CC BY
167
УДК 621.311:621.331
ПОКАЗАТЕЛИ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ В СИСТЕМАХ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ С УСТАНОВКАМИ РАСПРЕДЕЛЕННОЙ ГЕНЕРАЦИИ
© М.О. Арсентьев1, А.В. Крюков2, О.В. Арсентьев3
1,2,3Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83. 2Иркутский государственный университет путей сообщения, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Чернышевского, 15.
Приведены результаты исследований влияния распределенной генерации на качество электрической энергии в системах электроснабжения нетяговых потребителей магистральных железных дорог переменного тока. Качество электроэнергии оценивалось по уровням гармонических искажений и величине несимметрии напряжений. Получены статические трехмерные характеристики, наглядно показывающие положительное влияние распределенной генерации на основные показатели качества электрической энергии.
Ключевые слова: система электроснабжения; качество электрической энергии; установки распределенной генерации; моделирование.
ELECTRICAL ENERGY QUALITY INDICATORS IN RAILROAD POWER SUPPLY SYSTEMS WITH DISTRIBUTED GENERATION PLANTS M.G. Arsentiev, A.V. Kryukov, O.V. Arsentiev
Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia. Irkutsk State University of Railway Engineering, 15 Chernyshevsky St., Irkutsk, 664074, Russia.
The article introduces the results of studying the effect of distributed generation on the quality of electrical energy in power supply systems of non-traction consumers of the main railroads of alternating current. The quality of electrical energy was estimated by the levels of harmonious distortions and the value of voltage unbalance. Static three-dimensional characteristics demonstrating positive influence of distributed generation on the main indicators of the quality of electrical energy are obtained.
Keywords: power supply system; quality of electrical energy; distributed generation plants; simulation.
Введение
Современный этап развития электроэнергетики характеризуется переходом на новую технологическую платформу, которая базируется на концепции интеллектуальных энергосистем с активно-адаптивными электрическими сетями [1]. Центральный аспект этой концепции состоит в масштабном использовании наряду с
традиционными электростанциями генерирующих устройств, создаваемых потребителями электроэнергии, - установок распределенной генерации (РГ). Эти установки позволяют потребителям получить целый ряд положительных эффектов, таких как снижение зависимости от централизованного электроснабжения, повышение надежности, эффективное использование
1
Арсентьев Михаил Олегович, кандидат технических наук, доцент кафедры электропривода и электрического транспорта, тел.: (3952) 405128, e-mail: miha_ars@mail.ru
Arsentiev Mikhail, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Electrical Drive and Electrical Transport, tel.: (3952) 405128, e-mail: miha_ars@mail.ru
2Крюков Андрей Васильевич, академик Российской академии транспорта, член-корреспондент АН ВШ РФ и Российской инженерной академии, доктор технических наук, заслуженный энергетик Республики Бурятия, профессор кафедры электроэнергетики транспорта ИрГУПС, профессор кафедры электроснабжения и электротехники ИРНИТУ тел.: (3952) 638345, e-mail: and_kryukov@mail.ru
Kryukov Andrey, Academician of the Russian Academy of Transport, Corresponding Member of the Academy of Sciences of Higher School of the Russian Federation and Russian Engineering Academy, Doctor of technical sciences, Honored Power Engineer of the Buryat Republic, Professor of the Department of Transport Electrical Power Engineering of Irkutsk State University of Railway Engineering, Professor of the Department of Power Supply and Electrical Engineering of Irkutsk National Research Technical University, tel.: (3952) 628723, e-mail: and_kryukov@mail.ru
3Арсентьев Олег Васильевич, кандидат технических наук, заведующий кафедрой электропривода и электрического транспорта, тел.: (3952) 405128, e-mail: arsentyevov@rambler.ru
Arsentiev Oleg, Candidate of technical sciences, Head of the Department of Electrical Drive and Electrical Transport, tel.: (3952) 405128, e-mail: arsentyevov@rambler.ru
собственных топливно-энергетических ресурсов и уменьшение затрат на энергообеспечение [2-5].
