CC BY
5
УДК 621.311.68.001
КУЧЕРЕНКО А.А., канд. техн. наук, доцент (Донецкий институт железнодорожного транспорта)
ЗДЕБСКИИ А.В., ассистент (Донецкий институт железнодорожного транспорта) ПАВЛЕНКО А.Ю., инженер ГУП ДНР «Донецкая железная дорога»
Исследование переходных режимов работы установок гарантированного питания тяговых подстанций
Kucherenko А. А., Candidate of Technical Science, Associate Professor (DRTI)
Zdebskyi A.V., Assistant (DRTI)
Pavlenko А^., engineer (SUE DNR Donetsk Railway)
Research facilities transient operating conditions of guaranteed power supply traction substation
Введение
Внедрение на тяговых
подстанциях новейших технологий с использованием микропроцессорных контроллеров способствует увеличению количества как единичной, так и суммарной установленной мощности ответственных электроприемников, нормальная работа которых может быть обеспечена только в условиях гарантированного бесперебойного
питания. Повышение требований таких электроприемников к надёжности и качеству электропитания требуют в процессе разработки систем автоматизированного управления
тягового электроснабжения решения вопроса бесперебойного питания.
Постановка проблемы в общем виде и её связь с научными и практическими задачами
Одновременно усложняются
процессы преобразования энергии, расширяется многообразие
энергетических установок и агрегатов,
обеспечивающих наиболее
рациональные режимы электропитания воздушных линий потребителей СЦБ. Кроме того, с ростом количественных показателей энергообеспечения все большую роль начинают играть показатели качества использования и потребления электрической энергии. Установки гарантированного питания в ряде случаев, особенно связанных с появлением аварийных ситуаций, не позволяют обеспечить бесперебойность электроснабжения с поддержкой при этом необходимых показателей качества электрической энергии.
Цель работы
Определение причинно-
следственных связей, которые влияют на возникновение возмущений в системах электроснабжения устройств гарантированного питания, разработка рекомендаций по предотвращению негативных эффектов, снижающих показатели качества электрической энергии в переходных режимах работы инерционных устройств
гарантированного питания и выработка
мер, внедрение которых обеспечит ослабление или устранение
нежелательных возмущений.
Основная часть
При исчезновении напряжения на вводе внешней сети осуществляется автоматический переход устройства гарантированного питания [1, 2, 3] в режим «Автономия» путем размыкания выключателя сетевого ввода, запуска дизельного генератора и включения разъединительной муфты. Такой переход увеличивает нагрузку на генератор и сопровождается снижением напряжения на шинах гарантированного питания. При этом напряжение может быть таким, что не будет удовлетворять требованиям электроприемников
первой категории. Величина падения напряжения определяется величиной нагрузки и величиной тока электрической машины [4, 5]. Для расчета напряжения на шинах гарантированного питания и
определения броской тока при смене режима работы устройства
гарантированного питания
проанализируем характер переходного процесса. Анализ работы синхронной машины выполняем, используя уравнение Парка-Горева для явнополюсной машины с одной обмоткой возбуждения и одной обмоткой торможения, которое будет иметь вид в относительных единицах:
и г = г, ■ 7, л——
7 7 7 йг
0 = г ■ / + — . О = Г ■ 7 + —
0 'гй л ^ ; 0 = 'гд 7гд л
(1)
йг
йг '
И, Иа, Uq - напряжение статорных обмоток в осях d и q и напряжение обмотки возбуждения;
Т2а, Та, Тq, Тг, Тм, Тщ -потокосцепление статорных и роторных контуров;
iq - проекции тока статора электрической машины на
координатные оси d и q;
if, iгd, ^ - токи роторных контуров; ю - угловая частота вращения. Потокосцепление определяются следующими формулами:
= 7йХй + 7 7Хай + 7гйХай;
— = 7 Х + ЬХ + 7 х ;
* д д д 7 ад гд ад >
= 7йХай Л 77Хай Л 7гйХай ;
= 7дХай Л7гйХгй
(2)
где ха, Xq, хг, Хга, xгq, Хаа, Xaq - реактивные сопротивления синхронной машины.
Уравнение (1) необходимо дополнить уравнениями связи, которые определяют зависимость напряжения на шинах гарантированного питания от величины нагрузки и тока генератора:
й—й
- ий =г ■ 7й ; йг
ий = Гн7й + Хн7д ■ ид = Гн7Я + Хн7й (3)
- ид = Г ■ 7д
й—д йг
и уравнением движения ротора:
. йа йг
= —д7й —д7 д - М§
(4),
где Н| - инерционная постоянная;
Уqid-ydiq=Me - электромагнитный момент машины;
Мg - пусковой момент машины.
