CC BY
21
© Д.А. Шандрыгин, В.П. Довгун, Д.Э. Егоров, И.В. Солопко, З.А. Шишкин УДК 621
КОМПЕНСАЦИЯ ИСКАЖЕНИЙ НАПРЯЖЕНИЯ В ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ СИСТЕМАХ С ТЯГОВОЙ НАГРУЗКОЙ
Д.А. Шандрыгин, В. П. Довгун, Д. Э. Егоров, И. В. Солопко, З.А. Шишкин
Сибирский Федеральный Университет, г. Красноярск, Россия
ORCID: http://orcid.org/0000-0002-8372-9141 Shandrigin2012@yandex.ru
Резюме: ЦЕЛЬ: Исследовать проблему компенсации несинусоидальных режимов в электроэнергетических системах с крупными тяговыми нагрузками, рассмотреть возможность уменьшения искажений напряжения за счет рационального выбора фильтрокомпенсирующих устройств, устанавливаемых в тяговых сетях. МЕТОДЫ. При решении поставленной задачи исследовано влияние параметров системы электроснабжения на несинусоидальные режимы с помощью модели системы электроснабжения, реализованной в среде Matlab/Simulink. Анализ показал, что система тягового электроснабжения и внешняя сеть образуют резонансную систему, частотные характеристики которой зависят как от параметров тяговой сети, так и от параметров системы внешнего электроснабжения.
Предложен общий метод проектирования широкополосных демпфирующих фильтров лестничной структуры, основанный на оптимизации частотных характеристик фильтра в пространстве параметров реактивных элементов. С его помощью рассчитаны параметры широкополосных фильтров третьего-пятого порядка, позволяющих минимизировать искажения напряжения в системе электроснабжения.
РЕЗУЛЬТАТЫ. Рассмотрены фильтрокомпенсирующие устройства (ФКУ) в форме параллельного соединения узкополосных и широкополосных звеньев, осуществляющих компенсацию искажений напряжения на токоприемниках локомотивов и демпфирование резонансных режимов в системе тяговая сеть-трансформатор-внешняя сеть. Сравнительный анализ характеристик компенсирующих устройств показал, что ФКУ с широкополосными демпфирующими фильтрами имеют значительно лучшие компенсационные характеристики, чем традиционные ФКУ на основе узкополосных звеньев.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ. В статье рассмотрен общий метод проектирования широкополосных демпфирующих фильтров, основанный на оптимизации частотных характеристик фильтра в пространстве параметров реактивных элементов. При расчете фильтра с помощью предложенного метода учитываются спектральный состав тока локомотива, а также частотные характеристики тяговой сети.
Анализ вариантов ФКУ показал, что использование широкополосных демпфирующих фильтров позволяет уменьшить суммарный коэффициент гармоник напряжения на токоприемнике локомотива, снизить режимные перенапряжения за счет демпфирования резонансных режимов, увеличить среднее значение напряжения на токоприемнике.
Ключевые слова: качество электроэнергии, системы электроснабжения с тяговыми нагрузками, широкополосные демпфирующие фильтры.
COMPENSATION OF THE VOLTAGE DISTORTION IN ELECTRIC POWER SYSTEMS WITH TRACTION LOAD
DA. Shandrygin, VP. Dovgun, DE. Egorov, I.V. Solopko, ZA. Shishkin Siberian Federal University, Krasnoyarsk, Russia
ORCID: http://orcid.org/0000-0002-8372-9141 Shandrigin2012@yandex.ru
Abstract: THE PURPOSE. With the problem of voltage distortions compensation in electric power systems with large traction loads. It is shown that the voltage distortion in railways are mainly caused by harmonic resonance and harmonic emission drawn by thyristor-based locomotive
converters. METHODS. A model of a power supply system with traction load, implemented in the in Matlab/Simulinks of tware, is considered. The influence of the power .supply system parameters on the power system frequency characteristics is investigated. It is shown that the traction power supply system and the external network form a resonant system, the frequency characteristics of which depend on both the parameters of the traction network and the external power supply system.
A general method for designing broadband damping filters based on the frequency characteristics optimization is proposed. The parameters of the third -fifth order broadband filters are calculated. RESULTS. Filter-compensating devices in the form of parallel connection of narrow-band and broad-band passive filters that compensate for pantograph voltage distortions and damping resonant modes in the power system are proposed. Comparative analysis of passive filtering systems with broadband damping filters is performed. It is shown that such filtering system shave significantly better compensation characteristics than traditional narrow-band devices.
CONCLUSION. It is shown that the harmful harmonic distortions in power supply systems with traction load are mainly caused by harmonic resonance and massive harmonic emission. Passive filtering systems with broadband damping filters are considered. A general method of broadband damping filter design is proposed. Designed filters can be effective for voltage distortions compensation in railway traction systems and external network.
Keywords: power quality, power supply systems with traction loads, broad and damping filters.
Введение
Одной из причин ухудшения качества электроэнергии в сетях высокого напряжения являются мощные нелинейные нагрузки промышленных потребителей. К их числу относятся системы тягового электроснабжения (СТЭ) железнодорожного транспорта.
Электроподвижной состав переменного тока представляет собой однофазную нелинейную нагрузку, вызывающую значительные искажения токов в тяговой сети. Большая часть локомотивов, эксплуатируемых на отечественных железных дорогах, оснащена двухполупериодными выпрямительными установками и коллекторными тяговыми двигателями. В спектре тока, потребляемого такими преобразователями, преобладают низкочастотные нечетные гармоники. Несинусоидальные токи вызывают искажения напряжений как на токоприемниках ЭПС, так и в сетях высокого напряжения, питающих тяговые подстанции [1-4]. Увеличение массы и интенсивности движения поездов привело к тому, что в ряде случаев СТЭ становятся основными источниками искажения напряжений в электроэнергетических системах [5]. Особенно сильно негативное влияние СТЭ на качество электроэнергии проявляется в системах электроснабжения с малой мощностью короткого замыкания [6, 7].
