CC BY
54
ш Энергетика
ш PowerEngineering
Оригинальнаястатья / Originalarticle УДК: 621.311
DOI: 10.21285/1814-3520-2016-9-103-110
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ УПРАВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ В СИСТЕМАХ ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ
©А.В. Черепанов1, А.П. Куцый2
1Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83. 1,2Иркутский государственный университет путей сообщения, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Чернышевского, 15.
РЕЗЮМЕ. ЦЕЛЬ. Показать эффективность применения регулируемых и нерегулируемых источников реактивной мощности (ИРМ) в системах электроснабжения железных дорог. МЕТОДЫ. Для достижения цели были рассмотрены различные варианты размещения ИРМ в сети. Моделирование проводилось на основе программного комплекса Fazonord. РЕЗУЛЬТАТЫ. Установлено, что наилучшие результаты имеют место при использовании группы регулируемых источников реактивной мощности, смонтированных на районных обмотках тяговых трансформаторов и постах секционирования контактной сети. ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Результаты компьютерного моделирования позволили сделать следующие выводы: при отсутствии ИРМ не удается обеспечить заданные размеры движения и приемлемый уровень отклонений напряжения на районных обмотках; при использовании ИРМ, обеспечивающих генерацию постоянного значения реактивной мощности, наблюдается сверхнормативное повышение напряжений на токоприемниках, аналогичная ситуация имеет место в случае применения нерегулируемого ИРМ в виде батареи статических конденсаторов; установка ИРМ только на постах секционирования не позволяет получить приемлемые уровни напряжений на районных обмотках, аналогичная ситуация имеет место при размещении источников реактивной мощности только на районных обмотках тяговых подстанций. Наилучшие результаты имеют место при использовании группы регулируемых источников, размещенных на районных обмотках и постах секционирования.
Ключевые слова: системы электроснабжения железных дорог, регулируемые источники реактивной мощности, пост секционирования, районные обмотки тягового трансформатора.
Формат цитирования: Черепанов А.В., Куцый А.П. Использование управляемых источников реактивной мощности в системах тягового электроснабжения // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2016. Т. 20. № 9. С. 103-110. DOI: 10.21285/1814-3520-2016-9-103-110
APPLICATION OF CONTROLLED SOURCES OF REACTIVE POWER IN TRACTION POWER SUPPLY SYSTEMS A.V. Cherepanov, A.P. Kutsyi
Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia. Irkutsk State Transport University, 15 Chernyshevsky St., Irkutsk, 664074, Russia.
ABSTRACT. THE PURPOSE of the paper is to show the application efficiency of controlled and uncontrolled sources of reactive power (SRP) in railway power supply systems. METHODS. In order to achieve the set purpose we considered different location variants of SRP in a network. The simulation was carried out on the basis of Fazonord software complex. RESULTS. It is determined that the best results can be obtained when using a group of controlled sources of reactive power installed on the district windings of traction transformers and section pillars of the catenary system. CONCLUSION. The results of computer simulation allowed to draw the following conclusions: the specified dimensions of movement and an acceptable level of voltage deviations on the district windings can not be provided in the absence of SRP; an excessive increase of voltage on bow current collectors is observed if the SRP providing generation of the constant
1
Черепанов Александр Валерьевич, кандидат технических наук, магистрант кафедры электротехники и электроснабжения ИРНИТУ; старший преподаватель кафедры электроэнергетики транспорта ИрГУПС, e-mail: santela89@mail.ru
Cherepanov Aleksandr, Candidate of technical sciences, Master's Degree student of the Department of Electrical Engineering and Power Supply of the Irkutsk National Research Technical University; Senior Lecturer of the Department of Transport Electric Power Engineering of the Irkutsk State Transport University, e-mail: santela89@mail.ru
2Куцый Антон Павлович, аспирант, e-mail: tosha1993irc@yandex.ru Kutsyi Anton, Postgraduate, e-mail: tosha1993irc@yandex.ru
value of reactive power is used. The similar situation occurs in the case of using uncontrolled SRP in the form of a battery of shunt capacitors. SRP mounting on section pillars only does not allow to obtain acceptable levels of voltages on the district windings. The similar situation occurs when the sources of reactive power are placed only on the district windings of traction substations. The best results have been obtained when a group of controlled sources located on the district windings and section pillars was used.
