Повышение качества электрической энергии в системах электроснабжения нетяговых потребителей на основе установок распределенной генерации

УДК 621.313 Арсентьев Михаил Олегови ч,

аспирант кафедры «Электроснабжение железнодорожного транспорта»

ИрГУПС (г. Иркутск), Крюков Андрей Васильевич,

д.т.н., проф. кафедры «Электроснабжение железнодорожного транспорта»

ИрГУПС

ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ В СИСТЕМАХ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

НЕТЯГОВЫХ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ НА ОСНОВЕ УСТАНОВОК РАСПРЕДЕЛЕННОЙ ГЕНЕРАЦИИ

M.O. Arsent'ev, A. V. Kryukov

ADVANCE OF ELECTRIC ENERGY QUALITY OF RAILWAY NON-TRACTION ENERGY SUPPLYING BY DISTRIBUTED GENERATION UNITS

Аннотация. С помощью компьютерного моделирования показано, что на основе использования установок распределенной генерации можно существенно повысить качество электроэнергии в системах электроснабжения, питающихся от тяговых подстанций, и улучшить работу электрооборудования стационарных потребителей железнодорожного транспорта.

Ключевые слова: системы электроснабжения нетяговых потребителей железных дорог переменного тока, распределенная генерация.

Abstract. By computer modeling it is shown that using of distributed generation units can essentially advance electric energy quality in systems that are supplied from railway traction substations. This measure increases the conditions of static railway electric consumers.

Keywords: railway alternating current electric systems, railway non-traction energy supplying, distributed generation.

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].

Под распределенной генерацией (РГ)1 понимается совокупность потребительских энергоустановок как индивидуального использования, так и объединенных в микроэнергосистемы. Создание установок РГ диктуются необходимостью адаптации к условиям 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), обеспечивают не только повышенную надежность электроснабжения, но и открывают широкие возможности для оптимизации режимов и повышения экономичности производства и распределения ЭЭ. Таким образом, применение технологий 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 техно-

1 Иногда используется термин «рассредоточенная энергетика».

генного воздействия на окружающую природную среду.

Имеющийся отечественный и зарубежный опыт показывает применимость технологий РГ в промышленности, коммунально-бытовом секторе, сельском хозяйстве и на транспорте. В настоящей работе рассматриваются технические аспекты применения установок распределенной генерации в системах электроснабжения железнодорожного транспорта.

Вопросы использования технологий РГ на железнодорожном транспорте нашли отражение в нормативных документах, определяющих перспективы развития отрасли: в энергетической стратегии ОАО «РЖД» на период до 2010 года и на перспективу до 2030 года [8] и в стратегических направлениях научно-технического развития ОАО «РЖД». В этих документах отмечается, что на железнодорожном транспорте предусматривается развитие собственной генерации энергии на нетяговые нужды, внедрение энергоемких накопителей энергии, существенное повышение эффективности рекуперации энергии. Предполагается использовать следующие направления:

• миниэлектростанции на газовых технологиях для выработки электрической и тепловой энергии;

• диверсификацию углей путем их подземной газификации или глубокой переработки на жидкое моторное топливо с выработкой электрической и тепловой энергии для нужд инфраструктуры железных дорог;

• местные энергоресурсы, биоотходы и отходы производства.

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.

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 ЛЭП 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 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.

Особую сферу применения установок РГ образуют системы гарантированного электроснабжения устройств сигнализации, централизации и автоблокировки, обеспечивающие повышение безопасности движения поездов. Аналогичные установки РГ применяются для гарантированного электроснабжения технологической автоматики, сигнализации и связи в искусственных сооружениях железнодорожного транспорта.

На основе изучения технологических процессов на железнодорожном транспорте, особенностей построения систем электроснабжения электрической тяги и нетяговых потребителей [13, 14] можно наметить следующие сферы применения установок распределенной генерации:

• объекты железнодорожного транспорта (включая электрическую тягу поездов) в регионах с потенциально неустойчивым электроснабжением;

• для повышения надежности электроснабжения ответственных потребителей при создании транспортно-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);

• в районах электроснабжения нетяговых и нетранспортных потребителей для снижения затрат на энергообеспечение и повышение качества электроэнергии (в частности, для уменьшения отклонений напряжения, вызываемых резкопере-менной тяговой нагрузкой);

• для питания автономных объектов железнодорожного транспорта с использованием нетрадиционных возобновляемых источников энергии.

На основе установок РГ может быть эффективно решена проблема улучшения качества электроэнергии в сетях нетяговых потребителей. Железнодорожные районы электроснабжения (РЭС) предназначены для снабжения электроэнергией

Системный анализ. Моделирование. Транспорт. Энергетика. Строительство

ш

С В А

Нагрузка ТП

4

Синхронный генератор

Рис. 1. Высоковольтный генератор

нетяговых и нетранспортных потребителей, расположенных вдоль железной дороги. Они отличаются большей протяженностью линий, достигающей нескольких десятков километров. 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.

Моделирование, выполненное на основе программного комплекса «Fazonord-Качество», доказало эффективность применения установок РГ на железнодорожном транспорте [13, 14].

Выработка электроэнергии в установках РГ осуществляется на основе синхронных машин (СМ). Исследование режимов работы СМ в сетях с несимметричным и несинусоидальным напряжением позволит более точно определить возможности технологий РГ для повышения качества электрической энергии. С этой целью выполнено моделирование системы электроснабжения, питающейся от типовой ТП напряжением 115/27,5/6,3 кВ. Моделирование проводилось в среде MAT-LAB с применением прикладного пакета Simulink. Схема сети показана на рис. 1, а схема модели представлена на рис. 2.

