Совершенствование схемы электротяговых сетей переменного тока с симметрированием нагрузки линий внешнего электроснабжения

Экономическое развитие Северо-Западного региона напрямую связано с усовершенствованием существующих и созданием новых транспортных коридоров. Строительство в Усть Луге нового и расширение старого Санкт-Петербургского портов ведет к увеличению грузопотоков по участкам Октябрьской железной дороги. Для реализации грузоперевозок необходима планомерная электрификация. Министерством Путей Сообщения разработана программа электрификации, включающая в себя перевод до 2010 года на электрическую тягу свыше 7,8 тыс. км железных дорог, из них 1200 км должно быть электрифицировано уже в 2003 году [1]. Для особо грузонапряженных участков и транспортных коридоров, имеющих федеральное и межгосударственное значение, прорабатываются вопросы повышения напряжения переменного тока до уровня 50−1 ООкВ на основе прогрессивных технических решений в области преобразовательной техники [2].

Электрическая тяга по ряду показателей имеет существенные преимущества в отличие от тепловозной. По экологаческим факторамэлектровоз не загрязняет воздушное пространство. По экономии топливных ресурсов — электровозная тяга на 40−60% дешевле тепловозной. По наиболее высоким техническим возможностям — электровоз кратковременно может превышать номинальную силу тяги на подъеме в 1,5 раза, за счет повышения потребляемой мощности из контактной сети. Резкое увеличение цен на топливо, повышение акцизов на нефть на внутреннем рынке, наличие на участках железной дороги локомотивных депо, делает перспективным перевод участков на электрическую тягу.

В настоящее время переведен на электрическую тягу участок Тихвин — Кошта, Идель-Свирь Октябрьской железной дороги. Всего до 2010 г. предусмотрен ввод электрической тяги на таких направлениях как Саратов-Волгоград-Тихорецкая, Волгоград-Астрахань, Ртищево-Кочетовка, Вонгуда-Мапенга-Сумский Посад, Старый Оскол — Валуйки, Тюмень — Тобольск-Сургут, Ожерелье-Елец и ряд других. Переведены с постоянного тока на переменный направления Лоухи — Мурманск, Данилов — Александров и др. [3]. В перспективе: развитое Санкт-Петербургского железнодорожного узла и участка Усть Луга — Дно — Новгород, с выходом в Новый Порт. Проекты электрификации этих участков выполнены в соответствии с основными требованиями, предъявляемыми к системам тягового электроснабжения.

Основным требованием к системам тягового электроснабжения является высокая надежность, что требует выполнения схемы внешнего электроснабжения тяги по условиям питания потребителей первой категории. Для этого на тяговых подстанциях предусматривается установка двух понижающих трансформаторов: при отключении одного из них, оставшийся в работе должен обеспечивать заданные размеры движения. Выполняется резервирование питания собственных нужд подстанции, секционирование шин тягового напряжения. Проектами электрификации предусматривается комплексное электроснабжение прилегающих к тяговым подстанциям промышленных и сельскохозяйственных потребителей, что вызывает необходимость установки трехобмоточных трехфазных трансформаторов. Все эти решения требуют значительных капитальных вложений.

Для электроснабжения тяговой сети переменного тока в Российской Федерации применяется в основном система 25кВ [4]. Эта системы не обеспечивает полную симметричную загрузку фаз линий внешнего электроснабжения, т. к. на тяговых подстанциях, включенных в систему 25кВ, происходит однофазный отбор мощности в тяговую сеть и нагрузка на них не является постоянной, а колеблется от нуля до номинальной мощности тягового трансформатора.

Однофазные тяговые нагрузки создают в трехфазной питающей сети несимметрию токов, что вызывает появление несимметрии напряжений [5]. Несимметрия токов приводит к увеличению потерь энергии, недоиспользованию установленной мощности сети и ограничивает располагаемую мощность генераторов, как вследствие неравномерности загрузки фаз, так и по причине появления вибраций от действия поля обратной последовательности, создающей в роторе спектр четных, а в статоре — нечетных гармоник. Несимметрия напряжений приводит к значительному нагреву асинхронных и синхронных машин. Срок их службы уменьшается. Так при 4% постоянной несимметрии напряжений срок службы электрических машин уменьшается вдвое. Несимметрия напряжений создает неодинаковые по плечам питания напряжения в контактной сети, что ограничивает пропускную способность участков железной дороги.