Keywords: railway power supply systems, adjustable sources of reactive power, section pillar, traction transformer district windings
For citation: Cherepanov A.V., Kutsyi A.P. Application of controlled sources of reactive power in traction power supply systems. Proceedings of Irkutsk State Technical University. 2016, vol. 20, no. 9. pp. 103-110. DOI: 10.21285/1814-35202016-9-103-110
Введение
В системах электроснабжения железных дорог (СЭЖД) переменного тока имеют место проблемы, связанные с пониженным качеством электроэнергии и недостаточно высокой энергоэффективностью [1-3]. Эти проблемы могут быть решены на основе применения технологий интеллектуальных сетей (smartgrid), имеющих развитые средства для управления режимами
Методика
Для осуществления моделирования на основе программного комплекса Fazo-nord [3] применительно к СЭЖД была разработана схема, включающая четыре тяговых подстанции (ТП) с тремя межподстан-ционными зонами (МПЗ), имеющими посты секционирования (ПС). Источники реактивной мощности (рис. 1, а) размещались на ПС между ТП2 и ТП3, а также на районных обмотках (РО) 10 кВ этих подстанций. Фрагмент схемы СЭЖД показан на рис. 1, б. Для анализа моделирования был создан график движения поездов массой 5000 т с интервалом движения 35 мин по 10 поездов в четном и нечетном направлениях. При разработке схемы в тяговой сети 25 кВ применялся однофазный ИРМ (см. рис. 1, а), а на районных обмотках предусматривалась установка трехфазных устройств (см. рис. 1, б). При этом рассматривались две возможные схемы соединения силовых элементов: звезда и треугольник.
Авторами предложено рассмотреть семь основных вариантов установки ИРМ, отличающихся местами размещения источников и способами регулирования реактивной мощности (табл. 1).
[4-15].
Внедрение технологий smartgrid невозможно без моделирования режимов СЭЖД, оснащенных активными устройствами для управления режимами [2]. Ниже описаны результаты компьютерного моделирования режимов СЭЖД с регулируемыми источниками реактивной мощности (ИРМ).
Результаты, необходимые для определения эффективности влияния от вариантов установки источников реактивной мощности, получены при моделировании и представлены в табл. 2, 3.
Из полученных результатов видно (см. табл. 1), что размещение ИРМ по четвертому варианту установки обеспечивает наилучший результат стабилизации уровня напряжения на токоприемниках (рис. 2, а) и шинах районных обмоток, а также наименьший коэффициент несимметрии на шинах высокого напряжения (рис. 2, б), что повышает качество электроэнергии. На рис. 3 представлены графики изменения генерации реактивной мощности при четвертом варианте размещения ИРМ.
Сравнение суммарных потерь активной мощности в предложенной системе тягового электроснабжения без ИРМ и с установкой ИРМ по четвертому варианту представлено на рис. 4.
Анализ результатов моделирования позволяет сделать следующие выводы:
• при отсутствии ИРМ не удается обеспечить заданные размеры движения и приемлемый уровень отклонений напряже-
ния на районных обмотках;
• при использовании ИРМ с генерацией постоянного значения реактивной мощности наблюдается сверхнормативное повышение напряжений на токоприемниках; аналогичная ситуация имеет место в случае применения нерегулируемого ИРМ в виде батареи статических конденсаторов;
• установка ИРМ только на ПС не позволяет получить приемлемые уровни
напряжений на районных обмотках; аналогичная ситуация имеет место при размещении источников реактивной мощности только на РО;
• наилучшие результаты имеют место при использовании группы регулируемых источников, размещенных на РО и ПС;
• схема соединения силовых элементов трехфазных ИРМ незначительно влияет на результаты моделирования;
U
Q
l
Qz = Qc - Q
ÍL
vsy\7_ l\
VS,
t
Q
с
б
Рис. 1. ИРМ, управляемый тиристорами: а - схема ИРМ; б - фрагмент схемы СТЭ с управляемыми ИРМ. АР - автоматический регулятор; ЭПС - электроподвижной состав Fig. 1. Thyristor-controlled SRP: а - SRP circuit; b - fragment of the traction power supply system circuit with controlled SRP. AR - automatic regulator; ERS - electric rolling stock
Таблица 1
Варианты установки ИРМ
Table 1
