Повышение энергетической эффективности системы тягового электроснабжения в условиях протекания уравнительных токов и применения рекуперативного торможения

На правах рукописи

ПРИВАЛОВ Станислав Янович

ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ

СИСТЕМЫ ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

В УСЛОВИЯХ ПРОТЕКАНИЯ УРАВНИТЕЛЬНЫХ ТОКОВ И ПРИМЕНЕНИЯ РЕКУПЕРАТИВНОГО ТОРМОЖЕНИЯ

Специальность 05.22.07 – «Подвижной состав железных дорог,

тяга поездов и электрификация»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук

ОМСК 2011

Работа выполнена в Омском государственном университете путей сообщения (ОмГУПСе).

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор

ЧЕРЕМИСИН Василий Титович.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

ДЕМИН Юрий Васильевич;

кандидат технических наук, доцент

ОЩЕПКОВ Владимир Александрович.

Ведущая организация:

Иркутский государственный университет путей сообщения (ИрГУПС).

Защита диссертации состоится 1 июля 2011 г. в 09 часов на заседании диссертационного совета Д 218.007.01 при Омском государственном университете путей сообщения по адресу: 644046, г. Омск, пр. Маркса, 35, ауд. 219.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Омского государственного университета путей сообщения.

Автореферат разослан 30 мая 2011 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью учреждения, просим направлять в адрес диссертационного совета Д 218.007.01.

Тел./факс: (3812) 31-13-44; e-mail: nauka@omgups.ru

Ученый секретарь

диссертационного совета

доктор технических наук,

профессор О. А. Сидоров.

_________________________

© Омский гос. университет

путей сообщения, 2011

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. Железнодорожный транспорт является энергоемким потребителем электроэнергии. В 2010 г. для нужд электрической тяги израсходовано 38,59 млрд кВтч электроэнергии, что составило 3,8 % от ее общей выработки в стране. В этот же период доля затрат на оплату электроэнергии в среднем по сети дорог России составила 7,5 % от общих эксплуатационных расходов, а на отдельных железных дорогах превышала 9 %.

В соответствии с распоряжением президента ОАО «Российские железные дороги» от 11 февраля 2008 г. утверждена Энергетическая стратегия железнодорожного транспорта на период до 2010 года и на перспективу до 2030 года. Одним из главных целевых ориентиров стратегии является снижение энергоемкости перевозочного процесса.

Закон Российской Федерации от 23 ноября 2009 г. № 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации» направлен на организацию и проведение дополнительных экономических и организационных мероприятий по стимулированию энергосбережения и повышению энергетической эффективности. Для ОАО «РЖД» актуален вопрос повышения энергетической эффективности железнодорожного транспорта, в том числе на тягу поездов.

Одним из эффективных направлений в области снижения энергоемкости перевозочного процесса и повышения энергетической эффективности является снижение протекания реактивной мощности по сетям, уравнительных потоков мощности; стабилизация напряжения на шинах тяговых подстанций и улучшение показателей качества электрической энергии в системе тягового электроснабжения.

При наличии уравнительных токов и применении рекуперативного торможения на ряде тяговых подстанций переменного тока наблюдается возврат электрической энергии в систему внешнего электроснабжения. Однако некоторые энергосбытовые компании отказываются учитывать возвращаемую из тяговой сети электрическую энергию по причинам ее низкого качества, что снижает энергетическую эффективность системы тягового электроснабжения (СТЭ).

Цель диссертационной работы – повышение энергетической эффективности системы тягового электроснабжения путем обеспечения условий внедрения сальдированного учета электрической энергии при протекании повышенных уравнительных токов и применении рекуперативного торможения за счет выбора параметров и мест размещения установок продольной и поперечной емкостной компенсации.

Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:

провести экспериментальные исследования уравнительных токов в тяговой сети и показателей качества электрической энергии на шинах тяговых подстанций переменного тока, характеризующихся возвратом электрической энергии от уравнительных потоков мощности в системе тягового электроснабжения и рекуперативного торможения;

выполнить выбор параметров и мест размещения установок продольной и поперечной емкостной компенсации по существующему методу для действующего участка электрифицированной железной дороге со сложным профилем пути при наличии уравнительных токов и применении рекуперативного торможения;

усовершенствовать методику выбора параметров и мест размещения установок продольной и поперечной емкостной компенсации в условиях протекания повышенных уравнительных токов и применения рекуперативного торможения;

провести натурные исследования показателей качества электрической энергии при выбранном варианте включения установок продольной и поперечной емкостной компенсации в условиях рекуперативного торможения и протекания уравнительных токов;

усовершенствовать метод расчета электроэнергетической системы, содержащей электротяговую нагрузку, с целью определения вторичных потоков мощности от несимметрии и несинусоидальности электротяговой нагрузки и потерь в системе тягового электроснабжения в режимах нагрузки и рекуперативного торможения;

обосновать возможность применения сальдированного учета электрической энергии в условиях рекуперативного торможения и протекания уравнительных токов при применении фильтрокомпенсирующих устройств.

Методы исследования. В основу работы положены теоретические и экспериментальные исследования, а также имитационное моделирование системы тягового электроснабжения на ЭВМ в программных комплексах Кортэс, Fazonord «Расчеты режимов и нагрузочной способности систем тягового электроснабжения в фазных координатах» и Bonbt «Итерационный метод расчета участка электроэнергетической системы, содержащей электротяговую нагрузку». Использованы основные законы и методы расчета линейных и нелинейных электрических цепей, положения математической статистики и теории вероятностей. Экспериментальные исследования проведены с применением 18-канальных измерительно-вычислительных комплексов (ИВК) «Омск-М» с последующим использованием пакета прикладных программ обработки экспериментальных данных.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем: решен комплекс задач по повышению энергетической эффективности системы тягового электроснабжения в условиях протекания уравнительного тока и применения рекуперативного торможения.

К наиболее значимым необходимо отнести такие теоретические результаты:

усовершенствована методика выбора параметров и мест размещения установок продольной и поперечной емкостной компенсации, учитывающая показатели качества электрической энергии (ПКЭ) в условиях протекания повышенных уравнительных токов и применения рекуперативного торможения;

предложены алгоритмы определения вторичных потоков мощности в системах тягового и внешнего электроснабжения, позволяющие оценить эффективность выбранных параметров установок продольной и поперечной емкостной компенсации в режимах тяги и рекуперации за счет снижения потерь электрической энергии от несимметрии и нелинейности электротяговой нагрузки.

Достоверность научных положений и результатов диссертационной работы обоснована теоретически и подтверждена результатами экспериментальных исследований, выполненных на действующих тяговых подстанциях Северной, Южно-Уральской, Западно-Сибирской, Красноярской, Забайкальской, Дальневосточной железных дорог.

Практическая ценность и реализация результатов работы:

усовершенствованная методика выбора параметров и мест размещения установок продольной и поперечной емкостной компенсации за счет использования имитационного моделирования в программном комплексе Fazonord в условиях протекания повышенных уравнительных токов и применения рекуперативного торможения позволяет учитывать требования, предъявляемые к качеству электрической энергии;

усовершенствованный метод расчета электроэнергетической системы, содержащей электротяговую нагрузку, позволяет определять вторичные потоки мощности от несимметрии и несинусоидальности электротяговой нагрузки и потери в СТЭ в режимах тяговой нагрузки и рекуперативного торможения;

разработаны и внедрены на сети железных дорог методические рекомендации по обоснованию внедрения сальдированного учета электроэнергии на тяговых подстанциях.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на пятой европейской научно-технической конференции «Транспорт как средство глобализации» (Чехия: Прага и Пардубице, 2007); на XIV международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современная техника и технологии» (Томск, 2008); на научно-практической конференции «Инновационные проекты и новые технологии на железнодорожном транспорте» (Омск, 2008); на научно-техническом семинаре кафедры «Теоретическая электротехника» Омского государственного университета путей сообщения (Омск, 2010); на научно-техническом семинаре Омского государственного университета путей сообщения «Повышение эффективности работы железнодорожного транспорта, объектов промышленной теплоэнергетики, телекоммуникационно-информационных систем, автоматики и телемеханики» (Омск, 2011).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 13 печатных статей (из них четыре – в изданиях, рекомендованных ВАК РФ).