Уравнения (1), (2), (3), (4) образуют систему дифференциальных уравнений, которые описывают переходной процесс при изменении режима работы электрической машины. С помощью этих уравнений можно охарактеризовать и короткое замыкание на шинах гарантированного питания, подставив в уравнение (3) значения Гн=хн=0.
Решение системы
дифференциальных уравнений
электрической машины по уравнениям Парка-Горева имеют известные трудности и для практического использования могут быть существенно сокращены. Это связано с тем, что максимальные напряжения и броски тока при изменении режима работы устройства гарантированного питания возникают сразу же после перехода электрической машины из
двигательного режима в генераторный режим после отключения напряжения на сетевом вводе или сразу после короткого замыкания на шинах гарантированного питания [7]. При этом в начальный момент угловая частота вращения вала практически остаётся постоянной, а значит, при исследовании достаточно ограничиться анализом характера протекания
электромагнитных переходных
процессов. Также в начальный момент времени можно не учитывать потокосцепление обмоток генератора из-за его незначительной величины.
Постоянство потокосцепления для начального момента времени переходного процесса позволяет перейти от дифференциальных уравнений к алгебраическим. Погрешность при таком переходе составит не более 5%. После решения
алгебраических уравнений появляется возможность определить составляющие искомых переменных, равных установившимся значениям,
полученным без учёта рассеивания энергии в системе. Так как предыдущие значения переменных в переходном процессе можно считать известными, то появляется возможность определить апериодические составляющие искомых величин. Учитывая принятые допущения и исходя из того, что в исходном установившемся режиме работы частота вращения равна номинальному значению Юном, которое в системе относительных единиц удовлетворяет условию Юном=1, получаем следующую систему уравнений для определения постоянных значений тока электрической машины:
гн1ау + Хн1ау — ; Чу + хнгсу — у
(5)
Исходя из постоянного потокосцепления, можно утверждать, что оно в первый момент времени в генераторном режиме работы электрической машины равно предыдущему значению её работы в двигательном режиме. Это значит, что:
¥а — 1q0 ха ; У а — 1а0 Х0 + 1Г 0 Хаа ;
(6)
где ido, iq0 - значения токов для работы электрической машины в двигательном режиме.
Выражения (6) получены из (2), так как при постоянном режиме работы Ы0=^0=0.
Подставив (6) в (5), получаем:
П, + Х 1 — ~1ПХ
н ау н qy д0 q
Гн1цу + Хн1ау — 1q0 ха + 1/ 0 хаа
(7)
Решив (7), находим idy и 1
qy
7dy = iq0Xqgu (id0xd + if 0xad )К2
íqy = ~7q0XqSn ~ (id0Xd + if 0Xad )Su J ^
S u =
К = Xu
где
u 2,2' u 2,2 ru + X2 ru + X2
Амплитудные значения
апериодически составляющих токов ida и iqa определяется как:
мощностью двигателя Р0, от которой зависит значение угла 00. Между величинами Р0 и 00 прослеживается следующая связь:
P = UI cos^
P0 = UI(cos( cos£0 - sin(0 sin0o)
Из векторных диаграмм получаем:
i = i — i
lda id 0 idy
i = i n — i
qa q0 qy
Id = I ■ cos(0 — 90) = —I sin(0" I = I ■ cos(0 — 90) = —I cos(
(13)
ida = iq0XqSн + (id0Xd + if 0Xad )Кн + id0 | iqa = iq0Xqbн + iq0 + (id0Xd + 7f 0Xad )gн J
(9)
Исходя из того, что за время, равное 0,01 с угасание апериодической составляющей незначительно,
определяем величины начальных скачков тока:
= 27д0Хд£н - 0Хй + 770Хай )Ьн - 0;
= -27д0ХдК - 0Хй + 770Хай )- 0;
if 0
E
Xad 0,8 < E < 1,2 (10)
Значения id0 и iq0 для исходного положения до перехода в генераторный режим работы определяем по векторным диаграммам генератора [1], из которых следует:
if 0 = '
E—Ucos#n
iq 0
U sin#„
ad
X„
(11)
где 00 - угол между величинами E и U в начальном положении.
Из (11) видно, что начальные значения величин id0 и iq0 определяются величиной ЭДС Е и активной
P0 = U(—I -cos6>0 + Ig ■ sin6>0
(14)
Совместив (14) и (11), получаем:
U ■ E U2 (Xd — X ) P =-sin#0=-— ■ sin
X
d
Xd ^ Xq
0
(15)
Выражение (15) позволяет при известных величинах Р0, ^ и Е определить значение угла мощность 00. Решение (15) находим путём графического построения функции Р0=Д00). При этом графики Р0=Д(00) строим для различных исходных режимов работы электрической машины, обусловленных состоянием возбуждения (величиной Е, допустимый диапазон изменения которой задаётся в интервале от 0,8 до 1,2).
