Анализ качества электрической энергии, возвращаемой инверторами тяговых подстанций постоянного тока в сеть энергосистем

3. Фрумкин, А. Н. Избранные труды: электродные процессы [Текст] / А. Н. Фрумкин. -М.: Наука, 1987. - 336 с.

4. Томашов, Н. Д. Коррозия металлов с кислородной деполяризацией [Текст] / Н. Д. То-машов / АН СССР. М.-Л., 1947. - 259 с.

5. Протченко, А. В. Схема замещения коррозионной ячейки железобетонной опоры контактной сети [Текст] / А. В. Протченко, В. А. Мухин // Известия Транссиба / Омский гос. унт путей сообщения. - Омск. - 2011. - № 3. - С. 67 - 73.

6. Антропов, Л. И. Теоретическая электрохимия: Учебник [Текст] / Л. И. Антропов. - М.: Высшая шола, 1984. - 519 с.

7. Хижняков, В. И. К оценке содержания кислорода в грунте по значению предельного катодного тока на платиновом электроде [Текст] / В. И. Хижняков, Н. П. Глазов, О. И. На-лесник // Коррозия и защита в нефтегазовой промышленности. - 1980. - № 12. - С. 2 - 4.

8. Рябкова, Е. Я. Расчет заземляющих устройств (заземления в установках высокого напряжения) [Текст] / Е. Я. Рябков / МЭИ. - М., 1973. - 128 с.

9. Кандаев, В. А. Поле точечного источника вблизи системы проводников, расположенных на поверхности земли [Текст] / В. А. Кандаев, Л. А. Карпова, К. В. Авдеева // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск. - 2010. - № 1. - С. 50 - 59.

10. Кандаев, В. А. Методика расчета заземляющего устройства с учетом сопротивления границы раздела «металл - грунт» [Текст] / В. А. Кандаев, К. В. Авдеева, А. О. Сырецкая // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск. - 2012. - № 2. - С. 69 - 73.

УДК 621.331:621.311.4:621.314.5

О. О. Комякова, А. А. Комяков, А. С. Вильгельм

АНАЛИЗ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ, ВОЗВРАЩАЕМОЙ ИНВЕРТОРАМИ ТЯГОВЫХ ПОДСТАНЦИЙ ПОСТОЯННОГО ТОКА

В СЕТЬ ЭНЕРГОСИСТЕМ

В статье выполнен анализ качества электрической энергии, возвращаемой двенадцатипулъсовым выпря-мителъно-инверторным преобразователем с последовательным соединением шестипулъсовых мостовых секций, работающим в инверторном режиме, при несимметричных и несинусоидалъных режимах работы питающей энергосистемы.

В соответствии с «Энергетической стратегией ОАО «РЖД» на период до 2010 года и на перспективу до 2030 года» задача снижения затрат на потребляемые энергоресурсы является одной из наиболее актуальных. Существенной их составляющей являются затраты на оплату электроэнергии, расходуемой на тягу поездов. Одним из направлений повышения эффективности использования этого вида энергии является применение рекуперативного торможения электроподвижного состава [1, 2].

Возврат энергии рекуперации и, следовательно, процесс электрического торможения возможеы только при одновременном потреблении энергии. Таким образом, величина рекуперируемой энергии зависит главным образом от наличия приемников энергии, их характеристик и характеристик электроподвижного состава [3].

На однопутных и многопутных участках энергия рекуперации в некоторых случаях может превышать величину, которую можно реализовать на электро подвижном составе, находящемся в режиме тяги. В этих случаях появляется избыточная энергия рекуперации.

Тип, мощность и размещение приемников избыточной энергии рекуперации рациональным образом выбираются на основании величин абсолютной и избыточной энергии рекуперации. Исходными положениями при этом принимаются следующие:

- мощность и расположение приемников избыточной энергии необходимо выбирать так,

чтобы поездам, следующим по спускам, были созданы условия для применения рекуперативного торможения при любых, даже наиболее тяжелых, поездных ситуациях на участке;

- тип и количество выбираемых установок должны быть оправданы экономическими со -ображениями, т. е. они должны обеспечить наибольший экономический эффект от применения рекуперативного торможения.

Для обеспечения возврата избыточной энергии рекуперации в сети питающих энерго-систем на тяговых подстанциях постоянного тока необходима установка инверторов. Экономическая эффективность применения инверторов определяется стоимостью возвращенной электроэнергии, уменьшением износа тормозных колодок, увеличением скорости движения поездов на спусках.

