Материал: Оптимизационные методы компенсации реактивной мощности системы электроснабжения железной дороги

Оптимизационные методы компенсации реактивной мощности системы электроснабжения железной дороги

Министерство высшего и средне-специального образования Республики Узбекистан

Государственное акционерная железнодорожная компания

«Узбекистон темир йуллари»

Ташкентский институт инженеров транспорта

Магистерская диссертация по специальности

«Оптимизационные методы компенсации реактивной мощности системы электроснабжения железной дороги»

Ташев Бахадир Каюмович

Ташкент 2012

Оглавление

Введение

Глава 1. Способов и технических средств компенсации реактивной мощности системы электроснабжения и качества электроэнергии

.1 Обзор способов повышения коэффициента мощности и качества электроэнергии

.2 Поперечная компенсация и коэффициент мощности

.3 Повышение коэффициента мощности и стабилизация напряжения контактной сети с помощью продольной компенсации

.4 Выбор оптимальных параметров установки продольно-поперечной компенсации

Глава 2. Математические модели оптимизационных задач электроснабжения

.1 Методы решения оптимизационных задач

.2 Анализ решения оптимизационных задач

2.3 Линейные оптимизационные задачи повышения коэффициента мощности

2.4 Трансформаторные задачи повышения качества электроэнергии и коэффициента мощности

.5 Вопросы применения статических тиристорных компенсаторов реактивной мощности на электроподвижном составе

Глава 3. Нелинейная оптимизационная задача компенсации реактивной мощности

.1 Методы оптимизации нелинейных задач электроснабжения

.2 Применение метода неопределенных множителей Лагранжа для выбора оптимальных параметров устройства компенсации реактивной мощности

3.3 Задача оптимально передачи и распределения активной мощности в системе электроснабжение

Глава 4. Принцип работы тиристорного компенсатора

4.1 Искусственный сдвиг с опережением получается в схемах с полупроводниковыми управляемыми вентилям - тиристорами

4.2 Расчетные соотношения и характеристики плавно регулируемых вентильных компенсаторов реактивной мощности

Заключение

Список использованной литературы

Приложения

Введение

Системы электроснабжения электрифицированных железных дорог по предъявляемым к ним требованиям, условиям работы, используемому оборудованию и устройствам и, наконец по задачам, решаемым ими, коренным образом отличаются от системы электроснабжения промышленных предприятий.

За годы независимости Республики Узбекистан дальнейшее развитие получил железнодорожной транспорт, что обусловило совершенствование как технический базы системы электроснабжения, так и методов их расчета [1,2]. Совершенствовалась теория расчета, выбора наивыгоднейших параметров, определения различных показателей работы система электроснабжения электрифицируемых железных дорог. Систематизируются применяемые при электрификации железных дорог технические решения с возможными по условиям и уровню существующих представлений и критическим их освещением, уточняются методы установления количественных зависимостей между показателями работы и параметрами устройств электроснабжения. [3].

Электрические железные дороги получают электрическую энергию от энергосистем, объединяющих в себе несколько электростанций. Электрическая энергия, передаваемая через электрические подстанции различного напряжения и тяговые подстанций, преобразуется к виду используемому в локомотивах, и по тяговой контактной сети передается к ним.

Основной задачей системы электроснабжения является обеспечение надежной бесперебойной работы железной дороги. Для этого необходимо чтобы мощности всех элементов система электроснабжения были достаточной для обеспечения потребной мощности каждому электровозу с обеспечением номинальных показателей качества электроэнергии. [6].

Известно что, недопустимое для данной электрической установки увеличение нагрузки может привести к выходу его из строя. А увеличение номинальной мощности приводит к выходу и увеличению затрат. Поэтому необходимо уметь выбирать параметры всех устройств системы электроснабжения так, чтобы они бесперебойно работали в течении времени, определяемого их нормальным сроком службы и вместе с тем требовали минимальных затрат. Следовательно эти задачи должны быть решены как задачи оптимизации систем электроснабжения с применением различных математических методов, позволяющих осуществит выбор наиболее экономически целесообразного вариантов.

Основными вопросами электроснабжения, требующими математического анализа, являются [3, 4]:

рациональный выбор всех элементов системы электроснабжения: числа, местоположения и мощности трансформаторов, сечений проводов, шин, кабелей, и электрической аппаратуры;

оптимальный выбор параметров устройств компенсации реактивной мощности при минимальных потерях в контактной сети, трансформаторах и пуско-регулирующей аппаратуре;

выбор рационального напряжения системы внешнего и внутреннего электроснабжения;

определение основных показателей электрической тяги;

нахождение рационального места расположения тяговых подстанций, пунктов, длины секций и т.п.