В традиционной системе питания переменного тока 25кВ применяются трехфазные трансформаторы с первичным напряжением 110 (220) кВ и вторичным — 27,5кВ. Равномерная загрузка фаз питающей сети такой системы достигается за счет подключения тяговых подстанций (ТП) к питающей линии по симметрирующей схеме с чередованием подключений фаз к нагрузки. Такой вариант выравнивания токов и напряжений по фазам внешней сети является идеализированным. В реальных условиях добиться полной симметрии нагрузок в питающей линии практически невозможно, т. к. нагрузки фаз трансформаторов зависят от тяговых нагрузок по плечам питания. Последние определяются профилем пути и могут быть неодинаковыми.

Для решения проблемы несимметричности загрузки фаз питающей сети при однофазном отборе мощности на тяговых подстанциях в данной работе предложено использовать систему тягового электроснабжения переменного тока с симметричной загрузкой фаз питающей сети, содержащей в своей структуре звено с выпрямительно-инверторным преобразователем (ВИЛ).

Аналогом для таких разработок является широко применяемая за рубежом система тяги на 15 кВ частотой 16 2/3 Гц [6].

За рубежом на переменном токе широко используются трансформаторы, выполненные по специальным схемам, с отбором потребления на собственные нужды, однофазные трансформаторы, применяются фидерные вакуумные выключатели внутренней установки с устройством кабельных фидерных линий [7]. Системы управления, автоматики и защиты выполнены системно с использованием микропроцессоров. Проектирование новых объектов ведется с учетом применения самого современного оборудования и минимизации затрат на обслуживание.

Решению проблемы симметрирования посвящено значительное число отечественных и зарубежных разработок. Они основаны на использовании идеи применения специальных симметрирующих трансформаторов [8].

Предложения по использованию звена постоянного тока в процессе передачи энергии из трехфазной внешней сети в тяговую сеть были предложены в работах, выполненных учеными Мамошиным P.P., Доманским В. Т., Салита Е. Ю., Шалимовым М. Г. Научные основы и совершенствование методов исследования электрических цепей с полупроводниковыми преобразователями заложены в работах Неймана JI.P., Глазенко Т. А., Лабунцова В. А., Бея Ю. М., Бессонова А. А., Кулинича В. А., Буркова А. Т., Гольдштейна М. Е., Ротанова Н. А., Литовченко В. В., Колпахчьяна Г. И.

Диссертационная работа основывается на новом подходе в решении проблемы создания схемы для тягового электроснабжения с симметрированием нагрузки по фазам питающей сети и согласуется с программами совершенствования железнодорожного транспорта.

Целью диссертационной работы является исследование процессов передачи энергии из внешней питающей сети в тяговую сеть, совершенствование схемы электроснабжения железных дорог переменного тока с обеспечением равномерной загрузки фаз трехфазной питающей сети, обеспечивающей снижение потребления реактивной мощностиуменьшение капитальных затрат при электрификации и улучшение эксплуатационных показателей электрифицированных участков.

В первой главе диссертационной работы приведен анализ существующих систем электроснабжения переменного тока, постановка задачи. Вторая глава посвящена теоретической разработке научной гипотезы. В третьей главе приведены экспериментальная проверка гипотезы и разработка основы методики расчета схемы тягового электроснабжения. В четвертой главе приведены результаты исследования качества преобразования тока, технические и технологические предложения по системе тягового электроснабжения с симметричной загрузкой фаз питающей сети.

В пятой главе рассмотрена технико-экономическая оценка от внедрения ВИП на тяговых подстанциях железных дорог переменного.

1. АНАЛИЗ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА.

2.6. Выводы по второй главе.

1. В процессе однофазного отбора мощности на ТП в питающей сети трехфазного тока неизбежно возникает несимметрия загрузки по фазам. Для выравнивания потребляемой мощности по фазам необходимо обеспечить подсоединение по симметрирующей схеме как минимум трех ТП на одну линию внешнего электроснабжения (к точке общего электропотребления).

