CC BY
9
УДК 621.316.722.076.12
Исследование энергетических характеристик устройства компенсации реактивной мощности с регулируемой индуктивностью в электротяговой сети на экспериментальной установке
А. Н. Марикин, В. А. Мирощенко
Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I, Российская Федерация, 190031, Санкт-Петербург, Московский пр., 9
Для цитирования: Марикин А. Н., Мирощенко В. А. Исследование энергетических характеристик устройства компенсации реактивной мощности с регулируемой индуктивностью в электротяговой сети на экспериментальной установке // Известия Петербургского университета путей сообщения. - СПб.: ПГУПС, 2020. - Т. 17. - Вып. 4. - С. 534-544. В01: 10.20295/1815-588Х-2020-4-534-544
Аннотация
Цель: Проверка теоретических положений возможности регулирования реактивной мощности компенсирующего устройства с переменной индуктивностью. Опробовать и оптимизировать алгоритм работы регулятора реактивной мощности. Оценить энергетическую эффективность устройства. Проверить устойчивость работы устройства в переходных режимах. Предложить методы по улучшению устойчивости системы. Провести гармонический анализ кривых тока и напряжения, полученных в результате физического моделирования, разработать способы подавления высших гармоник тока и напряжения. Методы: Построена схема экспериментальной установки, подобрана электротехническая элементная база, определены используемые измерительные приборы, собран экспериментальный стенд. На физической модели сняты кривые изменения тока, напряжения, активной и реактивной мощностей для режимов работы без компенсирующего устройства, с нерегулируемым и регулируемым компенсирующим устройством. Проанализировано изменение тока для критичных переходных процессов. Для оценки фильтрации высших гармоник тока и напряжения компенсирующим устройством были сняты осциллограммы в рабочем режиме с нагрузкой и добавлением в цепь электровоза диодного моста, произведен их гармонический анализ. Результаты: Регулируемое устройство обеспечивает компенсацию реактивной мощности в диапазоне нагрузок не менее 90 %. Необходимы дополнительные меры для понижения активного сопротивления реактора компенсирующего устройства. Применение реактора, включенного последовательно с конденсатором, обеспечивает уменьшение коммутационного тока и перенапряжений в устройстве. Компенсирующее устройство может работать в режиме широкополосного фильтра высших гармоник. Практическая значимость: Создана физическая модель тяговой сети переменного тока с устройством компенсации реактивной мощности и управляемой переменной индуктивностью, позволяющая анализировать как мгновенные, так и длительные процессы в тяговой сети.
Ключевые слова: Компенсация реактивной мощности, управляемый реактор, электротяговая сеть, моделирование тяговой сети.
Введение
В предыдущей публикации [1] были обоснованы основные схемотехнические решения
устройства компенсации реактивной мощности на основе регулируемой индуктивности, в качестве которой использовался реактор с подвижным сердечником, перемещение которого
с помощью электропривода приводит к плавному изменению индуктивности. Параллельно реактору подключается емкостная нагрузка. При регулировании индуктивности реактора происходит изменение реактивного сопротивления компенсирующего устройства и, как следствие, регулирование компенсируемой реактивной мощности устройством. Было произведено физическое моделирование такой системы.
Основными целями эксперимента являются: подтверждение точности расчетов на математической модели; подтверждение правильности выдвигаемой гипотезы компенсации реактивной мощности; разработка методики и алгоритма настройки регулятора. При этом ставились следующие задачи: проверка теоретических положений возможности регулирования реактивной мощности компенсирующего устройства с переменной индуктивностью; проверка и оптимизация алгоритма регулятора; оценка
энергетической эффективности регулируемого устройства по сравнению с нерегулируемым; проверка устойчивости устройства в переходных режимах; гармонический анализ кривых тока и напряжения, полученных в результате моделирования; разработка методов снижения высших гармоник тока и напряжения.
Схема и описание эксперимента
Расчет параметров модели был произведен ранее [2]. Масштабные коэффициенты по току и напряжению составляют 76,4 и 764 соответственно [3]. Схема экспериментальной установки представлена на рис. 1.