Основными факторами, оказывающими негативное влияние на качество электроэнергии в системах тягового электроснабжения, являются пониженное напряжение в конце протяженного участка, несинусоидальный характер токов и напряжений, режимные перенапряжения, вызванные резонансными явлениями в контактной сети, уменьшение средней величины напряжения, появление дополнительных переходов кривой питающего напряжения через нулевую линию в течение каждого полупериода основной частоты [1, 2].
Для компенсации искажений напряжения в тяговых сетях используются пассивные и активные фильтрокомпенсирующие устройства (ФКУ). Недостаток активных ФКУ заключается в том, что они дороги, требуют квалифицированного обслуживания и специальной подготовки персонала. Поэтому основным видом компенсирующих устройств в системах тягового электроснабжения остаются пассивные фильтрокомпенсирующие устройства.
В настоящее время в сетях промышленных потребителей используются различные варианты ФКУ, отличающиеся схемным построением, компенсационными характеристиками, стоимостью. Сравнительный анализ топологии и характеристик пассивных ФКУ для промышленных систем электроснабжения проведен в работах [8, 9]. Однако системы тягового электроснабжения имеют существенные отличия от сетей промышленных потребителей, которые необходимо учитывать при выборе компенсирующих устройств.
В настоящей статье исследованы возможности улучшения технико-экономических характеристик ФКУ для систем электроснабжения (СЭС) с тяговыми нагрузками за счет рационального выбора конфигураций пассивных фильтров. С помощью модели,
39
разработанной в средеMatlab/Simulink, исследовано влияние параметров тяговой сети и системы внешнего электроснабжения на уровень искажения напряжений. Сформулированы критерии, позволяющие оценить эффективность различных конфигураций пассивных ФКУ. Предложена процедура проектирования широкополосных демпфирующих фильтров, основанная на оптимизации характеристик в пространстве параметров фильтра. На основе проведенного анализа выбраны варианты ФКУ, обеспечивающих нормализацию показателей качества электроэнергии в СЭС с тяговой нагрузкой.
Анализ спектрального состава напряжений и токов в системах электроснабжения с тяговой нагрузкой
Для анализа искажений напряжений в СЭС используем модель, разработанную в среде Matlab/Simulink. Структурная схема модели показана на рисунке 1. Она включает систему внешнего электроснабжения напряжением 220 кВ, тяговый трансформатор, тяговую сеть напряжением 27,5 кВ. Электроподвижной состав моделируется источниками тока.
Модель внешней сети имитирует схему двухстороннего питания тяговой подстанции от одноцепной ЛЭП [10]. Она представлена блоком Distributed Parameter Line из библиотеки SimPowerSystems. Модель учитывает активное и индуктивное сопротивление проводов, емкость между проводом и глухозаземлённой нейтралью трансформатора. Принято, что напряжение внешней сети синусоидально и не содержит высших гармоник. Параметры ЛЭП приведены в таблице 1.
Рис. 1. Модель системы электроснабжения
Тяговая сеть представлена моделью в форме каскадного соединения П-образных секций. Каждая секция соответствует участку сети длиной 10 км. Параметры модели контактной сети приведены в таблице 2. При построении имитационной модели тягового электроснабжения учитывалось, что питание контактной сети в первом случае выполняется по узловой схеме питания. Секционирование контактной сети выполнено изолирующими сопряжениями, а для селективности работы защит и снижения потерь электроэнергии участок оборудован постом секционирования.
Во втором случае принято, что питание контактной сети от тяговой подстанции выполнено по консольной схеме питания. Фазы «А» и «В» питают разные плечи тяговой подстанции, фаза «С» подключена к рельсу. Эксплуатационная длина линии контактной сети равна 30 км.
Таблица 1
Параметры внешней сети
R, Ом/км L, мГн/км C, мкФ/км
0,108 1,3 0,0086
Таблица 2
Параметры тяговой сети
R, Ом/км L, мГн/км C, мкФ/км
1,33 6,5 0,029
Преобразователь ЭПС моделируется источниками тока. Действующие значения токов гармоник тиристорного преобразователя приведены в таблице 3.
Таблица 3
Действующие значения гармонических составляющих тягового тока ЭПС_
п 3 5 7
1п 17-24 7,2-8,9 3,3-8,2
Разработанная модель использовалась для исследования влияния параметров СВЭ на частотные характеристики тяговой сети и системы внешнего электроснабжения.
На (рис. 2) показаны частотные характеристики сопротивления СЭС относительно токоприемника локомотива при изменении длины внешней сети от 20 до 90 км. Предполагается, что локомотив находится в конце участка тяговой сети длиной 30 км.
10000 —|
8000 —
® М100 —
я
N
«00 — 2000 —
11 ; 7 7 7 7 7 Г~ 7
0 100 200 .100 400 ?00 600 700
Час
Рис. 2. Частотные характеристики сопротивления тяговой сети
Из рисунка 2 следует, что первый резонансный максимум частотных характеристик системы электроснабжения находится в диапазоне 700-1000 Гц. Частоты максимумов снижаются при увеличении длины линии 220 кВ. Резонансные явления могут вызвать усиление гармоник напряжения и тока как в тяговой сети, так и на шинах 220 кВ.
На рисунке 3 показаны спектры напряжения на токоприемнике локомотива при питании тяговой сети по ЛЭП 220 кВ. Длина линии изменяется от 10 до 100 км. Спектры напряжения на стороне первичной обмотки тягового трансформатора показаны на рисунке 4.
Во всех рассмотренных случаях происходит усиление гармоник, частоты которых близки к резонансным частотам системы электроснабжения. При этом суммарный коэффициент гармоник напряжения на токоприемнике локомотива превышает 40%. Суммарный коэффициент гармоник напряжения на шинах 220 кВ достигает 4,6%, что превышает предельно допустимое значение, определяемое ГОСТ 32144-2013.
