СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ МОЩНОСТИ ФИЛЬТРОКОМПЕНСИРУЮЩЕЙ УСТАНОВКИ СИСТЕМЫ ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ
METHOD FOR REGULATING POWER OF COMPENSATION FILTER INSTALLATION IN RAILROAD TRACTION ENERGY SUPPLY SYSTEM

Изобретение относится к электроэнергетике для регулирования ее режима, в частности к системе тягового электроснабжения переменного тока железных дорог для регулирования потоков реактивной мощности и уровня гармоник тока и напряжения.
(факт)
Известен нормативный документ [1], определяющий предельные значения соотношения потребления активной и реактивной мощности. Согласно ему коэффициент реактивной мощности нагрузки tgφ для потребителей, присоединенных к сетям 110 кВ, не должен быть больше 0,5 в часы больших суточных нагрузок электрической сети, а коэффициент реактивной мощности, генерируемой в электрическую сеть, должен быть равен нулю в часы малых суточных нагрузок. Указанные периоды больших и малых суточных нагрузок определяются договором энергоснабжения, иначе часами больших нагрузок считается период с 7 ч 00 мин до 23 ч 00 мин, а часами малых нагрузок - с 23 ч 00 мин до 7 ч 00 мин.
Применяемые в тяговом электроснабжении фильтрокомпенсирующие установки выполняют функции компенсации реактивной мощности и фильтрации гармоник тока и напряжения [2, 3].
Принципы автоматики регулирования мощности установок емкостной компенсации в тяговых сетях переменного тока рассмотрены в [3].
(факт)
г(факт)
В качестве прототипа используем способ регулирования мощности фильтрокомпенсирующей установки (ФКУ) [2, стр. 84]. Способ регулирования мощности фильтрокомпенсирующей установки (ФКУ) тяговой подстанции системы тягового электроснабжения 27,5 кВ с понижающим трансформатором 110(220)/27,5 кВ, оборудованным устройством регулирования напряжения, к шинам 27,5 кВ которой подключена ФКУ, осуществляемый путем включения (отключения) ФКУ в зависимости от значения измеряемого фактического коэффициента реактивной мощности нагрузки tgφ в часы больших суточных нагрузок электрической сети и отключения ФКУ в часы малых суточных нагрузок электрической сети для соблюдения требования по генерируемой реактивной мощности: tgφ=0, поэтому для соблюдения [1] обычно при больших суточных нагрузках ФКУ включается и при малых отключается.
Недостаток рассмотренного способа регулирования мощности фильтрокомпенсирующей установки состоит в том, что в нем не учитываются требования ГОСТ, предъявляемые к качеству электрической энергии [4] в части соблюдения требований к значениям полного коэффициента гармоник напряжения. Поэтому, при таком способе регулирования, возможны случаи, когда с отключением ФКУ с целью снижения генерирования реактивной мощности возникает недопустимый режим по уровню гармоник напряжения. В соответствии с [4] полный коэффициент гармоник напряжения в сетях 110 кВ не должен быть больше 2% (максимальное значение - 3%).
Цель изобретения: обеспечить режим работы тяговой сети, удовлетворяющий требованиям нормативных документов, путем разработки способа регулирования мощности фильтрокомпенсирующей установки для эффективной компенсации реактивной мощности и снижения уровня гармоник тока и напряжения.
U(n)
г
U(n)от
от
U(n)от
U(n)доп
oт
доп
U(n)доп
доп
U(n)факт
г.вкл
U(n)факт
U(n)доп
г.вкл
Для реализации цели введено расчетное устройство, включающее блок расчета полного коэффициента гармоник напряжения К на шинах 110(220) кВ, а также блок расчета коэффициента реактивной мощности нагрузки tgφ и генерируемой реактивной мощности tgφ, которые при включенной ФКУ в часы больших суточных нагрузок электрической сети рассчитывают К и tgφ, но в предположении отключенного положения ФКУ, и если выполняются условия К≤К и tgφ≤tgφ (где К и tgφ - допустимые значения), то ФКУ отключается, а при отключенной ФКУ в часы малых суточных нагрузок измеряют фактическое значение К и рассчитывают tgφ в предположении включенного состояния ФКУ, и если К≥К и tgφ=0, то ФКУ включается.
Для доказательства необходимости реализации указанного в рассматриваемом изобретении способа регулирования проанализируем возможные варианты режима тяговой сети.