В соответствии с техническими указаниями № П-04/07 Департамента электрификации и электроснабжения ОАО «РЖД» применение выпрямительно-инверторных преобразователей (ВИПов) при проектировании и реконструкции тяговых подстанций постоянного тока допускается только в тех случаях, когда имеется надлежащим образом оформленное согласие энергоснабжающей организации на учет электрической энергии, возвращаемой из тяговой сети, в общих расчетах за электроэнергию, потребляемую ОАО «РЖД». Поэтому для учета энергии рекуперации, возвращаемой инвертором в сети энергосистем, при взаиморасчетах с энергоснабжающей организацией необходим анализ качества электрической энергии.

В настоящее время наиболее распространенным методом исследования качества электроэнергии являются экспериментальные измерения. Однако при сооружении новых и реконструкции существующих тяговых подстанций использование такого подхода для определения гармонического состава напряжения, возвращаемого инверторами в сети энергосистем, не представляется возможным. Поэтому наиболее эффективными способами являются математические методы моделирования с высокой степенью детализации и достоверности получаемых результатов с возможностью исследования динамики развития процессов.

В большинстве случаев напряжение энергосистемы, питающей тяговые подстанции постоянного тока электрифицированных железных дорог с выпрямительно-инверторными преобразователями, является несимметричным и несинусоидальным, что неблагоприятно сказывается на работе силового электрооборудования, систем автоматики, телемеханики и связи.

Несимметричные несинусоидальные напряжения питающей сети переменного тока можно представить суммой отдельных гармоник напряжения. Уравнения кривых фазных напряжений питающей системы представлены в виде:

<х>

u1 a = z ^2U1a(v) cos (vT-Va(v) ) ;

v=1

<x>

< u1b = 1B

v=1

<x>

U1c = 1C( V) cos (VT+^C (v) ) ,

. V=1

где U1A(v), U1B(v), U1C(v) - значение v -й гармоники напряжения фаз А, В, С в питающей системе; уa(v), уb(v), уc(v) - углы сдвига фазных ЭДС v-й гармоники по отношению к первой для фазы А, вычисляемые у в(V) =n + C(v) v^ Ус(v) =п± B(v) ~Va(V), гДе C(v), B(v) - углы

треугольника несимметричных питающих ЭДС, вычисляются отдельно для каждой гармоники [4].

Выпрямительно-инверторные преобразователи тяговых подстанций электрифицированных железных дорог в результате процесса коммутации вентильных токов преобразователя дополнительно искажают кривую питающего напряжения при возврате электроэнергии инверторами в сеть энергосистем.

Схема замещения питающей системы и ВИПа приведена на рисунке 1. Так как на интервале коммутации существует междуфазное короткое замыкание, то напряжение на шинах преобразователя и1 определяется отношением индуктивностей питающей системы Ьй и трансформатора Ьт (см. рисунок 1). При этом при снижении индуктивного сопротивления питающей системы уменьшается искажение кривой напряжения [5].

Ь

Ь

Рисунок 1 - Схема замещения питающей системы и ВИПа

При рассмотрении электромагнитных процессов двенадцатипульсового выпрямительно-инверторного преобразователя с последовательным соединением шестипульсовых мостовых секций необходимо учитывать, что при конструировании преобразовательных трансформаторов с расщепленными вентильными обмотками, соединенными по схемам звезды и треугольника, всегда будет наблюдаться несимметрия системы линейных напряжений вентильных обмоток, которую называют конструктивной несимметрией и оценивают коэффициентом ак.

Кривые противоЭДС в вентильных обмотках, собранных по схеме звезды и треугольника, кривые напряжения и1А и сетевого тока ¡'ы для фазы А на шинах двенадцатипульсового

ВИПа при несимметричном несинусоидальном питающем напряжении энергосистемы в режиме нагрузки приведены на рисунках 2 - 4.

Рисунок 2 - Кривые противоЭДС в вентильных обмотках, собранных по схеме звезды на шинах двенадцатипульсового инвертора при несимметричном несинусоидальном питающем напряжении энергосистемы в режиме нагрузки

Спектр высших гармонических составляющих напряжения и1А аналогичен спектру сетевого тока ¡'ы на шинах двенадцатипульсового ВИПа. Способ расчета гармонического состава сетевого тока двенадцатипульсового инвертора приведен в работе [6].

Для определения действующих значений гармоник напряжения иц_ инвертора использовано разложение функции напряжения в комплексный ряд Фурье.