а
■ Лшшк^ЮкВ ллшюй 100км
■ Лин]н220кВ ллшюй*0 км Лголм^ОкВ Х1ЧНОАЮ КМ
3 5 7 9 н 13 15 17 19 21 23 25 27 Порядковый номер гармоники напряжения
Рис. 3. Спектры напряжения на токоприемнике локомотива
Порядковый номер гармоники напряжения
Рис. 4. Спектры напряжения на стороне первичной обмотки тягового трансформатора
Результаты анализа показывают, что внешняя сеть и СТЭ представляют связанные системы с распределенными параметрами. Их частотные характеристики имеют резонансные максимумы, частота и амплитуда которых зависят как от параметров тяговой сети, так и параметров СВЭ. При снижении мощности короткого замыкания внешней сети, т.е. при увеличении ее длины экстремумы частотных характеристик смещаются в область низких частот. Это вызывает усиление гармоник напряжения и тока меньшего порядка, имеющих, как правило, большую амплитуду.
В спектрах напряжения системы тягового электроснабжения можно выделить две доминирующих группы гармоник. Первую группу составляют характеристические гармоники, частоты которых зависят от типа преобразователя. В случае тиристорного преобразователя характеристическими являются низкочастотные гармоники (3, 5, 7-я).
Вторая группа образована гармониками, частоты которых близки к частотам резонансных максимумов системы электроснабжения. Спектр резонансной группы гармоник зависит от многих факторов, в первую очередь от мощности короткого замыкания и конфигурации СЭС, а также от режима работы сети.
Особенно сильно влияние резонансных режимов на искажения напряжения проявляется в сетях большой протяженности. В большинстве случаев в системах тягового электроснабжения используются узкополосные ФКУ, осуществляющие подавление наиболее мощных низкочастотных гармоник. В работе [11] отмечено, что примерно на 50% тяговых подстанций необходима установка компенсирующих устройств, осуществляющих не только регулирование реактивной мощности и подавление низкочастотных гармоник, но и демпфирование резонансных явлений в СЭС. Поэтому необходим поиск новых, более эффективных структур ФКУ, осуществляющих коррекцию частотных характеристик и обеспечивающих электромагнитную совместимость систем тягового и внешнего электроснабжения.
Обзор фильтрокомпенсирующих устройств для систем электроснабжения с тяговыми нагрузками
ФКУ, устанавливаемые в тяговых сетях, должны выполнять следующие функции:
- компенсация реактивной мощности;
- увеличение среднего значения напряжения на токоприемниках ЭПС за счет подавления мощных низкочастотных гармоник.
- демпфирование резонансных явлений, вызванных волновыми процессами в системе электроснабжения.
- ослабление высокочастотных гармоник токов и напряжений для снижения негативного влияния тяговой сети на линии связи, устройства автоматики и телемеханики.
Перечисленные функции невозможно выполнить с помощью однозвенного фильтра. Необходимы более сложные конфигурации ФКУ, осуществляющих селективную компенсацию канонических и резонансных групп гармоник.
ФКУ для систем тягового электроснабжения, обеспечивающие одновременно подавление мощных низкочастотных гармоник и демпфирование резонансных режимов, рассмотрены в [12-15]. Демпфирование резонансных режимов в системах тягового электроснабжения с помощью широкополосных фильтров (ШПФ) второго порядка (рис. 5) рассмотрено в [16]. Основной недостаток ШПФ второго порядка - низкая селективность и большие потери в демпфирующем резисторе на частоте основной гармоники.
В [13, 17] для компенсации резонансных искажений напряжения в системах электроснабжения высокоскоростных железных дорог предложено использовать пассивные фильтры С-типа (рис. 6). Их можно рассматривать как модификацию широкополосного фильтра второго порядка. Для уменьшения потерь на частоте основной гармоники в фильтре С-типа последовательно с реактором включен дополнительный конденсатор С2. Фильтр имеет минимальные потери в демпфирующем резисторе, если контур Ь - С2 настроен в резонанс на частоту сети. Методики расчета фильтров С-типа рассмотрены в [13, 18].Существенный недостаток таких фильтров заключается в том, что емкость конденсатора С2 должна значительно превышать емкость основного конденсатора С, определяющего реактивную мощность фильтра. Кроме того, мощность, потребляемая фильтром на частоте основной гармоники, будет минимальна только в том случае, если контур Ь - С2 точно настроен в резонанс на частоту сети.
Рис. 5. Широкополосный фильтр Рис. 6. Фильтр С-типа
второго порядка
Однозвенные ФКУ, рассмотренные в [13,16], не обладают достаточной селективностью для одновременной компенсации характеристических и резонансных групп гармоник. Более эффективные варианты ФКУ, образованные параллельным соединением звеньев, обеспечивающих компенсацию характеристических и резонансных гармоник, предложены в [12, 19].
В [12] предложен гибридный фильтр, образованный параллельным соединением активного фильтра и широкополосного пассивного фильтра второго порядка. Активный фильтр в предлагаемой схеме осуществляет динамическую компенсацию реактивной мощности и подавление низкочастотных характеристических гармоник (п = 3 ,5 ,7 ).
Пассивный фильтр обеспечивает ослабление высокочастотных гармоник и демпфирование резонансных режимов в СТЭ. Поскольку широкополосный фильтр настроен на ослабление высокочастотных гармоник, его потери на основной частоте невелики.
В [19] рассмотрены ФКУ для систем тягового электроснабжения, образованные параллельным соединением узкополосных звеньев и широкополосного фильтра в форме £С-четырехполюсника лестничной структуры, имеющего монотонную частотную характеристику в полосе ослабления. Узкополосные звенья осуществляют подавление низкочастотных характеристических гармоник. Широкополосный фильтр обеспечивает коррекцию частотной характеристики тяговой сети в диапазоне высокочастотных гармоник (п > 7 ). На рисунках 7, 8 показаны схемы широкополосных демпфирующих фильтров 3 и 5-го порядка. В [15, 19, 20] рассмотрена аналитическая процедура расчета ШПФ, основанная на денормировании параметров фильтра-прототипа, реализующего амплитудно-частотную характеристику фильтра Баттерворта верхних частот.
