Материал: Оптимизационные методы компенсации реактивной мощности системы электроснабжения железной дороги

Если не учитывать затраты зависящие от изменения уровня напряжения, то вид целевой функции определится выражением (1.14):

 (1.14)

где К_konst - капиталовложения на устройство УППК, не зависящие от величины варьируемых параметров Q_np и Х_np ;

Ц₁,Ц₂,Ц₃ - цена 1 кВА соответственно батарей поперечной компенсации, последовательных батарей и стоимость электроэнергии;

K_1p K_2p - стоимость 1 кВА реактора УК,

Как видно из (1.14), целевая функция нелинейна и разрывна [20, 22]. Разрыв имеет место в точке Q_пк = 2130. кВА, так как для батареи мощностью более 2130 кВА необходим в цепи более мощный реактор.

Построение области осуществимых решений проводится следующим образом. При различных значениях Q_пк и Х_np в режиме холостого хода определяется напряжение и выбираются только те соотношения варьируемых параметров, которые удовлетворяют условию U≤U_max. Те же вычисления делаются при расчетном токе нагрузки [9].

Для определения напряжения и токов в схеме удобно воспользоваться методом активного двухполюсника, Параметры эквивалентного генератора (рис. 1.16, в) легко определяются из схемы замещения и векторной диаграммы (рис. 1.16 а, в). Векторная диаграмма построена для случая, когда Х_хх носит индуктивный характер. Сопротивление холостого хода эквивалентного генератора определяется формулой

ис. 1.13. Параметры замещения эквивалентного генератора

 (1.15)

После преобразования и разделения действительной и мнимой частей выражения (1.15) имеем:

 (1.16)

Комплекс напряжения определяется формулой

 (1.17)

Тогда, согласно векторной диаграмме (рис. 1.16 в), действующее напряжение на шинах УППК определяется выражением.

 (1.18)

Потери мощности в сопротивлениях схемы можно найти из соотношения

 (1.19)

Полученные выражения для конкретной схемы позволяют найти значение приведенных затрат, а также определить вид области осуществимых решений.

В качестве примера взят участок со следующими параметрами: r₁ = 3,6 Ом; X₁ =. 16,4 Ом; E = 27,5 кВ; J = 300 А; j = 37°. Мощность батареи изменяется от 0 до 10 мВА через 500 кВА. X_пр варьируется от 0 до 12,5 Ом.

Результаты расчетов, проведенных по формулам (1,15)-(1,19), представлены в виде кривых на рис. 2. Здесь линия ABC представляет собой ограничивающее условие U≤U_max = 29 кВ, линия DBF описывает условие U≥U_min=25 кВ в рабочем режиме. Пространство, заключенное между этими кривыми, является областью осуществимых решений задачи.

В заключение можно сделать следующие выводы.

В тяговых сетях переменного тока экономически выгодно использовать установки продольно-параллельной компенсации.

Выбор параметров УППК является задачей математического программирования [4, 6, 8, 9].

Целевая функция нелинейна и разрывна.

Ограничивающие условия нелинейные.

При двух варьируемых параметрах задача может быть решена графически.

В случае многомерных задач как указано в [7, 13], удобно использовать метод Монте-Карло.

Оригинальный способ и устройство компенсации реактивной мощности на электроподвижном составе однофазно-переменного тока с зонно-фазовым регулированием, в качестве устройства для повышения коэффициента мощности предложен Кашириным В.В. и др. [26]. Технический результат заключается в компенсации реактивной мощности, потребляемой электровозом, и снижении расхода электроэнергии. Компенсатор реактивной мощности (КРМ) подключают поочередно к одной из нескольких секций вторичной обмотки тягового трансформатора, питающих соответствующие плечи выпрямительно-инверторного преобразователя. В зависимости от значения реактивной мощности цепи, подключают секции источника реактивной мощности к источнику питания. Устройство, реализующее предложенный способ управления КРМ. дополнительно содержит ключи, через которые КРМ подключают к секциям вторичной обмотки тягового трансформатора, блок управления ключами, задатчик режима работы, датчики напряжения и тока, вычислительно-измерительный блок.

Одной из проблем, связанных с внедрением на э.п.с. переменного тока компенсаторов реактивной мощности (КРМ). является поиск оптимальных режимов работы КРМ. способствующих снижению расхода электроэнергии на э.п.с. в целом.

Необходимость повышения коэффициента мощности э.п.с. можно объяснить следующим образом. Допустим, что э.п.с. мощностью Р работает с cosj= (активная нагрузка) при синусоидальном напряжении U. В этом случае сила тока в цепи составит . а мощность тепловых потерь

.

На практике эксплуатация э.п.с. осуществляется с cos j <1 (смешанная нагрузка), сила тока в цепи будет больше

.

Увеличение силы тока в цепи приводит к увеличению тепловых потерь

.