Имеющийся отечественный и зарубежный опыт показывает применимость технологий РГ в промышленности, коммунально-бытовом секторе, сельском хозяйстве и на транспорте [2-13]. В настоящей работе рассматриваются технические аспекты применения установок распределенной генерации для повышения эффективности систем электроснабжения нетяговых потребителей железных дорог. Из-за наличия резкопеременной, однофазной и нелинейной тяговой нагрузки качество электроэнергии в таких системах часто не удовлетворяет нормативным требованиям [4, 5].
В статье приведены результаты исследований, направленных на изучение влияния распределенной генерации на качество электрической энергии в системах электроснабжения нетяговых потребителей магистральных железных дорог переменного тока.
Методика моделирования
Исследования проводились применительно к структурной схеме системы электроснабжения нетяговых потребителей (СЭНП), представленной на рис. 1.
Центральное место в схеме занимает трехобмоточный трансформатор (модель ТП), к которому подводится электроэнергия от внешней сети (модель ЭЭС). К обмотке 27,5 кВ подключается тяговая сеть (ТС) и электроподвижной состав (ЭПС). От обмотки 6,3 кВ питается район электроснабжения нетяговых потребителей, вклю-
чающий в себя линии электропередачи и установку РГ. На основании описанной структурной схемы с помощью инструментальных средств системы визуального математического моделирования MatLab разработана модель, представленная на рис. 2.
К источнику переменного напряжения 115 кВ подключен тяговый трансформатор ТДТНЭ-25000/110-67 с параметрами: напряжения 115/27,5/6,6, потери холостого хода (ХХ) 45 кВт, потери короткого замыкания (КЗ) 145 кВт, напряжения КЗ: ВН-НН -17%, СН-НН - 6 %, ток ХХ - 1%. К тяговой обмотке трансформатора подключены два ЭПС, каждый с полным током по 300 А и коэффициентом реактивной мощности tgф = 1. От обмотки 6,6 кВ питаются стационарные потребители суммарной мощностью 8 МВт. Нетяговые потребители подключаются непосредственно к ТП, а нетранспортные - через линию электропередачи (ЛЭП) 6 кВ, длиной 6 км, выполненную проводом АС-120/19 с параметрами ^ = 0,259 Ом/км; Х0 = 0,4 Ом/км. К распределительному пункту (РП) 6 кВ подключен явнополюсный синхронный генератор СГС-14-1-100-6У, на основе которого реализована установка РГ.
Модель СЭНТ с синхронным генератором (СГ) является сложным объектом, формально описать который довольно затруднительно. Для определения численных зависимостей показателей качества электрической энергии от параметров установки РГ использовался метод планирования эксперимента [4]. При этом рассматрива-
Модель РГ
Рис. 1. Структурная схема СЭНП с установкой РГ
Рис. 2. Модель СЭНП с высоковольтной установкой РГ
лась не сама функция, а ее разложение в степенной ряд вида:
у = Ь0 + ЬЛ +... + Ъпхп + Ь12 хЛ +... +
.2 , , „2 ■ (1)
+b,
V ^ X л + bx +... + Ъх„
(n—1 )n n—1 n 111 nn n
В соответствии с теорией планирования эксперимента необходимо задать несколько сочетаний независимых переменных х, определить соответствующие значения функции у, найти коэффициенты полинома и проанализировать совпадение результатов расчетов по сформированному ряду с данными эксперимента.
Основной целью исследования является изучение влияния параметров РГ на качество электроэнергии на основе статических зависимостей, анализ которых позволит определить основные закономерности, необходимые для формирования законов управления установкой РГ. В соответствии с этим в качестве функций у выбраны коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения ки и коэффициент несимметрии напряжения по обратной последовательности к2и.
В качестве факторов, влияющих на функции у, приняты коэффициент мощности ^ф = Х1 и полная мощность синхронного генератора Э = х2. Диапазон изменения переменных Х1 и х2 образует факторное
пространство и задает область определения функции у.
