Оригинальная статья / Original article УДК: 621.331
DOI: 10.21285/1814-3520-2016-8-118-126
ПРИМЕНЕНИЕ АСИНХРОННЫХ ГЕНЕРАТОРОВ В СИСТЕМАХ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ
© В.П. Закарюкин1, А.В. Крюков2, Г.О. Арсентьев3
1.2 Иркутский государственный университет путей сообщения, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Чернышевского, 15.
2.3 Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Резюме. Цель. Разработка алгоритмов моделирования систем электроснабжения железных дорог с установками распределенной генерации, реализованными на основе асинхронных генераторов (АСГ). Методы. Для достижения поставленной цели использовались методы моделирования режимов электроэнергетических систем (ЭЭС) в фазных координатах, разработанные в ИрГУПС. В основу этих методов положены модели многопроводных элементов ЭЭС в виде решетчатых схем замещения из RLC-элементов, соединенных по схемам полных графов. Модель АСГ получена на базе методики моделирования асинхронного электродвигателя. По сравнению со статическими элементами, такими как линии электропередачи и трансформаторы, асинхронный двигатель представляет собой более сложный объект. Матрица сопротивлений двигателя является несимметричной, что затрудняет ее использование при моделировании в фазных координатах с помощью решетчатых схем замещения. Результаты. Эффекты применения АСГ исследовались путем имитационного моделирования режимов работы системы электроснабжения железной дороги. На основе компьютерного моделирования показано, что включение АСГ без источников реактивной мощности (ИРМ) приводит к снижению напряжений на токоприемниках подвижного состава. Положение может быть исправлено путем применения ИРМ, подключаемых к выводам АСГ. Включение АСГ позволяет снизить потоки активной и реактивной мощности в питающей сети и уменьшить потери. Применение АСГ позволяет заметно уменьшить активную мощность, потребляемую от ЭЭС. Заключение. На основе модели асинхронного двигателя, разработанной в ИрГУПС, возможно проводить моделирование асинхронных генераторов, применение которых позволяет снизить затраты на энергообеспечение железных дорог, увеличить надежность электроснабжения нетяговых потребителей и получить ряд дополнительных положительных эффектов, заключающихся в повышении энергоэффективности и улучшении качества электроэнергии. Ключевые слова: системы электроснабжения железных дорог, нетрадиционные возобновляемые источники энергии, асинхронные генераторы, моделирование.
Формат цитирования: Закарюкин В.П., Крюков А.В., Арсентьев Г.О. Применение асинхронных генераторов в системах электроснабжения железных дорог // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2016. № 8 (115). С. 118-126. DOI: 10.21285/1814-3520-2016-8-118-126
USE OF INDUCTION GENERATORS IN RAILROAD POWER SUPPLY SYSTEMS V.P. Zakaryukin, A.V. Kryukov, G.O. Arsentiev
Irkutsk State Transport University, 15 Chernyshevsky St., Irkutsk, 664074, Russia. Irkutsk National Research Technical University,
Закарюкин Василий Пантелеймонович, доктор технических наук, профессор кафедры электроэнергетики транспорта, e-mail: zakar49@mail.ru
Zakaryukin Vasiliy, Doctor of technical sciences, Professor of the Department of Transport Electric Engineering, e-mail: zakar49@mail.ru
2Крюков Андрей Васильевич, доктор технических наук, академик Российской академии транспорта, член-корр. АН ВШ РФ и Российской инженерной академии, заслуженный энергетик Республики Бурятия, профессор кафедры электроснабжения и электротехники ИРНИТУ, профессор кафедры электроэнергетики транспорта ИрГУПС, e-mail: and_kryukov@mail.ru
Kryukov Andrey, Doctor of technical sciences, 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, Honored Power Engineer of the Buryat Republic, Professor of the Department of Power Supply and Electrical Equipment at the Irkutsk National Research Technical University, Professor of the Department of Transport Electric Engineering at the Irkutsk State Transport University, e-mail: and_kryukov@mail.ru
3Арсентьев Григорий Олегович, аспирант, e-mail: arsentyevov@rambler.ru Arsentiev Grigoriy, Postgraduate, e-mail: arsentyevov@rambler.ru
83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.