Рис. 7. Широкополосный фильтр Рис. 8. Широкополосный фильтр
3-го порядка 5-го порядка
Существенное ограничение метода расчета лестничных ШПФ, рассмотренного в [19, 20], заключается в том, что сопротивление спроектированных фильтров имеет монотонную частотную характеристику в полосе ослабления. При этом не учитывается относительный уровень гармоник тока, создаваемых преобразователями ЭПС, а также частотные характеристики системы электроснабжения. Для получения более эффективного решения необходим метод расчета, позволяющий учесть влияние этих факторов. Метод проектирования широкополосных демпфирующих фильтров Рассмотрим метод расчета ШПФ произвольного порядка, обеспечивающих минимальное действующее значение высших гармоник напряжения на токоприемнике ЭПС. Расчет основан на оптимизации частотной характеристики фильтра в пространстве параметров реактивных элементов.
Задачу оптимизации сформулируем следующим образом: найти значения элементов фильтра, обеспечивающих минимум целевой функции
^ К (" ) г (-74 )|2 т 2 и 1 2 - и г\ т (к) рф ( " ) + гс ( "Ч )|
При этом должно выполняться ограничение:
1
гФ (у ю1'х)
^Ло
В формулах (1, 2) приняты следующие обозначения:
1ф (у ю^, х ) - входное сопротивление фильтра на частоте Ю^ ;
Zc ( ю^ ) - сопротивление сети на частоте Юк ; Jк - действующее значение к-й гармоники тока;
Параметр л0 в неравенстве (2) определяет допустимое значение отношения
активной и реактивной мощностей фильтра на частоте основной гармоники.
Множитель в формуле (1) представляет собой модуль комплексного сопротивления тяговой сети относительно токоприемника ЭПС:
(у юк) =
(у »х) ^ (уЧ )|
,(у юк, х ) + Zc ( )|
Пассивный широкополосный фильтр, спроектированный с помощью предлагаемой процедуры, корректирует характеристику системы электроснабжения в заданном диапазоне частот таким образом, чтобы минимизировать гармонические искажения напряжения на токоприемнике ЭПС. При расчете учитывается спектральный состав тока ЭПС, а также частотные характеристики тяговой сети. Спроектированный фильтр обеспечивает минимальное значение суммарного коэффициента гармоник напряжения на токоприемнике.
С помощью предложенного метода были рассчитаны параметры широкополосных фильтров 3-5 порядка, обеспечивающих ослабление наиболее мощных низкочастотных гармоник в полосе ослабления и демпфирующих резонансные максимумы частотной характеристики. Значения элементов нормированных фильтров приведены в табл.4. Частота наиболее мощной гармоники в полосе ослабления равна 1 рад/с. Емкость конденсатора С1, определяющего реактивную мощность фильтра, равна 1 Ф.
Таблица 4
Значения элементов нормированных широкополосных фильтров
Порядок фильтра С1, Ф Ь2, Гн С3, Ф Ь4, Гн С5, Ф Я, Ом
3 1,0 0,81 0,259 - - 1,8
4 1,0 0,649 0,465 2,045 - 1,75
5 1,0 0,643 0,387 0,958 1,77 1,53
Нормированные значения пассивных фильтров, приведенные в табл. 4, можно использовать в качестве прототипов при расчете ФКУ с требуемыми частотными характеристиками. Исходными данными для расчета являются емкость конденсатора С10 , обеспечивающего требуемую величину реактивной мощности ФКУ на частоте основной гармоники, параметры элементов нормированного фильтра-прототипа, а также частота наиболее мощной гармоники /0 в полосе ослабления фильтра.
Для получения ШПФ с требуемыми частотными характеристиками необходимо провести масштабирование элементов фильтра-прототипа по частоте и уровню сопротивления. При масштабировании по частоте пересчитываются параметры реактивных элементов:
С(о) Т( 0)
С«= ; Т> = А_ (3)
' 2л /О ' 2л /0
Здесь C0), 40) -
параметры фильтра-прототипа.
При масштабировании по уровню сопротивления выполняется пересчет параметров реактивных элементов и демпфирующего резистора:
С^ = ^ ; 42)= ^; Я(2) = кЯ(°) к
В последних выражениях к - коэффициент масштабирования по уровню
к С(1)
сопротивления: к = ——
C
10
На рисунке 9 показаны частотные характеристики нормированных ШПФ 3-5 порядка. Фильтры рассчитаны на ослабление гармоник, начиная с пятой.
500 750 1000 1250 1500 1750 2000 Частота, Гц
Рис. 9. Частотные характеристики ШПФ 3-5 порядка
Сравнение частотных характеристик ШПФ на рисунке 9 показывает, что при увеличении порядка фильтра его сопротивление в полосе ослабления снижается. Это обеспечивает более эффективное демпфирование резонансных максимумов СЭС.
Обсуждение
Проведем сравнительный анализ вариантов ФКУ для систем тягового электроснабжения, обеспечивающих компенсацию искажений напряжения на токоприемнике ЭПС. Рассматриваемые компенсирующие устройства образованы параллельным соединением двух секций. Низкочастотная секция представляет узкополосное звено, настроенное на частоту, близкую частоте наиболее мощной третьей гармоники (145 Гц). Вторую секцию реализует широкополосный пассивный фильтр, осуществляющий ослабление высокочастотных гармоник (п > 5) и демпфирование резонансных явлений в тяговой сети. Мощность обеих секций ФКУ одинакова и составляет 4036 квар. Ступенчатое регулирование реактивной мощности устройства можно осуществить путем включения (отключения) второй секции. При необходимости плавного регулирования реактивной мощности в состав ФКУ может быть дополнительно включен модуль, имеющий переменное реактивное сопротивление (например, реактор с тиристорным управлением).
Эффективность ФКУ оценивалась по следующим критериям.