SRI p installation options SJP
Вариант/ Variant Цель регулирования / Purpose of control Пределы изменения реактивной мощности (на фазу), Мвар / Reactive power variation range (per phase), Mvar
Районныеобмотки, 10 кВ / District windings, 10kV Пост секционирования / Section pillar
1 - - -
2 U = const - -10.10
3 U = const -5...5 -
4 U = const -5...5 -10.10
5 U = const 0.5 0.10
6 Q = const 5 10
7 Нерегулируемый / Uncontrolled - -
а
Таблица 2
Сводные результаты уровня напряжения и коэффициента несимметрии при предложенных вариантах установки ИРМ
Table 2
Integrated results of the voltage level and the asymmetry coefficient _in proposed SRP installation variants_
Номер варианта / Variant no. Схема/ Circuit Напряжения на токоприемниках, кВ / Voltages on bow current collectors, kV Отклонение напряжения на районных обмотках, % / Voltage deviation on district windings, % Средний коэффициент несимметрии на шинах 220 кВ ТП, % / Average asymmetry coefficient on TS lines of 220 kV,%
min mid max min mid max ТП2 / TS2 ТП3 / TS3
1 - 14,62 23,38 27,31 -30,11 -5,88 2,94 0,58 0,63
2 Звезда / Star 19,28 24,09 27,26 -20,01 -4,61 2,1 0,46 0,51
Треугольник/ Mesh 19,24 24,09 27,26 -17,22 -4,72 3,19 0,47 0,51
Звезда / Star 17,96 24,38 27,19 -17,01 -2,01 0,07 0,36 0,39
3 Треугольник/ Mesh 17,46 24,35 27,20 -14,92 -1,8 1,12 0,37 0,42
4 Звезда / Star 20,72 24,76 27,19 -13,16 -4,11 0,01 0,27 0,32
Треугольник / Mesh 21,08 24,74 27,17 -9,26 -1,2 1,17 0,26 0,32
5 Звезда / Star 21,14 24,82 27,31 -12,83 -0,82 3,62 0,32 0,35
Треугольник / Mesh 21,09 24,85 27,49 -9,1 -0,42 6,08 0,33 0,36
6 Звезда / Star 21,56 26,14 31,29 -8,68 5,68 13,73 0,50 0,57
Треугольник / Mesh 21,55 26,14 31,29 -7,2 5,69 15,49 0,50 0,57
7 Звезда / Star 21,73 26,68 34,20 -9,42 8,14 19,29 0,64 0,70
Треугольник / Mesh 21,67 26,67 34,18 -7,01 8,11 22,34 0,64 0,71
Примечание. Подчеркиванием выделены неприемлемые, а курсивом - нежелательные параметры. Лучшие варианты выделены жирным шрифтом. / Note. We have underlined the unacceptable and unwanted in italics parameters. The best options are in bold.
Таблица 3
Потери активной энергии в элементах системы тягового электроснабжения
Table 3
_Active energy losses in electric traction system elements_
Параметр / Parameter Вариант / Variant
1 2 3 4 5 6 7
Суммарные потери активной энергии в трансформаторах, кВтч / Total losses of active energy in transformers, kWh 5209 3333 4357 3997 3938 3730 4090
Суммарные потери активной энергии в линиях электропередачи, кВтч / Total losses of active energy in power transmission lines, kWh 2270 1778 1449 1255 1266 1744 2385
Суммарные потери активной энергии в контактной сети, кВтч / Total losses of active energy in the catenary system, kWh 8233 6676 6964 6025 5765 6070 7943
Суммарные потери активной энергии в системе тягового электроснабжения, кВтч / Total losses of active energy in the traction power supply system, kWh 15712 11786 12770 11277 10969 11543 14418
б
Рис. 2. Вариант 4: а - напряжения на токоприемниках поездов; б - коэффициенты несимметрии по обратной последовательности Fig. 2. Variant 4: а - voltages on bow current collectors of trains; b - asymmetry coefficients
by reverse sequence
а
б
Рис. 3. Изменения мощностей ИРМ для варианта 4: а - изменения мощностей ИРМ, установленного на ТП2; б - изменения мощностей ИРМ, установленного на ПС Fig. 3. Changes of SRP capacity for variant 4: a - capacity changes of SRP mounted on TS2; b6 - capacity changes SRP mounted on SP
Рис. 4. Суммарные потери активной мощности в элементах
системы тягового электроснабжения Fig. 4.Total active power losses in traction power system elements
• наименьшие потери активной энергии в элементах системы тягового электроснабжения железных дорог переменного тока достигается при пятом варианте установки ИРМ, что практически совпадает со значениями при четвертом варианте, который является приемлемым по уровню напряжения на токоприемнике
электровоза.
Дальнейшее повышение качества электроэнергии и энергоэффективности возможно благодаря переходу от локального регулирования отдельных ИРМ к муль-тиагентной системе управления источниками реактивной мощности [15].
