и цепей обратного тока (рельсовые нити, питающие и отсасывающие линии и некоторые др.), как показано в [50,51], адекватно представляются цепочечной схемой замещения, для которой, в зависимости от решаемой задачи, ячейка - модель тяговой сети представляется заданной протяженностью. Обычно от 1 км до 10 км. Хотя, исходя из специфики решаемой задачи, длина ячейки - модели тяговой сети может любой протяженности в границах значений, используемых в эксплуатационных или научных исследованиях.
4. Моделирование электроподвижного состава. Электроподвижной состав моделируется двумя составляющими - физической моделью, реализуемой в MatLab с использованием базовых моделей трансформаторов, преобразователей, двигателей и при необходимости коммутационной аппаратурой и моделированием тока нагрузки, исходные данные о которых получены предварительным тяговым расчетом, либо, в некоторых случаях, из результатов опытных поездок.
Методика определения эффективного времени работы ступеней компенсирующей устройства
Мощным направлением повышения показателей работы систем электроэнергетики вообще и тягового электроснабжения в частности, является управление их режимов, позволяющее адаптировать режим системы под заданные условия оптимальности [80].
Внедрение управляемых компенсирующих установок в системе тягового электроснабжения (СТЭ) базируются, в основном, на принципах ступенчатого управления [81].
Возможности управления в современных условиях позволяют реализовать точнее законы управления компенсирующими устройствами на основе оперативной информации о поездной ситуации в межподстанционных зонах и о реактивном потреблении каждым электроподвижным составом (ЭПС) в любой момент времени/
Наряду с этим, точное исполнение закона управления позволяет, по сравнению со ступенчатым управлением, максимально реализовать имеющиеся возможности повышения технико-экономической эффективности компенсирующих устройств (КУ). Действительно, анализируя график изменения реактивной составляющей мощности фидера Q = f(t) тяговой подстанции, можно установить насколько снижаются потери электроэнергии в системе тягового электроснабжения в случае плавного управления компенсирующих устройств. Результаты моделирования, полученные в 3 главе подтверждают эффективность плавного управления мощности КУ в режиме реального времени, однако, как известно [82] использование тиристоров в качестве плавнорегулирующих устройств приводит к ухудшению качества электрической энергии в тяговой сети, вызванное появлением токов высших гармонических составляющих. Это, как показано в [83], вызывает необходимость их учета для решения достаточно широкого круга задач тягового электроснабжения. В свою очередь использование ступенчатого управления не позволяет реализовать максимальную глубину компенсации.
Рассмотрено ступенчатое управление компенсирующих устройств с одной ступенью. При этом, с целью не допустить перекомпенсацию, принято, что компенсирующее устройство будет включаться только с некоторого заданного значения реактивной мощности тока Q3.
К оценке потерь электроэнергии в системе тягового электроснабжения в случае ступенчатого управления мощностью КУ
Для оценки потерь электроэнергии в системе тягового электроснабжения в случае ступенчатого управления выполнен анализ выбросов исследуемой функции за заданный уровень.
В качестве исследуемой функции принято Q = f(t), поскольку в этом случае наиболее просто перейти к искомому параметру - экономии потерь энергии. Исследование выбросов реактивной составляющей мощности тяговой нагрузки Q = f(t) за заданный уровень Q3, может быть основан на хорошо разработанной методологии получения количественных оценок выбросов случайной величины, подчиняющейся нормальному закону [84]. Ниже будет показана возможность перехода от выбросов реактивной составляющей мощности тяговой нагрузки к выбросам некомпенсированных потерь мощности электроэнергии. Известно [84], что средняя площадь выбросов Sj определяется выражением где aQ - среднеквадратическое значение изменения реактивной мощности в расчетном элементе (например, фидере); aVQ - среднеквадратическое значение скорости изменения реактивной мощности тяговых нагрузок, как случайной величины; Q - среднее за расчетный период значение реактивной мощности тяговых нагрузок; Q3 - заданное значение реактивной мощности, при превышении которого включается компенсирующее устройство (ступень управления); Ф
Вычисления по выражению (4.3) требуют, в свою очередь, определения среднего значения реактивной мощности Q , дисперсии реактивной мощности j2Q И дисперсии скорости изменения среднеквадратического значения реактивной мощности aVQ.
Среднее значение Q и ее дисперсия могут быть получены на основании измерений на фидерах тяговых подстанций. Что касается дисперсий скорости изменения реактивной мощности, то она может быть вычислена по известным выражениям [85-87]
Из последнего выражения следует, что искомая величина выражается через корреляционную функцию случайно изменяющейся реактивной мощности. Вид корреляционной функции определяется характером изменения случайной величины, а коэффициенты в нее входящие характеризуют динамику изменения процесса Q = f(t). В [88] показано, что для тяговой нагрузки она зависит от числовых характеристик тока (мощности) в расчетном элементе и характеристик, отражающих организацию движения поездов на рассматриваемом участке. На основании [85], не прибегая к использованию выражения (4.4), для участков электрической железной дороги с профилем пути, исключая горный профиль, можно записать выражение для скорости изменения реактивной мощности
В самом общем случае нельзя полагать, что число и площадь выбросов, соответствующих перекомпенсированным потерям, то есть выбросы «вниз», даже при уровне ступени, равном среднему значению, будет равно числу и площади выбросов, соответствующих недокомпенсированным потерям, то есть выбросам «вверх».
В этой связи следует сформировать порядок решения задачи по оценке площадей выбросов ниже заданного уровня. Один из возможных вариантов решения этой частной задачи может быть вариант, который использует вышеприведенную методологию. Для этого необходимо преобразовать массив исходных данных изменения реактивной мощности Q(t) так, чтобы выбросы за заданный уровень Q3 «вверх» стали бы формально выбросами «вниз» и наоборот. Очевидно, это можно сделать, опираясь на соотношение где (7(0 - вновь формируемый массив как случайная функция времени t; Q -среднее значение исходного массива.
В свою очередь, исходный массив Q(t) состоит из постоянной части, равной его математическому ожиданию Q и переменной Q(t)mi, колеблющейся около своего среднего значения (математического ожидания). Иначе это можно отразить соотношением Q{t)=Q-Q-Q{t\w=Q{t\w. (4.П) Очевидно, что для массива, (7(0, сформированного в соответствии с (4.11) среднее равно нулю, поскольку по своей сути результатом является первый центральный момент случайной величины [87], а дисперсии исходного Q(t) и преобразованного массива (7(0 одинаковы [87]. Для использования выражения (4.9) при определении выбросов «вниз» следует также преобразовать дисперсию скорости изменения реактивной мощности, очевидно, что выражение (4.5), в этом случае трансформируется к виду