В табл. 1 представлен диапазон изменения факторных величин.
Таблица 1
Диапазон изменения факторных величин
Факторы Минимум Максимум
Коэффициент генератора ^ф 0,5 1
Полная мощность генератора Э, МВА 0 3
Сформулированная задача определила план проведения эксперимента. Поверхность отклика функции у нелинейная, и для повышения точности ее отображения целесообразно применить ортогональный центрально-композиционный план второго порядка. Для упрощения поиска коэффициентов используется не полномерная квадратная факторная матрица Х, а ее упрощенный вариант, сохраняющий принцип ортогональности. Последнее условие выполняется путем введения в матрицу эксперимента звездного плеча а.
В степенном ряду используют безразмерные величины, поэтому производится операция кодирования факторов, представляющая собой линейное преобразова-
ние факторного пространства. После этого интервал варьирования каждого фактора определяется интервалом от -1 до +1. Тогда факторное пространство можно определить в виде, представленном в табл. 2.
Таблица 2 Кодированные значения факторов
Фактор Кодированное значение
-1 0 1
*1 0,5 0,75 1
*2 0 1,5 3
С учетом этого степенной ряд для двух факторов запишется в виде:
У = ьо + Ь1Х1 + Ь2 х2 + (2)
+Ь12Х1Х2 + ЬцХ1 + Ь22Х2 , где Хо = 1; Хз = Х1Х2' Ь3 = Ь12; Х4 = Х1 ;
Ь4 = Ь12 ; Х5 = Х2 ; Ь5 = Ь22 ■
Коэффициенты полинома определяются по формуле
Zx. y
rns u
b =
i N
(3)
Г
ентов проводится проверка соответствия поверхности отклика исходным экспериментальным данным. В случае значительных расхождений необходимо пересмотреть план проведения экспериментов в сторону уточнения на основе увеличения их числа.
Эксперименты, проведенные в соответствии с матрицей планирования, позволили получить данные, необходимые для построения статических характеристик, определяющих зависимость показателей качества электроэнергии от параметров установки распределенной генерации в СЭНП. Моделирование проводилось при изменении параметров высоковольтного синхронного генератора согласно матрице планирования. В результате эксперимента были определены показатели качества электроэнергии: коэффициенты ки и к2и. Значения этих коэффициентов оценивались непосредственно на тяговой подстанции и в месте подключения нетяговых потребителей (шины РП).
Результаты моделирования
Данные экспериментальных исследований приведены в табл. 3 и 4.
После определения всех коэффици-
Коэффициенты несинусоидальности, %
Таблица 3
№ эксперимента kU
ТП РП
Uab Ubc Uca Uab Ubc Uca
1 7,08 17,66 8,18 6,42 16,03 7,42
2 7,08 17,66 8,18 6,42 16,03 7,43
3 7,19 16,88 7,59 5,51 9,74 3,61
4 7,14 16,7 7,46 5,2 8,84 2,98
5 7,13 17,17 7,84 5,63 11,39 4,79
6 7,15 17,12 7,75 5,64 11,09 4,4
7 7,08 17,66 8,18 6,42 16,03 7,42
8 7,18 16,8 7,51 5,41 9,30 3,22
9 7,15 17,15 7,8 5,66 11,28 4,59
и=1
2
u=l
Таблица 4
Коэффициенты несимметрии по обратной последовательности, %_
№ эксперимента 1 2 3 4 5 6 7 8 9
k2U, % ТП 13,55 13,55 12,47 12,47 12,84 12,83 13,55 12,47 12,85
РП 13,55 13,55 7,53 7,55 9.00 9,02 13,55 7,53 9,03
На основании полученных результатов по выражению (3) были рассчитаны коэффициенты полиномов для каждой функции у:
у = ки (табл. 5);
у2 = к2и (табл. 6).
