Емкостной коэффициент мощности

Коррекция коэффициента мощности в системах электроснабжения легкорельсовых железных дорог

Рассмотрим применение динамической коррекции коэффициента мощности cos φ и регулирования напряжения в системах электроснабжения легкорельсовых железных дорог. Использование подземных силовых кабелей для соединения подстанций 34,5 кВ приводит к очень низкому коэффициенту мощности, имеющему емкостной характер. Техническое задание, сформулированное заказчиком, предполагало динамическую компенсацию реактивной мощности, балансировку емкостных токов высоковольтных кабелей и подавление эффектов, обусловленных эксплуатацией подвижного состава. При этом потребление емкостной и индуктивной энергии не должно было превышать установленные пределы во избежание штрафных санкций. Еще одним аспектом проблемы была необходимость стабилизации напряжения.

Был проведен анализ потребления электроэнергии и ситуации с коэффициентом мощности cos φ. По результатам анализа был сделан вывод о необходимости установки реакторов со стальным сердечником. Основные реакторы коммутируются тиристорами под управлением от автоматических контроллеров коэффициента мощности, которые непрерывно контролируют ток, напряжение и коэффициент мощности. Предложенное решение с запасом обеспечивает выполнение требований электроснабжающей организации и позволяет избежать штрафных санкций.

На конечное качество электроэнергии могут влиять самые разные факторы, в том числе такие, как способ распределения электроэнергии, расположение оборудования и характеристики нагрузки. Как следствие анализ на предмет качества электроэнергии может быть весьма проблематичным. Источники питания для нужд железной дороги содержат, например, полупроводниковые преобразователи, управляемые выпрямители по мостовой схеме, которые потребляют несинусоидальный ток, причем не совпадающий по фазе с напряжением сети. Коэффициент мощности нагрузки, питаемой от источника переменного тока, определяется выражением:

коэф. мощн. = средн. мощность / (Vrms•Irms) (1)

Ток, потребляемый полупроводниковыми преобразователями, содержит высшие гармоники, в результате чего коэффициент мощности cos φ становится меньше, чем величина косинуса фазового сдвига между током и напряжением. Обычно фазное напряжение источника питания можно считать синусоидальным, хотя в ряде случаев оно также может содержать гармоники. Соответственно, мощность высших гармоник можно считать равной нулю. Тогда средняя мощность будет определяться формулой:

средняя мощность = V1rms • I1rms • cos φ1 (2)

Здесь индекс «1» относится к основной гармонике тока и напряжения, φ1 – фазовый сдвиг между основными гармониками тока и напряжения, а cos φ1 - коэффициент мощности, рассчитываемый по вышеуказанным величинам. Если форма напряжения строго синусоидальна, V1rms становится равной Vrms. Подставляя уравнение (2) в уравнение (1) получим:

коэф. мощности = λ = ( I1rms / Irms ) • cos φ1 (3)

Новый коэффициент мощности λ в уравнении (3) учитывает влияние высших гармоник и определяется выражением:

λ = μ • cos φ1 (4)

где μ = I1rms / Irms.

Коэффициент мощности λ характеризует несинусоидальные токи и имеет меньшую величину, чем cos φ1. Для компенсации нагрузок с такими токами необходимо сформировать реактивный ток соответствующей величины. Компенсация реактивной мощности при помощи конденсатора возможна только при достаточно синусоидальной форме тока.

Сеть не может работать с опережающим коэффициентом мощности. Последний может быть вызван перекомпенсацией или слишком большой емкостью нагрузки системы. Иногда роль статической емкости могут играть кабели распредсистемы. Многие электроснабжающие организации взимают с потребителей штрафы за низкий коэффициент мощности, если указанный коэффициент выходит за пределы, как в «емкостную», так и в «индуктивную» стороны, и потребитель не принимает мер по исправлению ситуации. Низкий коэффициент мощности λ в распредсистеме, питающей легкорельсовый транспорт (ЛРТ), имеет преимущественно емкостной характер, а не индуктивный, как у двигателей и прочих индуктивных нагрузок.

Емкостной коэффициент мощности, обусловленный преимущественно наличием высоковольтных распределительных кабелей и динамическим торможением подвижного состава, приводит к повышению напряжения на фидере и возникновению серьезных проблем со стабильностью напряжения. При этом наихудшая ситуация возникает после полуночи, когда частота следования поездов значительно снижается или их движение прекращается совсем.

Для решения проблем с качеством электроэнергии необходимо обеспечить балансировку емкостной реактивной мощности, регулирование напряжения и фильтрацию гармоник в случае, если меры по повышению качеству электроэнергии окажутся недостаточными для достижения соответствия стандартам.

Решения с механической коммутационной аппаратурой или последовательные реакторы, устанавливаемые в сети, могут не обеспечивать требуемого качества электроэнергии. Существуют также решения со статическими устройствами, устанавливаемыми на разных уровнях напряжения, но они сложны в проектировании. Поэтому основной акцент в настоящей работе сделан на создание промышленного решения для ЛРТ на основе доступных на рынке устройств.