1. Суммарный коэффициент гармоник напряжения на токоприемнике ЭПС:
Ти2
и и
Здесь ип - действующее значение и-й гармоники напряжения на токоприемнике ЭПС.
2. Коэффициент амплитуды напряжения на токоприемнике ЭПС, равный отношению максимального значения напряжения к действующему значению:
итау
U
3. Коэффициент формы напряжения на токоприемнике ЭПС, равный отношению действующего значения к среднему:
и
U
ср
4. Потери в ФКУ на частоте основной гармоники.
Для оценки потерь использовался критерий, равный отношению активной мощности к реактивной на частоте основной гармоники.
5. Стоимость ФКУ, определяемая суммарной (установленной) емкостью батарей конденсаторов и индуктивностью реакторов.
6. Уровень искажений напряжений и токов на компонентах фильтра. Для конденсаторов этот параметр равен отношению действующего значения несинусоидального напряжения к действующему значению первой гармоники [8]:
su —!
Для реакторов уровень искажений равен отношению действующего значения несинусоидального тока к действующему значению первой гармоники:
k I 11
Рассмотрим следующие варианты широкополосных демпфирующих фильтров, реализующих вторую секцию. Значения элементов фильтра приведены в таблице 5.
Вариант 1. Широкополосный фильтр 2 порядка (рис. 5).
Вариант 2. Широкополосный фильтр C-типа (рис. 6).
Вариант 3. Широкополосный фильтр третьего порядка (рис. 7).
Вариант 4. Широкополосный фильтр пятого порядка (рис. 8). Параметры фильтров 3 и 5 порядка были рассчитаны с помощью процедуры, рассмотренной в п. 3.
Вариант 5. Двухрезонансное ФКУ. Второе звено реализовано узкополосным фильтром, настроенным на частоту 5-й гармоники.
Значения элементов фильтров (варианты 1-5)
Таблица 5
Вариант С1, мкФ L2, мГн С3, мкФ L4, мГн C5, мкФ Л,Ом
1 8,5 50 - - - 400
2 8,5 58 175 - - 250
3 8,5 38,73 2,2 - - 135
4 8,5 30,7 3,29 45,78 15,0 115
5 8,5 49,6 - - - -
Частотные характеристики входного сопротивления тяговой сети относительно токоприемника ЭПС при установке вариантов ФКУ с широкополосными фильтрами представлены на рисунках 10 и 11 показаны частотные характеристики передаточного сопротивления между токоприемником локомотива и первичной обмоткой тягового трансформатора.
ФКУ с широкополосным фильтром 3-го порядка ФКУ с фильтром С-типа
ФКУ с широкополосным фильтром 5-го порядка
О 250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000
Частота, Гц
Рис.10. Частотные характеристики входного сопротивления тяговой сети после установки компенсирующих устройств
Рис. 11. Частотные характеристики передаточного сопротивления тяговой сети после установки компенсирующих устройств 1- двухсекционного ФКУ, 2 - ФКУ с фильтром С-типа, 3- ФКУ с ШПФ 3-го
порядка
На рисунке 12 показаны спектры напряжений на токоприемнике ЭПС при установке различных вариантов ФКУ. Спектры напряжений на первичной обмотке тягового трансформатора показаны на рисунке 13.
Рис.
13 15 17 19 21 23 25 Порядковый номер гармоники
12. Спектры напряжения на токоприемнике ЭПС после установки ФКУ в тяговой сети
Рис.13. Спектры напряжения на первичной обмотке тягового трансформатора
В табл. 6-9 приведены значения коэффициентов гармонических составляющих напряжения при установке ФКУ, коэффициенты гармонических составляющих в сети внешнего электроснабжения, суммарные значения емкостей индуктивности ФКУ и их критерии эффективности.
Таблица 6
_Коэффициенты гармонических составляющих напряжения в тяговой сети 27,5 кВ,%
Вариант схемы Коэффициенты гармонических составляющих напряжения
Ки(3) Ки(5) Ки(7) Ки(9) Ки(11) Ки(13) Ки(15) ки
Без ФКУ 18,16 16,74 18,61 17,87 18,12 31,08 3,87 52,64
Двухрезонансное ФКУ 4,44 7,18 4,92 5,98 5,92 7,24 4,66 20,92
ФКУ с фильтром С-типа 3,88 5,76 7,28 7,16 6,69 8,02 2,71 16,82
ФКУ с ШПФ 2 порядка 3,83 7,21 6,14 5,68 5,13 5,73 2,18 17,41
ФКУ с ШПФ 3 порядка 3,83 2,01 6,75 7,61 7,63 9,54 2,59 17,03
ФКУ с ШПФ 5 порядка 3,83 5,77 6,31 7,69 7,29 7,88 2,25 16,54
Таблица 7
Коэффициенты гармонических составляющих напряжения в сети внешнего _электроснабжения 220 кВ, %_
Вариант схемы Коэффициенты гармонических составляющих напряжения
ки(3) Ки(5) Ки(7) Ки(9) Ки(11) Ки(13) Ки( 15) Ки
Без ФКУ 1,16 1,17 1,49 1,78 2,57 8,94 1,83 10,4
Двухрезонансное ФКУ 0,14 0,24 0,17 0,22 0,24 0,24 2,56 2,62
ФКУ с фильтром С-типа 0,13 0,19 0,25 0,27 0,27 0,27 1,52 1,64
ФКУ с ШПФ 2 порядка 0,13 0,2 0,29 0,28 0,32 0,35 1,22 1,63
ФКУ с ШПФ 3 порядка 0,13 0,07 0,24 0,28 0,31 0,32 1,47 1,59
ФКУ с ШПФ 5 порядка 0,13 0,19 0,22 0,29 0,29 0,26 1,27 1,41
ГОСТ 32144-2013 1,5 1,5 1,0 0,4 1,0 0,7 0,2 2,0
Таблица 8
Суммарные значения емкостей и индуктивностей ФКУ_
Фильтр X L, мГн X С, мкФ
ФКУ с фильтром С-типа 58 183,5
ФКУ с ШПФ 3-го порядка 38,73 10,7
ФКУ с ШПФ 5-го порядка 76,48 26,79
Анализ полученных результатов показывает, что компенсирующие устройства с широкополосными демпфирующими фильтрами имеют значительно лучшие компенсационные характеристики, чем ФКУ на основе узкополосных звеньев. Снижаются искажения напряжения на токоприемнике ЭПС, уменьшается негативное влияние тяговых нагрузок на устройства проводной связи, автоматики и телемеханики. Уменьшение перенапряжений на токоприемниках ЭПС позволяет увеличить срок службы оборудования. При установке в тяговой сети широкополосных демпфирующих фильтров искажения
напряжения на первичной обмотке тягового трансформатора уменьшаются до значений, определяемых ГОСТ 32144-2013.