Abstract. The purpose of the paper is to develop the simulation algorithms for railroad power supply systems with distributed generation facilities implemented on the basis of induction generators (IG). Methods. To achieve the set goal the methods of electrical power systems (EPS) mode simulation in phase coordinates developed in the Irkutsk state transport university are used. These methods are based on the models of EPS multi-wire elements in the form of lattice equivalent circuits from the RLC-elements connected according to the complete graph diagram. The IG model is received on the basis of the induction motor simulation technique. Induction motor is a more complex phenomenon as compared with the static elements such as power lines and transformers. Electric motor resistance matrix is asymmetrical that complicates its use for the simulation in phase coordinates by means of the lattice equivalent circuits. Results. The effects of induction generator use are researched through the simulation modeling of railroad power supply system operation modes. The computer simulation shows that starting an induction generator without the reactive power sources (RPS) results in voltage drop on rolling stock current collectors. The use of RPS connected to IG outputs can improve the situation. IG starting allows to lower the flows of active and reactive power in the power line and to reduce the losses. The use of IG considerably reduces the active power consumed from EPS. Conclusion. The induction motor model developed in the Irkutsk state transport university can serve the basis for the simulation of induction generators. Application of the latter allows to lower the costs of railroad power supply, increase the reliability of power supply of non-traction consumers and obtain a number of additional positive effects consisting in enhanced energy efficiency and improved quality of electric power.
Keywords: railroad power supply systems, nonconventional renewable energy sources, induction (asynchronous) generators (IG), modeling
For citation: Zakaryukin V.P., Kryukov A.V., Arsentiev G.O. Use of induction generators in railroad power supply systems. Proceedings of Irkutsk State Technical University. 2016, no. 8 (115), pp. 118-126. (In Russian) DOI: 10.21285/1814-3520-2016-8-118-126
Введение
Современные технологии позволяют потребителям электроэнергии применять собственные генерирующие установки, которые могут конкурировать с централизованным электроснабжением [1-3]. Такие установки, объединенные в микроэнергосистемы, являются основой активно внедряемых в настоящее время технологий распределенной генерации (РГ) [2-6]. С помощью РГ могут эффективно решаться экологические проблемы за счет использования нетрадиционных возобновляемых источников энергии (НВИЭ).
Вопросы внедрения технологий РГ на железнодорожном транспорте нашли отражение в нормативных документах, определяющих перспективы развития отрасли, например, в энергетической страте-
гии холдинга «Российские железные дороги» на перспективу до 2030 года. В ней в частности отмечается, что активное развитие собственной генерации энергии для обеспечения нетяговых потребителей является приоритетным направлением повышения энергоэффективности. Для использования технологий РГ в системах электроснабжения железных дорог (СЭЖД) необходима разработка средств моделирования СЭЖД, оснащенных установками РГ. Такие средства могут быть созданы на базе методов моделирования режимов электроэнергетических систем (ЭЭС) в фазных координатах, предложенных в Иркутском государственном университете путей сообщения (ИрГУПС) [7-9].
Моделирование асинхронных генераторов
В настоящей работе приведены результаты исследований, направленных на разработку алгоритмов моделирования СЭЖД с установками РГ, реализованными на основе асинхронных генераторов (АСГ). Для привода АСГ могут использоваться па-
ровые и газовые турбины, а также ветроге-нераторы [4-6, 10].
Модель АСГ может быть получена на базе методики моделирования асинхронного электродвигателя (АЭД), предложенной в работе [8] и получившей развитие
в работе [9]. По сравнению со статическими элементами, такими как ЛЭП и трансформаторы, АЭД представляет собой более сложный объект. Матрица сопротивлений двигателя является несимметричной, что затрудняет ее использование при моделировании в фазных координатах с помощью решетчатых схем замещения. Кроме того, несимметричные режимы АЭД характеризуются процессами на трех частотах: к = 50 Гц, Н = 5 и и /3 «100 Гц, где 5 - скольжение.
