Содержание к диссертации
Введение
1 Современное состояние проблемы повышения качества электроэнергии, потребляемой тяговыми подстанциями переменного тока 9
1.1 Особенности влияния электромагнитных процессов тяговых подстанций переменного тока на систему внешнего электроснабжения 9
1.2 Показатели качества электроэнергии 18
1.3 Влияние несимметрии тока и напряжения на потребителей электрической энергии 23
1.4 Способы повышения энергетических характеристик ЭПС переменного тока 26
1.5 Существующие способы повышения качества электроэнергии, потребляемой тяговыми подстанциями переменного тока 30
1.6 Преобразовательные устройства для улучшения показателей качества электроэнергии 34
1.7 Задачи и методы исследования 38
2 Способ управления статическим компенсатором для снижения коэффициента несимметрии потребляемых токов по обратной последовательности и компенсации реактивной мощности 41
2.1 Направления компенсации реактивных составляющих полной мощности 41
2.2 Методы управления преобразователями 44
2.3 Способ управления статическим компенсатором для снижения коэффициента несимметрии потребляемых токов по обратной последовательности и компенсации реактивной мощности 54
2.4 Алгоритм управления статическим компенсатором для снижения коэффициента несимметрии потребляемых токов по обратной последовательности и компенсации реактивной мощности 57
2.5 Выводы по главе 73
3 Разработка математической модели системы автоматического управления статическим компенсатором 74
3.1 Методы анализа электромагнитных процессов в цепях с СПП 75
3.2 Разработка математической модели статического компенсатора 80
3.3 Расчт параметров системы автоматического управления статического компенсатора 87
3.3 Выводы по главе 94
4 Методика расчта основных элементов статического компенсатора 98
4.1 Расчт значений мкости конденсатора и индуктивности дросселя 98
4.2 Зависимость значений мкости и индуктивности статического компенсатора от параметров системы внешнего электроснабжения 102
4.3 Выводы по главе 111
5 Разработка имитационной математической компьютерной модели «система электроснабжения переменного тока – статический компенсатор» 112
5.1 Выбор и описание среды моделирования 112
5.2 Описание компьютерной имитационной модели 115
5.3 Проверка адекватности модели 124
5.4 Модель статического компенсатора 127
5.5 Исследование симметричности загрузки фаз питающих линий 129
5.6 Исследование компенсации реактивной мощности 134
5.7 Технико-экономическая оценка целесообразности применения статического компенсатора для симметрирования 135
5.8 Выводы по главе 140
Заключение 141
Библиографический список 143
- Влияние несимметрии тока и напряжения на потребителей электрической энергии
- Способ управления статическим компенсатором для снижения коэффициента несимметрии потребляемых токов по обратной последовательности и компенсации реактивной мощности
- Разработка математической модели статического компенсатора
- Проверка адекватности модели
Влияние несимметрии тока и напряжения на потребителей электрической энергии
Таким образом, ОАО «РЖД», как сетевая организация, ежегодно при заключении договора оказания услуг по передаче электрической энергии должна составлять мероприятия по компенсации реактивной мощности в точках приема электроэнергии в сеть.
Обобщая вышесказанное можно выделить три главные особенности электромагнитных процессов тяговых подстанций переменного тока по отношению к системе внешнего электроснабжения: несимметричная система трхфазных токов; несинусоидальная система трхфазных токов; высокое потребление реактивной мощности.
Основным документом, регламентирующим требования к качеству электроэнергии на территории РФ, является ГОСТ Р 54149 - 2010 «Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения»[5] (введн в действие с 01.01.2013 г.). ГОСТ устанавливает показатели и нормы качества электроэнергии в точках передачи электрической энергии пользователям электрических сетей низкого, среднего и высокого напряжений систем электроснабжения общего назначения переменного тока частотой 50 Гц (точка передачи электрической энергии - точка электрический сети, находящаяся на линии раздела объектов электроэнергетики между владельцами по признаку собственности или владения на ином предусмотренном федеральными законами, определнная в процессе технологического присоединения). Качество электроэнергии определяется следующими основными показателями качества (ПКЭ): отклонением напряжения SU, коэффициентами гармонических составляющих напряжения и(п), значением суммарного коэффициента гармонических составляющих напряжения Kv, отклонением частоты Sf, длительностью провала напряжения Atп, импульсным напряжением Uп, для трхфазной системы вводятся коэффициенты несимметрии напряжений по обратной и нулевой последовательностям К21],К01], размахом изменения напряжения Sm и дозой колебания фликера. Существуют нормальные и допустимые значения ПКЭ.
