CC BY
109
УДК 621.311
ПРИМЕНЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЙ РАСПРЕДЕЛЕННОЙ ГЕНЕРАЦИИ ДЛЯ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ НЕТЯГОВЫХ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ
А.В.Крюков1, В.П.Закарюкин2, М.О.Арсентьев3
' ' Иркутский государственный университете путей сообщения, 664074, г. Иркутск, ул. Чернышевского, 15. 3Иркутекий государственный технический университет, 664074, г, Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Проведенный анализ показывает, что установки распределенной генерации могут применяться для снижения отклонений и несимметрии напряжения в районах электроснабжения нетяговых и нетранспортных потребителей, позволяют уменьшить отклонения, несимметрию и несинусоидальность напряжения в электрически удаленных точках сети. При наличии установки РГ с генератором, снабженным автоматическим регулятором возбуждения, несимметрия напряжения снижается примерно вдвое, Коэффициент искажения кривой синусоидальности напряжения, достигающий 11%, уменьшается до 4%, Ил. 5, Библиогр, 18 назв.
Ключевые слова: установки распределенной генерации, электроснабжение нетяговых и нетранспортных потребителей, несимметрия напряжения.
THE APPLICATION OF TECHNOLOGIES OF DISTRIBUTED GENERATION FOR POWER SUPPLY OF NON-TRACTION CONSUMERS OF RAILROADS A.V.Kryukov, V.PZakaryukin, M.O.Arsentjev
Irkutsk State University of Railway Engineering 15 Chernishevsky St., Irkutsk, 664074 Irkutsk State Technical University 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074
The carried out analysis demonstrates that installations of distributed generation can be applied to decrease deflections and asymmetry of voltage in the zones of power supply of non-traction and non-transport consumers, They enable to decrease deflections, asymmetry and anharmonicity of voltage in electrically remote points of the network. With the presence of the installation of distributed generation with the generator equipped with an automatic regulator of excitation the asymmetry of voltage decreases approximately in half. The coefficient of distortion of voltage asymmetry curve approaching 11% decreases up to 4%. 5 figures, 18 sources.
Key woras: installations or aisiriouiea generation, power supply or non-traction ana non-transport consumers, voltage asymmetry.
В последние годы разработан целый ряд эффективных энерготехнологий, которые позволяют потребителям электроэнергии (ЭЭ) создавать собственные экономичные установки, конкурирующие с централизованным производством ЭЭ [1...6]. При этом электростанции потребителей обеспечивают не только собственные потребности в ЭЭ, но и выступают конкурентами на энергетическом рынке [1],
1 Крюков Андрей Васильевич, доктор технических наук, профессор кафедры электроснабжения железнодорожного транспорта, тел.; (3952)63-93-27; 628-723. Kryukov Andrey Vasiljevich, a doctor of technical sciences, the professor of the Chair of Power Supply of the Railroad Transport, Tel.: (3952) 63-93-27; 628-723,
Закарюкин Василий Пантелвймонович, кандидат технических наук, доцент кафедры электроснабжения железнодорожного транспорта, тел.; (3952)40-93-27 Zakaryukin Vasiliy Panteleimonovich, a candidate of technical sciences, an associate professor of the Chair of Power Supply of the Railroad Transport, Tel.; (3952)40-93-27. 'Арсентьев Михаил Олегович, аспирант, тел. (3952)40-53-93.
Arsentjev Mihail Olegovich, a postgraduate, Tel.: (3952)40-53-93,
Под распределенной генерацией (РГ)'1 - иногда используется термин «рассредоточенная энергетика» - понимается совокупность потребительских энергоустановок как индивидуального использования, так и объединенных в микроэнергосистемы, Создание установок РГ диктуется необходимостью адаптации кусло-виям рынка, а также ужесточением требований экологии, стимулирующих использование нетрадиционных возобновляемых источников энергии.
Современная преобразовательная техника [7] позволяет присоединять установки РГ к электроэнергетической системе (ЭЭС) через вставки постоянного тока. Подобная концепция ограничивает мощность короткого замыкания на шинах источников РГ, обеспечивает высокое качество электроэнергии и придает электроснабжению потребителей характер гарантированного питания [1]. Источники РГ, объединенные в микроэнергосистемы (кластеры), не только обеспечивают повышенную надежность электроснабжения, но и открывают широкие возможности для оптимизации режимов и повышения экономичности производства и распределения ЭЭ. Таким образом, применение тех-
4 Иногда используется термин «рассредоточенная энергетика»,
нологий РГ позволяет получить целый ряд положительных эффектов, главные из которых состоят в снижении затрат на энергообеспечение, повышении надежности электроснабжения ответственных потребителей, а также в уменьшении техногенного воздействия на окружающую природную среду.