В хорошо изученных симметричных режимах АЭД представляется однолинейной схемой замещения. Для анализа несимметричных режимов можно использовать следующие положения:
- применяется вариант схемы замещения с ветвью намагничивания, вынесенной на первичные зажимы (рис. 1, а); при пуске и скольжении 2-5, которое отвечает напряжению обратной последовательности, используются другие параметры цепи ротора (рис. 1, б);
Эффекты применения АСГ исследовались путем имитационного моделирования работы СЭЖД, схема которой показана
- определение параметров схем осуществляется на основе номинальных значений коэффициента полезного действия п, тока 1Н , скольжения и коэффициента мощности cosфH (рис. 1, а, б);
- по величинам напряжений прямой и обратной последовательностей йх, и2, а
также заданной механической мощности АЭД определяются соответствующие токи, при этом АЭД моделируется тремя источниками тока (рис. 1, в), значения параметров которых корректируются на каждой итерации.
Так как нейтраль двигателя обычно изолирована, то токи нулевой последовательности в цепях АЭД не протекают.
В работе [9] показана адекватность представленной модели АЭД. Ниже приведены результаты исследований, направленных на выявление возможности ее применения для моделирования асинхронных генераторов.
на рис. 2. Перевод АЭД в режим генератора осуществлялся заданием скорости вращения 3010 об./мин, которая превышала
опг^
/г
б
А О
ВО
С о в
■е
-о-
Рис. 1. Схемы замещения прямой (а) и обратной (б) последовательностей, схема модели (в) АЭД в фазных координатах: Rv, Xv - ветвь намагничивания; R1, X1 - элементы статора;
R/s, X2- сопротивления ротора при скольжениях, близких к номинальному; Rp /(2 — s),
Х2Р - сопротивления ротора в режиме пуска Fig. 1. Equivalent circuits of positive (a) and negative (б) sequences, an induction motor model (в) in phase coordinates: Rv, Xv - magnetization branch; R1, X1 - stator elements; R/s, X2 - rotor resistances
when sliding close to the rated slip; Rp / (2 — s ), Х2Р - rotor resistances in the start-up mode
Результаты моделирования асинхронных генераторов
N
а
синхронную, равную 3000 об./мин. Асинхронная машина, работающая в режиме генератора, потребляет реактивную мощность. Рассматривалось два варианта обеспечения АСГ реактивной мощностью: поступающая из сети реактивная мощность и генерируемая источниками (ИРМ), подключенными на зажимы АСГ. В качестве ИРМ может использоваться батарея конденсаторов.
Модель СЭЖД имеет подсистемы внешнего и тягового электроснабжения. Питающая ЭЭС представлена балансирующими узлами с напряжением 230 кВ. В
составе модели имеются элементы линий 220 кВ, выполненные проводом АС-240, тяговые подстанции (ТП) с трансформаторами мощностью 40000 кВА и две меж-подстанционные зоны двухпутного участка протяженностями по 50 км с контактной подвеской ПБСМ95+МФ100. Имитационное моделирование проводилось с помощью программного комплекса Рагопо^ [7, 8].
Параметры АСГ приведены в табл. 1 и 2. Результаты имитационного моделирования при движении трех поездов массой 5000 т представлены в табл. 3-6 и проиллюстрированы на рис. 3-5.
Рис. 2. Схема системы электроснабжения железной дороги Fig. 2. Diagram of railroad electrical power supply system
Паспортные параметры АСГ Induction generator passport parameters
Таблица 1 Table 1
uhom, кВ / Ur, kV Рном, МВт / Pnom, MW nc, об/мин, / rev/min КПД, % / efficiency, % cos Ç km kP
6 6 3000 94,7 0,88 2,8 7,2
Примечание. UH0M - номинальное напряжение (линейное); Рном - номинальная мощность на валу; nc - синхронная скорость вращения; km- кратность максимального момента; kp- кратность пускового тока. Note. Ur - rated voltage (line voltage); Pnom - nominal shaft power; ns - synchronous rotation speed; km - maximum torque multiplicity; kp - starting current ratio.
Таблица 2
Параметры схем замещения АСГ
Table 2
Induction generator equival ent circuit parameters
Единица измерения / Unit of measurement R1 R2 Xk R2p Xkp
Ом/Ohm 19,180 0,173 0,035 1,306 0,221 0,767
Относительные единицы / Relative units 3,836 0,035 0,007 0,261 0,044 0,153
Примечание. Xk = X1 + X2 ; Xk = X1 + X2 X^ = X1 + X Note. Xk = Xi + X2;Xk =2Xi + X2 Xkp = X1+ X2p.