Установка подключается к внешней сети 380 В через трансформатор Т1 380/36 В. Установку защищает автоматический выключатель QF1, тип С10. Для измерений основных физи-
ческих величин используются измерительный комплекс К505 и фазометр ф типа Д578. Обратная связь компенсатора осуществляется с помощью преобразователя АЕТ-421, который по интерфейсу RS-485 (протокол Modbus RTU) через преобразователь TTL/RS-485 передает значения активной и реактивной мощностей сети в микроконтроллерную плату Arduino Uno [4]. В плате обрабатываются данные с АЕТ-421, сравниваются с заданным углом между током и напряжением (0,5-2°) и выдается сигнал управления на привод TB6600 в зависимости от разницы углов. Привод TB6600 управляет шаговым двигателем NEMA17, вращательное движение которого через винтовую передачу переходит в поступательное движение сердечника реактора Lvar, меняя его индуктивность. Параллельно регулируемому реактору подключена конденсаторная батарея С (4 параллельно подключенных конденсатора емкостью 100 мкФ). Размыкатели S1 и S2 позволяют подключать отдельно Lvar и
С. Для защиты устройства используется автоматический выключатель QS2, тип С10.
Нагрузкой служит модель имитации электровоза, состоящая из резисторов R1 и К2 с максимальным сопротивлением 12,5 Ом и реакторами L1 и L2 индуктивностью 36 и 22 мГн соответственно. Для возможности отключения электровозов применяются разъединители S3 и S4.
Фотография экспериментальной установки представлена на рис. 2.
Для снятия статических показаний в схеме используются аналоговые приборы амперметры РА1, РА2, РА3, РА4, РА5, тип Э527, диапазон измерений 5 А/10 А, и вольтметры PV1, PV2, тип Э59, диапазон измерений 75 В; для снятия динамических показаний и осциллограмм -преобразователи измерительные Е9527/15 для токовых измерений и Е8527/13 для измерения напряжений. Эти преобразователи передают по токовой петле значения в регистратор аварийных событий «Нева» БРКУ 32/24.
Рис. 2. Фотография экспериментальной установки
Энергетическая эффективность устройства
Для определения энергетической эффективности регулируемого компенсирующего устройства необходимо сравнить значения тока, активной, реактивной и полной мощностей подстанции при одинаковой нагрузки в электротяговой сети для режимов работы без компенсирующего устройства, с нерегулируемым и регулируемым компенсирующим устройством. Сопротивление нагрузки изменялось во времени со снятиями данных с приборов. Были сняты показания амперметров РА1, РА5, вольтметра PV2, фазометра Ф для режимов трех режимов работы. Значения сопротивлений нагрузки задавались с помощью изменения положения регулируемых резисторов Rvaг1 и Rvaг2 отключением ветвей нагрузки с помощью размыкателей S3 и S4.
Для оценки эффективности компенсации реактивной мощности приведены кривые изменения реактивной мощности для трех режимов работы (рис. 3, а).
Осциллограммы показывают, что при плавном регулировании (рис. 3, а, кривая 3) компенсирующее устройство способно поддерживать величину реактивной мощности в питающей сети в течение суток на минимальном уровне. Было рассчитано среднеквадратичное значение реактивной мощности для каждого из режимов: без КУ - 54,3 ВАр, с нерегулируемым КУ -46,4 ВАр, с регулируемым КУ - 4,5 ВАр. Произведен подсчет суммарной реактивной энергии для полученных кривых: в режиме без компенсирующего устройства - 20,6 ВАр-ч, в режиме с нерегулируемым КУ - 16,5 ВАр-ч, в режиме с регулируемым КУ - 1,3 ВАр-ч.
Зависимости на рис. 3, а доказывают целесообразность применения плавного регулирования в устройствах компенсации реактивной мощности.