Имеющийся отечественный и зарубежный опыт показывает применимость технологий РГ в промыш= ленности, коммунально-бытовом секторе, сельском хозяйстве и на транспорте. В настоящей работе рассматриваются технические аспекты применения установок распределенной генерации в системах электроснабжения железнодорожного транспорта.
□опросы использования технологий РГ на железнодорожном транспорте нашли отражение в нормативных документах, определяющих перспективы развития отрасли, в частности, в энергетической стратегии ОАО «РЖД» на период до 2010 года и на перспективу до 2020 года [8] и в стратегических направлениях научно-технического развития ОАО «Российские железные дороги». В этих документах отмечается, что на железнодорожном транспорте предусматривается широкое применение высокоэнергоэффективных нетрадиционных технических средств и технологий, основанных на достижениях фундаментальных наук, На их основе будут формироваться перспективные инновационные приоритеты отрасли в области энергосбережения, к которым относятся следующие:
• применение энергоемких накопителей энергии в основных технологических процессах энергопотребления и генерации энергии;
■400'.¡ИБО
Ш220 | ,
• широкое внедрение тепловых насосов, топливных элементов, электрохимических генераторов, водородной энергетики, биогазогенераторных установок утилизации отходов жизнедеятельности транспорта;
• использование ветровой, солнечной и геотермальной энергии для нужд автономных потребителей железных дорог.
В регионах, где внешнее электроснабжение железных дорог является неустойчивым, предполагается создавать принадлежащие ОАО «РЖД» источники ЭЭ для обеспечения тяги поездов и нужд нетяговых железнодорожных потребителей, Так, например, в ближайшие годы на Свердлов-ской железной дороге появится собственная электростанция мощностью 12 МВт, на которой будут установлены газовые турбины.
Для того, чтобы избежать зависимости от многочисленных сетевых компаний, предполагается в ряде случаев использовать построение системы тягового электроснабжения (СТЭ), при котором в зоне крупной электростанции ЭЭС сооружается опорная железнодорожная подстанция, питающая по собственной линии 65, 90 или 110 кВ, проложенной по опорам контактной сети промежуточные тяговые подстанции, Одновременно обеспечивается повышение качества электроэнергии, симметрирование нагрузки, снижение электромагнитного влияния тяговой сети на смежные линии [9... 12]. Такое построение СТЭ создает особо благоприятные условия для внедрения установок распределенной генерации. При строительстве
лсо ооо С220
62 км 220 кВ
125 МВА
Рис. 1. Однолинейная схема РЭС
новых железнодорожных линий может стать целесообразным создание транспортно-энергетических коридоров, в которых совмещаются трассы железной и автомобильной дорог, высоковольтных ЛЭП и магистральных линий связи. При этом снижаются расходы по их строительству и эксплуатации, что дает дополнительные доходы компании, Для повышения надежности электроснабжения ответственных потребителей в таких объектах инфраструктуры также актуально использование установок распределенной генерации, Анализ представленных данных позволяет сделать вывод о том, что электроэнергетика железнодорожного транспорта представляет собой обширный полигон для внедрения современных технологий рас-
пределенной генерации. В условиях непрекращающегося роста тарифов на электроэнергию применение этих технологий позволит снизить затраты на электроснабжение. Кроме того, на этой основе возможно повышение надежности электроснабжения ответственных объектов железных дорог, качества электроэнергии, электромагнитной безопасности.
На основе изучения технологических процессов на железнодорожном транспорте, особенностей построения систем электроснабжения электрической тяги и нетяговых потребителей [13... 15] можно наметить следующие сферы применения установок распределенной генерации:
• объекты железнодорожного транспорта (включая электрическую тягу поездов) в регионах с потенциаль-
боп.уолы-
111220
ТП ТМ-280
Ш230231 120227228 ТП-22 2хТМ-630
Рис. 2. Расчетная схема комплекса РагопогФКачество
но неустойчивым электроснабжением;
• для повышения надежности электроснабжения ответственных потребителей при создании транспорт-но-энергетических коридоров, совмещающих трассы железной и автомобильной дорог, высоковольтные лэп и линии связи;
• на предприятиях железнодорожного транспорта, имеющих собственные теплоисточники (использование режимов совместной генерации электрической и тепловой энергии);
• для питания автономных объектов ЖД транспорта с использованием нетрадиционных возобновляемых источников анергии;
• в районах электроснабжения нетяговых и нетранспортных потребителей для снижения затрат на энергообеспечение и повышение качества электроэнергии
(в частности, для уменьшения отклонений напряжения, вызываемых резкопеременной тяговой нагрузкой),
Железнодорожные районы электроснабжения (РЭС) предназначены для снабжения электроэнергией нетяговых и нетранспортных потребителей, расположенных вдоль железной дороги, РЭС отличается большой протяженностью ЛЭП, достигающей нескольких десятков километров [13]. Это обстоятельство определяет достаточно большую удаленность отдельных потребителей как от источников питания, так и друг от друга, и в такой ситуации влияние установок распределенной генерации на качество электроэнергии может быть значительным.