Таблица 3
Напряжение на токоприемнике первого поезда
Table 3
First train current collector voltage_
Параметр/ Parameter Напряжение, кВ / Voltage, kV Разница, % / Difference, %
IG Нет АСГ / No IG АСГ с ИРМ / IG and RPS между столбцами 1 и 2 / between columns 1 and 2 между столбцами / 2 и 3 between columns 2 and 3
1 2 3
Mid 25,68 26,01 26,11 -1,28 0,10
Max 26,92 27,22 27,33 -1,07 0,14
Min 22,07 22,45 22,56 -1,72 0,05
Таблица 4
Потоки мощности и потери в питающей ЛЭП1
Table 4
Power flows and losses in the power supply line L1_
Параметр/ Parameter Поток активной мощности Pj, МВт / Active power flow Рц, MW Поток реактивной мощности Qj, Мвар / Reactive power flow Qff, Mvar Потери активной мощности АР, МВт / Real power losses АР, MW
АСГ / IG Нет АСГ / No IG АСГ с ИРМ / IG and RPS АСГ / IG Нет АСГ / No IG АСГ с ИРМ / IG and RPS АСГ / IG Нет АСГ / No IG АСГ с ИРМ / IG and RPS
Mid 14,67 24,99 14,48 -5,00 -11,64 -12,62 0,09 0,18 0,09
Max 27,32 37,13 27,02 9,05 2,23 1,29 0,40 0,49 0,34
Таблица 5
Генерация АСГ без ИРМ
Table 5
IG generation without RPS_
Параметр/ Parameter Активная мощность, МВт / Active power, MW Реактивная мощность, Мвар / Reactive power, Mvar
АСГ 1 / AG 1 АСГ 2 / AG 2 АСГ 3 / AG 3 Сумма/ Sum АСГ 1 / AG 1 АСГ 2 / AG 2 АСГ 3 / AG 3 Сумма Sum
Mid 3,42 3,38 3,40 10,20 -2,31 -3,38 -3,40 -9,09
Max 3,49 3,47 3,47 10,41 -2,30 -3,12 -3,24 -8,73
Min 3,25 3,12 3,24 9,74 -2,31 -3,47 -3,47 -9,25
Таблица 6
Суммарная генерация в узлах подключения АСГ
Table 6
_Total generation in IG nodes_
Параметр/ Parameter Дктивнг Ad ая мощность, МВт / ive power, MW Реактивная мощность, Мвар I Reactive power, Mvar
A^ I IG АСГ с ИРМ / IG and RPS ACT I IG A^ с ИРМ / IG and RPS
Mid 10,20 10,38 -9,09 0,10
Max 10,41 10,59 -8,73 0,49
Min 9,74 9,92 -9,25 -0,10
Рис. 3. Фазные напряжения на обмотке 6 кВ ТП2 и напряжение на токоприемнике первого поезда: а - фаза А; б - фаза В; в - фаза С; г - напряжение на токоприемнике Fig. 3. Phase voltages on 6 kV TS2 winding and the voltage on the first train current collector: a - phase A; б - phase B; в - phase C; г - voltage on the current collector
б
а
в
г
Рис. 4. Потоки мощности и потери в ЛЭП1: а - активная мощность; б - потери активной мощности;
в - реактивная мощность Fig. 4. Power flows and losses in the power supply line L1: а - active power; б - active power losses;
в - reactive power
Рис. 5. Потребление (генерация) АСГ: a - потребление реактивной мощности; б - суммарное потребление реактивной мощности; в - генерация активной мощности Fig. 5. IG consumption (generation): a - reactive power consumption; б - reactive power total consumption;
в - active power generation_
в
в
Выводы
1. За счет значительного потребления реактивной мощности из сети включение асинхронного генератора без дополнительного источника реактивной мощности приводит к снижению напряжений на токоприемниках подвижного состава. Положение может быть исправлено путем применения ИРМ, подключаемых к выводам генератора. Аналогичная ситуация имеет место на обмотках 6 кВ тяговых подстанций.