А. Период больших суточных нагрузок электрической сети. ФКУ включена.
U(n)
U(n)доп
φот
доп
доп
А.1 К≤К и tg≤tgφ, где tgφ - допустимое значение коэффициента реактивной мощности [1]. В этом случае целесообразно отключить ФКУ для исключения перекомпенсации реактивной мощности для соблюдения норматива по гармоникам напряжения.
U(n)
U(n)доп
φот
доп
А.2 К≤К и tg>tgφ. Отключать ФКУ нецелесообразно, так как не будет соблюдаться норматив по коэффициенту реактивной мощности.
U(n)
U(n)доп
φот
доп
А.3 К>К и tg>tgφ. Отключать ФКУ нецелесообразно, так как не будут соблюдаться нормативы по коэффициенту реактивной мощности и полному коэффициенту гармоник напряжения.
U(n)
U(n)доп
φот
доп
А.4 К>К и tg≤tgφ. В этом случае нецелесообразно отключать ФКУ, так как не будет соблюдаться норматив по полному коэффициенту гармоник напряжения.
U(n)
U(n)доп
φот
доп
Итак, доказано, что в период больших нагрузок только при одном режиме К≤К и tg≤tgφ целесообразно отключать ФКУ.
Б. Период малых суточных нагрузок электрической сети. ФКУ отключена.
U(n)
U(n)доп
φг·факт
Б.1 К≤К и tg=0. Требования [1] и [4] соблюдаются. Нет необходимости во включении ФКУ.
U(n)
U(n)доп
φг.факт
г.факт
U(n)
U(доп)
φг.факт
Б.2 К>К и tg=0. Требования [2] не соблюдаются, поэтому необходима проверка возможности включения ФКУ. Если при этом будет соблюдаться требование tgφ=0, то следует включить ФКУ. Однако возможен вариант, когда при включении ФКУ будет удовлетворено условие К≤К, но не будет выполняться условие tg=0. В этом случае целесообразно указать в договоре энергоснабжения условия реализации рассматриваемого режима.
На чертеже представлено устройство, реализующее предлагаемый способ регулирования.
Обозначения в схеме:
1 - трехфазные шины 110 кВ;
2 - силовой трансформатор 110/27,5 кВ с устройством регулирования напряжения РПН;
3 - измерительные трансформаторы напряжения 110 кВ;
4 - измерительные трансформаторы тока (ТТ) шин 27,5 кВ;
5 - контактные часы Т для контроля заданных периодов больших и малых суточных нагрузок электрической сети;
6 - расчетное устройство;
U(n)
7 - блок расчета полного коэффициента гармоник напряжения К;
г
8 - блок расчета коэффициента реактивной мощности нагрузки tgφ и коэффициента генерируемой реактивной мощности tg φ;
9 - трансформаторы напряжения шинные 27,5 кВ;
10 - шины 27,5 кВ;
11 - ФКУ, настроенная на фильтрацию третьей гармоники (150 Гц);
12 - выключатель ФКУ;
13 - конденсаторная батарея ФКУ;
14 - реактор ФКУ;
15 - блок-контакт выключателя ФКУ 12;
16 - рельсы.
17 - команда управления (включение-отключение) ФКУ.
U(n)
г
Способы измерения коэффициента реактивной мощности tgφ и полного коэффициента гармоник К следующие. Коэффициент реактивной мощности измеряется трехфазным счетчиком активной и реактивной энергии в период больших суточных нагрузок как отношение реактивной энергии к активной за контролируемый период времени, и, кроме того, измеряется коэффициент реактивной мощности в период малых суточных нагрузок генерируемой реактивной мощности tgφ.
Для определения расчетного коэффициента реактивной мощности и генерируемой реактивной мощности в предположении отключенного (включенного) состояния ФКУ используют следующие формулы.
1. Режим действительно включенной ФКУ. Расчет выполняется в предположении отключенной ФКУ
2. Режим действительно отключенной ФКУ. Расчет выполняется в предположении включенной ФКУ
нагр
нагр
где Q и Р - измеренные реактивная и активная мощности нагрузки,
фку
Q - номинальная мощность ФКУ.
U(n)
Для измерения полного коэффициента гармоник К в настоящее время существует большое количество приборов, в частности ИВК «Омск» [5].
U(n)
Для определения расчетного К используют следующие формулы.