230 220 210 200 190 160 170 160
"Генератор отсутствует „
1 ^ * * Время, мин
I_I_I ,
—I-1-1-1
200 250 300 350
Рис. 3. Изменение напряжения фазы В ТП-8 при движении поездов
~Т~ "Г Генератор отсутствует
50 100 150 200
Рис. 4. Коэффициент несимметрии напряжения
250
на шинах 0.4 кВ ТП-\
50 100 150 200 250 300 Время, мин
Рис. 5. Коэффициент несинусоидальности напряжения на шинах 0.4 кВ ТП-8
Для иллюстрации этого положения использована расчетная схема РЭС, включающая сети тягового и внешнего электроснабжения (рис. 1), Питание осуществляется по линии 220 кВ через два автотрансформатора 220/110 кВ; к двухцепной линии 110 кВ присоединено пять трехобмоточных тяговых трансформаторов. Анализируемый район электроснабжения подключен к сетевой обмотке подстанции А кабельной линией и ВЛ 10 кВ.
Район включает восемь трансформаторов 10/0.4 кВ, размещенных вдоль участка железной дороги длимой "12 км. Дополнительный дсрятый трен юформатор
установлен для подключения установки распределенной генерации (РГ) мощностью 0.08+]0.06 МВ'А на фазу, На основе автоматического регулирования возбуждения обеспечивается поддержание напряжения на шинах генератора на уровне 230 В. Расчеты выполнены на основе программного комплекса «Раго-погс!-Качество - расчеты показателей качества электроэнергии в системах электроснабжения в фазных координатах с учетом движения поездов» [16, 17], Расчетная схема показана на рис. 2. Режим тяговых нагрузок определяется профилем пути межподеган-ционных зон подстанции и графиком движения поездов, В данном случае подстанция А расположена на верхней точке профиля с уклонами до 18%о, так что и нечетные, и четные поезда потребляют большие мощности, Кроме того, предполагается движение поездов массами 1100, 3000 и 6300 т С интервалами 12 мин, что соответствует ситуации, близкой к полному использованию пропускной способности участка, Большие поездные нагрузки приводят к значительным отклонениям напряжения района электроснабжения при движении поездов.
Наибольшие отклонения напряжения удаленной трансформаторной подстанции ТП-8 в расчетах получены для фазы В (рис. 3); при движении на подъем тяжелых поездов напряжение кратковременно снижается до 160,,, 170 В, Фиксированная генерация в узлах
238-240, которая соответствует примерно 70% нагрузки ТП-8, повышает напряжение фазы В ТП-8 в среднем на 6 В,
За счет автоматического регулирования возбуждения (АРВ) синхронной машины РГ напряжение на шинах 0.4 кВ подстанции ТП-8 поднимается в среднем на 14 В, а в режимах наибольших отклонений - на 35 В. Без дополнительной генерации коэффициент несимметрии напряжения 0.4 кВ по обратной последовательности подстанции ТП-8 достигает 16% (рис, 4), При наличии установки РГ с генератором, снабженным АРВ, псоиммстрия напряжения опижастоя примерно вдвое. Коэффициент искажения кривой синусоидальности напряжения, достигающий 11% (рис. 5), снижается при наличии установки РГ до 4 %.4
Обобщая вышеизложенное, можно сделать следующие выводы:
1. Сферами применения установок распределенной генерации на железнодорожном транспорте являются следующие направления:
• объекты железнодорожного транспорта (включая электрическую тягу поездов) в регионах с потенциально неустойчивым электроснабжением;
• для повышения надежности электроснабжения ответственных потребителей при создании транспорт-но-энергетических коридоров, совмещающих трассы железной и автомобильной дорог, высоковольтные ЛЭП и линии связи;
• предприятия железнодорожного транспорта, имеющие собственные теплоисточники (использование режимов совместной генерации электрической и тепловой энергии);
• в районах электроснабжения нетяговых и нетранспортных потребителей для снижения затрат на энергообеспечение и повышение качества электроэнергии (в частности, для уменьшения отклонений напряжения, вызываемых резкопеременной тяговой нагрузкой);