2. Симметричность загрузки фаз питающей сети можно обеспечить двумя способами: использовать различные схемы соединения обмоток понижающих трансформаторов, или установить в цепь «сеть внешнего электроснабжения — тяговая сеть» выпрямительно-инверторный преобразователь.

3. Применение ВИП исключает несимметрию напряжения и тока в питающей сети независимо от режима работы тяговой сети. Формировать выходное синусоидальное напряжение ВИП можно двумя способами: ШИМ выходного напряжения или с использованием многосекционного преобразователя с наложением через суммирующий трансформатор выходных напряжений секций, методом фазового сдвигая их относительно друг друга (ступенчатая форма выходного напряжения).

4. Разработаны основные принципы построения структуры нового.

ВИП.

5. Применение ВИП для симметрирования нагрузки питающей сети характеризуется появлением в звене постоянного тока нежелательных гармоник тока и напряжения. Источником их являются полупроводниковые блоки инверторов и выпрямителя, коммутирующие по заданному алгоритму управления с частотой превышающей несущую. Для подавления нежелательных гармоник необходимо установить дополнительно фильтры высоких частот.

6. Для оценки симметричности загрузки мощности по фазам можно использовать коэффициент несимметрии токов по обратной последовательности. Выходные токи прямой и обратной последовательностей ВИЛ целесообразно определять на математических моделях с использованием численного метода.

3. МОДЕЛИРОВАНИЕ ВИЛ.

3.1. Методы расчета и моделирования ВИЛ.

Разработка любого электронного устройства сопровождается физическим или математическим моделированием. Физическое моделирование связано с большими материальными затратами, поскольку требуется изготовление макетов и их трудоемкое исследование. Часто физическое моделирование просто невозможно из-за чрезвычайной сложности устройств. В этом случае применяют математическое моделирование с использованием средств и методов вычислительной техники.

Математическое моделирование — использование вместо реального объекта его математической модели, т. е. количественное описание объекта. Особую роль при математическом моделировании в электронике играет ЭВМ, являющаяся инструментом моделирования. Наиболее существенным здесь являются следующие обстоятельства, [60]:

1) большая сложность и большое разнообразие электронных устройствтрадиционные методы анализа и синтеза и тем более интуитивные представления о работе устройств часто оказываются бесполезными;

2) особое значение электроники в современном мире;

3) необходимость резкого сокращения сроков разработки и внедрения новых электронных устройств, что невозможно без математического моделирования;

4) сравнительно хорошая изученность физических процессов, происходящих в электронных приборах и устройствах, и наличие развитой теории, что является почвой для математического моделирования;

5) проблема описания устройств электроники средствами математики стимулирует применение математического моделирования.

Силовые схемы электронных преобразователей представляют собой электрические цепи с переменной структурой, изменяющейся в процессе функционирования вследствие циклического переключения СПП и изменения контуров с токами. В преобразователях с переменной структурой наиболее часто используют аналитические, численные и численно-аналитические методы расчета процессов [61,62,42].

В аналитических методах силовые цепи преобразователей с переменной структурой и известными моментами переключения (коммутации) СПП описываются линейными дифференциальными уравнениями, порядок и значения коэффициентов которых могут изменяться в моменты коммутации.

Общим методом расчета процессов в таких преобразователях является метод разностных уравнении. Он предполагает двухэтапное составление единых уравнений для переходного и установившегося режимов. На первом этапе находят уравнения процессов без определения начальных условий для отдельных интервалов периода работы, а на втором — формируют систему разностных уравнений, из решения которой определяют единые уравнения процессов. В этом методе в наиболее завершенном виде используется алгоритм, основанный на использовании теории графов и матриц для составления и решения разностных уравнений.

Если моменты переключения СПП заранее неизвестны (например, для выпрямителей), то найти при определенных допущениях аналитическое решение задачи расчета можно обобщенным методом анализа процессов в преобразователях [63, 64].

Аналитические методы сопряжены с выполнением трудоемких матричных преобразований, большим объемом вычислений при нахождении корней характеристических полиномов. Поэтому при использовании ЭВМ чаще используют численные методы.

Численные методы расчета электромагнитных процессов в силовых цепях преобразователей ориентированы на применение ЭВМ, поэтому их представляют в виде последовательности ряда законченных этапов. Одним из основных этапов является формирование уравнений схемы преобразователя и их решение.