Зависимость Р0=^00) для различных значений Е имеют вид, представленный на рис. 1. По графикам (рис. 1), зная величину Р0 в относительных единицах и начальный режим работы, обусловленный величиной Е, можно определить значение угла 00. При построении графиков исходная величина
напряжения и на шинах гарантированного питания принимается равной номинальной, а в системе относительных единиц
r
н
соответствующей и=1. При
необходимости учета влияния возможных колебаний напряжения внешней сети на работу электрической
машины графики, представленные на рисунке, будут при Е=1 лежать в пределах 0,85<и<1,1 диапазона изменения и.
Рис. 1. Графики функций Р0=Д00) для разных режимов работы электрической машины
При определении угла 00 можно рассчитать id0 и iq0 по выражениям (11). Полученные значения id0 и iq0 подставляем в (10) и рассчитываем начальные броски токов при изменении режима работы электрической машины. Для исходного режима работы электрической машины на холостом ходу (Р=0) рассмотренная процедура существенно упрощается так, как 00=0 и соответственно:
. _E-U_
ld 0 = Г ' i = 0
d 0 0. (16)
Для расчетов величин id и iq по формулам (10) необходимо представить проводимости нагрузок qн и Ьн в относительных единицах.
Для этого необходимо выполнить перерасчет сопротивлений всех элементов схемы системы
электроснабжения, которая в
большинстве случаев имеет вид, показанный на рис. 2. На рис. 3 к шинам
гарантированного питания подключены наиболее ответственные
электроприемники rнl+jxнl,
электроприемники второй и третьей категории rн2+jxн2, подключены со стороны сетевого ввода трансформатора высокого напряжения Т1 через понижающий трансформатор Т2.
При исчезновении напряжения на сетевом вводе электроприемники rнl+jxнl и rн2+jxн2 получают питание от электрической машины. Расчетная схема для определения величин qн и Ьн при этом имеет вид, представленный на рис. 1.
В расчетной схеме линия электропередачи от шин
гарантированного питания до трансформаторов Т1 и Т2 представлена индуктивным сопротивлением Хл, а трансформаторы Т1 и Т2 представлены сопротивлениями хт1 и хт2. Сопротивление трансформатора в относительных единицах вычисляется по формуле:
и % & и
100 Б,
б ном т \
■ (_ит>
(17)
Номинальное напряжение
трансформатора принимается равным номинальному напряжению его первичной обмотки.
HQ1
Т1
\Т2
\ HQ2
\ HQ4
142+1x4;
Шины гарантированного питания
HQ3
тп
Гн^Хн!
О
Рис. 2. Расчетная схема системы электроснабжения
ХТ1
ХТ2 Гн2+jХн2
Хл
в
Е
Гн^Хн!
Рис. 3 . Приведенная расчетная схема системы электроснабжения
Сопротивление линии передачи в по формуле:
относительных единицах вычисляется
S,,
S,,
x = x --—' r = r • ——
хл x0 J j2 ; 'Л r0 J j2
и н и н
(18)
Сопротивление нагрузки в относительных единицах определяется по формулам:
S
S
x = x • —— ■ r = r • ——
xn x0 J j2 5 rn r0 . j2
и н и н
(19)
питания. При ранее принятых допущениях с (1) необходимо обратить внимание, что в режиме трехфазного короткого замыкания:
¥q=lqy 'Xq= 0 ¥d=lqy ^d +iJ0 ■ Xad =0)
Из (21) имеем, что:
(21)
После определения всех сопротивлений расчетной схемы (рис.3) в относительных единицах выполняем упрощение схемы и приведение ее к радиально-лучевому виду. Определение эквивалентного активного и
реактивного сопротивления нагрузки для рассчитанных сопротивлений и проводимостей выполняется по формуле (10) начальных бросков тока при изменении режима работы
электрической машины. После того как величины id и iq определены, по формулам (3) вычисляем величины и и и и принимая, что в исходном режиме напряжение на шинах гарантированного питания равно номинальному значению, определяем падение напряжения:
x
ad
и = í^Ü
2+и2
(20)
Как и начальный бросок тока, начальное падение напряжения полностью определяется режимом возбуждения электрической машины и величиной нагрузки. Применяя специальные меры, можно привести начальное падение напряжения практически к нулю.