Таблица 9
Критерии эффективности ФКУ
Схема ФКУ ка кф При 1=300 А /=600Л кяи к*1
Двухрезонансное ФКУ 1,8 1,138/1,176 1,022 1,29
ФКУ с ШПФ 2-го порядка 1,69 1,120/1,126 1,02 1,2
ФКУ сфильтром С-типа 1,63 1,11/1,12 1,01 1,2
ФКУ с ШПФ 3-го порядка 1,61 1,1 / 1,1 1,71 1,28
ФКУ с ШПФ 5-го порядка 1,63 1,120 / 1,16 1,02 1,2
Анализ полученных результатов показывает, что компенсирующие устройства с широкополосными демпфирующими фильтрами имеют значительно лучшие компенсационные характеристики, чем ФКУ на основе узкополосных звеньев. Снижаются искажения напряжения на токоприемнике ЭПС, уменьшается негативное влияние тяговых нагрузок на устройства проводной связи, автоматики и телемеханики. Уменьшение перенапряжений на токоприемниках ЭПС позволяет увеличить срок службы оборудования. При установке в тяговой сети широкополосных демпфирующих фильтров искажения напряжения на первичной обмотке тягового трансформатора уменьшаются до значений, определяемых ГОСТ 32144-2013.
Проведем теперь сравнение вариантов ФКУ с широкополосными звеньями. Важным критерием, определяющим эффективность ФКУ, является активная мощность на частоте основной гармоники, потребляемая устройством. Основную долю потерь в пассивных ФКУ составляют потери в нагрузочных резисторах и реакторах. Значения активной мощности на частоте основной гармоники, потребляемой рассматриваемыми конфигурациями ФКУ, представлены в табл. 10. Добротность реакторов была принята равной 40. При расчете учитывался случайный характер отклонения емкостей конденсаторов и индуктивностей реакторов от номинальных значений. Для анализа использовалась программа схемотехнического моделирования Р$р1ев. Случайный характер отклонений значений элементов учитывался с помощью режима MonteCarlo/WorstCase. В табл. 10 приведены средние значения потерь в элементах ФКУ.
Таблица 10
Активная мощность, потребляемая широкополосными ФКУ на частоте основной гармоники, Вт
ФКУ с фильтром ФКУ с ШПФ 2- ФКУ с ШПФ ФКУ с ШПФ 5-го
С-типа го порядка 3-го порядка порядка
Замеры Ь Я Ь Ь Я Ь1 Ь2 Я
Потери в 2937,5 102,3 2026,9 4103 2283,2 66,4 1705,3 0,3 0,338
элементах
Суммарные 3039,9 6129,9 2349,6 1705,98
потери
Полученные результаты показывают, что наибольшие потери мощности на частоте основной гармоники имеет ФКУ с широкополосным фильтром второго порядка. Увеличение порядка ШПФ позволяет значительно снизить потери. В схеме ФКУ с фильтром С-типа на (рис. 6) малый уровень потерь мощности в демпфирующем резисторе достигается за счет того, что последовательный контур С12Ь1 настроен в резонанс на частоту 50 Гц и шунтирует демпфирующий резистор на этой частоте. Однако на практике добиться точной настройки контура С12Ь1 на основную частоту невозможно из-за неизбежных отклонений параметров элементов. Анализ показал, что из-за вариации параметров конденсаторов и реакторов потери на частоте 50 Гц в демпфирующем резисторе фильтра С-типа увеличиваются в несколько раз. При отклонении емкости конденсатора С12 и индуктивности реактора на 5-10 % от номинального значения потери на частоте основной гармоники в фильтре С-типа становятся сравнимыми с потерями в лестничном ШПФ 3 порядка.
Заключение
В статье исследована проблема компенсации искажения напряжений в системах электроснабжения с тяговыми нагрузками. Показано, что внешняя сеть и СТЭ образуют связанную систему, частотные характеристики которой зависят как от параметров тяговой сети, так и параметров СВЭ. В спектрах напряжений преобладают характеристические гармоники, создаваемые преобразователем локомотива, а также гармоники с частотами, близкими к частотам резонансных максимумов системы электроснабжения. Для компенсации искажений напряжения в таких системах целесообразно использовать ФКУ в форме параллельного соединения узкополосных и широкополосных звеньев, осуществляющих селективную компенсацию характеристических и резонансных гармоник.
Рассмотрен метод проектирования широкополосных демпфирующих фильтров, основанный на оптимизации частотных характеристик фильтра в пространстве параметров реактивных элементов. При расчете фильтра с помощью предложенного метода учитываются спектральный состав тока ЭПС, а также частотные характеристики тяговой сети. Предложена процедура расчета широкополосных фильтров, основанная на денормировании фильтра-прототипа по частоте и уровню реактивной мощности.
Анализ вариантов ФКУ для систем тягового электроснабжения показал, что включение широкополосных демпфирующих фильтров позволяет уменьшить суммарный коэффициент гармоник напряжения на токоприемнике локомотива, снизить режимные перенапряжения за счет демпфирования резонансных режимов, увеличить среднее значение напряжения на токоприемнике.