а
Заключение
На основе компьютерного моделирования в программном комплексе Fazo-по^ показана значительная эффективность применения регулируемых источни-
ков реактивной мощности в системах электроснабжения железных дорог переменного тока.
Библиографический список
1. Третьяков Е.А. Управление качеством электрической энергии в распределительных сетях железных дорог. Омск: Изд-во ОмГУПС, 2013. 195 с.
2. Закарюкин В.П., Крюков А.В., Ушаков В.А., Алек-сеенко В.А.Оперативное управление в системах электроснабжения железных дорог. Иркутск: Ир-ГУПС, 2012. 129 с.
3. Закарюкин В.П., Крюков А.В. Сложнонесиммет-ричные режимы электрических систем. Иркутск: Изд-во ИГУ, 2005. 273с.
4. Дорофеев В.В., Макаров А.А. Активно-адаптивная сеть - новое качество ЕЭС России // Энергоэксперт. 2009. № 4. С. 29-34.
5. Герман Л.А., Герман В.Л.Автоматизация электроснабжения тяговой сети переменного тока. М.: Изд-во МГУПС, 2014. 173 с.
6. Герман Л.А., Серебряков А.С. Регулируемые установки емкостной компенсации в системах тягового электроснабжения железных дорог. М.: Транспортная книга, 2013. 268 с.
7. Абрамов Н.А. Закарюкин В.П., Крюков А.В. Ситуационный подход к управлению режимами систем тягового электроснабжения // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2010. № 1 (25). С. 186-191.
8. Закарюкин В.П., Крюков А.В., Черепанов А.В. Интеллектуальные технологии управления качеством электроэнергии. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2015. 218 с.
9. Закарюкин В.П., Крюков А.В., Черепанов А.В. Управление качеством электроэнергии в системах тягового электроснабжения на основе технологий
интеллектуальных сетей // Известия Транссиба. 2014. № 3 (19). С. 65-75.
10. Крюков А.В., Абрамов Н.А., Закарюкин В.П. Анализ эффективности технических средств для управления режимами систем тягового электроснабжения // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2010. № 1 (25). С. 124-132.
11. Крюков А.В., Алексеенко В.А.Повышение эффективности оперативного управления в системах тягового электроснабжения // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2011. № 4 (32). С. 158-164.
12. Крюков А.В., Закарюкин В.П., Абрамов Н.А. Ситуационное управление режимами систем тягового электроснабжения. Иркутск: Изд-во ИрГУПС, 2010. 123 с.
13. Крюков А.В., Закарюкин В.П., Абрамов Н.А. Управление системами тягового электроснабжения. Ситуационный подход. LAP LAMBERT Academic Publishing GmbH & Co. KG. Dudweiler Landstraße 99. 66123 Saarbrücken. Germany. 2011. 128 с.
14. Крюков А.В., Закарюкин В.П., Асташин С.М. Управление режимами систем тягового электроснабжения. Иркутск: Изд-во ИрГУПС, 2009. 104 с.
15. Третьяков Е.А. Повышение энергоэффективности и надежности системы электроснабжения железных дорог за счет интеллектуального управления режимами // Транспортная инфраструктура Сибирского региона. Иркутск: Изд-во ИрГУПС, 2015. Т. 1. С. 618-622.
