СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ ТЯГОВОЙ СЕТИ Российский патент 2021 года по МПК B60M3/02 H02J3/18 H02H3/20 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к системам тягового электроснабжения 25 кВ и 2×25 кВ железных дорог и может использоваться на участках тяговой сети с установками поперечной емкостной компенсации на постах секционирования.

Уровень техники

Для повышения пропускной способности железной дороги с 2015 г в тяговой сети на постах секционирования стали устанавливать однофазные статические генераторы реактивной мощности (СГРМ) на базе СТАТКОМА [1-5], работающие в режиме стабилизации повышенного напряжения при функционировании СГРМ в режимах генерации емкостного или индуктивного тока.

СГРМ успешно работает на железных дорогах России и подтверждает возможность повышения их пропускной способности. СГРМ осуществляет компенсацию реактивной мощности первой гармоник тяговой нагрузки, но и осуществляет компенсацию гармоник тягового тока. Обычно на фильтрацию гармоник мощность СГРМ увеличивают на 30-35%. Однако известны недостатки СГРМ: повышенные потери мощности и повышенная стоимость [1, 4, 5]. Кроме того, СГРМ на посту секционирования недостаточно эффективно снижает потери мощности в тяговой сети из-за неполной информации по контролю тяговой нагрузки, приходящейся на пост секционирования.

В [2] предложен альтернативный вариант регулируемой фильтрокомпенсирующей установки (ФКУ) - Переключаемая ФКУ, которая много лет надежно работает на консольном участке тяговой сети 2×25 кВ Сергач-Шумерля [4,5] и повышает пропускную способность межподстанционной зоны с вынужденным односторонним питанием тяговой сети. Она решила проблему необходимости снижения стоимости регулируемой установки, однако не в полной мере выполнила задачу эффективного снижения потерь мощности в тяговой сети.

Раскрытие изобретения

Задача усовершенствования СГРМ: снизить потери мощности в системе тягового электроснабжения путем снижения потерь мощности в СГРМ и повышения эффективности снижения потерь мощности в тяговой сети с одновременным снижением капитальных затрат на СГРМ.

Стоимость СГРМ снижается, если заменить часть мощности СГРМ на традиционную установку нерегулируемой емкостной компенсации с резонансными фильтрами (ФКУ). При этом регулирование всем диапазоном тяговой нагрузки можно осуществить путем применения оставшейся части СГРМ в режиме генерирования как емкостной, так и индуктивной энергией. В связи с уменьшением мощности СГРМ снижаются и ее повышенные потери.

Назовем эту преобразованную в комплексную систему регулируемой установки с фильтрами - РФКУ. Таким образом, снижение потерь мощности в СГРМ осуществляется путем снижения общей мощности СГРМ, а при этом уменьшаются и потери мощности в РФКУ, так как потери мощности в нерегулируемой ФКУ во много раз меньше потерь мощности в транзисторах СГРМ[3]. Что касается потерь в тяговой сети, то они уменьшаются за счет совершенствования алгоритма управления РФКУ, и в частности, СГРМ.

Итак, рассматривается по прототипу [5, рис. 1] способ регулирования реактивной мощности тяговой сети со статическим генератором реактивной мощности (СГРМ) на посту секционирования межподстанционной зоны с двумя смежными тяговыми подстанциями А и В системы тягового электроснабжения переменного тока железной дороги, оборудованными трансформаторами напряжения и тока на вводах 27,5 кВ и устройствами телемеханики и телеизмерения.

Для реализации цели изобретения- заменяют часть мощности СГРМ на параллельно установленную нерегулируемую установку емкостной компенсации (ФКУ) такой же мощности (т.е. дополнительно используют параллельно установленную нерегулируемую установку емкостной мощности) с резонансными фильтрами на 150 Гц или на 150 и 250 Гц с током IФКУ, образуя комплексную систему регулируемой компенсации и фильтрации (РФКУ) и формируют два режима регулирования РФКУ: режим «стабилизации напряжения» на посту секционирования и режим «минимума потерь мощности» в тяговой сети, для этого: измеряют напряжение на вводах 27,5 кВ смежных тяговых подстанций и поста секционирования, а также фазы токов тяговой нагрузки ϕ_а и ϕb на вводах тяговых подстанций:

- определяют потери напряжения до поста секционирования ΔU_A и ΔU_B, и их реактивные значения, как разность напряжений подстанций и поста секционирования с учетом фазовых углов тока нагрузки;

- если уровень напряжения на посту секционирования U_п меньше установленного значения U_п.мин* или больше максимального значения U*_п.макс, то устанавливают на РФКУ режим «стабилизации напряжения» на уровне U*_зад, а если напряжение на посту секционирования находится в пределах U*_п.мин≤U_п≤U*_п.макс, то на РФКУ устанавливают режим «минимума потерь мощности» с расчетом тока генерации РФКУ по суммарной реактивной потере напряжения (ΔU_Asinϕ_a+ΔU_Bsinϕ_b) и по входному индуктивному сопротивлению поста секционирования Х_вх

