298 Современные технологии – транспорту УДК 621.316.722.076.12 А. Н. Марикин, В. А. Мирощенко АНАЛИЗ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ПРОЦЕССОВ В УСТРОЙСТВЕ КОМПЕНСАЦИИ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ С ПЕРЕМЕННОЙ ИНДУКТИВНОСТЬЮ Дата поступления: 12.04.2017 Решения о публикации: 24.04.2017 Аннотация Цель: Проанализировать переходные процессы при включении устройства компенсации реактивной мощности с переменной индуктивностью и резком изменении нагрузки в электротяговой сети переменного тока. Определить диапазон регулирования реактивной мощности для возможных конструктивных исполнений устройства. Выбрать наиболее энергоэффективный вариант взаимного включения регулируемого реактора и батареи конденсаторов с нерегулируемой емкостью в устройстве компенсации реактивной мощности. Сделать вывод об использовании в системе управления устройства обратной связи. Методы: Рассмотрены схемы подключения устройства к однофазной сети переменного тока. Выбраны схемы взаимного подключения управляемого реактора и конденсаторной батареи. Произведен анализ диапазона регулирования конструктивных исполнений устройства компенсации реактивной мощности. В программном комплексе MATLAB Simulink произведено моделирование различных схемных решений компенсирующих устройств. Для одного варианта смоделирована работа устройства компенсации при резком изменении электротяговой нагрузки. Результаты: Установлено, что при последовательном подключении управляемого реактора и конденсаторной батареи диапазон регулирования может составлять не более 15 % от номинальной мощности. Пусковой ток устройства достигает двукратного значения. При параллельном подключении имеется возможность регулировать реактивную мощность в широком диапазоне. Пусковой ток в этом случае достигает четырехкратного превышения над номинальным значением. В качестве дополнительного устройства предлагается использовать неуправляемый реактор, последовательно с конденсаторной батареей. Такой вариант позволяет снизить пусковой ток и одновременно обеспечить фильтрацию третьей гармоники тока. Практическая значимость: Последовательнопараллельный вариант схемного решения компенсирующей установки представляется наиболее перспективным для применения в тяговых сетях переменного тока. Ключевые слова: Компенсация реактивной мощности, управляемый реактор, электротяговая сеть, фильтрация высших гармоник, переходные процессы. Aleksander N. Marykyn, D. Sci., professor, head of a chair, marikin_s@mail.ru; *Vasiliy A. Myroshenko, postgraduate student, vasilymir@yahoo.com (Emperor Alexander I St. Petersburg State Transport University) THE ANALYSIS OF ELECTROMAGNETIC PROCESSES IN REACTIVE POWER COMPENSATION UNIT WITH VARIABLE INDUCTANCE Summary Objective: To analyze transient processes when activating reactive power compensation unit with variable inductance and load bounce in electric traction alternating current network. To determine reactive power control range for possible structural variations of a unit. To choose the most power efficient variant of mutual connection of controlled reactor and capacitor bank with uncontrolled capacity in reactive power compensation unit. To make a conclusion, concerning feedback device 2017/2 Proceedings of Petersburg Transport University Современные технологии – транспорту 299 application in control system. Methods: Connection diagrams of a unit to an alternating current monophase network. Mutual connection diagrams of controlled reactor and capacitor bank were chosen. Structural variations’ control range analysis of reactive power compensation unit was conducted. In MATLAB Simulink software package, simulation of different bucking out system circuitry was fulfilled. Simulation of compensation unit functioning was carried out for one variant with load bounce in electric traction. Results: It was established that, in case of series connection of controlled reactor and capacitor bank, control range may comprise no more than 15 % of nominal capacity. Starting current of a unit reaches twofold value. Parallel connection makes it possible to control reactive power in a broad band. Starting current in this case reaches fourfold excess of value. It is suggested to use uncontrolled reactor successively with capacitor bank as an additional unit. Such a variant makes it possible to reduce starting current and simultaneously provide filtration