В нормальных режимах допускается: отклонение напряжения +5%, суммарный коэффициент гармонических составляющих напряжения 3%, коэффициенты обратной и нулевой последовательностей 2%, отклонение частоты ±0,2 Гц. Показатели качества оцениваются в точках передачи электрической энергии. Превышение ПКЭ в точках передачи электрической энергии ведт к штрафным санкциям, связанным с надбавками к тарифу на электроэнергию. Приказом Федеральной службы по тарифам от 31 августа 2010 г. N 219-э/6 утверждены «Методические указания по расчету повышающих (понижающих) коэффициентов к тарифам на услуги по передаче электрической энергии в зависимости от соотношения потребления активной и реактивной мощности для отдельных энергопринимающих устройств (групп энергопринимающих устройств) потребителей электрической энергии, применяемых для определения обязательств сторон по договорам об оказании услуг по передаче электрической энергии по единой национальной (общероссийской) электрической сети (договорам энергоснабжения)». В данных методических указаниях приведен порядок расчета повышающего (понижающего) коэффициента, применяемого к тарифу на услуги по передаче электрической энергии в зависимости от соотношения потребления активной и реактивной мощности.
Следует особо отметить, что ГОСТ Р 54149 – 2010 не устанавливает требований к потребляемому из сети току. Отклонение частоты регулируется питающей энергосистемой и зависит только от нее. Отдельные электропримники на промышленных предприятиях (а тем более в быту) не могут оказать влияния на этот показатель, так как мощность их несоизмеримо мала по сравнению с суммарной мощностью генераторов электростанций энергосистемы. Колебания напряжения, несимметрия и несинусоидальность напряжения вызываются, в основном, работой отдельных мощных электропримников на промышленных предприятиях. Отклонения напряжения зависят как от уровня напряжения, которое подается энергосистемой на промышленные предприятия, так и от работы отдельных промышленных электропримников, особенно с большим потреблением реактивной мощности. Поэтому вопросы качества электрической энергии следует рассматривать в непосредственной связи с вопросами компенсации реактивной мощности.
В таблице 1.2 приведены характеристики электрической энергии, показатели их характеризующие, и наиболее вероятные виновники ухудшения качества электрической энергии. При этом курсивом выделены те ПКЭ, которые непосредственно зависят от потребителя электрической энергии.
Способ управления статическим компенсатором для снижения коэффициента несимметрии потребляемых токов по обратной последовательности и компенсации реактивной мощности
Исследованию влияния несимметричного потребляемого тока на потребителей электрической энергии посвящено много работ [3,4,25]. Кратко рассмотрим основные негативные стороны появления в энергосистеме несимметричных токовых нагрузок.
Несимметричные токи нагрузки, протекающие по элементам системы электроснабжения, вызывают в них несимметричные падения напряжения. Вследствие этого на выводах примника электрической энергии появляется несимметричная система напряжений. Отклонения напряжения у примника перегруженной фазы могут превысить нормально допустимые значения, в то время как отклонения напряжения других фаз будут находиться в нормируемых пределах.