Широкополосные ФКУ, синтезированные с помощью предложенного метода, имеют существенные преимущества перед известными конфигурациями. Увеличение порядка фильтра позволяет увеличить селективность частотных характеристик и снизить активную мощность, потребляемую фильтром на частоте основной гармоники.
Литература
1. Кучумов В.А., Ермоленко Д.В. Показатели качества электроэнергии на токоприемнике и взаимодействие ЭПС с системой тягового электроснабжения переменного тока // Вестник ВНИИЖТ. 1997. № 2. С. 11-16.
2. Tan P-C., Morrison R. E., Holmes D. Voltage form factor control and reactive power compensation in a 25-kV electrified railway system using a shunt active filter based on voltage detection. IEEE trans. on Industry Applications. 2003. V. 39. No. 2. pp. 575-581.
3. Hu H., Shao Y., Li Tang , J. Ma, Z. He, S. Gao. Overview of Harmonic and Resonance in Railway Electrification Systems. - IEEE trans. on Industry Applications. 2018. V. 54. No. 5. pp. 5227-5245.
4. Wang J., Li H., Xu L., Lv X., Xu Y. Analysis of power quality Issues of electrified railway. 2017 8th International conference on mechanical and intelligent manufacturing technologies (ICMIMT), pp. 179182.
5. Коверникова Л.И., Тульский В.Н., Шамонов Р.Г. Качество электроэнергии в ЕЭС России: текущие проблемы и необходимые решения // Электроэнергия: Передача и распределение. 2016. № 2 (35). С. 28-38.
6. Герман Л.А., Серебряков А.С., Ермоленко Д.В и др. Установки поперечной емкостной компенсации с фильтрацией и демпфированием высших гармоник в тяговых сетях переменного тока. Вестник ВНИИЖТ, 2014, № 1. С. 47-53.
7. Шандрыгин Д.А., Довгун В.П., Егоров Д.Э., Маньшин М.В. Анализ резонансных режимов в электроэнергетических системах с тяговой нагрузкой. Вестник Иркутского государственного технического университета. 2020. Т. 24. № 2. С. 396-407.
8. Nassif A., Xu W., Freitas W. An investigation on the selection of filter topologies for passive filter applications. IEEE trans. on Power Delivery. 2009. V. 24. No. 3, pp. 1710-1718.
9. Das J. Passive filters - potentialities and limitations. - IEEE trans. on industry applications. 2004. V. 40. No. pp. 232-241.
10. Закарюкин В.П., Крюков А.В., Алексеенко Е.А. Анализ применимости упрощенных моделей внешней сети для определения токов короткого замыкания в системах тягового электроснабжения железных дорог. Известия высших учебных заведений. ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГЕТИКИ. 2017. Т. 19(11-12). С. 12-20.
11. Герман Л.А., Серебряков А.С., Ермоленко Д.В., и др. Установки поперечной емкостной компенсации с фильтрацией и демпфированием высших гармоник в тяговых сетях переменного тока. Вестник ВНИИЖТ. 2014. № 5. С. 47-53.
12. Tan P.-C., Loh P., Holmes D., Optimal impedance termination of 25-kV electrified railway systems for improved power quality. IEEE Trans. on Power Delivery. 2005. V. 20. No. 2. pp. 1703-1710.
13. Hu H., He Z., Gao S. Passive filter design for China high-speed railway with considering harmonic resonance and characteristic harmonics. IEEE Trans. on Power Delivery. 2015. V. 30. No. 1. pp. 505-514.
14. Герман Л.А., Серебряков А.С., Максимова А.А., Фильтрокомпенсирующие установки в тяговых сетях переменного тока // Вестник ВНИИЖТ, 2016, Т. 75, № 1, с. 26-34.
15. Довгун В. П., Сташков И. А., Николаев И. Ф., Синяговский А. Ф. Многофункциональные фильтрокомпенсирующие устройства для систем тягового электроснабжения переменного тока // Известия высших учебных заведений. Электромеханика. 2016. № 3 (545). С. 55-60.
16. Morrison R. E., Corcoran J. C. W. Specification of an overvoltage damping filter for the national railways of Zimbabwe. IEE Proceedings. 1989 V. 136. Pt. B. No. 6. pp. 249-256.
17. Habibolahzadeh M., Roudsari H. M., Jalitian A., Jamali S. Improved railway static power conditioner using C-type filter in Scott co-phase traction power supply system. 2019 10th international power electronics, drive systems and technologies conference (PEDSTC), Shiraz University, Iran, pp. 355-360.
18. Xu W., Ding T., Li X., Liang H. Resonance-Free Shunt Capacitors - Configurations, Design Methods and Comparative Analysis. IEEEtrans. On Power Delivery. 2016. V. 31. No. 5. pp. 2287-2295.
19. Николаев И. Ф., Сташков И. А., Довгун В. П. Синтез широкополосных демпфирующих фильтров для систем тягового электроснабжения // Журнал Сибирского федерального университета. Сер. Техника и технологии. 2016. Т. 9. № 1. С. 61-70.
20. Довгун В. П., Егоров Д. Э., Боярская Н. П., Синяговский А. Ф. Синтез широкополосных фильтров гармоник. Известия вузов. Проблемы энергетики. 2014. № 5-6. С. 85-91.
Авторы публикации
Шандрыгин Денис Александрович - аспирант, Институт космических и информационных технологий, Сибирский федеральный университет. E-mail: Shandrigin2012@yandex.ru.
Довгун Валерий Петрович - д-р техн. наук, профессор кафедры систем автоматики, автоматизированного управления и проектирования, Институт космических и информационных технологий, Сибирский федеральный университет. E-mail: valerydovgun@gmail.com.
Егоров Денис Эдуардович - канд. техн. наук, доцент кафедры Систем автоматики, автоматизированного управления и проектирования, Сибирский федеральный университет. E-mail: denis.egorov.90@bk.ru.
Солопко Ирина Владимировна - старший преподаватель кафедры Систем автоматики, автоматизированного управления и проектирования Сибирский федеральный университет E-mail: ISolopko@sfu-kras.ru.