выбор схемы питания, резервов и аппаратуры управления с учетом надежности электроснабжения;

обеспечение качества напряжения.

Для решения вышеуказанных задач проектирования и эксплуатации систем электроснабжения железной дороги используются различные математические методы, что и обуславливает широкое применение цифровых ЭВМ. Целесообразность применения ЭВМ для таких расчетов объясняется не только сложностью и громоздкостью вычислений при использовании различных методов, но и большим количеством сравнительно простых однотипных расчетов, необходимых для представления оптимальных режимов электропотребления. [5].

Использование ЦВМ позволило проводить сложные вычисления с учетом достаточного количества факторов, характеризующих рассматриваемую задачу. [12].

Развития рыночных отношений предусматривает применение оптимизационных методов при решений задач электроснабжения. Теория оптимизации была разработана в течение трех последних десятилетий в трудах математиков и инженеров для нужд радиоэлектроники, связи, автоматического управления, вычислительной и военной техники. Математический аппарат теории оптимизации основан на таких разделах современной математики, как функциональный анализ, дифференциальные уравнения, теория случайных процессов, теория графов, теория оптимизации, теория экспертных оценок, а также теория вероятностей и математическая статистика. [14,15].

Теория оптимизации служит научной основой деятельности лабораторий, отделов, бюро и групп на предприятиях, в проектных, научно-исследовательских и эксплуатирующих организациях.

С проблемой оптимизации в электроэнергетике связаны следующие практические задачи: оценка и анализ режимов действующего оборудования и установок, прогнозирование оптимальных режимов действующего оборудования и установок, нормирование уровня надежности, оптимизация технических решений по обеспечению надежности при проектировании, создании и эксплуатации электроэнергетического оборудования, установок и систем.

Решение этих задач основано на математических моделях и методах теории оптимизации с учетом надежности. Однако и сама теория оптимизации и технико-экономических затрат в приложении к задачам электроэнергетики продолжает развиваться. [13]. Одни и те же практические задачи получают решение на основе моделей и методов, все более совершенных в отношении достоверности и точности результатов, полноты учета специфических обстоятельств и трудоемкости расчета. К этим новым задача должны быть привлечены новые исследователи из числа магистрантов как будущих молодых специалистов. В настоящей магистратской диссертации изложены основные методы общей теории надежности в применении к решению конкретных задач надежности электроустановок. Кроме того, в данной работе рассматриваются задачи анализа надежности как отдельных электроустановок, например силового трансформатора, высоковольтного выключателя, но и в целом тяговых подстанции при эксплуатаций с целью оптимизации периодичности их технического обслуживания.

Изданная в последние годы научная и научно-производственная литература по проблеме компенсации реактивной мощности, определения оптимальных параметров претерпела ряд изменений, был произведен анализ многолетнего опыта появившихся методов, в связи с повышением роли математических моделей применением теории вероятности, экономико-математической модели.

В настоящей диссертации соответствии с заданием и приведены примеры оценки уровня компенсации реактивной мощности с учетом механизации потерь активной мощности и расходов на содержание установок.

Основным методом решения оптимизационных задач, решаемых нелинейными дифференциальными уравнениями является численный метод Рунге - Кутта, Зайделя или модифицированный метод Кутта-Мерсон. [4]. Это объясняется, прежде всего, тем, что ряд проблем исследования не поддается аналитическому решению. Общая погрешность решения задачи складывается из неустранимой погрешности исходной информации, погрешности метода, например аппроксимируемой функции, вычислительной погрешности и т.д.

При проектировании систем электроснабжения электрифицируемой железной дороги производится выбор наиболее целесообразного варианта использования на основе всестороннего анализа технических и экономических показателей.

К основным техническим показателям относятся: надежность, удобство эксплуатации, долговечность сооружения, объем текущих и капитальных ремонтов, степень автоматизации.

Основными экономическими показателями являются: первоначальные (капитальные) вложения и ежегодные (текущие) эксплуатационные расходы. Только сопоставление и анализ всех технико-экономических показателей, характеризующих варианты, позволяют произвести выбор наилучшего решения. Экономичность варианта должна оцениваться с учетом как первоначальных капитальных вложений, так и текущих затрат. Поэтому при экономических расчетах в соответствии с существующей методикой рекомендуется в качестве основного метода оценки использовать экономичности вложения с будущими издержками производства (эксплуатационными расходами).