Применение математических моделей C11I1 позволяет выполнить формирование системы уравнений схемы один раз, а затем только изменять коэффициенты этой системы при коммутациях, что требует небольших вычислительных затрат. Затруднение вызывают сильно отличающиеся по своему значению сопротивления СПП в открытом и закрытом состояниях, что приводит к большому разбросу постоянных времени (жесткости) системы дифференциальных уравнений, поэтому требуются значительные вычислительные ресурсы. Выходом из затруднения при расчете является использование^{-модели} СПП, «обходящей» проблему жесткости системы дифференциальных уравнений. При замене СПП^{-моделью} (идеальный ключ) формирование системы уравнений происходит после каждой коммутации. Это сокращает требуемый вычислительный ресурс. Формирование системы уравнений определяется выбором независимых переменных. Выбор в качестве независимых переменных токов обусловливает формирование методов контурных токов. Если независимыми принимаются потенциалы, то используют метод узловых потенциалов. Однако оба метода не дают хороших результатов. Поэтому при формировании системы уравнений более применим метод переменных состояния, обеспечивающий получение уравнений в гибридном координатном базисе. При описании используют дифференциальные уравнения и связанные с ними алгебраические уравнения. Для контроля состояний СПП в процессе расчета необходимо определять токи открытых и напряжения закрытых СПП, что приводит к расширению базиса переменных. В этом случае систему уравнений формируют в полном координатном базисе, содержащем токи и напряжения всех элементов цепи, а затем ее разделяют на систему дифференциальных уравнений относительно токов и систему алгебраических уравнений относительно напряжений.

Для решения уравнений применяют численные методы интегрирования дифференциальных уравнений (чаще всего метод Рунге—Кутта) и методы решения алгебраических уравнений.

Преимуществом аналитических методов является возможность получения результата без расчета предшествующего переходного процесса. Достоинством численных методов является простота исследования схем высокого порядка. Но расчет можно завершить только после вычисления предшествующего переходного процесса. Так как основной объем вычислений в численных методах приходится на расчет всех периодов переходного процесса, а в аналитических — на решение систем уравнений состояния одного периода, то, очевидно, целесообразно совместить указанные методы таким образом, чтобы трудоемкость расчета установившихся процессов уменьшилась. Совмещение элементов аналитических и численных методов лежит в основе численно-аналитических методов расчета процессов в преобразователях.

3.2. Обобщенная математическая модель электронных преобразователей.

Электронные преобразователи представляют собой сложную нелинейную систему, предназначенную для преобразования электрической энергии. Электронные преобразователи состоят из мощной силовой цепи и системы управления [65,66,67,68].

В состав силовой системы входят: мощные полупроводниковые приборы (диоды, тиристоры, транзисторы), обладающие способностью разрывать и замыкать цепипассивные элементы (индуктивности, емкости, резисторы), которые необходимы для функционирования устройства и обеспечения защиты по току, напряжению от di/dt и du/dt многообмоточные трансформаторы с разветвленной магнитной системой, служащие для гальванической развязки или согласования цепей по току или напряжению.

Система управления реализуется элементами слаботочной электроники и служит для воздействия на управляющие электроды мощных полупроводниковых приборов.

Элементы силовой системы и системы управления собираются в электрическую схему, объединяющую источник энергии (аккумуляторную батарею, генератор и др.) и нагрузку (пассивную, с противо-ЭДС, линейную и нелинейную) [69,70, 71,72].

С точки зрения анализа электронные преобразователи являются непрерывно-дискретными системами. Силовая часть на интервалах постоянства состояния СПИ и трансформаторных элементов относится к непрерывным системам, а система управления по своему функциональному назначению воздействует на силовую цепь только в дискретные моменты времени ближе к дискретной системе. При моделировании обычно необходим точный анализ силовой части, и на функциональном уровне системы управления.

Для исследования таких сложных объектов, как электронные преобразователи, обычно создается идеализированный образ реального объекта — модель, которая с требуемой точностью отображает поведение объекта в реальных условиях.

Математическая модель должна отвечать следующим требованиям:

1) адекватности исходному объекту;

2) универсальности, т. е. способности отображать различные классы преобразователей с различной степенью их идеализации;

3) возможности применения различных методов анализа.