Описание системы

Система основана на методе динамической коррекции реактивной мощности и регулирования напряжения в системе электроснабжения ЛРТ в Турции. Строительство первой очереди системы ЛРТ началось в 2003 г. К ней относятся легкорельсовая железная дорога (ЛРЖД) протяженностью 15 км, 16 поездов и 26 станций, которые в дальнейшем станут частью современной инфра городского транспорта (рис.1). В дальнейшем система будет расширяться за счет новых участков.

В описанной системе каждый поезд имеет пять тяговых двигателей по 105 кВт каждый. Для подключения подстанций 34,5 кВ используется подземный кабель 35 кВ XLPE1 x 95 длиной 24 км. Тяговая сеть запитывается от высоковольтной линии 34,5 кВ, питающей два трансформатора 2,5 МВА (34,5/0,6/0,6 кВ), каждый из которых питает трехфазные преобразователи переменного тока в постоянный мощностью 2 МВт. К положительному полюсу выхода преобразователей подключается контактный провод, а к отрицательному – рельсовый путь. Напряжение между ними составляет 750 В (рис. 2).

Кроме того, в каждой точке подключения железнодорожной компанией были установлены дополнительные трансформаторы мощностью 1000 кВА, предназначенные для питания вспомогательных нагрузок, таких как освещение, системы сигнализации, средства РЗА, а также нагрузок, которые могут появиться в будущем. Суммарная нагрузка этих трансформаторов не превышает 200 кВА.

Измерение и определение проблемы

Управляемые выпрямители обеспечивают относительно хороший коэффициент мощности (индуктивный, cos φ > 0.8) на первичной стороне тяговых трансформаторов во всем рабочем диапазоне системы ЛРТ. Анализ качества электроэнергии показывает, что уровни 11-й и 13-й гармоник тока от управляемых выпрямителей, передаваемые в сеть через трансформаторы, не превышают значений, установленных в наиболее часто используемых стандартах, касающихся эмиссии гармоник. Кроме того, в токе присутствовали 5-я и 7-я гармоники, причиной которых являлись искажения формы напряжения. Указанные искажения были вызваны нагрузками других потребителей и влияли на форму тока на стороне НН (рис.3 и 4).

Техническое задание, сформулированное заказчиком, предполагало динамическую компенсацию реактивной мощности и емкости высоковольтных кабелей с помощью электронных коммутирующих устройств. В соответствии с требованиями местных властей среднемесячное потребление индуктивной и емкостной энергии (квар•ч) не должно превышать одной трети (cos φ < 0.95) и одной четвертой (cos φ < 0.98) потребляемой активной энергии соответственно. В противном случае к потребителям применяются штрафные санкции.

Здесь мы рассматривали только проблемы с качеством электроэнергии, связанные с низким коэффициентом мощности при емкостном характере реактивного тока, а также при резких изменениях коэффициента мощности тяговой нагрузки. Поезда имеют различные коэффициенты мощности при ускорении, замедлении и движении с постоянной скоростью.

На начальном этапе активная мощность P (кВт), емкостная и индуктивная реактивные мощности Q (квар), полная мощность S (кВА) и коэффициент мощности λ измерялись на силовых трансформаторах, находящихся в шести существующих точках подключения ЛРЖД к энергосистеме. На рис.5 показаны результаты измерений в точке РСС1.

Коэффициент мощности cos φ на рис. 5 варьирует от нуля (чисто индуктивная нагрузка) до единицы (чисто активная нагрузка), когда ток совпадает по фазе с напряжением, и далее – до двух (чисто емкостная нагрузка). Измерения, полученные в одной из точек подключения к энергосистеме (РСС) в течение дня, показали, что коэффициент мощности достигал 1,9 (емкостной 0,1) при снижении тяговой нагрузки, и в этом случае активная мощность практически не потреблялась. Средний коэффициент мощности составил 1,5 (емкостной 0,5). При максимальной тяговой нагрузке, когда одновременно курсировало много поездов, потребляющих большую активную мощность, коэффициент мощности падал ниже 1,1 (емкостной 0,9). Были получены графики значений мощности и коэффициента мощности во время ускорения и замедления поездов. В точке PCC1 максимальная емкостная реактивная мощность, подлежащая компенсации, оказалась порядка 400 квар, что можно видеть из одновременно полученных значений коэффициента мощности, P, Q и S.

Реактивная емкостная мощность в PCC6 составила 470 квар. В точках PCC2, PCC3, PCC4 и PCC5 реактивные мощности лежали в диапазоне от 50 до 80 квар.

Емкостной характер коэффициента мощности обусловлен наличием высоковольтных кабелей, имеющих погонную емкость 0,14 мкФ/км, что соответствует емкостной реактивной мощности 52 квар/км. Соответственно в общей сложности к сети оказывается подключенной емкостная реактивная мощность 1250 квар (рассчитано для напряжения 34,5 кВ; измерено ночью). С другой стороны полная емкостная реактивная мощность, измеренная в трех точках подключения к энергосистеме днем при нормальном режиме работы, составила 980 квар. Разница была скомпенсирована за счет индуктивности нагрузки. Приборы для измерения мощности были установлены в точках подключения к энергосистеме на стороне среднего напряжения.