Основным показателем сравнительной экономической эффективности капитальных вложений, используемых в качестве критерия оптимальности при обосновании решений по проектированию систем электроснабжения, является минимум приведенных затрат.

Особое место в задачах оптимизации имеет место расчет параметров устройства компенсации реактивной мощности (УКРМ), так оно является самым эффективным средством уличения энергетических показателей электрической тяги. Техническим результатом компенсации реактивная мощности потребляемой электровозом является:

уменьшение потерь энергии, возникающих при прохождении реактивных токов и токов обратной последовательности;

увеличение пропускной способности контактной сети;

повышение и стабилизация уровня напряжения на шинах подстанции и вследствие этого улучшение качества напряжения у районных потребителей, увеличение скорости движения поездов и ускорение доставки грузов.

Опыт применения УКРМ показывает, что вышеуказанные составляющие покрывают не только дополнительные капитальные затраты, но и расходы, связанные с наличием незначительных активных потерь в УКРМ.

Например, повышение  на 15% приводит к снижению потерь в питающей сети на 41%. Поэтому учет сочетания потерь от применения УКРМ является важной задачей повышения энергетических показателей современной системы электроснабжения.

Актуальность темы. Обеспечение бесперебойного и беспрерывного электроснабжения электрифицированной железной дороги в период дефицита энергетических ресурсов, а также оперативного управление оптимальными режимами работы систем является в настоящее время основной задачей электроснабжения. Так как применение оптимальных параметров устройства компенсации реактивной мощности, является самым эффективным средством увеличения энергетических показателей электрической тяги, приводящим к уменьшению потерь энергии, и увеличению пропускной способности контактной сети.

Изложенные выше обстоятельства обуславливает необходимость оптимального поддерживания режима электроустановок тяговых подстанции с учетом недоотпуска электроэнергии потребителем, материальных, трудовых и финансовых затрат. Таким образом, научно-исследовательская работа по исследованию различных оптимизационных методов расчета параметров, мест установки УКРМ тяговых подстанциях является актуальной.

Цель работы: разработка комплекса установок, методов компенсации реактивной мощности силовых электроустановок, применение оптимальных методов расчета параметров установки компенсации также учитывающих особенности эксплуатации.

Для достижения поставленной цели в работе решены слудующие задачи:

сделан сравнительный анализ методов оптимизаций параметров устройства компенсации реактивной мощности с учетом режима эксплуатации.

выбран метод неопределенных множителей Лагранжа для нелинейной оптимизации параметров УКРМ.

Научная новизна работы состоит: в обосновании применения неопределенных множителей Лагранжа при расчете параметров УКРМ с учетом тепа электроустановок, режима нелинейной оптимизации. Решена также задача оценки технико - экономических показателей различных схем компенсации, в том числе с применением тиристорных регулируемых компенсаторов.

Практическая значимость. Данные магистерской диссертации можно использовать при опрелении места установки и параметров УКРМ на железной дороге и вообще в системе электроснабжения потребителей как в отдельно электрических сетях Республики Узбекистан. В последнее время характеризуется значительным улучшением энергетических устройств и надежности технико - экономических показателей тягового электрооборудования. В том же время сокращение затрат на производство и ввод в действие энергоустановок приобретённый в работе с ними, позволят рассчитать технико экономических показателей.

Глава 1. Способов и технических средств компенсации реактивной мощности системы электроснабжения и качества электроэнергии

.1 Обзор способов повышения коэффициента мощности и качества электроэнергии

Основными критериями качества электрической энергии в тяговых сетях являются: отклонение и колебание напряжения, несимметрия и несинусоидальность. В соответствии с этим и применяемые способы направлены на повышение показателей качества электрической энергии. К ним относятся регулирование напряжения на трансформаторах, продольная (последовательная) емкостная и поперечная (параллельная) емкостная компенсация.

Вследствие отклонений напряжения в системе и потерь напряжения на самой подстанции напряжение на ее шинах не остается постоянным. Чтобы обеспечить достаточно высокое и стабильное напряжение, принимают специальные меры. К ним относится регулирование напряжения с помощью регулируемых трансформаторов (путем изменения коэффициента трансформации). Большие изменения напряжения не позволяют держать его среднее значение достаточно высоким. Увеличение напряжения сверх номинального без превышения пределов, допускаемых по условиям работы локомотивов, по существу, привело бы к соответствующему повышению их мощности. Но если при этом возможные колебания напряжения сохранят свои значения, то максимальные напряжения выйдут за допустимые пределы. Поэтому пойти на это повышение напряжения можно только при одновременном обеспечении стабильности напряжения [19].