В предложенной схеме ВИП секции могут работать независимо друг от друга. Все секции преобразователя имеют одинаковый набор элементов. Различие заключается в временном смещении входных функций fBX (напряжений обмоток преобразовательного трансформатора). При моделировании работы ВИП возможно ограничится моделью одной секции преобразователя. Для получения выходной функции /вых ВИП достаточно просуммировать выходные функции отдельных секций (токи вторичных обмоток преобразовательного трансформатора), рис. 3.1.

Упрощенная схема модели ВИЛ работающего на нагрузку.

1 — секция ВИЛ;

2 — нагрузка одной секции, равная четверти общей нагрузки.

Рис. 3.1.

Особенности моделирования режимов работы электронных устройств на.

ЭВМ:

1) режим постоянного тока (режим покоя) основан на методе Ньютона для решения систем нелинейных уравнений или модификаций, для получения линейной схемы моделирующая программа формирует систему линейных узловых напряжений.

2) динамический режим — реальный режим работы электронной схемы, при котором могут иметь место переходные процессы, моделирование основано на использовании неявных методов решения систем дифференциальных уравнений (формулы интегрирования);

3) режим переменного тока — режим работы схемы при воздействии на нее синусоидального сигнала настолько малой амплитуды, что нелинейности характеристик электронных приборов не проявляются, и схема может анализироваться как линейная, моделирование основано на использовании комплексного метода.

3.3. Программные средства моделирования ВИП.

В схемотехническом моделировании применяют следующие программы: Micro-Cap V, Oread 9.2, DesignLab 8.0, Lab View, CircuitMaker, Electronics Workbench, MATLAB [73, 74, 75]. Наиболее мощным из них является MATLAB.

MATLAB — одна из старейших систем автоматизации математических расчетов, разработанная Молером С. В., широко используется с конца семидесятых годов и по настоящее время. Своим названием (Ma Trix LABoratoiy — «матричная лаборатория») система MATLAB обязана ориентации на матричные и векторные вычисления [76]. MATLAB имеет большие возможности для работы с сигналами, для расчета и проектирования аналоговых и цифровых фильтров, для построения частотных, импульсных и переходных характеристик, также система осуществляет спектральный анализ и синтез. Это делает систему удобной для электрических расчетов (операции с комплексными числами, матрицами, векторами, полиномами и т. д.), [77]. Пакеты расширения MATLAB существенно повышают возможности системы [78].

В состав расширенных версий системы MATLAB входит пакет моделирования динамических систем — Simulink. В MATLAB 6 используется последняя версия этого пакета — Simulink 3.1.

Пакет Simulink является ядром интерактивного программного комплекса, предназначенного для математического моделирования линейных и нелинейных динамических систем и устройств, представленных своей функциональной блок-схемой, именуемой 5-моделъю или просто моделью. Simulink может поставляться самостоятельно, но входит в состав расширенной версии систем класса MATLAB. При этом возможны различные варианты моделирования: во временной области, в частотной области, с событийным управлением, на основе спектральных преобразований Фурье, с использованием метода Монте-Карло и т. д. [79].

Для построения функциональной блок-схемы моделируемых устройств Simulink имеет обширную библиотеку блочных компонентов и удобный редактор блок-схем. Он основан на графическом интерфейсе пользователя и по существу является типичным средством визуального программирования.

Simulink автоматизирует следующий, наиболее трудоемкий этап моделирования: он составляет и решает сложные системы алгебраических и дифференциальных уравнений, описывающих заданную функциональную схему (модель), обеспечивая удобный и наглядный визуальный контроль за поведением созданного пользователем виртуального устройства.

Важным достоинством пакета является возможность, задания в блоках произвольных математических выражений, что позволяет решать типовые задачи, пользуясь примерами пакета Simulink или же просто задавая новые выражения, описывающие работу моделируемых пользователем систем и устройств. Важным свойством пакета является и возможность задания системных S-функций с включением их в состав библиотек. Необходимо отметить также возможность моделирования устройств и систем в реальном масштабе времени.

Как программное средство Simulink — типичный представитель визуально-ориентированного языка программирования. На всех этапах работы, особенно при подготовке моделей схем, пользователь практически не имеет дела с обычным программированием. Программа автоматически генерируется в процессе ввода выбранных блоков компонентов, их соединений и задания параметров компонентов.

