CC BY
75
Б01: 10.24412/2413-2527-2021-226-5-12
Моделирование процессов компенсации реактивной мощности в системе
тягового электроснабжения с помощью МЛТЬЛБ-81шиИпк
И. А. Баранов, д.т.н. А. В. Агунов Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I
Санкт-Петербург, Россия baranov@pgups.ru, alexagunov@mail.ru
Аннотация. Рассматривается моделирование процессов компенсации реактивной мощности, приведена разработанная модель и результаты вычислений, полученных с ее помощью. Моделирование процессов компенсации позволяет упростить работу проектирования усиления системы тягового электроснабжения с помощью компенсирующих устройств, а также снизить затраты на проведение исследований влияния предполагаемого усиления.
Ключевые слова: регулируемые компенсирующие устройства, системы тягового электроснабжения, компенсация реактивной мощности, 81шиИпк, емкостная компенсация, фильтр низких частот.
Введение
Железная дорога является одной из основных транспортных структур страны. Поэтому она должна полностью обеспечивать быстрые и качественные перевозки грузов и пассажиров по сети железных дорог. Непосредственно способствует этим показателям электрификация, которая является ключевым звеном технического прогресса на транспорте. Она помогает существенно увеличить пропускную способность железных дорог, производительность и условия труда, эффективность работы, связанной с перевозками, а также снизить потребление топливно-энергетических ресурсов. Сегодня более 50 % протяженности железных дорог Российской Федерации работает на электрической тяге, а она, в свою очередь, обеспечивает 83,6 % грузо- и пассажирооборота Российских железных дорог [1-4].
Рост числа перевозок по железной дороге создает необходимость в таких параметрах, как высокая надежность устройств электроснабжения (уменьшение числа отказов технических средств), безаварийность работы, а также снижение потерь при получении, переработке и распределении электроэнергии регламентированного качества между потребителями [5-7].
Системы тягового электроснабжения (СТЭ) представляют собой сложные электротехнические комплексы, которые оказывают значительное влияние в виде помех на смежные линии систем автоматики, связи и телемеханики, а также на сети внешнего электроснабжения. При этом СТЭ обладают рядом немаловажных особенностей.
Первая особенность — электроподвижной состав (ЭПС) переменного тока является однофазной нелинейной
нагрузкой. А около 90 % локомотивов, используемых на территории РФ, оснащены двухполупериодными выпрямительными установками и коллекторными тяговыми двигателями. Что говорит о преобладании в спектре потребляемого тока ЭПС низкочастотных нечетных гармоник (3, 5 и 7-й). А несинусоидальные токи вызывают искажения напряжений в тяговой сети и в системе внешнего электроснабжения.
Вторая особенность заключается в том, что при гармониках около 500 Гц и выше необходимо учитывать распределенный характер параметров контактной сети, а именно: есть волновые процессы, которые, в свою очередь, обусловливаются резонансными явлениями, из-за которых могут возникать перенапряжения на токоприемниках ЭПС.
Третья особенность — это динамический характер тяговых нагрузок, вызываемый изменением режима работы ЭПС и его движением, при котором переменные нагрузки вызывают существенные колебания активной и реактивной мощностей. Для достижения наиболее устойчивого режима работы СТЭ необходима регулируемая компенсация реактивной мощности, которая изменяется в зависимости от величины тяговой нагрузки [8-10].
Регулируемые поперечные компенсирующие устройства (ПКУ) и регулируемые устройства продольной компенсации (УПК) являются основными средствами, цель которых — поддержание установленного нормального уровня напряжения на токоприемнике и качества электроэнергии в СТЭ. Установка ПКУ и УПК способна решить следующие задачи по усилению СТЭ:
1) компенсация реактивной мощности, что способствует повышению напряжения в контактной сети;
2) увеличение среднего значения напряжения на токоприемниках ЭПС за счет подавления мощных низкочастотных гармоник;
3) снижение режимных перенапряжений в контактной сети;
4) ослабление высокочастотных гармоник для снижения негативного влияния тяговой сети на смежные линии;
5) демпфирование резонансных явлений, вызванных волновыми процессами в тяговой сети [11-13].