Найденные значения коэффициен-
тов определяли степенные ряды, которые отображали поверхность отклика модели (1). Проверка адекватности полученных степенных рядов проводилась путем сравнения результатов моделирования и расчетов по выражениям (2). Полученные результаты представлены в табл. 7 и 8.
Таблица 5
Коэффициенты полинома для функции у_
b'o b1 b2 bn b22 b12
ТП Uab 7,131 -0,005 0,045 -0,008 -0,018 -0,013
Ubc 17,200 -0,038 -0,433 -0,005 0,080 -0,045
Uca 7,832 -0,037 -0,330 0,003 0,053 -0,033
РП Uab 5,812 -0,050 -0,523 -0,027 0,253 -0,077
Ubc 12,192 -0,200 -3,368 -0,017 1,408 -0,225
Uca 5,096 -0,168 -2,077 0,028 0,753 -0,160
Таблица 6
Коэффициенты полинома для функции у2_
b'c b1 b2 bn b22 b12
ТП 12,953 -0,002 -0,540 -0,005 0,170 0,000
РП 10,034 0,007 -3,007 -0,003 1,527 0,005
№ эксперимента kU
ТП РП
Uab Ubc Uca Uab Ubc Uca
1 7,070 17,652 8,185 6,384 15,999 7,441
2 7,085 17,665 8,177 6,439 16,049 7,424
3 7,185 16,875 7,590 5,492 9,713 3,608
4 7,150 16,708 7,452 5,237 8,863 2,951
5 7,146 17,183 7,834 5,684 11,448 4,771
6 7,136 17,107 7,761 5,584 11,048 4,434
7 7,086 17,663 8,178 6,438 16,041 7,404
8 7,176 16,797 7,518 5,391 9,304 3,251
9 7,149 17,150 7,794 5,661 11,264 4,574
Таблица 8
Результаты расчета коэффициента несимметрии по обратной последовательности напряжения, %_
№ эксперимента 1 2 3 4 5 6 7 8 9
k2U,% ТП 13,550 13,547 12,470 12,467 12,840 12,837 13,553 12,473 12,843
РП 13,547 13,551 7,524 7,547 9,009 9,022 13,552 7,539 9,019
Таблица 7
Результаты расчета коэффициента несинусоидальности, %
Сравнение результатов моделирования с расчетами по полиномам показывает, что погрешность полиномиальной аппроксимации не превышает 3%. Используя степенные ряды, можно построить графические зависимости, отображающие воздействие рассматриваемых факторов на показатели качества электроэнергии. На рис. 3 и 4 представлены трехмерные зависимости коэффициента ^ на шинах ТП и
РП от параметров синхронного генератора.
Отсутствие распределенной генерации приводит к максимальным значениям коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения. Включение уста-
новки РГ позволило уменьшить этот коэффициент на 7,2% на шинах РП. На шинах ТП снижение составило около 1%. Полученные статические характеристики плавно изменяются при отсутствии резких переходов и ярко выраженных точек экстремума. Анализ результатов показывает, что минимальное значение коэффициента ^ соответствует максимальной мощности СГ при генерировании чисто активной мощности.
На рис. 5 представлены статические характеристики для коэффициентов несимметрии по обратной последовательности напряжения на шинах ТП и РП.
17,8 17,6 17,4 17,2 17 16,8 16,6
8,4 8,2 ku, % 8
7,8 7,6 7,4
0,75
1,5
2,25 S, МВА
а) б) в)
Рис. 3. Зависимость коэффициента ки на шинах ТП от параметров синхронного генератора:а - иаЬ; б - иЬс; в - иса
0,75 " - 1 5
0,625 2,25 1,5
0,75
1,5
coscp 0,53 2,25 S, МВА
а)
18 16 ' 14 12 10 8
10 0,875 075 ~ - .