3.4. Построение модели и моделирование работы секции ВИП.

Секция ВИП состоит из следующих основных блоков (звеньев модели), рис. 3.5:

1. источник питания;

2. шестипульсовый выпрямитель;

3. фильтр звена постоянного тока;

4. блок инверторов напряжения;

5. суммирующий трансформатор;

6. нагрузка.

Источником питания является трехфазная система э.д.с.

Блок-схема секции преобразователя.

Рис. 3.5.

Модели секции ВИП можно классифицировать по количеству элементов звеньев модели и задачам исследования см. табл. 3.1.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Разработка новых и совершенствование уже известных научных подходов к построению систем электроснабжения тяговой сети переменного тока позволила синтезировать более совершенную систему электроснабжения. Данная система электроснабжения переменного тока обеспечивает необходимое качество передаваемой электрической энергии, минимум потерь в элементах и капиталовложений при электрификации новых и реконструкции существующих железнодорожных участков.

Основные научные и практические результаты диссертационной работы состоят в следующем:

1. На основе выполненного анализа и систематизации существующих схемных решений систем тягового электроснабжения переменного тока установлено, что экономически выгоднее использовать системы с глубоким вводом питающего напряжения к тяговой сети и не имеющих нейтральных вставок в контактной подвеске.

2. Разработана, защищенная свидетельством на полезную модель, система переменного тока с симметричной загрузкой фаз питающей сети, в которой элементом, обеспечивающим равномерное разложение однофазной мощности тяговой сети по фазам внешней энергосистемы, является ВИП. Разделение цепей трехфазного и однофазного тока ВИП выполнено с введением промежуточного звена постоянного тока.

3. Средствами программного комплекса MATLAB разработана математическая модель ВИП для предложенной системы переменного тока с симметричной загрузкой фаз питающей сети, позволяющая исследовать физические процессы в установившихся и переходных режимах работы.

4. В процессе моделирования получены спектры гармоник фазных токов преобразовательного трансформатора и выходного напряжения сети однофазного тока. Подтверждено, что исследуемая схема обеспечивает симметричную загрузку фаз обмоток преобразовательного трансформатора, так как амплитуды первой гармоники токов разных фаз равны и сдвинуты относительно фазных напряжений на одинаковый угол 14°, и отличаются друг от друга на 0,6% по модулю.

5. Установлено, что внешняя характеристика ВИП имеет линейную зависимость напряжения U сгг тока нагрузки /". В номинальном режиме эффективное значение U составляет ЮОкВ. Форма и величина выходного напряжения ВИП регулируется изменением угла управления а, тактовой частотой п, коэффициентом модуляции Км оптимальный режим управления ВИП при фиксированной нагрузке с выходным напряжением приближен к синусоиде при, а =15″, п=7, Км=1,125.

6. По эффективности система электроснабжения переменного тока с симметричной загрузкой фаз питающей сети не уступает существующим системам тягового электроснабжения переменного тока и имеет при номинальном режиме работы коэффициент полезного действия 0,982.

7. Система электроснабжения переменного тока с симметричной загрузкой фаз рекомендуется при проектировании электрифицируемых участков железных дорог в регионах со слаборазвитой энергоструктурой, реконструкции и усилении существующих участков, электрифицированных по системе переменного тока 25 кВ.

8. Достоверность полученных на математической модели результатов подтверждена расчетом выходной функции шесгипульсового выпрямителя.

9. Проработаны схемные решения элементов совершенствования системы переменного тока, схемы главных электрических соединений, планы территорий преобразовательной подстанции и ЮТ с расположением и выбором оборудования, выпускаемого отечественной промышленностью.

В дальнейших исследованиях планируется создание модели ВИП с автоматической настройкой фильтров звена постоянного тока и выходногоинверторного преобразователя в зависимости от характера и величины нагрузки. Планируется разработка следящей системы управления входноговыпрямительного преобразователя с заданием необходимых параметров показателей качества пртребляемой электроэнергии. Для подтверждения экспериментальных данных необходимо произвести физическое моделирование ВИП. Постановка эксперимента для исследования ВИП потребует значительных капиталовложений, поскольку стоимость входящих в преобразователь полупроводниковых приборов остается пока еще высокой.