Таким образом, задача усиления СТЭ является весьма актуальной. А применение моделирования процессов
компенсации позволяет упростить процесс проектирования усиления СТЭ за счет регулируемых устройств компенсации реактивной мощности и снизить затраты на исследования влияния проектируемого усиления СТЭ на устройства СТЭ и систему электроснабжения в целом.
Описание разработанной модели В программном пакете MATLAB-Simulink разработана модель для исследований процессов, происходящих
при усилении СТЭ за счет регулируемых устройств компенсации (рис. 1), которая состоит из следующих элементов [14-17]:
1. Модель системы внешнего электроснабжения (рис. 2).
2. Модель системы тягового электроснабжения (рис. 3).
3. Модель электроподвижного состава 2ЭС5К (рис. 4).
4. Модель регулируемого компенсирующего устройства с фильтром низких частот (рис. 5).
Рис. 1. Разработанная модель
Рис. 2. Модель системы внешнего электроснабжения
Рис. 3. Модель системы тягового электроснабжения 1 — понижающий тяговый трансформатор ТДТНЖУ 40000/110У; 2 — регулируемое устройство компенсации реактивной мощности; 3 — тяговая сеть, представленная активно-индуктивным сопротивлением;
4 — электроподвижной состав типа 2ЭС5К.
Рис. 4. Модель электроподвижного состава 2ЭС5К
Рис. 5. Модель регулируемого компенсирующего устройства с фильтром низких частот
Для расчетов взят режим одностороннего питания, как наиболее тяжелый из режимов.
Расчеты произведены посредством мгновенных схем для разных точек положение ЭПС на межподстанционной зоне (МПЗ) при наличии устройства компенсации и при его отсутствии. Максимальное количество ЭПС на МПЗ (60 км) — 5 штук, то есть между ЭПС 15 км. Движение начинается первым поездом из координаты S1 и заканчивается пятым поездом в координате S5. Статические характеристики нагрузки ЭПС приведены на рисунке 6.
Р, МВт О, МВАр
6,00
•P, МВт
Q,
МВАр
ооооооооооо о, о, о, о, о, о, о, о, о, о, о, стТ о" rN го из К oo стТ
U, кВ
Рис. 6. Статические характеристики нагрузки ЭПС
Для каждой мгновенной схемы выполняется гармонический анализ напряжения и осциллограммы токов и напряжений в тяговой сети и системе внешнего электроснабжения, чтобы наглядно показать фильтрующее действие устройства компенсации.
В разработанной математической модели уставка Q стремится к нулю.
результаты вычислений
С помощью разработанной модели произведен расчет 9 мгновенных схем, что соответствует прохождению 5 поездов по МПЗ друг за другом. Результаты расчета при отсутствии ПКУ сведены в таблицу 1. По рисунку 7 можно видеть, что напряжение на тяговой подстанции (ТП) понижается до отметки в 23 кВ, а на посту секционирования (ПС) — до 19 кВ.
Таблица 1
Результаты расчетов схемы при отключенном устройстве компенсации
я t - N fTi Wi
1 = = iT = СП = iP = ip = ir
= = - Ё а Z * Ё s Z * Ё а Z * 1 - Z * Ё а Z * = - z * _P -a-
1= = = Z = Z s = ii
1 В- | в- g> &
4 ¡Е II | ± ¡E ir
1 25,0S 25,06 25,08 - - 95,6 0,928
: 24.53 23,95 23,95 24,58 - 96,9 0,914
з 24.05 22,24 2224 22,82 24,05 - - 962 0,894
4 23,57 20,64 20,11 20,64 21,76 23,57 - 94,5 0,369
3 23,14 19,22 17,75 13,22 1922 20,32 23,14 92,3 0,343
6 23,59 19,61 - 13,11 13,59 19,61 21,24 89,9 0,315
7 24,05 20,53 - - 1S,97 19,48 20,53 89,0 0,S10
8 24,53 22,05 - - - 20,41 20,94 89,5 0,S26
9 25,03 23,72 - - - - 22,54 90,3 0,S66
U, кВ
27
25 23 21 19 17
■Напряж ение на ТП, кВ Напряж ение на ПС, кВ
123456789
Рис. 7. График изменения напряжения на тяговой подстанции и посту секционирования для системы тягового электроснабжения без компенсации
По графику изменения уровней напряжения на токоприемнике ЭПС (рис. 8) видно, что на 5 -й мгновенной схеме, когда на МПЗ находятся все 5 поездов, напряжение на токоприемнике наиболее удаленных поездов опускается ниже минимального значения в 19 кВ и даже ниже 18 кВ.