c°S9 °,625 0 5V 22 , S, МВА
cosu 0,625 2,25
0,5 3 S, МВА
б) в) Рис. 4. Зависимость коэффициента ки на шинах РП от параметров синхронного генератора: а - иаЬ; б - иЬс; в - иса
k2u, %
14 13,5 13 12,5 12
0,875 5 1 5 0,75
соэф 0,625 0,5 3 2,25 S, МВА
k2u, %
14 12 10 8 6
0,875
0,625
COS9
0,53
2,25
Б, МВА
Рис. 5. Зависимость коэффициента несимметрии по обратной последовательности на шинах ТП и РП от параметров синхронного генератора
U,625 -г--' Tic COS' 0 5 3 2,25
0,5 3
Б, МВА
6,5
6
ku, %
k,„ %
Максимальные значения коэффициентов несимметрии имели место при моделировании СЭНП без синхронного генератора. При номинальной мощности установки РГ значение коэффициента несимметрии по обратной последовательности на шинах ТП снизилась на 1%, а на РП - почти вдвое (7%). Минимальные значения исследуемых параметров имеют место после включения в сеть высоковольтного синхронного генератора.
Заключение
Предложена методика, основанная на теории планирования эксперимента, позволяющая получить данные, необходимые для построения зависимостей показателей качества СЭНП от параметров установки распределенной генерации. Показано, что распределенная генерация позволяет улучшить качество электроэнергии в районах электроснабжения нетяговых потребителей железных дорог переменного тока.
Статья поступила 23.11.2015 г.
Библиографический список
1. Дорофеев В.В., Макаров А.А. Активно-адаптивная сеть - новое качество ЕЭС России // Энергоэксперт. № 4. 2009. С. 29-34.
2. Воропай Н.И. Распределенная генерация в электроэнергетических системах [Электронный ресурс] // Малая энергетика-2005. URL: http://www.combienergy.ru/stat983.html (16.04.2015).
3. Аверьянов В.К., Карасевич А.М., Федяев А.В. Системы малой энергетики: современное состояние и перспективы развития. М., 2008. Т. 1. 466 с.
4. Арсентьев М.О., Арсентьев О.В., Крюков А.В. Системы электроснабжения железнодорожного транспорта с установками распределенной генерации. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2013. 152 с.
5. Арсентьев М.О., Арсентьев О.В., Крюков А.В., Чан Зюй Хынг. Распределенная генерация в системах электроснабжения железных дорог. Иркутск: ИрГУПС, 2013. 164 с.
6. Арсентьев М.О., Крюков А.В. Повышение качества электрической энергии в системах электроснабжения нетяговых потребителей на основе установок распределенной генерации // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2010. № 3 (27). С. 169-175.
7. Булатов Ю.Н., Крюков А.В., Чан Зюй Хынг. Улучшение качества электроэнергии нетяговых потребителей путем применения автоматически управляемых установок распределенной генерации // Системы. Методы. Технологии. 2014. № 4 (24). C. 73-79.
8. Булатов Ю.Н., Крюков А.В., Чан Зюй Хынг. Интеллектуальные регуляторы для установок распределенной генерации // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2015. № 2 (46). С. 83-95.
9. Булатов Ю.Н., Крюков А.В., Чан Зюй Хынг. Согласованная настройка регуляторов установок распределенной генерации, работающих в системе электроснабжения железной дороги // Системы. Методы. Технологии. 2015. № 1 (25). С. 94-102.
10. Коновалов Ю.В. Моделирование координатных преобразований в электромеханических системах с учетом пространственного положения ротора. Вестник ИрГТУ. 2011. № 12 (59). С. 234-240.
11. Крюков А.В., Закарюкин В.П., Арсентьев М.О. Применение технологий распределенной генерации для электроснабжения нетяговых потребителей железных дорог // Вестник ИрГТУ. № 1 (37). 2009. С. 190-195.
12. Крюков А.В., Чан Зюй Хынг. Влияние установок распределенной генерации на качество электроэнергии в системах электроснабжения железных дорог // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2012. № 4 (36). С. 162-167.
13. Крюков А.В., Чан Зюй Хынг. Сетевые кластеры в системах электроснабжения железных дорог переменного тока // Системы. Методы. Технологии. 2013. № 1 (17). С 59-63.