и если I_{ген.рфку}≥I_фку, то СГРМ генерирует емкостной ток

а если I_{ген.рфку}<I_фку, то СГРМ генерирует индуктивный ток

Предложенный вариант комплексной системы регулируемой установки РФКУ основан на известном включении нерегулируемой конденсаторной батареи параллельно с тиристорно-реакторной группой с реактором, регулируемым тиристорами (ТРГ) [6], однако здесь вместо реактора с ТРГ включается СГРМ.

Определим, во сколько раз целесообразно снизить мощность СГРМ с заменой на ФКУ. Существующий вариант нерегулируемой ФКУ способен фильтровать 3 и 5 гармоники тока [1]. При компенсации 3 гармоники коэффициент искажения синусоидальной формы кривой напряжения снижается в 1,5 раза (а кривой тока - в 2,5 раза), а при компенсации 3 и 5 гармоник - снижение коэффициента искажения синусоидальной формы кривой напряжения в 3 раза (а кривой тока в 4,5 раза) [4]. При этом гармоники напряжения в точке включения фильтров на 150 и 250 Гц снижаются до нуля. Таким образом, в связи с существенным снижением гармоник напряжения целесообразно передать функции фильтрации гармоник от СГРМ к нерегулируемой ФКУ. Поэтому, если, например, из мощности СГРМ 10 Мвар на компенсацию реактивной мощности затрачено 6,5Мвар, а на компенсацию гармоник -3,5 Мвар, то следует для реализации РФКУ мощность СГРМ уменьшить на 3,5 Мвар, а остальную оставшуюся мощность уменьшить в два раза - 6,5/2 Мвар. Таким образом, мощность РФКУ будет состоять из СГРМ мощностью 3,25 Мвар и нерегулируемой ФКУ мощностью также в 3,25Мвар, то есть исходная мощность СГРМ уменьшается в 10/3,25=3 раза. При этом мощность компенсации реактивной мощности остается прежней, а коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения будет снижаться за счет фильтров КУ на 150 и 250 Гц. Практика показала, что в большинстве случаев фильтры на 150 и 250 Гц справляются со своей задачей нормализации уровня гармоник на шинах контролируемого напряжения. Конечно, если дополнительно потребуется фильтрация еще какой-либо гармоники, то придется прибегнуть к помощи СГРМ.

Краткое описание чертежей

Для пояснения работы изобретения на Фигуре представлена схема

реализации предлагаемого способа регулирования реактивной мощности.

Осуществление изобретения

На схеме реализации предлагаемого способа регулирования реактивной мощности приведены следующие обозначения:

1 и 2 - смежные тяговые подстанции А и В;

3 - пост секционирования;

4 и 5 - трансформаторы тока вводов;

6, 7, 8 - трансформаторы напряжения шин 27,5 кВ;

9, 10 - блоки определения фазы тяговой нагрузки ввода тяговых подстанций А и В;

11 - узел приема информации напряжений тяговых подстанций и поста секционирования;

12 - блок расчета потерь напряжения до поста секционирования;

13- комплексная регулируемая установка РКУ;

14 - выключатель РКУ;

15, 17 - реактор и конденсаторная батарея нерегулируемой установки поперечной емкостной компенсации;

16 - статический генератор реактивной мощности СГРМ;

18 - пусковой резистор;

19 - шунтирующий выключатель пускового резистора;

20 - блок сравнения напряжения поста секционирования;

21 - расчетный блок тока, отнесенного к посту секционирования;

22 - блок сравнения реактивного тока РФКУ;

23 - блок установления режима СГРМ «стабилизация» и регулирование емкостного тока;

24 - блок установления режима СГРМ «минимум потерь мощности в тяговой сети» и регулирование индуктивного тока;

25 - блок установления режима СГРМ «минимум потерь мощности в тяговой сети» и регулирование емкостного тока.

Осуществление изобретения

На рисунке рассмотрены две смежные тяговые подстанции 1(A) и 2(B) межподстанционной зоны с постом секционирования 3, на которых установлены трансформаторы тока на вводах 27,5 кВ, 4 и 5, тяговых подстанций и трансформаторы напряжения 6,7,8. Для контроля реактивной составляющей тока нагрузки включены блоки 9 и 10.