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти разделов, списка литературных источников из 127 наименований и пяти приложений и содержит 174 стр. основного текста, 108 рисунков и 22 таблицы.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследования, указаны научная новизна и практическая ценность работы.

В первом разделе проведен анализ состояния качества электрической энергии и уравнительных токов на тяговых подстанциях сети железных дорог переменного тока, на которых наблюдается возврат электрической энергии. Рассмотрено состояние технических средств по повышению качества электрической энергии и снижению уравнительных потоков мощности.

Показано, что одним из эффективных направлений в области снижения энергоемкости перевозочного процесса и повышения энергетической эффективности является улучшение показателей качества электрической энергии на электрифицированных железных дорогах, что также позволит обеспечить сальдированный учет электрической энергии при наличии уравнительных потоков мощности и применении рекуперативного торможения.

Вопросам улучшения качества электрической энергии, электромагнитной совместимости электрических сетей в системах тягового электроснабжения посвящены работы М. П. Бадёра, Б. М. Бородулина, А. С. Бочева, А. Т. Буркова, Л. А. Германа, Б. Е. Дынькина, Д. В. Ермоленко, И. В. Жежеленко, Ю. С. Железко, В. П. Закарюкина, Р. И. Караева, А. Б. Косарева, Б. И. Косарева, Л. А. Кучумова, Р. Р. Мамошина, Н. И. Молина, А. И. Тамазова, М. Г. Шалимова и других ученых.

Для проведения анализа качества электрической энергии в СТЭ проведены экспериментальные исследования по измерению ПКЭ на шинах 220, 110, 35, 27,5 и 10 кВ всех тяговых подстанций переменного тока по сети железных дорог, на которых наблюдается возврат электроэнергии, обусловленный либо наличием уравнительного тока (УТ), либо применением рекуперативного торможения. Для проведения анализа состояния качества электрической энергии построены зависимости коэффициента искажения синусоидальности кривой питающего напряжения и коэффициента несимметрии напряжения по обратной последовательности по шинам 110 и 27,5 кВ от активной мощности для всех исследуемых тяговых подстанций.

Результаты экспериментальных исследований показателей качества электрической энергии на шинах высшего напряжения тяговых подстанциях переменного тока приведены на рис 1.

Показатели качества электрической энергии, отпускаемой потребителям, получающим питание от шин тяговых подстанций, превышают нормально допустимые значения, установленные в ГОСТ 13109-97 и в основном превышают предельно допустимые значения при пропуске тяжелых поездов и незначительной мощности системы внешнего электроснабжения.

Значительный вклад в изучение уравнительных токов внесли ученые и специалисты ВНИИЖТа, МИИТа, РГУПСа, ОмГУПСа и других организаций.

Вопросы определения и ограничения перетоков мощности по контактной сети представлены в работах Б. М. Бородулина, А. С. Бочева, А. И. Бунина, Л. А. Быка-дорова, Л. А. Германа, В. Т. Доманского, В. А. Кващука, Ю. В. Кондратьева, Г. В. Кузнецова, Р. Р. Мамошина, Г. Г. Марквардта, В. Т. Черемисина, Ю. А. Чер-нова и других авторов.

В результате проведенных экспериментальных исследований УТ на тяговых подстанциях переменного тока по сети железных дорог (рис. 2), на которых наблюдается возврат электроэнергии, можно выделить следующее: режим протекания уравнительного тока являются длительным установившимся режимом, величина уравнительного тока колеблется от 30 до 120 А, а на отдельных межподстанционных зонах может достигать 255 А. Протекание уравнительного тока вызывает значительные потери (например, для Красноярской железной дороги годовые потери электроэнергии от протекания уравнительных токов составили 14,63 млн кВтч, – около 1,17 % от общего количества электрической энергии, отпущенной с шин 27,5 кВ). В среднем на каждой межподстанционной зоне, где протекает уравнительный ток, в год теряется около 400 тыс. кВтч электроэнергии.

Второй раздел посвящен исследованию ПКЭ и уравнительных потоков мощности на участке СТЭ с выбранными параметрами устройств компенсации реактивной мощности существующими и предлагаемым способами.