References
1. Tret'yakov E.A. Upravlenie kachestvom elektrich-eskoi energii v raspredelitel'nykh setyakh zheleznykh dorog [Electric power quality control in railway distribution networks]. Omsk, OmGUPS Publ., 2013, 195 p. (In Russian)
2. Zakaryukin V.P., Kryukov A.V., Ushakov V.A., Ale-kseenko V.A. Operativnoe upravlenie v sistemakh el-ektrosnabzheniya zheleznykh dorog [Operating control in railway power supply systems]. Irkutsk, IrGUPS Publ., 2012, 129 p. (In Russian)
3. Zakaryukin V.P., Kryukov A.V. Slozhnonesimmet-richnye rezhimy elektricheskikh system [Complex asymmetric modes of electrical systems]. Irkutsk, IGU Publ., 2005, 273 p. (In Russian)
4. Dorofeev V.V., Makarov A.A. Aktivno-adaptivnaya set' - novoe kachestvo EES Rossii [Active-adaptive network - a new quality of the Unified Energy Service of Russia]. Energoekspert [Energy expert]. 2009, no. 4,
pp. 29-34. (In Russian)
5. German L.A., German V.L. Avtomatizatsiya elektros-nabzheniya tyagovoi seti peremennogo toka [AC traction network power supply automation]. Moscow, MGUPS Publ., 2014, 173 p. (In Russian)
6. German L.A., Serebryakov A.S. Reguliruemye ustanovki emkostnoi kompensatsii v sistemakh tyago-vogo elektrosnabzheniya zheleznykh dorog [Adjustable capacitive compensators in railway traction power supply systems]. Moscow, Transportnaya kniga Publ., 2013, 268 p. (In Russian)
7. Abramov N.A. Zakaryukin V.P., Kryukov A.V. Situ-atsionnyi podkhod k upravleniyu rezhi-mami sistem tyagovogo elektrosnabzheniya [Situational approach to the control of traction power supply system modes]. Sovremennye tekhnologii. Sistemnyi analiz. Modeliro-vanie [Modern Technologies. System Analysis. Modeling]. 2010, no. 1 (25), pp. 186-191. (In Russian)
8. Zakaryukin V.P., Kryukov A.V., Cherepanov A.V. Intellektual'nye tekhnologii upravleniya kachestvom elektroenergii [Intelligent technologies for power quality control]. Irkutsk, IrGTU Publ., 2015, 218 p. (In Russian)
9. Zakaryukin V.P., Kryukov A.V., Cherepanov A.V. Upravlenie kachestvom elektroenergii v sistemakh tya-govogo elektrosnabzheniya na osnove tekhnologii intel-lektual'nykh setei [Electrical energy quality control in traction power supply systems on the basis of intelligent network technology]. Izvestiya Transsiba [Journal of Transsib Railway Studies]. 2014, no. 3 (19), pp. 65-75. (In Russian)
10. Kryukov A.V., Abramov N.A., Zakaryukin V.P. Ana-liz effektivnosti tekhnicheskikh sredstv dlya upravleniya rezhimami sistem tyagovogo elektrosnabzheniya [Effectiveness analysis of technical equipment to control the modes of traction power supply systems]. Sovremennye tekhnologii. Sistemnyi analiz. Modelirovanie [Modern Technologies. System Analysis. Modeling]. 2010, no. 1 (25), pp. 124-132. (In Russian)
11. Kryukov A.V., Alekseenko V.A. Povyshenie effektivnosti operativnogo upravleniya v sistemakh tyagovogo elektrosnabzheniya [Improving efficiency of operating control in traction power supply systems]. Sov-remennye tekhnologii. Sistemnyi analiz. Modelirovanie
Критерии авторства
Черепанов А.В., Куцый А.П. рассмотрели эффективность применения регулируемых источников реактивной мощности в системах электроснабжения железных дорог, провели обобщение и написали рукопись. Куцый А.П. несет ответственность за плагиат.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Статья поступила 22.06.2016 г.
[Modern Technologies. System Analysis. Modeling]. 2011, no. 4 (32), pp. 158-164. (In Russian)
12. Kryukov A.V., Zakaryukin V.P., Abramov N.A. Situ-atsionnoe upravlenie rezhimami sistem tyagovogo elektrosnabzheniya [Situational control of traction power supply system modes]. Irkutsk, IrGUPS Publ., 2010, 123 p. (In Russian)
13. Kryukov A.V., Zakaryukin V.P., Abramov N.A. Upravlenie sistemami tyagovogo elektro-snabzheniya. Situatsionnyi podkhod. LAP LAMBERT Academic Publishing GmbH & Co. KG. Dudweiler Landstraße 99. 66123 Saarbrücken. Germany. 2011, 128 p.
14. Kryukov A.V., Zakaryukin V.P., Astashin S.M. Upravlenie rezhimami sistem tyagovogo elektrosnabzheniya [Control of traction power supply system modes]. Irkutsk, IrGUPS Publ., 2009, 104 p. (In Russian)
15. Tret'yakov E.A. Povyshenie energoeffektivnosti i nadezhnosti sistemy elektrosnabzheniya zheleznykh dorog za schet intellektual'nogo upravleniya rezhimami [Improving energy efficiency and reliability of railway power supply systems through mode intelligent control]. Transportnaya infrastruktura Sibirskogo regiona [Transport infrastructure of Siberia]. Irkutsk, IrGUPS Publ., 2015, vol. 1, pp. 618-622. (In Russian)
Authorship criteria
Cherepanov A.V., Kutsyi A.P. considered application efficiency of controlled sources of reactive power in railroad power supply systems, synthesized the material and wrote a manuscript. Kutsyi A.P. bears the responsibility for plagiarism.
Conflict of interests
The authors declare that there is no conflict of interests regarding the publication of this article.
The article was received 22 June 2016