Таким образом, электрические потери пропорциональны квадрату cosj.

Так, например, повышение cosj=0.8 на 15% приводит к снижению потерь в питающей сети на 41%!

Наряду со снижением потерь в питающей цепи, благодаря повышению коэффициента мощности, наблюдаются существенные тепловые потери в элементах компенсатора - главным образом в дросселе, тиристорном ключе и конденсаторах. Поэтому учет сочетания потерь от применения компенсирующих устройств является важной сдачей повышения энергетических показателей на современном э.п.с. оборудованном КРМ.

Известен способ управления компенсатором реактивной мощности [27] (патент РФ №2187185), состоящий в том, что компенсацию реактивной мощности осуществляют коммутацией источников питания с источником реактивной мощности посредством четырехквадратного преобразователя. Такой способ существенно повышает коэффициент мощности, однако использование дополнительно четырех квадрантного преобразователя чревато усложнением системы управления, необходимостью использования дорогостоящей элементной базы и ряду с повышением коэффициента мощности при различных режимах работы преобразование энергии сопровождается дополнительными потерями мощности, в элементах четырехквадратного преобразователя.

В [28] (патент РФ №2187872) предложен способ, при котором требуемую величину и форму мгновенного тока на сетевом входе достигают в результате сложения токов компенсатора реактивной мощности и компенсатора мощности искажения, причем управление вентилями компенсационного выпрямителя осуществляют путем трехкратного включения каждого вентиля на периоде сетевого напряжения в моменты равенства периодических опорных напряжений и управляющих напряжений.

При таком способе управления снижается коэффициент полезного действия системы компенсации реактивной мощности, поскольку с увеличением количества коммутаций за период ceтeвoгo напряжения увеличивается величина электрических потерь.

Известен также способ управления компенсатором реактивной мощности, [29] (патент РФ №2212086). при котором определяют значение реактивной мощности цепи, в зависимости от напряжения и тока нагрузки, подключают к источнику питания (секциям вторичной обмотки тягового трансформатора) источник реактивной мощности, причем вне зависимости от зоны регулирования, источник реактивной мощности подключают к источнику питания с максимальной мощностью. Способ реализуют устройством, содержащим компенсатор реактивной мощности, состоящий из двух LC-контуров. подключенных постоянно к источнику питания с максимальной мощностью.

Этот способ имеет недостаток: LC-контур постоянно подключен к источник питания. При работе с малыми нагрузками величин, собственных потерь в компенсаторе реактивной мощности (DР_ку) превышает величину снижения потерь цепи питания от применения компенсатора (DР_о). Энергетическая характеристика этого способа управления приведена на рис.1.17. На ней показано, что с ростом реактивной мощности цепи Q_d абсолютные потери DР_о от компенсации реактивной мощности в цепи питания снижаются более интенсивно, чем растут собственные потери в компенсаторе DР_ку. Поэтому в диапазонах работы, признаком которых является отрицательная разность DР_ку -DР_о, система компенсации реактивной мощности неэффективна, поскольку рост потерь в реактивных элементах компенсатора преобладает над снижением потерь от компенсации реактивной мощности. Значение реактивной мощности Q_d является точкой равновесия собственных потерь мощности компенсатора и величины снижения потерь мощности цепи от применения компенсации реактивной мощности. При Q_d>Q_о наблюдается эффективность компенсации реактивной мощности.

Устройство, реализующее данный способ управления, содержит тяговый трансформатор, выпрямительно-инверторный преобразователь электровоза с подключенным к нему тяговым двигателем, два источника реактивной мощности, состоящие из последовательно соединенных индуктивности и емкости, датчик режима сети, включающий в себя датчик напряжения и датчик тока, блок синхронизирующих импульсов, блок управления и коммутатор. Такое устройство имеет следующий недостаток - IС - цепи компенсатора реактивной мощности постоянно подключены на суммарное напряжение всех источников питания, хотя при работе с малыми нагрузками достаточно работать от одного или нескольких (но не всех) источников питания. Препятствием этому является невозможность переключать LC-компенсатор на от шальные источники питания. Поэтому при работе с малыми нагрузками величина потерь может превышать экономию энергии от применения КРМ. что не может гарантировать стабильный благоприятный баланс, но расходу электроэнергии вследствие перекомпенсации реактивной мощности.

Данная схема разработана для снижения расхода электроэнергии потребляемой э.п.с.