of the third current harmonics. Practical importance: A series-parallel variant of compensation unit circuitry seems to be the most perspective for application in electric traction alternating current network. Keywords: Reactive power compensation, controlled reactor, electric traction network, filtration of upper harmonics, transient processes. Введение Одним из способов повышения энергоэффективности электрифицированных железных дорог переменного тока является компенсация реактивной мощности [1]. В настоящее время в электротяговой сети переменного тока применяются нерегулируемые либо ступенчато регулируемые установки компенсации реактивной мощности [2]. Они не позволяют плавно управлять реактивной мощностью в широком диапазоне, что необходимо в условиях резкопеременной тяговой нагрузки [3]. Устройство плавного управления реактивной мощностью в требуемом диапазоне может быть реализовано на основе конденсаторной батареи постоянной емкости в сочетании с управляемым реактором. Изменение индуктивности реактора можно осуществлять несколькими способами: переключением отпаек обмотки реактора; подмагничиванием магнитопровода реактора постоянным током; регулированием тока, протекающего через реактор с помощью тиристоров или силовых транзисторов; механическим изменением немагнитного зазора в цепи реактора [4]. Взаимное включение реактора и конденсаторной батареи может быть и последовательное, и параллельное. Каждый из вариантов имеет свои достоинства и недостатки. ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС Целями настоящей статьи являются анализ электромагнитных процессов при включении и резком изменении нагрузки для различных конструктивных исполнений устройства компенсации, определение диапазона регулирования реактивной мощностью, выбор оптимального варианта. Общая схема подключения компенсирующего устройства Рассмотрим устройство поперечной компенсации реактивной мощности [5]. При этом предполагаем устанавливать устройство на подстанции. Схема подключения устройства представлена на рис. 1. На схеме компенсирующее устройство (КУ) подключено параллельно нагрузке в электротяговой сети переменного тока через высоковольтный выключатель Q. КУ охвачено обратной связью от фазометра φ, подключенного к трансформаторам тока (TA) и напряжения (TV), которые установлены на подстанции. Такая схема подключения обеспечивает увеличение коэффициента мощности внешней питающей сети, повышение уровня напряжения на фидерах подстанции и, как следствие, рост уровня напряжения на токоприемнике электровоза [6]. Наличие обратной связи позволяет 2017/2 300 Современные технологии – транспорту Рис. 1. Схема подключения компенсирующего устройства регулировать индуктивность управляемого реактора, поддерживая коэффициент мощности на уровне не менее 0,95. Высоковольтный выключатель обеспечивает коммутацию токов в рабочих и аварийных режимах. В составе самого устройства реактор может быть включен как последовательно, так и параллельно с конденсаторной батареей. Рассмотрим электромагнитные процессы в каждом отдельном варианте. Последовательное включение Последовательное включение конденсаторной батареи постоянной емкости и управляемого реактора обладает хорошими форсирующими свойствами [7]. При меньшем значении сопротивления реактора, чем сопротивление конденсаторной батареи (XL< XC), имеется возможность регулировать реактивную мощность от 0 до мощности конденсаторной батареи. При последовательном включении реактора основной проблемой является резонанс напряжений как на первой гармонике 50 Гц, так и на высших гармониках тока и напряжения 2017/2 100, 150, 250 Гц (рис. 2) [8]. Кроме того в процессе регулирования наблюдается превышение напряжения на конденсаторной батарее относительно напряжения сети. Это связано с суммарным уменьшением сопротивления контура. На рис. 2 представлена зависимость превышения напряжения конденсаторной батареи относительно сети UC / U от диапазона регулирования мощности компенсирующего устройства DQ. В то же время ток резонансной частоты может в несколько раз превышать номинальное значение [9]. Поэтому при плавном регулировании индуктивности реактора равенство емкостного и индуктивного сопротивлений недопустимо. Анализ рис. 2 показывает, что целесообразным является диапазон регулирования между второй и третьей гармониками. Регулирование при больших значениях индуктивного сопротивления реактора приводит к