Предложенная методика
определения начальных бросков тока при перемене режима работы электрической машины принята к анализу режима трехфазного короткого замыкания на шинах гарантированного
п- idy if 0
idy = 0; У f xd
(22)
значения
Амплитудные апериодических составляющих ida и iqa находим по формулам:
ida id 0 idy id 0 + if 0
iqa iq0 iqy iq 0
ad
X,
(23)
Сопоставляя (22) и (23), получаем соотношение для расчета начальных бросков тока при трехфазном коротком замыкании:
i = _2i xaL _ i
ld 21 f 0 ld 0
' xd lqa iq0 ~lqy = iq0
iq = _iq0
(24)
Значения ido и iqo определяются также, как и при расчете бросков тока при переходе в генераторный режим работы.
Величина ifo определяется по формуле:
lf 0
E
ad
(25)
>
>
где Е - ЭДС электрической машины в относительных единицах, 0,8<Е<1,2.
Выводы
При написании данной статьи были определены причины снижения показателей качества электрической энергии при переходных режимах работы инерционных устройств гарантированного питания и
разработаны рекомендации для предупреждения негативных эффектов, установлены причинно-следственные связи, которые способствуют появлению сбоев в системах электроснабжения с такими
устройствами гарантированного
питания, и предложены методы, внедрение которых обеспечит ослабление или, по возможности, даже полное устранение неблагоприятных факторов.
Список литературы:
1. Апиков В.Р., Тумасянц Р.А., Бабкин В.А., Кравченко С.В. Способы организации бесперебойности в корабельных агрегатах электропитания // Силовая электроника корабельных электротехнических комплексов: Материалы межотраслевого научно-технического семинара. -Новочеркасск, 2007. - С. 133-144.
2. Марикин, А.Н. Новые технологии в сооружении и реконструкции тяговых подстанций [Текст] / А.Н. Марикин, А.В. Мизинцев. - М.: Маршрут, 2008. - 220с.
3. Губанов Ю. А., Агрегаты бесперебойного питания различного назначения., Морской вестник. - 2010. № 3. - С. 63-65.
4. Кононов Б.Т., Супрун О.Д. Система гарантированного питания
АС. СССР 1576987 от 16.03.1988 г. -БИ № 25, 1990.
5. Лущик В.Д. Совмещенные электрические машины и аппараты / В.Д. Лущик. - К.: Техника, 993. - 203 с.
6. Аванесов В.М., Стационарные дизель электростанции., Энергетика. -2007. № 5. - С. 23-27.
7. Быков Е.А. Разработка принципов построения систем гарантированного электроснабжения промышленных предприятий: Дис. канд. техн. наук: 05.09.03: Москва, 2005 137 с. РГБ ОД, 61:05-5/2029
8. Уайт Д., Вудсон Г. Электромеханическое преобразование энергии. Л.: Энергия, 1964, 281 с.
9. Хмельник С.И. Электрические цепи постоянного тока для моделирования и управления. Алгоритмы и аппаратура. Published by "MiC" - Mathematics in Computer Comp., printed in USA, Lulu Inc. Израиль-Россия, 2004, 174 с.
10. Дъяконов В.П. MATLAB 6.5 SP1/7 + Simulink 5/6. Основы применения. Серия библиотека профессионала - М.: СОЛОН - Пресс, 2005. - 800 с.: ил.
Аннотации:
В данном исследовании проведен анализ известных систем гарантированного электроснабжения, по результатам которого выбрана дизель-инерциальная система с электромашинным преобразователем
электрической энергии.
Такая установка имеет значительные преимущества в случае системы электроснабжения, где в качестве резервного источника питания установлены дизельные электростанции. Для удовлетворения требований потребителей к качеству электрооборудования укажите причины сбоев в работе системы. Для этого используется математическая модель, устанавливающая взаимосвязь между параметрами системы и возможными возмущениями, которые могут возникнуть во время работы системы. Метод
расчета скачков тока и падений напряжения при коротком замыкании и отключении питания в сетевом проводе. Рекомендации относительно поддержки требуемого качества напряжения, разработанные способы управления и схемы систем, которые их реализуют, пилотное исследование подтверждают обоснованность принятых решений.
Ключевые слова: установки
гарантированного питания, шины
гарантированного питания, электротяговая сеть, система электроснабжения.
In this study, the analysis of the known systems of guaranteed power supply, the results of which selected diesel-inertial system with electromachine converter of electrical energy.
This setup has significant advantages in the case of the power supply system, where as a backup power source installed diesel power plants. To meet the requirements of consumers to quality electrical give reasons for disturbances in the system. To do this, a mathematical model that establishes a relationship between the parameters of the system and possible disturbances that may occur during system operation. The method of calculation of current spikes and voltage dips in the short-circuit and power failure in the mains lead. Recommendations regarding support for the required voltage quality, developed ways to control and circuit systems that implement them, the pilot study confirm the validity of the decisions taken.
Keywords: installation of uninterruptible power supply, uninterruptible power supply bus, electrotraction network, electrical power system.