Значительно отличается действие несимметричного режима по сравнению с симметричным для таких распространенных трехфазных потребителей электрической энергии как промышленные асинхронные двигатели [4]. Особое значение для них имеет напряжение обратной последовательности. Сопротивление обратной последовательности асинхронных электродвигателей примерно равно сопротивлению заторможенного двигателя и, следовательно, в 5 8 раз меньше сопротивления прямой последовательности [26]. Поэтому даже небольшая несимметрия напряжений (К2U 1%) вызывает значительные (пятикратные) токи обратной последовательности. Токи обратной последовательности суммируются с токами прямой последовательности и вызывают дополнительный нагрев статора и ротора (особенно массивных частей ротора), что приводит к ускоренному старению изоляции и уменьшению располагаемой мощности двигателя (уменьшению к.п.д. двигателя). Так, срок службы полностью загруженного асинхронного двигателя, работающего при несимметрии напряжения 4%, сокращается в 2 раза. При несимметрии напряжения 5% развиваемая мощность двигателя уменьшается на 5-10% относительно номинальной [27].
При несимметрии напряжений сети в генераторах электростанций наряду с возникновением дополнительных потерь активной мощности и нагревом статора и ротора могут возникнуть опасные вибрации в результате появления знакопеременных вращающих моментов и тангенциальных сил, пульсирующих с двойной частотой сети. При значительной несимметрии вибрация может оказаться опасной, а особенно при недостаточной прочности и наличии дефектов сварных соединений. При несимметрии токов, не превышающей 30%, опасные перенапряжения в элементах конструкций, как правило, не возникают [27]. Правила технической эксплуатации электрических сетей и станций в РФ указывают, что «длительная работа генераторов и синхронных компенсаторов при неравных токах фаз допускается, если разница токов не превышает 10% номинального тока статора для турбогенераторов и 20% для гидрогенераторов. При этом токи в фазах не должны превышать номинальных значений. Если эти условия не выполняются, то необходимо принимать специальные меры по уменьшению несимметрии. Несимметрия напряжения значительно ухудшает режимы работы многофазных выпрямителей: значительно увеличивается пульсация выпрямленного напряжения вследствие возникновения неканонических гармоник, ухудшаются условия работы системы импульсно-фазового управления тиристорных преобразователей [19].
Несимметрия токов и напряжений, создаваемая однофазными тяговыми нагрузками, отрицательно сказывается на работе и самой системы тягового электроснабжения. На подстанциях понижается мощность, реализуемая понижающими трансформаторами. При питании устройств автоблокировки и электрической централизации от шин 27,5 кВ несимметрия напряжения может вызвать отказы в их работе. Несимметрия напряжений влияет на устройства РПН понижающих трансформаторов. Их переключение для регулирования напряжения практически исключено, так как всегда в одной или двух фазах значение напряжения будет отличаться от номинального при условии, что в третьей фазе будет поддерживаться номинальное напряжение. В итоге, уровень напряжения в контактной сети смежных зон, питающихся от разных фаз системы внешнего электроснабжения, оказывается неодинаковым, что оказывает влияние на скорость движения, а так же на пропускную и провозную способности участка железной дороги.
В основных направлениях стратегии развития железнодорожного транспорта России на период до 2030 г. поставлена задача модернизации и расширения сети железных дорог, роста скоростей движения и грузонапряжнности электрифицированных линий. Вместе с тем, темпы ввода новых мощностей в питающей сети остаются крайне низкими. В этих условиях увеличивается воздействие тяговой нагрузки на питающую энергосистему, что в конечном итоге выражается в увеличении общего электропотребления подстанции и применении штрафных санкций за нарушение ПКЭ. Задача по снижению воздействия тяговых подстанций на питающую энергосистему напрямую связана с задачей энергосбережения, так как несимметричный и несинусоидальный ток приводит к росту потерь электроэнергии. 1.4 Способы повышения энергетических характеристик ЭПС переменного тока
Повышение энергетических характеристик электровозов переменного тока может быть выполнено различными способами: на основе использования новых типов преобразователей (четырехквадрантного преобразователя), применения компенсирующих устройств, изменения алгоритма управления выпрямительно-инверторным преобразователем (секторного регулирования, пропуска полуволн напряжения).