Шишкин Захар Андреевич - магистрант Институт космических и информационных технологий, Сибирский федеральный университет». E-mail: Zaharsiskin9@mail.ru.
References
1. Kuchumov VA, Ermolenko DV, Qualitative indices of electric energy on pantografs and interaction between electric rolling stock and ac traction electric supply system. Vestnik VNIIZHT, 1997;2:11-16. doi: 10.17212/1727-2769-2019-1-91-103.
2. Tan P-C, Morrison RE, Holmes D. Voltage form factor control and reactive power compensation in a 25-kV electrified railway system using a shunt active filter based on voltage detection. IEEE trans. on Industry Applications. 2003;39(2):575-581.
3. Hu H, Shao Y., Li Tang , J. Ma, Z. He, S. Gao. Overview of Harmonic and Resonance in Railway Electrification Systems. IEEE trans. on Industry Applications. 2018;54(5):5227-5245. doi: 10.1109/TIA.2018.2813967.
4. Wang J, Li H, Xu L, et al. Analysis of power quality Issues of electrified railway. 2017 8th International conference on mechanical and intelligent manufacturing technologies (ICMIMT), pp. 179-182.
5. Kovernikova LI, Tulsky VN, Shamonov RG. Power quality in the electric power systems of Russia: current problems and necessary solutions. Electric power: Transmission and distribution. 2016;2(35):28-38.
6. German LA, Serebryakov AS, Ermolenko DV, et al. Installations of transverse capacitive compensation with filtering higher harmonic components in AC traction networks. Vestnik VNIIZHT, 2014, no. 1. pp. 47-53. doi.org/10.21780/2223-9731 -2016-0-1 -26-34.
7. Shandrygin DA, Dovgun VP, Egorov DE, et al. An analysis of resonant modes in electric power systems with a traction load. Vestnik Irkutskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta. Proceedings of Irkutsk State Technical University. 2020;24(2):396-407. doi.org/10.21285/1814-3520-2020-2-396-407/
8. Nassif A, Xu W, Freitas W. An investigation on the selection of filter topologies for passive filter applications. IEEE trans. on Power Delivery. 2009;24(3):1710-1718. doi: 10.1109/TPWRD.2009.2016824.
9. Das J. Passive filters potentialities and limitations. IEEE trans. on industry applications. 2004;40(1):232-241. doi: 10.1109/TIA.2003.821666.
10. Zakaryukin VP, Kryukov AV, Alekseenko EA. Analysis of applicability of external network simplified models for definition of short circuit currents in systems of railroad traction power supply. Power engineering: research, equipment, technology. 2017;19(11-12):12-20. https://doi.org/10.30724/1998-9903-2017-19-11-12-12-20.
11. German Leonid A, Serebryakov Alexander S., Yermolenko Dmitry V., et al. Installations for capacitive shunt compensation with filtration and damping of higher harmonics within the ac traction networks. Vestnik VNIIZHT, 2014,5:47-53.
12. TanP.-C, LohP, HolmesD, Optimal impedance termination of 25-kV electrified railway systems for improved power quality. IEEE Trans. on Power Delivery, 2005;20(2):1703-1710. doi: 10.1109/TPWRD.2004.834308.
13. Hu H, He Z, Gao S. Passive filter design for China high-speed railway with considering harmonic resonance and characteristic harmonics. IEEE Trans. on Power Delivery. 2015;30(1):505-514. doi: 10.1109/TPWRD.2014.2359010.
14. German LA, Serebryakov AS, Maksimova AA. Filter compensating installations in AC traction networks. Vestnik VNIIZHT, 2016;75(1):26-34. doi.org/10.21780/2223-9731-2016-0-1-26-34.
15. Dovgun V., Stashkov I, Nikolaev I, et al. Multifunctional filtering and compensation systems for railway AC traction systems. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii. Elektromekhanika. 2016;3(545):55-60. doi: 10.17213/0136-3360-2016-3-55-60.
16. Morrison RE, Corcoran JC. W. Specification of an overvoltage damping filter for the national railways of Zimbabwe. IEE Proceedings. 1989;136(6):249-256.
17. Habibolahzadeh M, Roudsari HM, Jalitian A, et al. Improved railway static power conditioner using C-type filter in Scott co-phase traction power supply system. 2019 10th international power electronics, drive systems and technologies conference (PEDSTC), Shiraz University, Iran, pp. 355-360.
18. Xu W, Ding T, Li X, et al. Resonance-Free Shunt Capacitors - Configurations, Design Methods and Comparative Analysis. IEEE trans. on Power Delivery. 2016;31(5):2287-2295. doi: 10.1109/TPWRD.2015.2507440.
19. Nikolaev I, Stashkov I, Sinjagovsky A, et al. Synthesis of Wideband Damping Filter for Electric Traction Systems. Journal of Siberian Federal University. Engineering. 2016(1):61-70. doi: 10.17516/1999-494X-2016-9-1 -61 -70.
20. Dovgun V, Egorov D, Boyarskaya N, et al. Synthesis of wideband power harmonic filters. Power engineering: research, equipment, technology. 2014,5-6:85-91.
Authors of the publication
Denis A. Shandrygin - Siberian Federal University, Krasnoyarsk, Russia. E-mail: Shandrigin2012@yandex.ru.
Valery P. Dovgun - Siberian Federal University, Krasnoyarsk, Russia. E-mail: valerydovgun@gmail.com. Denis E. Egorov - Siberian Federal University, Krasnoyarsk, Russia. E-mail: denis.egorov.90@bk.ru. Irina V. Solopko - Siberian Federal University, Krasnoyarsk, Russia. E-mail:ISolopko@sfu-kras.ru. Zahar A.Shishkin - Siberian Federal University, Krasnoyarsk, Russia. E-mail:Zaharsiskin9@mail.ru.
Получено 22 октября 2020г.
Отредактировано 23 ноября 2020г.
Принято 23 ноября 2020г.