и

0

а

Рисунок 3 - Кривые противоЭДС в вентильных обмотках, собранных по схеме треугольника (а), и кривая напряжения (б) на шинах двенадцатипульсового инвертора при несимметричном несинусоидальном питающем напряжении энергосистемы в режиме нагрузки

Рисунок 4 - Кривая сетевого тока на шинах двенадцатипульсового инвертора при несимметричном несинусоидальном питающем напряжении энергосистемы в режиме нагрузки

Напряжение гармоник у-го порядка фазы А на шинах двенадцатипульсового инвертора определяется следующим образом:

и

1А

1

Л

~Рг т2 ~Рг +72 тэ ~Рз

I щае"]учт + | («А -гхс 1щу))е"JVTdт+ | «1 Ае"+

О 72 ~Р2 т2 ~Р2 + 72

-^3+Г3 т4-Ра т4 -РА+Г4

+ | («1А -гХс/^ )е-+ | «1А е-+ | («1 а -гХс /1А(у) )е"^т +

т3-^3 т3 -Рз +73 т4 ~Р4

+ | «1 а е" + | («1 а +гХс /Щу) )е " \ щ а е " +

"^4 + Г4 т5 "^5 т5 "^5 +Г5

^7 "^7 + У7 т8 "А* т8 ~Р$ + 78

+ i

^7 -Р7 Т7 -Р7 + У7 Т8 "^8

+ | «1 Ае " + | («1 а +гХс/щу) )е " ]учт + | «1 Ае " +

т8 ~Р8 + 78 т9-Р9 т9-Р9 +79

т10 ~Рю +У10 Т11 "^11 Т11 ~Ри + 711

+ | («А +гХс/Щу))е-| «Ае"+ \ (ща ~УХс/Щу))е+

т10 "^10 т10 "^10 +Х10 Т11 ~Ри

-Р1+2к

2к

+ | « А е+ \ (щА-гХс / 1А(у) )е+ | « а е"^т

Т11 "^11 +711

Т1-Р1+

Т1-Р1+

где /31 - Р11 и т1 -т11- соответственно углы опережения открытия и моменты открытия тиристоров инвертора; у1 - уц - углы коммутации вентильных токов; Хс - индуктивные сопротивления питающей системы и понижающего трансформатора, приведенные к напряжению вентильных обмоток преобразовательного трансформатора; /1А(У) - сетевой ток фазы А у-й гармоники.

Способ определения углов опережения открытия и моментов открытия тиристоров двенадцатипульсового ВИПа, углов коммутации вентильных токов приведен в работе [4].

Кривую питающего напряжения характеризуют коэффициентом искажения синусоидальности Ки и коэффициентом у-й гармонической составляющей КщУ). Коэффициент искажения синусоидальности в соответствии с ГОСТ 13109-97 рассчитывается по выражению:

Ки =

I и

у=2

и

100 %

где Ц-У) - действующее значение напряжения у-й гармоники; - действующее значение напряжения первой гармоники.

Коэффициент у-й гармонической составляющей Ки(у) равен отношению действующего

значения гармоники у-го порядка к первой гармонике питающего напряжения.

Изложенный метод использован для оценки возможного искажения синусоидальности напряжения на шинах двенадцатипульсового инвертора типа И-ПТП-1,6к-3,8к-50-УХЛ4 при внедрении его на тяговой подстанции Южно-Уральской железной дороги. Для расчета были приняты следующие исходные данные: номинальный ток инвертора /Анв = 1600 А, сопротивление питающей системы Хс = 12 Ом, напряжение питающей системы Цс = 115 кВ, напря-

№ 3(11) 2012

жение короткого замыкания понизительного трансформатора ик.п=17 %, преобразовательного - мкт = 7,24 , номинальная мощность понизительного трансформатора 8КП = 16 МВ-А, преобразовательного - 8КТ = 11,4; номинальное напряжение на шинах преобразователя ином = 10 кВ, коэффициент конструктивной несимметрии вентильных обмоток трансформатора а к = 2 %.

Численные значения коэффициента г-й гармонической составляющей напряжения Ки(у}

на шинах двенадцатипульсового инвертора в режиме номинальной нагрузки при различных коэффициентах несимметрии питающего напряжения по обратной последовательности К2и

и различной несинусоидальности приведены в таблице.

Несинусоидальный режим обусловлен наличием в питающем напряжении энергосистемы 1, 5, 7, 11 ... гармоник. В расчетах значения гармоник заданы в соответствии с допустимыми значениями, указанными в ГОСТ 13109-97. При таких гармониках исходный коэффициент искажения синусоидальности питающего напряжения энергосистемы составляет 6 % .

При симметричном режиме питающей системы в кривой напряжения двенадцатипульсового выпрямительно-инверторного преобразователя присутствуют только канонические гармоники, характерные для сетевого тока преобразователя. С появлением несимметрии изменяется спектральный состав гармоник питающего напряжения преобразователя, т. е. появляются неканонические гармоники, кратные трем, значения которых с ростом несимметрии увеличиваются.

При несимметричном режиме несинусоидальность приводит к увеличению численных значений неканонических гармоник (3, 5, 7, 9.) и незначительно влияет на характер изменения канонических (11, 13, 23.).