На посту секционирования включена комплексная регулируемая установка РФКУ 13, которая состоит из СГРМ 16 и традиционной нерегулируемой поперечной емкостной компенсации ФКУ 15 и 17 с настройкой резонансного фильтра из реактора 15 и конденсаторной батареи 17 на гармонику 150 Гц или включают два фильтра на 150 и 250 Гц [7]. Пуск РФКУ осуществляет резистор 18, который затем шунтируется вакуумным выключателем 10 кВ 19.

Тяговые подстанции 1 (А) и 2 (В) и пост секционирования 3 оборудованы системой телемеханики и телеизмерения, с помощью которых производится обмен информацией между тяговыми подстанциями и постом секционирования, с одной стороны, и энергодиспетчерским пунктом, с другой стороны. Вся информация от 6, 7, 8, 9, 10 передается в энергодиспетчерский пункт и далее на пост секционирования. Блоки от 11 до 25 расположены на посту секционирования и осуществляют управление СГРМ в составе РФКУ.

Укажем преимущества новой схемы компенсации реактивной мощности РФКУ.

1. В связи с уменьшенной мощностью дорогостоящей СГРМ снижаются капитальные затраты на РФКУ по сравнению с первоначальной (до ее уменьшения) стоимостью СГРМ, а также потери мощности в СГРМ и в целом в РФКУ.

2. В связи с предлагаемой схемой регулирования реактивной мощности снижаются потери мощности в тяговой сети.

3. Одновременно решаются две задачи: повышение пропускной способности железной дороги и снижение потерь мощности в системе тягового электроснабжения.

4. Исключаются повышенные значения высших гармонических в тяговой сети, формирующие помехи устройствам сигнализации, централизации и блокировки (СЦБ) железной дороги, когда на посту секционирования СГРМ генерировала инверсные гармоники и компенсировала высшие гармонические тяговой нагрузки [3].

5. Уменьшаются количество мощных вентиляторов, охлаждающих силовые транзисторы СГРМ.

6. Так как СГРМ стабилизирует напряжение, то в результате повышается генерацию мощности нерегулируемой ФКУ.

7. Особо значительный эффект предлагаемой разработки проявляется при усилении мощности установки компенсации на посту секционирования, когда к существующей ФКУ подключается СГРМ уменьшенной мощности по рассматриваемой разработке.

Рассмотрим работу РФКУ.

Информация по напряжению от трансформаторов напряжения 6, 7, 8 по системе телеизмерения поступает в узел 11 и далее в блок сравнения 20, где сравнивается значение напряжения на посту секционирования U*_п.мин≤U_п≤U*_п.макс с максимальным и минимальным значениями U_п, обычно U*_п.макс=28,5 кВ и U*_п.мин=24-25 кВ. Если выход в блоке 20 - «нет», то передается команда в блок 23 - с разрешением режима регулирования «стабилизация напряжения» и регулирование емкостного тока в СГРМ. Если же в блоке 20 - «да», то запускается расчетный блок 21 и с учетом фазы тока нагрузки ϕ_а и ϕ_b от трансформаторов ток 4 и 5 и по суммарной потери напряжения ΔU_A+ΔU_{B рассчитывают реактивный ток I''п, приходящийся на пост секционирования по формуле (1), так как I'п=Iген.рфку.}

Поэтому, если I_{ген.рфку}≤I_фку (то есть выход в блоке 22 - «да»), то следует переводить СГРМ на регулирование индуктивного тока по формуле (3) и режим «минимум потерь мощности в тяговой сети», то есть выходить на блок 24. Если же выход в блоке 22 - «нет», то следует переходить на блок 25 -«режим минимума потерь мощности в тяговой сети» с регулированием емкостного тока СГРМ по формуле (2).

По опыту работы обычно U*_зад=27-28 кВ.

Переход на предлагаемую схему РФКУ (см. Фигуру) с уменьшенной мощностью СГРМ и заменой ее на параллельно установленную нерегулируемую установку емкостной компенсации (ФКУ) с резонансными фильтрами на 150 Гц или на 150 и 250 Гц и предлагаемый алгоритм управления СГРМ позволяют решить поставленные задачи путем комплексного регулирования мощности РФКУ

Технико-экономический эффект проявляется в следующем.

1. Снижается стоимость РКУ по сравнению с исходной мощностью СГРМ.

В связи с начальными затратами на установки емкостной компенсации их стоимости изменяются не пропорционально мощностям, в частности, при сравнении стоимости РФКУ и СГРМ в 10 Мвар и уменьшении мощности СГРМ, как это было указано - в 3 раза, стоимость РФКУ уменьшается примерно в 1,5-2 раза.

2. Снижаются потери мощности в СГРМ в три раза (пропорционально снижению мощности) и снижается расход энергии собственных нужд СГРМ.

Однако, так как следует учесть потери мощности в конденсаторах и фильтровом реакторе нерегулируемой ФКУ, то суммарно в РФКУ потери мощности снижаются в два раза.