2. Включение асинхронного генератора позволяет снизить потоки активной и реактивной мощности в питающей сети и уменьшить потери. В расчетном примере средняя величина потерь в питающей линии снижается в два раза.
3. Применение асинхронного генератора позволяет заметно уменьшить ак-
тивную мощность, потребляемую от питающей сети.
4. Для обеспечения асинхронного генератора реактивной мощностью целесообразно использовать простейшие ИРМ в виде батарей статических конденсаторов, подключенных на выводы генератора.
Таким образом, на основе модели асинхронного двигателя, разработанной в ИрГУПС, возможно проводить моделирование асинхронных генераторов, применение которых позволяет снизить затраты на энергообеспечение железных дорог, увеличить надежность электроснабжения нетяговых потребителей и получить ряд дополнительных положительных эффектов, заключающихся в повышении энергоэффективности и улучшении качества электроэнергии.
Библиографический список
1. Воропай Н.И., Стычинский З.А. Возобновляемые источники энергии: теоретические основы, технологии, технические характеристики, экономика. Magdeburg: Otto-von-Guericke-Universität, 2010. 223 с.
2. Арсентьев М.О., Арсентьев О.В., Крюков А.В., Чан Зюй Хынг. Распределенная генерация в системах электроснабжения железных дорог. Иркутск: Изд-во ИрГУПС, 2013. 164 с.
3. Арсентьев М.О., Арсентьев О.В., Крюков А.В. Системы электроснабжения железнодорожного транспорта с установками распределенной генерации. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2013. 152 с.
4. Беляков П.Ю., Панов Р.М. Анализ структур и применяемости главных схем электрических соединений современных сетевых ветропарков // Электротехнические комплексы и системы управления. 2009. № 4. С. 39-44.
5. Беляков П.Ю., Панов Р.М. Анализ эффективности современных цепей преобразования энергии в ветроэлектрических установках большой мощности // Электротехнические комплексы и системы управления. 2011. № 4. С. 27-34.
6. Суслов К.В., Герасимов Д.О., Шамарова Н.А. Использование динамических характеристик для имитационного моделирования ветрогенератора // Повышение эффективности производства и использования энергии в условиях Сибири: материалы Все-рос. науч.-практ. конф. С международным участием: в 2 т.; под общ. ред. В.В. Федчишина. Иркутск: Изд-во ИРНИТУ, 2015. Т. 2. С. 252-256.
7. Закарюкин В.П., Крюков А.В. Методы совместного моделирования систем тягового и внешнего электроснабжения железных дорог переменного тока. Иркутск: Изд-во ИрГУПС, 2011. 170 с.
8. Закарюкин В.П., Крюков А.В. Сложнонесиммет-ричные режимы электрических систем. Иркутск: Изд-во ИГУ, 2005. 273 с.
9. Закарюкин В.П., Крюков А.В., Ле Конг Зань. Математические модели узлов нагрузки электроэнергетических систем, построенные на основе фазных координат. Иркутск: Изд-во ИрГУПС, 2013. 176 с.
10. Булатов Ю.Н., Крюков А.В., Чан Зюй Хынг. Нечеткие регуляторы для ветрогенерирующих установок // Известия вузов. Проблемы энергетики. 2014. № 7-8. С. 60-69.