и, кВ
27
Напряжен ие ЭПС 1
Напряжен ие ЭПС 2
Напряжен ие ЭПС 3
Напряжен ие ЭПС 4
Напряжен ие ЭПС 5
25 23 21 19 17
123456789 Рис. 8. График изменения напряжения на токоприемниках ЭПС для СТЭ без компенсации
На рисунке 9 заметно уменьшение КПД ниже отметки 90 %, что очень низко по современным меркам электрических систем, также видно уменьшение среднего коэффициента мощности (cos ф) системы до 0,81.
КПД, % еоэф 1 nn 1
QR 98 0,95 0,9
96 94 1 b Л к. 5*
1 k N N |L
С * } 1
Ц fc 4 p A t A 0,8 0,75 0,7
88 4
86
84
КПД, %
СОБф
123456789
Рис. 9. График изменения КПД и коэффициента мощности cos ф для СТЭ без компенсации
На рисунке 10 представлен гармонический состав в тяговой сети, который в свою очередь очень сильно влияет на систему внешнего электроснабжения (СВЭ) и смежные линии.
Рис. 10. Гармонический состав в тяговой сети без компенсации Такой же расчет произведен при подключении регулируемого ПКУ. Полученные результаты (табл. 2) говорят об увеличении напряжения на ТП, которое даже в самый загруженный момент (мгновенная схема 5) не опускается ниже 24 кВ, и ПС, где напряжение едва переходит границу в 22 кВ (рис. 11).
Таблица 2
Результаты расчетов схемы при включенном устройстве компенсации
g — — Vi
1 а = £ - в СП в £П = in в £Т5
= й = - Z ¡с = so ; * Ё m ; * ¡и ; * Ё m z * Ё = Z X Ё = Z X _> 9-
£ Е- В — Ё- с & & Е- э
X £ DC S ЕС а £
1 25:3J 25,94 25,33 - - - - 95,4 0,993
: 25,да 2521 25,07 25,да - - - 96,7 0,997
з 24,73 24,53 24,53 24,3 24,73 - - 962 0,994
4 24,25 23,25 22,66 2325 23,3" 2423 - 94,3 0,934
5 23,39 22,1 20,44 20,97 22,1 22,55 23,39 92,9 0,973
6 24 Л В 21,77 - 20,14 20,66 21J7 22,55 91,0 0,958
7 24,54 22,21 - - 20,55 21,07 2221 90,4 0,956
3 24,91 23,32 - - - 21,57 22,13 90,6 0,964
9 2526 24,47 - - - - 23,24 912 0,9S1
U, кВ
27 26 25 24 23 22 21 20 19 18 17
■Напряжен ие на ТП, кВ
■Напряжен ие на ПС, кВ
1
23456789
Рис. 11. График изменения напряжения на тяговой подстанции и посту секционирования для системы тягового электроснабжения при компенсации
По напряжениям на токоприемниках наблюдается повышение уровня напряжения, которое даже для самых отдаленных поездов в наиболее нагруженный момент не опускается ниже 20 кВ (рис. 12).
и, кВ
27
25 23 21 19 17
Напряже ние ЭПС 1 Напряже ние ЭПС 2 Напряже ние ЭПС 3 Напряже ние ЭПС 4 Напряже ние ЭПС 5
12345678
9
Рис. 12. График изменения напряжения на токоприемниках ЭПС для СТЭ при компенсации
КПД все еще достаточно сильно падает, но уже не переходит границу в 90 %, ввиду того что специально был выбран наиболее тяжелый режим работы. А вот коэффициент мощности заметно увеличивается и держится в границах 0,95-0,99, что говорит об эффективности регулируемого ПКУ (рис. 13). Также, поскольку компенсирующее устройство используется совместно с фильтром низких частот, по спектру гармоник (рис. 14) видно, что они практически полностью гасятся фильтром.