• для питания автономных объектов ЖД транспорта с использованием нетрадиционных возобновляемых источников энергии,
2. Для анализа возможностей применения установок распределенной генерации в системах электроснабжения железнодорожного транспорта могут быть применены методика и программные средства имитационного моделирования систем электроснабжения в фазных координатах,
3. Проведенный анализ показывает, что установки распределенной генерации могут быть применены для снижения отклонений и несимметрии напряжения в районах электроснабжения нетяговых и нетранспортных потребителей, Установки распределенной генерации позволяют снизить отклонения, несимметрию и несинусоидальность напряжения в электрически удаленных точках сети, При наличии установки РГ с генератором, снабженным автоматическим регулятором возбуждения, несимметрия напряжения снижается примерно вдвое, Коэффициент искажения кривой синусоидальности напряжения, достигающий 11%, уменьшается до 4%,5
Библиографический список
1. Фотин В.П. Рассредоточенная энергетика [Электронный ресурс] / http://www.vei,ги/риЬНс/риЬУс2,Ыт,
2. Фотин В,П, Технологическая стратегия электроэнергетической системы России II Электричество. № 9. 2001. С. 12-20.
3. Фотин В.П. Энергетика и экономика России: виртуальное настоящее и реальное будущее [Электронный ресурс] / http://www.vei.ru/pubiic/public2,Мт,
4. Агроскин В. Распределённая генерация, перспективы и проблемы [Электронный ресурс] II ЭСКО. № 7(19). 2003. http://esco-ecosys.narod.ru/journal/journal19.htm.
5. Фотин В.П. Электрификация теплоснабжения [Электронный ресурс] / http://www.vei,ги/риЫю/риЫю2,Мт.
6. Пейсахович В. Роль малой энергетики в решении
проблем энергетического обеспечения потребителей [Электронный ресурс] / В. Пейсахович // Энергорынок. - № 5, -2005. - http://www.e-m.ru.
7. Куро Ж. Современные технологии повышения качества электроэнергии при ее передаче и распределении [Электронный ресурс] / Новости электротехники, 2005, № 1 (31), http://news.eiteh.ru/arh.
8. Котельников A.B. Энергетическая стратегия железных дорог России [Электронный ресурс] / A.B. Котельников II Железные дороги мира, № 2, 2005, http://www.css-mps.ru/zdm/index.htmi.
9. Василянский А. М. Совершенствование системы тягового электроснабжения железных дорог, электрифицированных на переменном токе 27,5 кВ, 50 Гц II Железные дороги мира. 2002. № 8. С. 40-46.
10. Бородулин Б, М. Симметрирование токов и напряжений на действующих тяговых подстанциях переменного тока [Текст] II Вестник ВНИИЖТ. - 2003. - № 2.
11. Бардушко В.Д. Режимы работы системы тягового электроснабжения напряжением 94 кВ с симметрирующими трансформаторами II Вестник ВНИИЖТ. 2005. №3. С. 44-47.
12. Закарюкин В.П. Имитационное моделирование системы тягового электроснабжения 94 кВ с симметрирующими трансформаторами II Вестник ВНИИЖТ, 2005, №5, С, 12-17.
13, Марквардт К,Г. Электроснабжение электрифицированных железных дорог. М.: Транспорт, 1982.528 с.
14, Поплавский А,Н. Электроэнергетика предприятий железнодорожного транспорта, М,; Транспорт, 1981,264 с.
15. Поплавский А Н. Стационарная электроэнергетика железнодорожного узла. М.: Транспорт, 1986. -279 с.
16. Закарюкин В.П. Имитационное моделирование систем тягового электроснабжения. Иркутск: ИрГУПС, 2007.124 с.
17. Свидет. об офиц. регистр, программы для ЭВМ №2007612771 (РФ) «Fazonord-Качество - Расчеты показателей качества электроэнергии в системах электроснабжения в фячыыу кплрдмыятяу Г. yUfSTrtlWI ДИМШЯНМЯ ППРЧДПВ» /
Федеральная служба по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам. Зарегистр, 28,06,2007,
5Для защиты синхронной машины РГ от неблагоприятного влияния несимметрии и несинусоидальности может потребоваться монтаж вставки постоянного тока [1].