Разработка математической модели статического компенсатора
Сравнение (2.37) и (2.38) показывает, что при Ui=const отрезок АО2 в определнном масштабе - это активная мощность, а отрезок ОiО2 - реактивная мощность. Следовательно, для изменения активной мощности при Q=const конец вектора U0 должен скользить по горизонтальной прямой АВ. Для изменения реактивной мощности при P=const конец вектора Uo должен скользить по прямой ААi или ВВь Положение вектора ОО соответствует холостому ходу. Если вектор U0 находится слева от прямой, то преобразователь генерирует активную мощность в сеть, если справа - потребляет е из сети. В режиме генерирования (мод0) при скольжении вектора U0 по прямой ААi статический компенсатор потребляет из сети реактивную (мкостную) мощность до тех пор, пока и0иь При U0Ui статический компенсатор потребляет из сети реактивную (индуктивную) мощность. В режиме потребления активной мощности (мод0) из сети преобразователь потребляет реактивную мощность мкостного характера до тех пор, пока UoUi и реактивную мощность индуктивного характера при UoUi.
Таким образом, изменяя угол между питающим напряжением и напряжением статического компенсатора можно регулировать значение выдаваемой (потребляемой) активной мощности, а регулируя коэффициент модуляции к (изменяя тем самым соотношение между Ui и Uo) можно генерировать (потреблять) реактивную мощность.
Наиболее распространнный режим работы статического компенсатора -компенсация реактивной мощности (регулирование d-составляющей напряжения Uo), при этом напряжение на выходном конденсаторе поддерживается постоянным за счт изменения системой управления q-составляющей напряжения Uo от нуля до требуемого значения.
При формировании компенсирующих токов в соответствии с (2.31) будут некоторые отличия от вышеназванного режима. При формировании слагаемого Im2cos(2a)t + p2) напряжение на выходном конденсаторе будет меняться с двойной частотой из-за необходимости создания переменной q-составляющей напряжения и0. Для формирования токов Im2cas(2a t + p2\ Im2sm(2ot + p2) необходимо создание переменных d и q - составляющих напряжения U0 соответственно. Это обуславливает необходимость передачи энергии из внешней сети в конденсатор в одну половину периода и из конденсатора во внешнюю сеть - во вторую половину периода. При работе статического компенсатора в режиме компенсации реактивной мощности и снижения коэффициента несимметрии потребляемых токов по обратной последовательности на выходном конденсаторе возникнут колебания напряжения, связанные с процессами передачи энергии из сети в конденсатор и из конденсатора в сеть. Амплитуду колебаний напряжения на выходном конденсаторе можно определить из выражения:
Таким образом, при работе статического компенсатора в режиме компенсации тока обратной последовательности возникают колебания напряжения на выходном конденсаторе частотой 100 Гц.
Входными параметрами данного блока являются мгновенные значения величин (ua, ub, uc) в трхфазной системе координат и сигналы sincot, coscot, поступающие с блока синхронизации. Выходными параметрами являются значения d,q составляющих. a
Входными параметрами данного блока являются значения величин в трхфазной системе координат. Выходными параметрами являются сигналы sincot, coscot, и частота трхфазной питающей системы f
Принцип работы блока основан на том факте, что при изменении начальной фазы составляющей прямой последовательности трхфазной системы питающих напряжений Uа, Ub, Uc или при изменении частоты согласно (2.16) возникает постоянная по модулю q-составляющая. С помощью ПИ-регулятора осуществляется расчт нового значения угловой частоты со, при котором q-составляющая проекции обобщнного вектора напряжения равна нулю. При наличии искажений питающего напряжения (высшие гармоники или составляющая обратной последовательности) также возникает проекция на ось q, которая в общем случае представляет собой несинусоидальную кривую со средним значением, равным нулю.
Проверка адекватности модели
На сегодняшний день существует множество прикладных пакетов, используемых для проектирования и исследования электротехнических систем – MATLAB, DesignLab, WorkBench, OrCad, Vis Sim. Одним из самых перспективных прикладных пакетов в первую очередь следует отметить пакет MATLAB с широко развитыми расширениями (Toolboxes) и пакет Simulink со своими расширениями (Blocksets).
Программа Simulink является приложением к пакету MATLAB. При моделировании с использованием Simulink реализуется принцип визуального программирования, в соответствии с которым пользователь на экране из библиотеки стандартных блоков создает модель устройства и осуществляет расчеты. При этом, в отличие от классических способов моделирования, пользователю не нужно досконально изучать язык программирования и численные методы математики, а достаточно общих знаний, требующихся при работе на компьютере, и, естественно, знаний той предметной области, в которой он работает.