КПД,
100
98 96 94 92 90 88 86 84
%
cosw
1
КПД, %
СОБф
123456789
Рис. 13. График изменения КПД и коэффициента мощности cos ф для СТЭ при компенсации
Рис. 14. Гармонический состав в тяговой сети при компенсации
Заключение
Разработанная в программном пакете MATLAB-Simulink модель позволяет производить расчет мгновенных схем и оценивать влияния системы тягового электроснабжения на систему внешнего электроснабжения, а также устройств емкостной компенсации реактивной мощности на уровень напряжения в контактной сети и на саму систему тягового электроснабжения в целом. Кроме того, предшествующее построению конкретной СТЭ компьютерное моделирование позволяет достичь максимально эффективного использования времени и материальных ресурсов разработчика за счет выявления нерациональных или даже ошибочных технических решений.
Литература
1. Об энергетической стратегии ОАО «РЖД» на период до 2010 года и на перспективу до 2030 года: распоряжение ОАО «РЖД» от 11.02.2008 № 269р. URL: http://company.rzd.ru/ru/9353/page/105104?id=35 (дата обращения 14.06.2021).
2. Об утверждении Стратегии развития железнодорожного транспорта в Российской Федерации до 2030 года и плана мероприятий на 2008-2015 годы по ее реализации: распоряжение Правительства Российской Федерации от 17.06.2008 № 877-р.
3. Об утверждении Транспортной стратегии Российской Федерации на период до 2030 года: распоряжение Правительства Российской Федерации от 22.11.2008 № 1734-р (с изм. от 11.06.2014 № 1032-р; 12.05.2018 № 893-р).
4. Гапанович, В. А. Энергетическая стратегия и электрификация российских железных дорог / В. А. Гапано-вич, С. Н. Епифанцев, В. А. Овсейчук; под общ. ред. Г. П. Кутового; Российская акад. естественных наук, Отд-ние «Науч. основы регулирования естественных монополий». — Москва: Эко-Пресс, 2012. — 195 с.
5. Игнатенко, И. В. Электроснабжение железных дорог: Учебное пособие: в 2 ч. / И. В. Игнатенко; Дальневосточный гос. ун-т путей сообщения. — Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2013. — Ч. 1. — 2013. — 113 с.
6. Чернов, Ю. А. Электроснабжение электрических железных дорог: Учебное пособие для студентов вузов ж.-д. транспорта / Ю. А. Чернов; Московский гос. ун-т путей сообщения (МИИТ). — Москва: МИИТ, 2006. — Ч. 3. — 2012. — 170 с.
7. Марквардт, К. Г. Электроснабжение электрифицированных железных дорог. — Москва: Транспорт, 1982. — 528 с.
8. Герман, Л. А. Регулируемые установки емкостной компенсации в системах тягового электроснабжения железных дорог: Монография / Л. А. Герман, А. С. Серебря-
ков; Московский гос. ун-т путей сообщения (МГУПС). — Москва: РОАТ МГУПС, 2012. — 211 с.
9. Требования нормативных документов к конденсаторным установкам // Регулируемые установки емкостной компенсации в системах тягового электроснабжения железных дорог / Л. А. Герман, А. С. Серебряков. — Москва: ФГБОУ «Учебно-методический центр по образованию на железнодорожном транспорте», 2015. — С. 29-34.
10. Тер-Оганов, Э. В. Электроснабжение железных дорог: учебник для студентов университета (УрГУПС) специальности 190901.65 «Системы обеспечения движения поездов» специализации «Электроснабжение железных дорог» / Э. В. Тер-Оганов, А. А. Пышкин. — Екатеринбург: Изд-во УрГУПС, 2014. — 431 с.
11. Герман, Л. А. Наука на службе электрификации железных дорог // Евразия Вести. 2013. № 10. С. 11-12.
12. Тюриков, А. М. Электроэнергетическая инфраструктура тягового электроснабжения // Евразия Вести.
2014. № 10. С. 26.
13. Герман, Л. А. Регулируемые установки емкостной компенсации тягового электроснабжения // Евразия Вести. 2011. № 10. С. 16-17.
14. Агунов, А. В. Компьютерное моделирование системы тягового электроснабжения переменного тока / А. В. Агунов, А. Н. Марикин, Д. А. Соколов // Электроника и электрооборудование транспорта. 2019. № 5. С. 38-40.