Для оценки энергетической эффективности использования регулируемого КУ приведены кривые изменения активной мощности для трех режимов работы (рис. 3, б). Осциллограммы показывают, что в режиме с регулируемым КУ
(кривая 3) потребление активной мощности выше, чем в остальных режимах. Произведен подсчет суммарной активной энергии для полученных кривых: в режиме без КУ - 29,3 Вт-ч, в режиме с нерегулируемым КУ - 29,6 Вт-ч, в режиме с регулируемым КУ - 42,9 Вт-ч.
В данном эксперименте следует учитывать, что реактор для регулируемого компенсирующего устройства был сделан обычной стержневой конструкции, без дополнительных маг-нитопроводов, увеличивающих индуктивность катушки при том же количестве витков [5]. Ранее были рассмотрены реакторы специальной конструкции с уменьшенным активным сопротивлением катушки [6].
Этот эксперимент показывает, что необходимы дополнительные меры по снижению потребления активной мощности реактором, и разработанные конструкции являются одной из таких мер.
Снятие мгновенных зависимостей тока и напряжения в коммутационных режимах
При использовании дополнительных реактивных элементов в схеме электроснабжения большой интерес вызывают кривые тока и напряжения при коммутации [7]. Некоторые установки компенсации реактивной мощности в настоящий момент не включены на подстанциях из-за бросков тока и напряжения при переходных процессах. Для определения устойчивости системы с регулируемым компенсирующим устройством были сняты мгновенные характеристики тока и напряжения при таких режимах работы как включение и отключение номинальной нагрузки, отрыв токоприемника, при отключении и включении компенсирующего устройства без нагрузки и с ней и др. Самый тяжелый режим - включение в сеть устройства без нагрузки на линии. На схеме (см. рис. 1) размыкатели S1 и S2 замкнуты, S3 и S4 разомкнуты, автоматический выключатель QF1 включен. В момент снятия характеристик включается ав-
Рис. 3. Кривые изменения реактивной (а) и активной (б) мощности для трех режимов работы: 1 - режим без КУ; 2 - режим с нерегулируемым КУ; 3 - режим с регулируемым КУ
б
томатический выключатель QF2. График данного режима представлен на рис. 4, а.
При моделировании момент включения устройства практически совпал с пиком напряжения питающей сети. Нагрузка в сети отсутствует, поэтому ток подстанции совпадает с током в КУ. Пусковой ток устройства I превышает номинальное значение в 6 раз. Его умень-
шение до номинального тока КУ составляет 1 период.
Ранее была предложена схема включения в цепь компенсирующего устройства последовательно с конденсатором реактора такой индуктивности, которая создает резонанс напряжений для частоты третьей гармоники [8]. Это предлагалось как для фильтрации третьей гармоники
I, А
Рис. 4. Включение устройства в сеть (а) и с дополнительным реактором (б) без нагрузки на линии: I - ток подстанции, и - напряжение подстанции
а
б
тока, так и для снижения коммутационного тока. На рис. 4, б приведены графики при дополнительном включении неуправляемого реактора индуктивностью Ь = 2,7 мГн последовательно с конденсатором.
Использование дополнительного реактора позволяет снизить пусковой ток в 1,7 раза, что положительно сказывается на оборудовании.
Для определения времени становления регулятора система подключалась к нагрузке, близкой к номинальной для рассматриваемого компенсирующего устройства. Оценивалось время, за которое регулируемый параметр tgф будет ниже задания 0,1. График становления регулятора представлен на рис. 5. Из него следует, что время становления регулятора в рассмотренной
физической модели не превышает 3 с. Время становления регулятора в реальной системе зависит от скорости работы электропривода и параметров ПИД-регулятора. В модели скорость регулятора ограничена параметрами электропривода.
Гармонический анализ полученных данных
Компенсирующее устройство может применяться в качестве фильтрующего [9]. Для оценки фильтрации высших гармоник тока и напряжения компенсирующим устройством были сняты осциллограммы с добавлением в цепь нагрузки диодного моста, и произведен их гармонический анализ с помощью программы «Осциллограф» информационной системы «Нева» [10]. Полученные данные иллюстрирует рис. 6.