References
1. Voropai N.I., Stychinskii Z.A. Vozobnovlyaemye istochniki energii: teoreticheskie osnovy, tekhnologii, tekhnicheskie kharakteristiki, ekonomika [Renewable sources of energy: theoretical bases, technologies, specifications, economy]. Magdeburg, Otto-von-Guericke-Universitat, publ. 2010. 223 p. (In Russian)
2. Arsent'ev M.O., Arsent'ev O.V., Kryukov A.V., Chan Zyui Khyng. Raspredelennaya generatsiya v sistemakh elektrosnabzheniya zheleznykh dorog [Distributed generation in railway power supply systems.]. Irkutsk, IrGUPS Publ., 2013. 164 p. (In Russian)
3. Arsent'ev M.O., Arsent'ev O.V., Kryukov A.V. Siste-my elektrosnabzheniya zhelezno-dorozhnogo transporta s ustanovkami raspredelennoi generatsii [Electric power supply systems of railroad transport with distributed generation units]. Irkutsk, IrGTU Publ., 2013. 152 p. (In Russian)
4. Belyakov P.Yu., Panov R.M. Analiz struktur i primenyaemosti glavnykh skhem elektricheskikh soedi-nenii sovremennykh setevykh vetroparkov [The analysis of structures and applicability of the main circuits electric connections of modern network wind farms]. El-ektrotekhnicheskie kompleksy i sistemy upravleniya [Electrotechnical complexes and control systems]. 2009, no. 4, pp. 39-44. (In Russian)
5. Belyakov P.Yu., Panov R.M. Analiz effektivnosti sovremennykh tsepei preobrazovaniya energii v vetro-elektricheskikh ustanovkakh bol'shoi moshchnosti [The analysis of efficiency of modern chains of transformation energy in wind power stations of the big capacity]. Elektrotekhnicheskie kompleksy i sistemy upravleniya [Electrotechnical complexes and control systems]. 2011, no. 4, pp. 27-34. (In Russian)
6. Suslov K.V., Gerasimov D.O., Shamarova N.A. Ispol'zovanie dinamicheskikh kharakteristik dlya imi-tatsionnogo modelirovaniya vetrogeneratora [Use of dynamic characteristics for wind turbine simulation modeling]. Materialy Vserossiiskoi nauchno-prakticheskoi konferentsii s mezhdunarodnym uchasti-
Критерии авторства
Закарюкин В.П. разработал модель асинхронного двигателя и генератора в фазных координатах. Несет ответственность за плагиат. Крюков А.В. участвовал в разработке модели асинхронного двигателя и генератора в фазных координатах. Разработал концепцию использования асинхронных генераторов в системах электроснабжения железных дорог. Несет ответственность за плагиат. Арсентьев Г.О. участвовал в разработке модели асинхронного генератора. Провел компьютерное моделирование.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Статья поступила 18.04.2016 г.
em "Povyshenie effektivnosti proizvodstva i ispol'zovaniya energii v usloviyakh Sibiri" [Materials of the All-Russia scientific and practical conference with international participation "Enhancing efficiency of power production and use in Siberia"]. Irkutsk, IRNITU Publ., 2015, vol. 2, pp. 252-256. (In Russian)
7. Zakaryukin V.P., Kryukov A.V. Metody sovmestnogo modelirovaniya sistem tyagovogo i vneshnego elektrosnabzheniya zheleznykh dorog peremennogo toka [Co-simulation methods of AC railroad traction and external power supply systems]. Irkutsk, IrGUPS Publ., 2011. 170 p. (In Russian)
8. Zakaryukin V.P., Kryukov A.V. Slozhnonesimmet-richnye rezhimy elektricheskikh system [Complex asymmetrical modes of electrical systems]. Irkutsk, IGU Publ., 2005. 273 p. (In Russian)
9. Zakaryukin V.P., Kryukov A.V., Le Kong Zan'. Ma-tematicheskie modeli uzlov nagruzki elektroenergetich-eskikh sistem, postroennye na osnove faznykh koordi-nat [Phase coordinate-based mathematical models of electric power system load centers]. Irkutsk, IrGUPS Publ., 2013. 176 p. (In Russian)
10. Bulatov Yu.N., Kryukov A.V., Chan Zyui Khyng. Nechetkie regulyatory dlya vetrogeneri-ruyushchikh ustanovok [Fuzzy controllers for wind turbines]. Izvesti-ya vuzov. Problemy energetiki [Proceedings of the higher educational institutions. Energy sector problems]. 2014, no. 7-8, pp. 60-69. (In Russian)
Authorship criteria
Zakaryukin V.P. has developed the model of the induction motor and generator in phase coordinates. Kryukov A.V. participated in the development of the model of the induction motor and generator in phase coordinates. He has developed the concept of induction generator use in railroad electric power supply systems. Arsentyev G.O. participated in the development of the model of the induction generator and carried out a computer simulation. Zakaryukin V.P. and Kryukov A.V. bear the responsibility for plagiarism.
Conflict of interests
The authors declare that there is no conflict of interests regarding the publication of this article.
The article was received 18 April 2016