15. P 640. Общие методы выбора параметров и оценки эффективности применения устройств компенсации реактивной мощности в тяговой сети переменного тока. Памятка ОСЖД. I издание. Утверждено совещанием Комиссии ОСЖД по инфраструктуре и подвижному составу 27-30 октября 2015 г. // Организация сотрудничества железных дорог (ОСЖД). — Варшава: Комитет ОСЖД,
2015. — 13 с.
URL: http://osjd.org/ru/8954/page/106077?id=2583 (дата обращения 14.06.2021).
16. Основы компьютерного проектирования и моделирования устройств электроснабжения: Учебное пособие / А. И. Бурьяноватый, М. А. Иванов, Э. А. Иванова, А. Е. Ша-говик. — Санкт-Петербург: ПГУПС, 2020. — 56 с.
17. Соколов, Д. А. Моделирование систем тягового электроснабжения в MATLAB-Simulink / Д. А. Соколов, А. В. Агунов // Тезисы докладов Десятого международного симпозиума «Eltrans 10.0» (Элтранс-2019), посвященного 210-летию со дня основания первого транспортного вуза России — Петербургского государственного университета путей сообщения Императора Александра I (09-11 октября 2019 г., Санкт-Петербург). — Санкт-Петербург: ПГУПС, 2019. — Ч. 2. — 2019. — С. 61-62.
DOI: 10.24412/2413-2527-2021-226-5-12
Modeling Reactive Power Compensation in a Traction Power Supply System Using MATLAB-Simulink
I. A. Baranov, PhD A. V. Agunov Emperor Alexander I St. Petersburg State Transport University Saint Petersburg, Russia baranov@pgups.ru, alexagunov@mail.ru
Abstract. Discusses the modeling of reactive power compensation processes, shows the developed model and the results of calculations obtained with its help. Modeling the compensation processes will simplify the design work for the amplification of the traction power supply system using compensating devices, as well as reduce the cost of researching the effect of the expected amplification.
Keywords: adjustable compensating devices, traction power system amplification, reactive power compensation, Simulink, capacitive compensation, low-pass filter.
References
1. On the Energy Strategy of Russian Railways JSC for the Period Up To 2010 and for the Future Until 2030: Order of the Russian Railways JSC [Ob energeticheskoy strategii OAO «RZhD» na period do 2010 goda i na perspektivu do 2030 goda: rasporyazhenie OAO «RZhD»] from February 11, 2008 No. 269r. Available at: http://company.rzd.ru/ru/9353/page/ 105104?id=35 (accessed 14 June 2021).
2. On Approval of the Strategy for the Development of Railway Transport in the Russian Federation Until 2030 and the Action Plan for 2008-2015 for Its Implementation: Order of the Government of the Russian Federation [Ob utverzhdenii Strategii razvitiya zheleznodorozhnogo transporta v Ros-siyskoy Federatsii do 2030 goda i plana meropriyatiy na 2008-2015 gody po ee realizatsii: rasporyazhenie Pravitel'stva Rossiyskoy Federatsii] from June 17, 2008 No. 877-r.
3. On Approval of the Transport Strategy of the Russian Federation for the Period Up To 2030: Order of the Government of the Russian Federation [Ob utverzhdenii Transportnoy strategii Rossiyskoy Federatsii na period do 2030 goda: rasporyazhenie Pravitel'stva Rossiyskoy Federatsii] from November 22, 2008 No. 1734-r (last ed. May 12, 2018 No. 893-r).
4. Gapanovich V. A., Epifantsev S. N., Ovseychuk V. A. Energy strategy and electrification of russian railways [Energetich-eskaya strategiya i elektrifikatsiya rossiyskikh zheleznykh dorog]. Moscow, Eko-Press Publishing House, 2012, 195 p.
5. Ignatenko I. V. Railway power supply: Study guide [El-ektrosnabzhenie zheleznykh dorog: Uchebnoe posobie], Part 1. Khabarovsk, Far Eastern State Transport University, 2013, 113 p.
6. Chernov Yu. A. Power supply of electric railways: Study guide [Elektrosnabzhenie elektricheskikh zheleznykh dorog: Uchebnoe posobie], Part 3. Moscow, Moscow State Transport University (MIIT), 2012, 170 p.