1. При действительно отключенной ФКУ, но в предположении ее включенного состояния
И
где U - измеренное напряжение гармоник в период малых нагрузок при отключенном положении ФКУ, кВ;
(з)
U - измеренное напряжение третьей гармоники на шинах 110 кВ тяговой подстанции при отключенной ФКУ, которая будет отфильтрована при включении ФКУ, кВ;
(1)
U - напряжение первой гармоники на шинах 110 кВ тяговой подстанции, кВ.
2. При действительно включенной ФКУ, но в предположении ее отключенного состояния
И
где U - измеренное напряжение гармоник в период малых нагрузок при включенном положении ФКУ, кВ;
(з)
U - расчетное напряжение третьей гармоники на шинах 110 кВ тяговой подстанции, которая фильтруется при включении ФКУ, кВ.
(з)
Фазное напряжение третьей гармоники U на шинах 110 кВ определяется по формуле:
(3)
где I - ток третьей гармоники тяговой нагрузки на стороне обмотки трансформатора 110 кВ, А;
(1)
X - входное индуктивное сопротивление системы внешнего электроснабжения первой гармоники до шин 110кВ тяговой подстанции, Ом.
кз
Входное сопротивление определяется по мощности короткого замыкания на шинах 110 кВ (S, MBA), которое задается энергосистемой
где U - напряжение шин равное 110 кВ.
В связи с несимметричной нагрузкой рассмотренные расчеты производятся для каждой фазы.
(3)
(5)
Если ФКУ выполнена двухступенчатой с двумя секциями на 150 и 250 Гц, то в (2) расчетах будут участвовать напряжения третьей U и пятой U гармоник.
Рассмотрим с помощью представленной схемы реализацию предлагаемого способа регулирования мощности ФКУ.
1. Период больших нагрузок, ФКУ включена.
фaкт
U(n)от
от
U(n)
U(n)доп
от
доп
В расчетном устройстве 6 по измерениям от трансформаторов напряжения 9 и трансформаторов тока 4 и по соответствующим измерениям счетчиками активной и реактивной энергии в блоке 8 за заданный период (например, 1 мин) определяется tgφ. Одновременно измеряется полный коэффициент гармоник напряжения по данным от трансформатора напряжения 3 с использованием ИВК «Омск». Далее выполняется расчет К и tgφ в предположении отключенного состояния ФКУ (10) по формулам (1а) и (2б), и если выполняются условия К≤К и tgφ≤tgφ, то ФКУ отключается по команде 17.
Блок-контакты 15 выключателя ФКУ указывают на отключенное или включенное состояние ФКУ 11. Контактные часы Т 5 формируют заданные периоды периодов больших и малых суточных нагрузок электрической сети.
U(n)факт
г.вкл
U(n)факт
U(n)доп
г.вкл
2. Период малых суточных нагрузок, ФКУ отключена. Измеряют фактическое значение К и рассчитывают в блоке 8 tgφ, в предположении включенного состояния ФКУ, и если К≥К и tg=0, то ФКУ включается по команде 17.
Таким образом, реализуется одноступенчатое регулирование мощности ФКУ. При многоступенчатой ФКУ предлагаемый принцип регулирования мощности не изменяется.
После операции включения (отключения) ФКУ 11 при необходимости корректируется напряжение на шинах 27,5 кВ с помощью устройства РПН трансформатора 2.
Источники информации
1. Приказ №49 от 22 февраля 2007 г. «О порядке расчета значений соотношения потребления активной и реактивной мощности для отдельных энергопринимающих устройств (групп энергопринимающих устройств) потребителей электрической энергии, применяемых для определения обязательств сторон в договорах об оказании услуг по передаче электрической энергии (договорах энергоснабжения)».
2. Бородулин Б.М., Герман Л.А., Николаев Г.А. Конденсаторные установки электрифицированных железных дорог. - М.: Транспорт, - 1983, - 183 с.
3. Герман Л.А., Серебряков А.С. Регулируемые установки емкостной компенсации в системах тягового электроснабжения железных дорог./ Монография. М.: МИИТ, 2012. - 211 с.
4. ГОСТ Р 54149-2010. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. М.: Стандартинформ, 2010.
5. Управление качеством электроэнергии/ И.И.Карташев, В.И.Тульский и др. под ред. Ю.В.Шарова - М.: Издательский дом МЭИ, 2006. - 320 с.