недопустимому повышению напряжения на обкладках конденсаторной батареи. В программном комплексе MATLAB Simulink [10, 11] были смоделированы переходные процессы при включении устройProceedings of Petersburg Transport University Современные технологии – транспорту 301 Рис. 2. Зависимость превышения напряжения конденсаторной батареи относительно сети UС / U от максимального диапазона регулирования компенсирующего устройства ства без нагрузки и с нагрузкой на линии. На рис. 3 представлен результат моделирования при включении устройства на номинальную мощность 5 МВА с максимальной индуктивностью. Его анализ показывает, что в момент коммутации имеет место более чем двукрат- ное превышение номинального значения тока, поэтому необходима установка дополнительного оборудования для ограничения бросков тока. При последовательном подключении реактора и конденсаторной батареи устройство Рис. 3. График тока сети при включении устройства с последовательным подключением конденсаторов и реактора ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС 2017/2 302 Современные технологии – транспорту будет потреблять большую мощность даже при отсутствии нагрузки на линии в любой точке регулирования. Потому требуется отключение устройства при низкой нагрузке сети или ее отсутствии. Параллельное включение При параллельном включении резонанс напряжений отсутствует, но имеет место резонанс токов, при котором сопротивление компенсирующего устройства стремится к бесконечности, а ток в контуре «реактор–конденсаторная батарея» ограничивается лишь сопротивлением реактивных элементов. Так как увеличение суммарного сопротивления компенсирующего устройства до больших значений не требует отключения устройства при отсутствии нагрузки, то возможно регулирование реактивной мощности даже при низкой нагрузке. При регулировании индуктивности в условиях, когда XL< XC , возможна компенсация емкостной составляющей реактивной мощности [12], а переход через индуктивность XL=XC влечет возрастание токов в контуре компенсирующего устройства. На рис. 4 приведен результат моделирования включения компенсирующего устройства в сеть без нагрузки. Можно наблюдать практически четырехкратное превышение рабочего тока устройства. Подключение устройства в сеть с нагрузкой и без нее с разными значениями индуктивности дает аналогичный результат. В то же время необходимо дополнительное устройство для понижения пусковых токов устройства. Последовательно-параллельное включение Одним из способов понижения пусковых токов при параллельном соединении является установка неуправляемого реактора, последовательно с конденсаторной батареей. Если неуправляемый реактор и конденсаторная батарея будут рассчитаны на резонанс напря- Рис. 4. График тока сети при включении устройства с параллельным подключением конденсаторов и реактора 2017/2 Proceedings of Petersburg Transport University Современные технологии – транспорту жений для частоты 147 Гц, компенсирующее устройство будет выполнять функцию фильтрации третьей гармонической составляющей для тяговой сети [13]. Третья гармоника – превалирующая из спектра высших гармоник тока, генерируемых электровозом переменного тока [14]. На рис. 5 представлен график тока сети при включении устройства в сеть без нагрузки, построенный в результате моделирования. Его анализ показывает, что пусковой ток устройства снизился, но незначительно. Поэтому требуются дополнительные меры для ограничения пусковых токов, например применение ПИД-регуляторов. Далее была смоделирована ситуация резкого изменения нагрузки на линии. На рис. 6, а приведена зависимость тока сети от времени при заходе поезда в зону подстанции, на рис. 6, б – зависимость фазового угла на фидерах тяговой подстанции. Из рисунка следует, что коммутационные броски тока при изменении нагрузки в устройстве не происходят [15]. С помощью ПИД-регулятора могут быть достигнуты требуемая точность и устойчивость системы управления компенсирующим устройством. 