На рис. 6 первый столбец - значение тока поезда 1п, второй - тока подстанции 1п/ст. Диаграмма показывает, что компенсирующее устройство уменьшает ток высших гармоник. Добавление реактора в цепь, последовательно с конденсатором, не только понижает ток при коммутации, но и уменьшает значение тока третьей гармоники во внешней сети более чем в 2 раза.
Заключение
По результатам физического моделирования устройства компенсации реактивной мощности с переменной индуктивностью можно сделать следующие выводы:
1) регулируемое устройство обеспечивает компенсацию реактивной мощности в диапазоне нагрузок не менее 90 %;
Рис. 6. Гармонический анализ тока поезда 1п и тока подстанции 1п/
2) необходимы дополнительные меры для снижения активного сопротивления реактора компенсирующего устройства, например увеличение сечения проводов обмотки реактора, уменьшение числа витков;
3) применение реактора, включенного последовательно с конденсатором, обеспечивает понижение величины коммутационного тока и перенапряжений в устройстве;
4) компенсирующее устройство может работать в режиме широкополосного фильтра высших гармоник.
Библиографический список
1. Кузьмин С. В. Устройство поперечной компенсации реактивной мощности с изменяющейся индуктивностью / С. В. Кузьмин, А. Н. Марикин, В. А. Ми-рощенко // Изв. Петерб. ун-та путей сообщения. -СПб. : ПГУПС, 2015. - Вып. 3 (44). - С. 77-84.
2. Марикин А. Н. Обоснование схемотехнических решений экспериментальной установки устройства компенсации реактивной мощности с переменной индуктивностью / А. Н. Марикин, В. А. Мирощенко //
Прорывные технологии электрического транспорта : материалы Десятого Междунар. симпозиума «Эл-транс-2017», 18-20 октября 2017 г., Санкт-Петербург. - СПб. : ПГУПС, 2017. - С. 278-284.
3. Веников В. А. Теория подобия и моделирования (применительно к задачам электроэнергетики) : учеб. пособие для вузов. Изд. 2-е, доп. и перераб. / В. А. Веников. - М. : Высшая школа, 1976. - 479 с.
4. Петин В. А. Проекты с использованием контроллера Агёшпо / В. А. Петин. - СПб. : БХВ-Петербург, 2014. - 400 с. - (Сер. Электроника).
5. Александров Г. Н. Управляемые реакторы. Изд. 3-е / Г. Н. Александров, В. П. Лунин. - СПб. : Центр подготовки кадров энергетики, 2005. - 200 с.
6. Марикин А. Н. Управляемый реактор переменного тока в составе устройства компенсации реактивной мощности / А. Н. Марикин, В. А. Мирощен-ко // Электрификация, развитие электроэнергетической инфраструктуры и электрического подвижного состава скоростного и высокоскоростного железнодорожного транспорта : материалы VIII Междунар. симпозиума «Элтранс-2015», 7-9 октября 2015 г., Санкт-Петербург. - СПб. : ПГУПС, 2017. - 477 с.
7. Довгун В. П. Регулируемые фильтрокомпен-сирующие устройства для систем тягового электро-
снабжения / В. П. Довгун Д. Э. Егоров, И. Г. Важени-на, А. Ф. Синяговский // Омск. науч. вестн. - 2018. -№ 5 (161). - С. 45-50.
8. Марикин А. Н. Анализ электромагнитных процессов в устройстве компенсации реактивной мощности с переменной индуктивностью / А. Н. Мари-кин, В. А. Мирощенко // Изв. Петерб. ун-та путей сообщения. - СПб. : ПГУПС, 2017. - Т. 14. - Вып. 2. -С. 298-306.
9. Минина А. А. Методика выбора параметров средств компенсации реактивной мощности в тяговых сетях переменного тока / А. А. Минина, В. И. Пантелеев, Е. В. Платонова // Вестн. Сиб. гос. аэрокосмич. ун-та им. акад. М. Ф. Решетнева. - 2013. - Вып. 1 (47). -С. 59-63.
10. Система регистрации и контроля нормальных и аварийных режимов и учета расхода энергоносителей «Нева» : руководство по эксплуатации. - М. : ЗАО «Научно-производственная фирма "Энергосоюз"». 2004. - 18 с.
