Многофункциональные фильтрокомпенсирующие устройства для повышения качества электроэнергии в электроэнергетических системах с тяговой нагрузкой

Постоянный рост доли и мощности электроприемников с нелинейными
вольт-амперными характеристиками является одной из основных причин
ухудшения качества электроэнергии. Такими электроприемниками являются
металлургические и химические предприятия, мощные тяговые нагрузки
электрифицированных железных дорог. Негативное влияние тяговых нагру-
зок на качество электроэнергии заключается в искажении синусоидальной
формы и ухудшении симметрии напряжения. Спектр несинусоидального
напряжения зависит от частотных характеристик сети. Искажения напряже-
ния отрицательно влияют как на эффективность функционирования электро-
подвижного состава, так и на систему внешнего электроснабжения, устрой-
ства связи, автоматики и телемеханики, сети нетяговых потребителей, полу-
чающих питание от тяговых подстанций.
Основным средством подавления искажений напряжений и токов, со-
здаваемых нелинейными электроприемниками, являются фильтрокомпенси-
рующие устройства (ФКУ). Помимо ослабления высших гармоник они вы-
полняют функции компенсации реактивной мощности, регулирования
напряжения в точке подключения.
Развитию методов проектирования пассивных и активных ФКУ посвя-
щены работы отечественных и зарубежных специалистов Х. Акаги, Дж. Ар-
рилаги, Б. М. Бородулина, Л. А. Германа, И. В. Жежеленко, Л. И. Ковернико-
вой, Ф. Пенга, Ю. К. Розанова, Л. Чарнецки и др. Однако в большинстве слу-
чаев рассматриваются фильтрокомпенсирующие устройства для электриче-
ских сетей общего назначения. Электроэнергетические системы с тяговой
нагрузкой переменного тока имеют особенности, которые отличают их от
общепромышленных сетей и снижают эффективность традиционных ФКУ.
Первая особенность заключается в том, что электроподвижной состав
переменного тока представляет собой мощную однофазную нелинейную
нагрузку, оказывающую отрицательное влияние на качество электроэнергии
как в тяговой, так и во внешней сети. В отечественных электровозах пере-
менного тока применяется однофазная мостовая схема, реализованная на базе
силовых тиристоров. Такие преобразователи вызывают значительные иска-
жения формы потребляемого тока. В спектре тока, потребляемого электропо-
движным составом (ЭПС), преобладают нечетные гармоники. Несинусои-
дальные токи вызывают искажения напряжений на токоприемниках ЭПС, а
также на шинах 110(220) кВ системы внешнего электроснабжения. Низкий
коэффициент мощности преобразователя увеличивает потери электроэнергии
и падение напряжения в сетях.
Вторая особенность электроэнергетических систем с тяговыми нагруз-
ками состоит в том, что по отношению к гармоникам высокого порядка про-
тяженная контактная сеть ведет себя как линия с распределенными парамет-
рами. Волновые процессы в системе тягового электроснабжения сопровож-
даются резонансными явлениями, которые вызывают значительные искаже-
ния кривой напряжения. Резонансные явления оказывают мешающее влияние
на устройства связи, автоматики и телемеханики, чувствительное электрон-
ное оборудование. Это определяет необходимость применения специальных
мер, направленных на снижение влияния сетей с тяговыми нагрузками на си-
стемы связи, цепи питания устройств автоматики и телемеханики.
Третья особенность – резкопеременный характер тяговых нагрузок.
Причинами являются изменение режима работы ЭПС, его перемещение, из-
менение числа локомотивов в межподстанционной зоне. Нестационарные
нагрузки характеризуются значительными колебаниями активной и реактив-
ной мощностей, что вызывает провалы и выбросы питающего напряжения.
Для достижения наиболее экономичного режима работы компенсирующие
устройства в электроэнергетических системах с тяговой нагрузкой должны
обеспечивать автоматическое регулирование реактивной мощности.
Таким образом, задача совершенствования методов расчета фильтро-
компенсирующих устройств, обеспечивающих улучшение качества электро-
энергии в электроэнергетических системах с тяговой нагрузкой является
весьма актуальной. Для этого необходимы многофункциональные ФКУ,
осуществляющие регулирование реактивной мощности, подавление наиболее
мощных низкочастотных гармоник, демпфирование резонансных режимов,
обеспечивающие электромагнитную совместимость ЭПС с устройствами
связи, автоматики и телемеханики.