303 Заключение Устройство компенсации реактивной мощности на основе конденсаторной батареи постоянной емкости и управляемого реактора способно регулировать реактивную мощность в сети в широком диапазоне. Для всех конструктивных вариантов наблюдаются пусковые токи в 2–4 раза больше номинальных. Для любого варианта подключения необходима дополнительная установка устройства ограничения пусковых токов. Установка нерегулируемого реактора последовательно с конденсаторной батареей в варианте параллельного включения позволяет снизить пусковой ток устройства и обеспечить фильтрацию третьей гармоники. Наибольший диапазон регулирования достигается при параллельном включении конденсаторной батареи и управляемого реактора, может достигать 100 % от номинальной мощности. При последовательном подключении он составляет около 15 %. Для достижения требуемой точности и устойчивости системы управления следует использовать цепи обратной связи, например с ПИД-регулятором. Рис. 5. График тока сети при включении устройства с последовательно-параллельным подключением конденсаторов и реакторов ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС 2017/2 304 Современные технологии – транспорту а б Рис. 6. Графики тока (а) и фазового угла сети (б) при изменении нагрузки с последовательно-параллельным подключением конденсаторов и реакторов Библиографический список 1. Овсейчук В. Компенсация реактивной мощности. К вопросу о технико-экономической целесообразности / В. Овсейчук, Г. Трофимов, А. Кац, И. Винер, Р. Укасов, А. Шимко // Новости электротехники. – 2008. – № 4 (52). – URL : http://www. news.elteh.ru/arh/2008/52/08.php (дата обращения: 12.03.2017). 2. Бородулин В. М. Конденсаторные установки электрифицированных железных дорог / В. М. Бородулин, Л. А. Герман, Г. А. Николаев. – М. : Транспорт, 1983. – 183 с. 3. Марикин А. Н. Адаптивное устройство компенсации реактивной мощности в тяговом электроснабжении переменного тока / А. Н. Марикин, 2017/2 В. А. Мирощенко // Изв. Петерб. гос. ун-та путей сообщения. – 2014. – Вып. 1 (38). – С. 16–21. 4. Соколов С. Е. Управляемые реакторы. Обзор технологий / С. Е. Соколов, А. Г. Долгополов // Новости электротехники. – 2012. – № 3 (75). – С. 18–22. 5. Марикин А. Н. Устройство поперечной компенсации реактивной мощности с изменяющейся индуктивностью / А. Н. Марикин, С. В. Кузьмин, В. А. Мирощенко // Изв. Петерб. гос. ун-та путей сообщения. – 2015. – Вып. 3 (44). – С. 77–84. 6. Марквард К. Г. Электроснабжение электрифицированных железных дорог / К. Г. Марквард. – М. : Транспорт, 1982. – 528 с. 7. Идельчик В. И. Электрические системы и сети : учебник для вузов / В. И. Идельчик. – М. : Энергоатомиздат, 1989. – 592 с. Proceedings of Petersburg Transport University Современные технологии – транспорту 8. Босый Д. А. Комплексная оценка показателей качества электроэнергии на тяговых подстанциях переменного тока / Д. А. Босый // Наука и прогресс транспорта. Вестн. Днепропетровск. нац. ун-та ж.-д. транспорта. – 2013. – № 4 (46). – С. 30–37. 9. Минина А. А. Методика выбора параметров средств компенсации реактивной мощности в тяговых сетях переменного тока / А. А. Минина, В. И. Пантелеев, Е. В. Платонова // Вестн. Сиб. гос. аэрокосмич. ун-та им. акад. М. Ф. Решетнева. – 2013. – Вып. 1 (47). – С. 59–63. 10. Щербаков В. С. Основы моделирования систем автоматического регулирования и электротехнических систем в среде Matlab и Simulink : учеб. пособие / В. С. Щербаков, А. А. Руппель, В. А. Глушец.– Омск : Изд-во СибАДИ, 2003. – 160 с. 11. Черных И. В. Моделирование электротехнических устройств в MATLAB, SimPowerSystems и Simulink / И. В. Черных. – М. : ДМК Пресс ; СПб. : Питер, 2008. – 288 с. 12. Берзан В. П. Компенсация реактивной мощности тяговой сети электрифицированного железнодорожного транспорта / В. П. Берзан, В. И. Пацюк, М. С. Тыршу, И. В. Андрос, В. Д. Шелягин, А. Т. Никулин, А. В. Бернацкий // Проблемы региональной энергетики. – 2010. – № 2 (13). – C. 19–34. 13. Черемисин В. Т. Двухрезонансные фильтрокомпенсирующие устройства электрифицированных железных дорог / В. Т. Черемисин, В. А. Кващук, С. Н. Бренков // Транспорт Российской Федерации. – 2008. – № 5. – С. 48–51. 14. Евстафьев А. М. Повышение энергетической эффективности электровозов переменного тока / А. М. Евстафьев, А. Н. Сычугов // Изв. Петерб. гос. ун-та путей сообщения. – 2013. – Вып. 1 (34). – С. 22–30. 