7. Markvardt K. G. Power supply of electrified railways [Elektrosnabzhenie elektrifitsirovannykh zheleznykh dorog]. Moscow, Transport Publishing House, 1982, 528 p.
8. German L. A., Serebryakov A. S. Regulated units of capacitive compensation in traction power supply systems of railways: Monography [Reguliruemye ustanovki emkostnoy kompensatsii v sistemakh tyagovogo elektrosnabzheniya zheleznykh dorog: Monografiya]. Moscow, Russian Open Academy of Transport of the Moscow State Transport University, 2012, 211 p.
9. Requirements of regulatory documents for condensing units [Trebovaniya normativnykh dokumentov k kondensa-tornym ustanovkam]. In: German L. A., Serebryakov A. S. Regulated units of capacitive compensation in traction power supply systems of railways [Reguliruemye ustanovki emkost-noy kompensatsii v sistemakh tyagovogo elektrosnabzheniya zheleznykh dorog]. Moscow, Educational and Methodical Center for Education in Railway Transport, 2015, Pp. 29-34.
10. Ter-Oganov E. V., Pyshkin A. A. Power supply of railways: Textbook [Elektrosnabzhenie zheleznykh dorog: Uchebnik]. Yekaterinburg, Ural State University of Railway Transport, 2014, 431 p.
11. German L. A. Science at the Service of Railway Electrification [Nauka na sluzhbe elektrifikatsii zheleznykh dorog], Eurasia Vesti [Evraziya Vesti], 2013, No. 10, Pp. 11-12.
12. Tyurikov A. M. Electric Power Infrastructure of Traction Power Supply [Elektroenergeticheskaya infrastruktura tyagovogo elektrosnabzheniya], Eurasia Vesti [Evraziya Vesti], 2014, No. 10, P. 26.
13. German L. A. Regulated Units of Capacitive Compensation of Traction Power Supply [Reguliruemye ustanovki emkostnoy kompensatsii tyagovogo elektrosnabzheniya], Eurasia Vesti [Evraziya Vesti], 2011, No. 10, Pp. 16-17.
14. Agunov A. V., Marikin A. N., Sokolov D. A. AC Traction Power Network Computer Simulation [Komp'yuternoe modelirovanie sistemy tyagovogo elektrosnabzheniya peremennogo toka], Electronics and Electrical Equipment of Transport [Elektronika i elektrooborudovanie transporta], 2019, No. 5, Pp. 38-40.
15. P 640. General Methods for Selecting Parameters and Assessing the Effectiveness of the Use of Reactive Power Compensation Devices in the AC Traction Network. OSJD leaflets. First edition [P 640. Obshchie metody vybora par-ametrov i otsenki effektivnosti primeneniya ustroystv kompensatsii reaktivnoy moshchnosti v tyagovoy seti peremennogo toka. Pamyatka OSZhD. Pervoe izdanie]. Warsaw, Organization for Railways Cooperation, 2015, 13 p. Available at: http://osjd.org/ru/8954/page/106077?id=2583 (accessed 14 June 2021).
HHmenneKmyanbHbie техноnогии Ha mpaHcnopme. 2021. № 2
11
16. Bur'yanovatyy A. I., Ivanov M. A., Ivanova E. A., Shagovik A. E. Fundamentals of computer design and modeling of power supply devices: Study guide [Osnovy komp'yuternogo proektirovaniya i modelirovaniya ustroystv elektrosnabzheniya: Uchebnoe posobie]. Saint Petersburg, PSTU, 2020, 56 p.
17. Sokolov D. A., Agunov A. V. Modeling of Traction Power Supply Systems in MATLAB-Simulink [Modelirovanie sistem tyagovogo elektrosnabzheniya v MATLAB-Simulink],
Theses of the Tenth International Symposium «Eltrans 10.0» [Tezisy dokladov Desyatogo mezhdunarodnogo simpoziuma «Eltrans 10.0»] (Eltrans 2019), St. Petersburg, Russia, October 09-11, 2019, Part 2. Saint Petersburg, PSTU, 2019, Pp. 61-62.
HHmenneKmyaMbHue техноnогии Ha mpaHcnopme. 2021. № 2
12