Коэффициент у-й гармонической составляющей напряжения на шинах двенадцатипульсового инвертора К^ на шинах двенадцатипульсового инвертора при несимметричном несинусоидальном питающем напряжении энергосистемы в режиме номинальной нагрузки

Значения Ки^ при коэффициенте несимметрии питающего напряжения по обратной

последовательности К2и, %

Порядок N 0 % К2и = 2 % К2и = 5 %

гармоники V синусои- несинусои- синусои- несинусои- синусои- несинусои-

дальный дальный дальный дальный дальный дальный

режим режим режим режим режим режим

1 100 100 100 100 100 100

3 0 0 0,023 0,026 0,059 0,073

5 0,012 4,08 0,011 4,07 0,013 4,059

7 0,009 2,953 0,011 2,947 0,023 2,939

9 0 0 0,034 0,028 0,044 0,04

11 1,588 1,684 1,511 1,601 1,283 1,509

13 1,315 2,926 1,296 2,929 1,189 2,894

15 0 0 0,071 0,105 0,205 0,289

17 0,007 1,646 0,013 1,607 0,062 1,551

19 0,011 1,025 0,006 0,923 0,017 0,844

21 0 0 0,019 0,021 0,092 0,121

23 0,764 1,636 0,632 1,419 0,318 1,074

Изменение коэффициента искажения синусоидальности кривой питающего напряжения двенадцатипульсового выпрямительно-инверторного преобразователя, работающего в ин-верторном режиме, в зависимости от коэффициента нагрузки Кн и несимметрии питающего напряжения К2и приведено на рисунке 5.

Из рисунка 5,а следует, что двенадцатипульсовый инвертор тяговых подстанций в ре-

зультате особенностей своей работы при возврате электроэнергии в сеть энергосистем искажает кривую питающего напряжения не более чем на 2,5 %. При наличии в питающем напряжении энергосистемы высших гармоник коэффициент искажения синусоидальности Ки при инвертировании электроэнергии искажается в пределах, допустимых ГОСТ 13109-97. С ростом нагрузки увеличивается искажение синусоидальности кривой напряжения на шинах ВИПа.

2,5

1,5

Ки 1

0,5

К 2и = 0

\ ^

%

0,2

0,4

0,6

о.е.

0,2

0,4

0,6

о.е.

Кн

К„

Рисунок 5 - Коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения на шинах двенадцатипульсового инвертора при синусоидальном (а) и несинусоидальном (б) питающем напряжении энергосистемы различной

несимметрии в зависимости от коэффициента нагрузки

Таким образом, установка двенадцатипульсового инвертора на рассматриваемой тяговой подстанции не приведет к существенному искажению кривой питающего напряжения, что позволяет организовать принятие к расчету электрической энергии, возвращаемой из тяговой сети, в общих расчетах за электроэнергию, потребляемую ОАО «РЖД».

В целом использование двенадцатипульсового ВИПа способствует снижению влияния высших гармонических составляющих на качество электрической энергии в питающей системе в сравнении с шестипульсовым ВИПом.

0

0

0

Список литературы

1. Черемисин, В. Т. Основные направления реализации федерального закона № 261-Ф3 от 23.11.09 «Об энергосбережении...» в холдинге «Российские железные дороги» [Текст] / В. Т. Черемисин, М. М. Никифоров // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск. - 2010. - С. 119 - 124.

2. Никифоров, М. М. Целевые показатели энергосбережения и повышения энергетической эффективности системы тягового электроснабжения и электропотребления на нетяговые нужды [Текст] / М. М. Никифоров // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск. - 2010. - С. 110 - 117.

3. Никифоров, М. М. Методика оценки потенциала энергоэффективности применения рекуперативного торможения [Текст] / М. М. Никифоров, А. Л. Каштанов, В. А. Кандаев // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск. - 2012. - С. 72 - 78.

4. Комякова, О. О. Метод определения несимметричных питающих напряжений при работе выпрямительно-инверторных преобразователей тяговых подстанций / О. О. Комякова // Межвуз. сб. трудов молодых ученых, аспирантов и студентов / Сибирская гос. автомобильно-дорожная академия. - Омск, 2008. - Вып. 5. - Ч. 1. - С. 153 - 159.

5. Бурков, А. Т. Электронная техника и преобразователи / А. Т. Бурков. - М.: Транспорт, 1999. - 464 с.

6. Комякова, О. О. Гармонический анализ сетевого тока преобразователя, работающего в инверторном режиме, при несимметричном несинусоидальном напряжении питающей сети [Текст] / О. О. Комякова, Т. В. Комякова // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск. - 2010. - С. 55 - 63.