15. Вострикова Е. А. О выборе зоны нечувствительности при компенсации реактивной мощности / Е. А. Вострикова, А. Г. Немцев // Вестн. Чуваш. гос. ун-та. – 2004. – № 2. – С. 132–135. Refernces 1. Ovseychuk V. A., Trofimov G., Kats A., Viner I., Ukasov R. & Shymko A. Kompensatsiya reaktivnoy moshnosty. K voprosu o tekhniko-ekonomycheskoy ISSN 1815-588Х. Известия ПГУПС 305 tselesoobraznosty [Reactive power compensation. On the issue of technical and economic expediency]. Electrical engineering Bulletin, 2008, no. 4 (52). (In Russian) 2. Borodulyn V. M., German L. A. & Nikolayev G. A. Kondensatorniye ustanovky elektryfytsirovannykh zheleznykh dorog [Condensing units of electrified railroads]. Moscow, Transport Publ., 1983, 183 p. (In Russian) 3. Marykyn A. N. & Myroshenko V. A. Adaptyvnoye ustroystvo kompesatsii reaktyvnoy moshnosty v tyagovom elektroshnabzhenii peremennogo toka [Reactive power compensation adaptive device in tractive electrical supply of alternating current]. Proceedings of Petersburg Transport University, 2014, issue 1 (38), pp. 16–21. (In Russian) 4. Sokolov S. Y. & Dolgopolov A. G. Upravlyayemiye reaktory. Obzor tekhnologiy [Controlled reactors. Overview of techniques]. Electrical engineering bulletin, 2012, no. 3 (75), pp. 18–22. (In Russian) 5. Marykyn A. N., Kuzmyn S. V. & Myroshenko V. A. Ustroystvo poperechnoy kompensatsii reaktyvnoy moshnosty s izmenyajusheisya induktyvnostju [Reactive shunt compensation unit with variable inductance]. Proceedings of Petersburg Transport University, 2015, issue 3 (44), pp. 77–84. (In Russian) 6. Markvard K. G. Elektrosnabzheniye elektryfytsirovannykh zheleznykh dorog [Power supply of electrified railroads]. Moscow, Transport Publ., 1982, 528 p. (In Russian) 7. Idelchyk V. I. Elektrycheskiye systemy i sety [Electric systems and mains]. Moscow, Energoatomizdat Publ., 1989, 592 p. (In Russian) 8. Bosiy D. A. Kompleksnaya otsenka pokazateley kachestva elektroenergii na tyagovykh podstantsiyakh peremennnogo toka. Nauka i progress transporta [Integrated assessment of electric power quality rating on alternating-current traction substations. Science and progress of transport]. Vestnik Dnepropetrovskogo natsionalnogo universiteta zheleznodorozhnogo transporta [Dnepropetrovsk National University of Railway Transport Bulletin], 2013, no. 4 (46), pp. 30–37. (In Russian) 9. Mynina A. A., Panteleyev V. I. & Platonova Y. V. Metodika vybora parametrov sredstv kompesatsii reaktivnoy moshnosty v tyagovykh setyakh peremennogo toka [Choice technique of reactive power compensa2017/2 306 tion techniques in traction mains of alternating current]. Siberian State aerospace University, 2013, issue 1 (47), pp. 59–63. (In Russian) 10. Sherbakov V. S., Ruppel A. A. & Glushets V. A. Osnovy modelyrovaniya system avtomatycheskogo regulyrovaniya i elektrotekhnicheskykh system v srede Matlab i Simulink [Simulation foundations of automatic control systems and electrotechnical systems in Matlab and Simulink medium]. Omsk, SibADI Publ., 2003, 160 p. (In Russian) 11. Chernykh I. V. Modelyrovaniye elektrotekhnicheskykh ustroistv v MATLAB, SimPowerSystems i Simulink [Simulation of electrical devices in MATLAB, SimPowerSystems and Simulink]. Moscow, DMK Press Publ.; Saint Petersburg, Peter Publ., 2008, 288 p. (In Russian) 12. Berzan V. P., Patsyuk V. I., Tyrshu M. S., Andros I. V., Shelyagyn V. D., Nikulyn A. T. & Bernatskiy A. V. Kompensatsiya reaktyvnoy moshnosty tyagovoy sety elektrifitsirovannogo zheleznodorozhnogo transporta [Reactive power compensation of electrified railway transport traction mains]. Regional power Современные технологии – транспорту engineering issues, 2010, no. 2 (13), pp. 19–34. (In Russian) 13. Cheremysyn V. T., Kvashuk V. A. & Brenkov S. N. Dvukhrezonansniye filtrokompensirujushiye ustroistva elektrifitsirovannykh zheleznodorozhykh dorog [Double-resonant filter-compensating facilities of electrified railroads]. Transport of the Russian Federation, 2008, no. 5, pp. 48–51. (In Russian) 14. Yevstafiev A. M. & Sychugov A. N. Povysheniye energeticheskoy effektivnosty elektrovozov peremennogo toka [Energy effectiveness increase of alternating-current electric locomotives]. Proceedings of Petersburg Transport University, 2013, issue 1 (34), pp. 22–30. (In Russian) 15. Vostrikova Y. A. & Nemtsev A. G. O vybore zony nechuvstvytelnosty pry kompensatsii reaktivnoy moshnosty [On the choice of dead zone in the process of reactive power compensation]. Vestnyk Chuvashskogo gosudarstvennogo universiteta [Chuvash State University Bulletin], 2004, no. 2, pp. 132–135. (In Russian) МАРИКИН Александр Николаевич – доктор техн. наук, профессор, заведующий кафедрой, marikin_s@mail.ru; * МИРОЩЕНКО Василий Анатольевич – аспирант, vasilymir@yahoo.com (Петербургский государственный университет путей сообщения Императора Александра I). 2017/2 Proceedings of Petersburg Transport University