В модели использовался источник питания напряжением 115 кВ. К нему подключен тяговый трансформатор ТДТНЭ-25000/110-67. К тяговой

обмотке трансформатора подключены два двух-пульсовых выпрямителя (каждый с полным током 300 А и tgф, равным единице), которые имитируют нагрузку электроподвижного состава. От обмотки 6,3 кВ тягового трансформатора питаются стационарные потребители суммарной мощностью 8 МВт. К распределительному пункту (РП) 6 кВ подключен явнополюсный синхронный генератор (СГ) СГС-14-1-100-6У, характеризующийся следующими параметрами:

• номинальная мощность 2500 кВт;

• номинальное напряжение 6,3 кВ;

• синхронная скорость 1000 об./мин;

• КПД 96 %;

• коэффициент мощности 0,8.

Исследования проводились при двух режимах работы:

• синхронный генератор отключен;

• СГ работает с номинальной нагрузкой.

На рис. 3 приведена осциллограмма напряжений на шинах РП при отключенном СГ. Коэффициент несимметрии напряжения по обратной последовательности на шинах РП составляет 12,5 %, что втрое превышает предельно допустимое значение. Коэффициент несинусоидальности напряжения для РП равен 15,1 %, что также значительно превышает допустимое значение. Результаты моделирования при включенном СГ представлены на рис. 4.

Рис. 2. Модель системы электроснабжения

Рис. 3. Осциллограмма напряжения на шинах РП без СГ

;истемный анализ. Моделирование. Транспорт. Энергетика. Строительство

ш

Рис. 4 Осциллограмма напряжения на шинах ТП при включении СГ

Рис. 5. Улучшение качества электроэнергии на основе РГ

При включенном синхронном генераторе по обратной последовательности на шинах РП

качество электроэнергии существенно улучшает- снижается до 6,8 %. Заметно улучшается сину-

ся: уровень напряжения повышается примерно соидальность напряжения: коэффициент несину-на 28 %, коэффициент несимметрии напряжения

ИРКУТСКИМ государственный университет путей сообщения

соидальности напряжения РП понижается до 8,3 %.

Вывод

Таким образом, использование установок РГ существенно повышает качество электроэнергии в системах электроснабжения, питающихся от тяговых подстанций, и улучшает работу электрооборудования стационарных потребителей железнодорожного транспорта.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Фотин В. П. Рассредоточенная энергетика [Элек-

тронный ресурс] / Федер. гос. унитар. предприятие Всерос. электротехн. ин-т им. В. И. Ленина. -URL : http://www.vei.ru/public/public2.htm.

2. Фотин В. П., Аракелян В. Г. Технологическая стратегия электроэнергетической системы России // Электричество. - № 9. - 2001. - С. 12-20.

3. Фотин В. П. Энергетика и экономика России: виртуальное настоящее и реальное будущее [Электронный ресурс] / Федер. гос. унитар. предприятие Всерос. электротехн. ин-т им. В. И. Ленина. -URL : http://www.vei.ru/public/public2.htm.

4. Агроскин В. Распределённая генерация, перспективы и проблемы [Электронный ресурс] // ЭСКО. - № 7 (19). - 2003. - URL : http://esco-eco sys.narod. ru/journal/journal 19. htm.

5. Фотин В. П. Электрификация теплоснабжения [Электронный ресурс] / Федер. гос. унитар. предприятие Всерос. электротехн. ин-т им. В. И. Ленина. - URL : http://www.vei.ru/public/public2.htm.

6. Пейсахович В. Роль малой энергетики в решении проблем энергетического обеспечения потребителей [Электронный ресурс] // Энергорынок. - № 5. - 2005. - URL : 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). - иКЬ : http://news. ейек ги/аЛ.

8. Котельников А. В. Энергетическая стратегия железных дорог России // Железные дороги мира. -№ 2. - 2005.

9. Василянский А. М., Мамошин Р. Р., Якимов Г. Б. Совершенствование системы тягового электроснабжения железных дорог, электрифицированных на переменном токе 27,5 кВ, 50 Гц // Железные дороги мира. - 2002. - № 8. - С. 40-46.

10. Бородулин Б. М. Симметрирование токов и напряжений на действующих тяговых подстанциях переменного тока // Вестн. ВНИИЖТ. - 2003. - № 2.

11. Бардушко В. Д., Закарюкин В. П., Крюков А. В. Режимы работы системы тягового электроснабжения напряжением 94 кВ с симметрирующими трансформаторами // Вестн. ВНИИЖТ. - 2005. -№ 3. - С. 44-47.

12. Закарюкин В. П. , Крюков А. В. Имитационное моделирование системы тягового электроснабжения 94 кВ с симметрирующими трансформаторами // Вестн. ВНИИЖТ. - 2005. - № 5. - С. 12-17.

13. Крюков А. В., Закарюкин В. П., Арсентьев М. О. Применение технологий распределенной генерации для питания нетяговых потребителей железных дорог // Вестн. ИрГТУ. - 2008. - №2. - С. 214-221.

14. Крюков А. В. Закарюкин В. П., Арсентьев М. О. Свойства и характеристики систем распределенной генерации для электроэнергетики железнодорожного транспорта // Энергосбережение: технологии, приборы, оборудование. - Иркутск, 2009. - С. 5-22.