Существующая «Инструкция о порядке выбора параметров и мест размещения установок продольной и поперечной емкостной компенсации в системах тягового электроснабжения переменного тока» (утверждена ЦЭ 20 октября 2010 г.) не соответствует требованиям Энергетической стратегии ОАО «РЖД» и постановлению правительства РФ №117 от 03.03.2010 «О порядке отбора субъектов электроэнергетики и потребителей электрической энергии, оказывающих услуги по обеспечению системной надежности», где сказано, что при заключении договора на электроснабжение следует выделять мероприятия по обеспечению удовлетворительных ПКЭ по объектам, указанным сетевой компанией.

Существующий метод выбора параметров и мест размещения установок продольной и поперечной емкостной компенсации не учитывает величину ПКЭ на тяговых подстанциях (ТП) исследуемого (расчетного) участка, значений уравнительных токов в контактной сети (КС), влияния рекуперативного торможения ЭПС, величины потерь мощности в СТЭ, возможности одновременной установки продольно-емкостной компенсации (УПК) на ТП и устройства поперечной компенсации (КУ) на посту секционирования (ПС).

Учет перечисленных особенностей возможен лишь путем совершенствования существующего метода применением одного из известных методов имитационного моделирования электроэнергетической системы, содержащей электротяговую нагрузку. Анализ методов расчета системы тягового электроснабжения показал, что наиболее приемлемы для этого программные продукты ВНИИЖТа Кортэс (не учитывает УТ) и ИрГУПСа Fazonord.

Усовершенствована методика выбора параметров и мест размещения установок продольной и поперечной емкостной компенсации с применением имитационного моделирования и проведены расчеты для реального участка электрифицированной железной дороги со сложным профилем пути (рис. 3). Участок характеризуется наличием возврата электроэнергии, обусловленного протеканием УТ и наличием рекуперативного торможения. Режим рекуперативного торможения оказывает дополнительное негативное влияние на ПКЭ исследуемого участка.

Рис. 3. Схема внешнего электроснабжения участка Тб. – Тш. КярЖД

Последовательность выбора параметров и мест размещения установок продольной и поперечной емкостной компенсации в условиях применения рекуперативного торможения и протекания уравнительных токов приведена на рис. 4. В результате имитационного моделирования получено, что при установке КУ на ПС с увеличением мощности устройства растут потери мощности в СТЭ, в то же время при установке КУ на тяговых подстанциях потери мощности в СТЭ изменяются незначительно.

УТ практически не зависит от мощности КУ при его расположении на ПС (рис. 5). При установке КУ на тяговых подстанциях с увеличением мощности КУ возрастает УТ в МПЗ.

По результатам имитационного моделирования для обеспечения минимально допустимого напряжения на токоприемнике ЭПС принято решение об установке УПК в фазах на ТП Б. и Ю. и КУ мощностью 3 Мвар на ПС.

Выполнено сравнение вариантов установки КУ и двухрезонансного фильтрокомпенсирущего устройства (ФКУ) по коэффициенту искажения синусоидальности питающего напряжения на фидерах контактной сети (ФКС) тяговых подстанций Ю. и Б. (рис. 6). Как видно установка двухрезонансного ФКУ на ПС позволяет добиться меньших значений коэффициента искажения синусоидальности питающего напряжения на ФКС, поэтому для обеспечения норм качества электроэнергии на стороне высшего напряжения целесообразно устанавливать на ПС фильтрокомпенсирующие устройства.

Третий раздел посвящен экспериментальным исследованиям энергетических показателей на действующем участке электрифицированной железной дороге с рассчитанными параметрами компенсирующих устройств при наличии рекуперативного торможения и протекании уравнительного тока.

Для проведения анализа динамики ПКЭ энергии на границе балансовой принадлежности и шинах сторонних потребителей при движении ЭПС в режимах тяги и рекуперации с учетом уравнительных токов был выполнен натурный эксперимент на действующей тяговой подстанции Б. и межподстанционных зонах Ю. – Б. и Б. – Ч. Красноярской железной дороги с рассчитанными во втором разделе параметрами КУ (установлены УПК в фазах на ТП Б. и ТП Ю. и КУ мощностью 3 Мвар на ПС). Для этого на тяговой подстанции были подключены два 18 канальных информационно-вычислительных комплекса ИВК «Омск-М» (на всех сторонах тягового трехобмоточного трансформатора и фидерах контактной сети).