Цель работы – развитие и совершенствование методов расчета мно-
гофункциональных фильтрокомпенсирующих устройств для улучшения ка-
чества электроэнергии в электроэнергетических системах с тяговыми нагруз-
ками.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие
задачи:
1. Провести анализ электромагнитных процессов в электроэнергети-
ческих системах с тяговой нагрузкой с учетом распределенного характера па-
раметров сети. Исследовать влияние параметров контактной сети и электропо-
движного состава на частотные и временные характеристики систем с тяговой
нагрузкой.
2. Обосновать структуру многофункциональных ФКУ, осуществля-
ющих регулирование реактивной мощности, а также обеспечивающих элек-
тромагнитную совместимость электроподвижного состава с системами внеш-
него и тягового электроснабжения, устройствами проводной и радиосвязи,
чувствительным электронным оборудованием.
3. Разработать общие методы синтеза фильтрокомпенсирующих
устройств для систем с тяговыми нагрузками, позволяющие варьировать кон-
фигурации и характеристики ФКУ в зависимости от требований по ком-
пенсации реактивной мощности и улучшению качества электрической энер-
гии.
4. Разработать фильтрокомпенсирующие устройства, обеспечиваю-
щие автоматическое регулирование реактивной мощности, ослабление выс-
ших гармоник и демпфирование резонансных режимов в электроэнергетиче-
ских системах с тяговой нагрузкой.
5. С помощью предложенных методов выполнить расчет и исследо-
вать статические и динамические характеристики многофункциональных
фильтрокомпенсирующих устройств для систем с тяговой нагрузкой. Прове-
сти сравнение предлагаемых конфигураций ФКУ с известными.
Объект исследований. Электроэнергетические системы с тяговой
нагрузкой переменного тока.
Предмет исследования. Методы расчета многофункциональных
фильтрокомпенсирующих устройств для повышения энергоэффективности и
улучшения качества электроэнергии в электроэнергетических системах с
тяговой нагрузкой.
Методы исследования: основные положения теоретической электро-
техники, теория цепей с распределенными параметрами, аппарат современных
методов анализа и синтеза электрических цепей. Теоретические решения соче-
тались с измерениями, экспериментальными исследованиями на основе ими-
тационного моделирования, а также проверкой результатов с помощью совре-
менного программного обеспечения (пакеты Mathcad, PSpice).
Научная новизна. В диссертации впервые получены следующие по-
ложения, которые выносятся на защиту:
1. Исследованы особенности электромагнитных процессов в элек-
троэнергетических системах с тяговой нагрузкой, обусловленные распреде-
ленным характером параметров сети. Установлено, что в системах с тяговой
нагрузкой наблюдается резонансное усиление тех гармоник напряжения и
тока, для которых длина участка контактной сети кратна четверти длины
волны. Показано, что основными факторами, влияющими на резонансные ча-
стоты систем с тяговой нагрузкой, являются длина участка сети и индуктив-
ность трансформатора. В то же время расположение локомотива не влияет на
частоты резонансных максимумов.
2. Предложена и обоснована модульная структура многофункцио-
нальных ФКУ, обеспечивающих независимую коррекцию частотной харак-
теристики сопротивления системы тягового электроснабжения в диапазонах
низкочастотных и высокочастотных гармоник. ФКУ предложенной структу-
ры осуществляют компенсацию реактивной мощности, подавление высших
гармоник тока и напряжения, а также демпфирование резонансных режимов
в диапазоне высокочастотных гармоник.
3. Разработаны методы структурного синтеза пассивных фильтро-
компенсирующих устройств для систем с тяговой нагрузкой, позволяющие
варьировать конфигурации и характеристики ФКУ в зависимости от требо-
ваний по компенсации реактивной мощности, обеспечению электромагнит-
ной совместимости электроподвижного состава, систем тягового и внешнего
электроснабжения. Предложенные методы позволяют обобщить известные
ФКУ, а также получить новые конфигурации таких устройств.
Практическая ценность работы. Установка многофункциональных
ФКУ в системах с тяговой нагрузкой повысит энергоэффективность систем
тягового электроснабжения за счет снижения потерь электроэнергии,
увеличит срок службы электрооборудования, снизит мешающее влияние
электроподвижного состава на системы связи, автоматики и телемеханики,
улучшит качество электроэнергии в системе внешнего электроснабжения и в
сетях нетяговых потребителей, получающих питание от тяговых подстанций.
Результаты работы могут служить теоретической основой для создания
активно-адаптивных систем тягового электроснабжения.
Реализация результатов работы. Основные результаты
диссертационных исследований в виде практических рекомендаций по
модернизации и внедрению фильтрокомпенсирующих устройств