3. Снижаются потери мощности в тяговой сети в связи с более эффективным регулированием РФКУ.

Здесь даем приблизительную оценку снижения потерь мощности за счет снижения периодов перекомпенсации и уточнения значений тяговой нагрузки, приходящейся на пост секционирования: по сравнению с существующим режимом компенсации реактивной мощности ориентируемся на уменьшение потерь мощности на 10-20%.

Литература

1. Герман Л.А., Серебряков А.С. Регулируемые установки емкостной компенсации в системах тягового электроснабжения. Учебное пособие. М.: ФГБОУ «Учебно-методический центр по образованию». 2015. - 316 с.

2. Устройство переключаемой однофазной поперечной емкостной компенсации в тяговой сети переменного тока /Серебряков А.С., Герман Л.А., Дулепов Д.Е., Семенов Д.А.// Патент на изобретение RU 2475912 С2, 20.02.2013. Заявка №2011108818/07 от 09.03.2011. Опубл. 20.02.2013. Бюл. №5.

3. Герман Л.А., Серебряков А.С, Дулепов Д.Е. Фильтрокомпенсирующие установки в системах тягового электроснабжения железных дорог. Монография. Княгинино НГИЭУ, 2017. - 412 с.

4. Герман Л.А., Субханвердиев К.С, Герман В.Л. Автоматизация электроснабжения тяговой сети переменного тока. Часть 2. Режимная автоматика. Н.Новгород, Филиал СамГУПС в Н.Новгороде. - 192 с.

5. Герман Л.А. Регулируемые фильтрокомпенсирующие установки в тяговой сети переменного тока. Часть 2. Электроника и электрооборудование транспорта 2018 г., №6. С. 35 - 39.

6. Карташов И.И., Тульский В.Н., Шаманов Р.Г. и др. Управление качеством электроэнергии. М.: Издательский дом МЭИ, 2006 г. - 320 с.

7. Бородулин Б.М., Герман Л.А., Николаев Г.А. Конденсаторные установки электрифицированных железных дорог. - М.: Транспорт, 1983 г.

Изобретение относится к области электротехники, в частности к системам тягового электроснабжения железных дорог. Технический результат заключается в снижении потерь мощности и в повышении эффективности снижения потерь мощности в тяговой сети. Достигается тем, что заменяют часть мощности статистического генератора реактивной мощности (СГРМ) на параллельно установленную нерегулируемую установку емкостной компенсации такой же мощности с резонансными фильтрами, образуя комплексную систему регулируемой компенсации и фильтрации (РФКУ), и формируют два режима регулирования РФКУ: режим «стабилизации напряжения» на посту секционирования и режим «минимума потерь мощности» в тяговой сети. 1 ил.

Способ регулирования реактивной мощности тяговой сети со статическим генератором реактивной мощности (СГРМ) на посту секционирования межподстанционной зоны с двумя смежными тяговыми подстанциями А и В системы тягового электроснабжения переменного тока железной дороги, оборудованными трансформаторами напряжения и тока на вводах 27,5 кВ и устройствами телемеханики и телеизмерения, отличающийся тем, что

дополнительно используют параллельно установленную нерегулируемую установку емкостной компенсации и фильтрации (ФКУ) такой мощности, аналогичной замененной части мощности СГРМ, с резонансными фильтрами на 150 Гц или на 150 и 250 Гц с током I_фку, образуя комплексную систему регулируемой компенсации и фильтрации (РФКУ), и формируют два режима регулирования РФКУ: режим «стабилизации напряжения» на посту секционирования или режим «минимума потерь мощности» в тяговой сети, для этого:

- измеряют напряжение на вводах 27,5 кВ смежных тяговых подстанций и поста секционирования, а также фазы токов тяговой нагрузки ϕ_а и ϕ_b на вводах тяговых подстанций и определяют потери напряжения до поста секционирования ΔU_A и ΔU_B, и их реактивные значения, как разность напряжений подстанций и поста секционирования с учетом фазовых углов тока нагрузки;

- если уровень напряжения на посту секционирования U_п меньше установленного значения U_п.мин* или больше максимального значения U*_п.макс, то устанавливают на РФКУ режим «стабилизации напряжения» на уровне U*_зад, а если напряжение на посту секционирования находится в пределах U*_п.мин≤U_п≤U*_п.макс, то на РФКУ устанавливают режим «минимума потерь мощности» с расчетом тока генерации РФКУ I_{ген.рфку} по суммарной реактивной потере напряжения и по входному индуктивному сопротивлению поста секционирования Х_вх

и если I_{ген.рфку}≥I_фку, то СГРМ генерирует емкостной ток

а если I_{ген.рфку}<I_фку, то СГРМ генерирует индуктивный ток