Поставленная задача достигается способом управления, при котором задают значение минимально допустимой реактивной мощности источника реактивной мощности, а также максимальное значение реактивной мощности источника реактивной мощности при подключении к различным источникам питания, для каждой рабочей зоны регулирования напряжения тяговых двигателей определяют величину реактивной мощности нагрузки, уравнивают максимальное значение реактивной мощности источника реактивной мощности при работе от различных источников питания с фактическим значением реактивной мощности нагрузки и подключают минимально превосходящий по значению реактивной мощности нагрузки источник реактивной мощности к соответствующему источнику питания, при снижении значения реактивной мощности источника реактивной мощности ниже минимально допустимого значения отключают источник реактивной мощности от источника питания. С целью снижения броска тока в моменты времени между переключениями с одного источника питания на другой или в моменты времени, предшествующие повторному подключению источника реактивной мощности к источникам питания, и исключения возможного дребезга контактов при колебании Q_d в области значений Q_o Q_kvi и Q_ky2 к источнику реактивной мощности на время, равное, например. 5 с. определяемое постоянной времени разряда емкости на активное сопротивление цепи КРМ, подключают активную нагрузку.

Устройство для компенсации реактивной мощности содержит тяговый трансформатор с несколькими секциями вторичной обмотки, нагрузку, выполненную в виде выпрямительно-инверторного преобразователя электровоза с подключенными к нему преимущественно несколькими тяговыми двигателями, источник реактивной мощности, представляющий собой КРМ и состоящий из последовательно соединенных индуктивности и емкости, датчика напряжения и датчика тока, тиристорный ключ и блок управления тиристорным ключом. В устройство дополнительно введены ключи для подключения источника реактивной мощности к соответствующим источникам питания. блок управления ключами, задатчик режима работы для задания номера зоны регулирования напряжения и вычислительно-измерительный блок для определения моментов коммутации КРМ к соответствующим источникам питания.

КРМ подключается только к тем источникам питания, от которых работает преобразователь. В целях снижения расхода электроэнергии исключается работа КРМ с низкими нагрузками. при которых собственные потери КРМ могут превысить снижение потерь в цепи от его применения.

Сказанное позволяет сделать вывод о причинно-следственной связи между совокупностью существенных признаков и достигаемым техническим результатом.

На приложенных к описанию чертежах показано:

Рис. 1.14

Устройство, реализующее данный способ управления (фиг. 1.18), содержит тяговый трансформатор 1, преимущественно с несколькими вторичными обмотками, выступающими в качестве источников питания, выпрямительно-инверторный преобразователь (ВИЛ) электровоза с подключенными к нему преимущественно несколькими тяговыми двигателями (ТД) 3. компенсатор реактивной мощности (КРМ) 4, датчик напряжения контактной сети (ДМ) 5, датчик тока цепи тяговых двигателей (ДТ) 6. ключи (СК) 7. состоящие из ключа К1 и ключа К2, работающих в противоположных состояниях, блок управления ключами (БУСК) 8. тиристорный ключ (ТК) 9, блок управления тиристорным ключом (БУТК) 10. задатчик режима работы, в качестве которого может быть использован контроллер машиниста э.п.с. (КМ) 11. для задания номера зоны регулирования, вычислительно-измерительный блок (БВИ) 12 для определения моментов коммутации КРМ к соответствующим источникам питания. Параллельно конденсатору КРМ 4, через нормально замкнутые ключи 13 и 14 подключи резне то 15 для разряда остаточной емкости в моменты переключения КРМ 4 с одного источника питания на другой во избежание значите п.пых бросков тока. Компенсатор реактивной мощности 4 выполнен в виде модуля и состоит из LC-контура, управляемого ключами 7 г 9. для подключения его к вторичным обмоткам тягового трансформатора 1. В качестве управляемых ключей 7 могут использоваться koнтакторы обеспечивающие ступенчатое изменение реактивной мощности, и тиристоры 9. обеспечивающие плавное изменение реактивной мощности компенсирующего устройства. КРМ обеспечиваем две ступени реактивной мощности в зависимости от подключения к выводам обмоток тягового трансформатора 1. Блок управления ключами X обеспечивает включение и выключение ключей 7 по сигналам, поступающим из вычислительно-измерительного блока 12. а также включение и выключение ключей 7 без обрыва силового тока.

Блок управление тиристорным ключом 10 обеспечивает формирование сигналов управления в соответствии с алгоритмами, реализующими данный способ управления, безударное подключение LC-контуров КРМ 4 к обмотке тягового трансформатора 1 в момент перехода напряжения на тиристорном ключе 9 через ноль, а также отключение LC-контуров КРМ 4 от обмотки тягового трансформатора 1 в момент перехода Тока тиристорного ключа 9 через ноль. Задание номера рабочей зоны питания N_z, характеризующего уровень питающего напряжения. формируемого подключением определенных источников напряжения к нагрузке, осуществляется переключением позиций электромеханического контроллера машиниста 11.11ри подключении КРМ 4 к источнику питания 1 одной из пар управляемых ключей 7 К1 или К2 происходит отключение одного из нормально замкнутых ключей К1 13 пли К2 14. с целью разрыва цепи разрядного резне юра 15, представляющего собой чисто активную нагрузку. Этим исключаются дополнительные потери при работе КРМ 4. На практике время разряда до приемлемого уровня выбирают на уровне 5 с.