Дата поступления: 04.06.2020 Решение о публикации: 14.07.2020
Контактная информация:
МАРИКИН Александр Николаевич - д-р техн. наук, профессор; [email protected] МИРОЩЕНКО Василий Анатольевич - аспирант; [email protected]
Investigation of the energy characteristics of a reactive power compensating device with adjustable inductance in an electric traction network on an experimental setup
A. N. Marikin, V. A. Miroshchenko
Emperor Alexander I Petersburg State Transport University, 9, Moskovsky pr., Saint Petersburg, 190031, Russian Federation
For citation: Marikin A. N., Miroshchenko V.A. Investigation of the energy characteristics of a reactive power compensating device with adjustable inductance in an electric traction network on an experimental setup. Proceedings of Petersburg State Transport University, 2020, vol. 17, iss. 4, pp. 534-544. (In Russian) DOI: 10.20295/1815-588X-2020-4-534-544
Summary
Objective: Checking the theoretical provisions of the possibility of controlling the reactive power of an adjustable inductance compensating device. Testing and optimizing the algorithm of the reactive power regulating device. Assessing energy efficiency of the device. Checking stability of the device in transient modes. Suggesting methods to improve stability of the system. Conducting a harmonic analysis of current and voltage curves obtained as a result of physical modeling, developing ways to suppress higher current and voltage harmonic. Methods: The scheme of the experimental setup was built, the electrical element base was selected, the measuring instruments used were determined, the experimental stand was assembled. Curves of changes in current, voltage, active and reactive power were taken on the physical model for operating modes without a compensating device, with an unregulated and adjustable compensating device. The change in current for critical transients is analyzed. To evaluate the filtering of higher harmonics of current and voltage by a compensating device, oscillograms were taken in operating mode with a load and after adding a diode bridge to the electric locomotive circuit, and their harmonic analysis was performed. Results: The adjustable device provides reactive power compensation in the load range of no less than 90 %. Additional measures are required to lower the active resistance of
the compensating device reactor. The use of a reactor connected in series with a capacitor reduces the switching current and overvoltage in the device. The compensating device can operate in the mode of a broadband filter of higher harmonics. Practical importance: A physical model of an alternating current traction network with a reactive power compensating device and a controlled variable inductance has been created, which makes it possible to analyze both instantaneous and long-term processes in the traction network.
Keywords: Compensation of reactive power, controlled reactor, electric traction network, simulation of traction network.
References
1. Kuzmin S. V., Marikin A. N. & Miroshchenko V. A. Ustroystvo poperechnoy kompensatsii reaktivnoy mo-shchnosti s izmenyayushcheysya induktivnost'yu [A device for transverse reactive power compensation with adjustable inductance]. IzvestiyaPeterburgskogo univer-siteta putey soobshcheniya [Proceedings of Petersburg State Transport University]. Saint Petersburg, PGUPS [Petersburg State Transport University] Publ., 2015, iss. 3 (44), pp. 77-84. (In Russian)
2. Marikin A. N. & Miroshchenko V.A. Obosnovaniye skhemotekhnicheskikh resheniy eksperimental'noy ustanovki ustroystva kompensatsii reaktivnoy moshch-nosti s peremennoy induktivnost'yu [Substantiation of circuit solutions for the experimental setup of a reactive power compensating device with adjustable inductance]. Proryvnyye tekhnologii elektricheskogo transporta. Mate-rialy Desyatogo Mezhdunar. simpoziuma «Eltrans-2017», 18-20 oktyabrya 2017 g., Sankt-Peterburg [Breakthrough technologies of electric transport. Proceedings of the Tenth Intern. Symposium "Eltrans-2017", October 1820, 2017, Saint Petersburg]. Saint Petersburg, PGUPS [Petersburg State Transport University] Publ., 2017, pp. 278-284. (In Russian)