Еще одним аспектом проблемы являлась нестабильность напряжения. Во всех случаях низкий коэффициент мощности имеет отрицательное влияние на стабильность напряжения. Наличие любой индуктивной нагрузки приводит к дополнительному падению напряжения, в то время как емкостной нагрузки, если она достаточно велика, напротив, к повышению напряжения. С точки зрения качества электроэнергии повышенное напряжение представляет потенциальную угрозу для подключенных в параллель потребителей, и с точки зрения последствий это более существенно, чем возможный вред для энергосистемы, связанный с увеличением протекающего тока. Таким образом, основное внимание при анализе проблем с качеством электроэнергии должно быть уделено стабильности напряжения и компенсации емкостной реактивной мощности.

Коррекция коэффициента мощности cos φ должна улучшить стабильность напряжения. Однако решение на базе электромеханической коммутационной аппаратуры не позволит компенсировать реактивную мощность и регулировать напряжение в динамике, соответственно, его нельзя считать оптимальным.

Архитектура системы, техническое решение, результаты и выводы

Решение проблемы заключается в подключении достаточного количества индуктивных нагрузок параллельно системе с емкостным коэффициентом мощности. Принцип такой компенсации аналогичен подключению конденсаторов параллельно с индуктивными нагрузками для повышения коэффициента мощности. В качестве коммутационных аппаратов могут использоваться твердотельные ключи на базе тиристоров. Наиболее гибким решением будет являться решение с использованием силовой электроники, поскольку количество и загрузка поездов на линиях измеряются во времени.

Как можно видеть из рис. 5, емкостной коэффициент мощности динамически меняется во всем диапазоне возможных значений – от 0,9 до 0,1 (от 1,1 до 1,9 на графике). Расчеты, проведенные на основании результатов измерений, выполненных непосредственно на месте в существующих точках подключения к энергосистеме, показали, что требуется две автоматических компенсирующих установки на базе реакторов со стальным сердечником.

Номинальные мощности указанных реакторов составляют 450 квар в PCC1 и 550 квар в PCC6, т.е. в двух точках их шести. Предполагалось, что они будут установлены на стороне НН и компенсировать реактивную мощность через трансформаторы 1000 кВА, установленные в параллель с распределительной сетью низкого напряжения. Каждая из двух установок компенсации содержит реактор на 500 кВА с 9 или 11 ступенями, переключаемыми с помощью электронных коммутаторов с шагом 25 квар. В остальных точках подключения к энергосистеме, в которых измеренная емкостная реактивная мощность оказалась в пределах 80 квар, было решено установить нерегулируемые реакторы с номиналами 50 или 75 квар, поскольку в каждой из этих точек уже установлен трансформатор для вспомогательных нагрузок мощностью 100 кВА.

На рис.6 показано, каким образом к двум из шести трансформаторов 1000 кВА 34,5/0,4 кВ подключаются управляемые реакторы. Остальные реакторы имеют «жесткое» подключение к сети. Автоматические установки КРМ устанавливаются на стороне НН и обеспечивают коррекцию коэффициента мощности, который контролируется для каждого периода сетевого напряжения. Переключения происходят в момент перехода через нуль, что исключает переходные процессы. Все это позволяет запрограммировать контроллер на оптимальное поведение в любой ситуации. При необходимости получения 150 квар три реактора подключались одновременно. При этом контроллеры отслеживали ток и напряжения, рассчитывали коэффициент мощности и коммутировали ступени реакторов требуемым образом.

Предложенное решение позволило с гарантией уложиться в разрешенные пределы, составляющие 33% и 20% для среднемесячной индуктивной и емкостной реактивной мощности соответственно, и исключить штрафные санкции.

Улучшение коэффициента мощности cos φ, а также полной, активной и реактивной мощностей показано на рис.7. Анализ измеренных значений показывает, что коэффициент мощности корректируется до единицы с точностью до 1%. Емкостные реактивные мощности, ранее составлявшие в двух точках подключения к энергосистеме от 400 до 400 квар, оказались скомпенсированными в среднем до величины порядка 10 квар. Результаты расчета активной, индуктивной и емкостной энергии показывают, что требования, установленные поставщиком электроэнергии, выполняются с большим запасом. Это позволяет значительно снизить ежемесячные расходы на электроэнергию.

Результаты реализации этого проекта показывают, что внедрение автоматической КРМ на стороне 0,4 кВ в системе электроснабжения ЛРЖД позволяет корректировать любые изменения емкостного коэффициента мощности от нагрузок ЛРЖД в течение нескольких миллисекунд. Это исключает любые штрафные санкции со стороны поставщика электроэнергии. Кроме того, устраняется и проблема с колебаниями напряжения, причем даже в моменты ускорения и замедления поездов, т.е. при колебаниях активной мощности. Предложенное решение было реализовано на основе доступных на рынке устройств.