Simulink является достаточно самостоятельным инструментом MATLAB и при работе с ним совсем не требуется знать сам MATLAB и остальные его приложения. С другой стороны, доступ к функциям MATLAB и другим его инструментам остается открытым и их можно использовать в Simulink. Часть входящих в состав пакетов имеет инструменты, встраиваемые в Simulink (например, LTI-Viewer приложения Control System Toolbox – пакета для разработки систем управления). Имеются также дополнительные библиотеки блоков для разных областей применения (например, Power System Blockset – моделирование электротехнических устройств, Digital Signal Processing Blockset – набор блоков для разработки цифровых устройств и т.д). При работе с Simulink пользователь имеет возможность модернизировать библиотечные блоки, создавать свои собственные, а также составлять новые библиотеки блоков.
При моделировании пользователь может выбирать метод решения дифференциальных уравнений, а также способ изменения модельного времени (с фиксированным или переменным шагом). В ходе моделирования имеется возможность следить за процессами, происходящими в системе. Для этого используются специальные устройства наблюдения, входящие в состав библиотеки Simulink. Результаты моделирования могут быть представлены в виде графиков или таблиц.
Преимущество Simulink заключается также в том, что он позволяет пополнять библиотеки блоков с помощью подпрограмм, написанных как на языке MATLAB, так и на языках С + +, Fortran и Ada.
Для моделирования электротехнических устройств служит библиотека SimPowerSystems, которая содержит семь основных разделов: Electrical Sources - источники электрической энергии; Connectors - соединители; Measurements - измерительные и контрольные устройства; Elements - электротехнические элементы; Power Electronics - устройства силовой электроники; Machines - электрические машины; Powerlib Extras - дополнительные электротехнические устройства. Библиотека блоков SimPowerSystems является одной из множества дополнительных библиотек Simulink, ориентированных на моделирование конкретных устройств. SimPowerSystems содержит набор блоков для имитационного моделирования электротехнических устройств.
В состав библиотеки входят модели пассивных и активных электротехнических элементов, источников энергии, электродвигателей, трансформаторов, линий электропередачи и т.п. оборудования. Имеется также раздел, содержащий блоки для моделирования устройств силовой электроники, 113 включая системы управления для них. Используя специальные возможности Simulink и SimPowerSystems, пользователь может не только имитировать работу устройств во временной области, но и выполнять различные виды анализа таких устройств. В частности, пользователь имеет возможность рассчитать установившийся режим работы системы на переменном токе, выполнить расчет импеданса (полного сопротивления) участка цепи, получить частотные характеристики, проанализировать устойчивость, а также выполнить гармонический анализ токов и напряжений. Несомненным достоинством SimPowerSystems является то, что сложные электротехнические системы можно моделировать, сочетая методы имитационного и структурного моделирования. Например, силовую часть полупроводникового преобразователя электрической энергии можно выполнить с использованием имитационных блоков SimPowerSystems, а систему управления с помощью обычных блоков Simulink, отражающих лишь алгоритм ее работы, а не ее электрическую схему. Такой подход, в отличие от пакетов схемотехнического моделирования, позволяет значительно упростить всю модель, а значит повысить ее работоспособность и скорость работы. Кроме того, в модели с использованием блоков SimPowerSystems (в дальнейшем SPS-модели) можно использовать блоки и остальных библиотек Simulink, а также функции самого MATLAB.
Библиотека SimPowerSystems достаточно обширна. В том случае, если все же нужного блока в библиотеке нет, пользователь имеет возможность создать свой собственный блок как с помощью уже имеющихся в библиотеке блоков, реализуя возможности Simulink по созданию подсистем, так и на основе блоков основной библиотеки Simulink и управляемых источников тока или напряжения. Таким образом, SimPowerSystems в составе Simulink в настоящее время может считаться одним из лучших пакетов для моделирования электротехнических устройств и систем.