3. Venikov V. A. Teoriya podobiya i modelirovaniya (primenitel'no k zadacham elektroenergetiki). Ucheb. po-sobiye dlya vuzov. Izd. 2-ye, dop. i pererab. [The theory of similarity and modeling (in relation to the problems of the electric power industry). Textbook. manual for universities. Ed. 2nd, add. and revised]. Moscow, Vysshaya shkola [Higher School] Publ., 1976, 479 p. (In Russian)
4. Petin V.A. Proyekty s ispol'zovaniyem kontrollera Arduino [Projects using the Arduino controller]. Saint Petersburg, BKHV-Peterburg Publ., 2014, 400 p. (Series Electronics). (In Russian)
5. Aleksandrov G. N. & Lunin V. P. Upravlyayemyye reaktory. Izd. 3-ye [Controlled reactors. 3rd ed.]. Saint Petersburg, Tsentr podgotovki kadrov energetiki [Energy Training Center] Publ., 2005, 200 p. (In Russian)
6. Marikin A. N. & Miroshchenko V.A. Upravlya-yemyy reaktor peremennogo toka v sostave ustroystva kompensatsii reaktivnoy moshchnosti [Controlled AC reactor as part of a reactive power compensation device]. Elektrifikatsiya, razvitiye elektroenergeticheskoy in-frastruktury i elektricheskogo podvizhnogo sostava skorostnogo i vysokoskorostnogo zheleznodorozhnogo transporta. Materialy VIII Mezhdunar. simpoziuma "Eltrans-2015", 7-9 oktyabrya 2015 g., Sankt-Peter-burg [Electrification, development of electric power infrastructure and electric rolling stock of high-speed and high-speed rail transport. Proceedings of the 8th Intern. Symposium "Eltrans-2015", 7-9 October 2015, Saint Petersburg]. Saint Petersburg, PGUPS [Petersburg State Transport University] Publ., 2017, 477 p. (In Russian)
7. Dovgun V. P., Egorov D. E., Vazhenina I. G. & Sinya-govsky A. F. Reguliruyemyye fil'trokompensiruyushchiye ustroystva dlya sistem tyagovogo elektrosnabzheniya [Adjustable filter compensating devices for traction power supply systems]. Omskiy nauchnyy vestnik [Omsk Scientific Bulletin], 2018, no. 5 (161), pp. 45-50. (In Russian)
8. Marikin A. N. & Miroshchenko V. A. Analiz elek-tromagnitnykh protsessov v ustroystve kompensatsii reaktivnoy moshchnosti s peremennoy induktivnost'yu [Analysis of electromagnetic processes in a reactive power compensation device with adjustable inductance]. Izvestiya Peterburgskogo universitetaputey soobshcheniya [Proceedings of Petersburg State Transport University]. Saint Petersburg, PGUPS [Petersburg State Transport University] Publ., 2017, vol. 14, iss. 2, pp. 298-306. (In Russian)
9. Minina A. A., Panteleyev V. I. & Platonova Ye. V. Metodika vybora parametrov sredstv kompensatsii reak-tivnoy moshchnosti v tyagovykh setyakh peremennogo toka [Methodology for selecting parameters of reactive power compensation means in AC traction networks]. Vestnik Sibirskogo gosudarstvennogo aerokosmicheskogo universiteta imeni akademika M. F. Reshetneva [Bulletin of the Siberian State Aerospace University named after academician M. F. Reshetnev], 2013, iss. 1 (47), pp. 5963. (In Russian)
10. Sistema registratsii i kontrolya normal'nykh i avariynykh rezhimov i ucheta raskhoda energonositeley "Neva". Rukovodstvo po ekspluatatsii [System for re-
gistration and control of normal and emergency modes and metering of energy consumption "Neva". Operation manual]. Moscow, ZAO "Nauchno-proizvodstvennaya firma "Energosoyuz" [JSC Scientific and Production Firm "Energosoyuz"] Publ., 2004, 18 p. (In Russian)
Received: June 04, 2020 Accepted: July 14, 2020
Authors' information:
Alexander N. MARIKIN - D. Sci. in Engineering,
Professor; [email protected]
Vasily A. MIROSCHENKO - Postgraduate Student;
