Параметры режима работы тяговой сети переменного тока при рекуперации электроэнергии

Инвертор, преобразующий электроэнергию рекуперации постоянного тока тяговых двигателей в переменный ток СТЭ, располагается на ЭПС и относится к категории ведомых сетью.

При рекуперации электроэнергии на переменном токе 25 кВ активная энергия рекуперации генерируется ЭПС в СТЭ, а реактивная энергия потребляется из сети внешнего электроснабжения так же как в режиме тяги. Это увеличивает реактивное электропотребление электровозами в межподстанционной зоне.

 

ТП

-------------> P ¦ Режим

-------------> Q ¦ тяги

---------------------------------------------------

ЭПС

<------------- Р ¦ Режим

-------------> Q ¦ рекуперации

Рис. Направления электроэнергии в режимах тяги и рекуперации ЭПС.

 

Угловые сдвиги между током и напряжением ЭПС в режиме тяги составляют для диодных ЭПС φ_Э = 37⁰эл, для тиристорных ЭПС φ_Э = 42⁰эл. Коэффициент реактивной мощности для режима тяги tg φ_Э = Q/P диодных ЭПС составляет tg 37⁰ = 0,754, тиристорных ЭПС - tg 42⁰ = 0,9. Следовательно реактивное электропотребление ЭПС в режиме тяги Q_Т = (0,75÷ 0,9)P. Реактивное электропотребление в режиме тяги составляет (75÷ 90) % от активного.

Угловые сдвиги между током и напряжением ЭПС в режиме рекуперации составляют φ_Э = 60 эл. гр. Коэффициент реактивной мощности для режима рекуперации tg φ_Э = Q/P составляет tg 60⁰ = 1,73. Следовательно, реактивное электропотребление ЭПС в режиме рекуперации Q_Р = 1,73P. Реактивное электропотребление в режиме рекуперации составляет 170 % от активного.

При совместной работе в межподстанционной зоне ЭПС в режимах тяги и рекуперации значительно увеличивается реактивное электропотребление. Оптимальный режим в межподстанционной зоне соответствует равенству активного электропотребления ЭПС в режимах тяги Рт и активной генерации в режимах рекуперации Рр (Рт = Рр). При этом реактивная мощность на тягу Qт = 0,9Р, реактивная мощность на рекуперацию равна Qр = 1,73Рт и суммарное реактивное электропотребление Q_∑ = (0,9 + 1,73)Рт = 2,63Рт. Соотношение К = 2,63/0,9 = 2,92. Следовательно, реактивное электропотребление в межподстанционной зоне в оптимальном режиме рекуперации увеличивается в 3 раза. Так как соотношения активного электропотребления ЭПС в режимах тяги и генерации меняется, то следует считать, что реактивное электропотребление увеличивается в диапазоне 1, 7 ÷ 3 раза по сравнению с режимом тяги.

Рассмотрим линейные и векторные диаграммы тока и напряжения тяговой сети в режимах тяги и рекуперации при одностороннем питании контактной сети.

Режим тяги.

Рис. Линейная диаграмма тока и напряжения ЭПС в режиме тяги: E₁, U₁ – кривая ЭДС и напряжения трансформатора ЭПС; i_1t – кривая тока, i₁₍₁₎ – кривая тока первой гармоники.

 

Потеря напряжения в режиме тяги

∆ Uтс = Iт R_ТС cos φ_Т + Iт Хтс sin φ_Т = Iат R_ТС + IрХ_ТС.

Напряжение у источника

U1 = Uэпс + ∆ Uтс.

 

Режим рекуперации.

 

Рис. Линейная диаграмма тока и напряжения ЭПС в режиме рекуперации: E₁, U₁ – кривая ЭДС и напряжения трансформатора ЭПС; i_1Р – кривая тока, i₁₍₁₎ – кривая тока первой гармоники.

 

Рис. Векторная диаграмма тока и напряжения в режиме рекуперации: Iэ –полное значение тока; Iра, Iрр – активная и реактивная составляющие тока ЭПС; φр – угловой сдвиг между током и напряжением.

Потеря напряжения в режиме рекуперации

∆ Uтс = Iр R_ТС cos (180 - φ¹_р)+ Iр Хтс sin (180 - φ¹_р) =

- IраR + IррХ.

Напряжение у источника U1 = Uэпс + ∆ Uтс.

В режиме рекуперации U1 > Uэпс и повышение напряжения на ЭПС выше предельно допустимого значения не возможно из-за значительного потребления реактивного тока и значительной величины потери напряжения от реактивного индуктивного тока в сопротивлении системы тягового электроснабжения. Проблема повышенного напряжения на ЭПС в режиме рекуперации при тяге переменного тока отсутствует. Низкого напряжение на ЭПС в режимах рекуперации также не должно быть из-за повышения напряжения за счёт активного тока в активном сопротивлении тяговой сети. Активная составляющая сопротивления тяговой сети двухпутного участка равна 0,1 Ом/км, реактивная составляющая – 0,3 Ом/км.

Значительное потребление реактивной мощности в режиме рекуперации увеличивает потери активной мощности в тяговой сети.

Потери активной мощности в тяговой сети

P² + Q²

DP = * R = (P²/U²)*R*(1+tg²j).

U²

Потери активной мощности в режиме тяги диодных ЭПС j = 37 ⁰ эл.

(tg 37⁰ = 0,754, cos 37⁰ = 0,799) и при снижении напряжения до 0,95 Uн:

Потери мощности от передачи активной нагрузки (j = 0, tgj = 0, cosj = 1) при U = 1,05Uн

DP1 = (Р² * R) / (1, 05Uн)² = 0,907(Р² * R) / Uн² .

Потери активной мощностиот передачи нагрузки с tgj = 0,754 (j = 37⁰, соsj = 0,799) и при снижении напряжения до 0,95 Uн

DP2 = [Р² (1+ tg²j) * R] / (0,95Uн)² = 1,74 (Р² * R) / Uн².

Увеличение активных потерь составляет 1,74/ 0,907 = 1,92, то есть в 1,92 раза. Потери активной мощности от реактивной мощности в суммарных потерях составляют 47,9%.

Потери активной мощности в режиме тяги тиристорныхЭПС j = 42⁰ эл (tg 42⁰ = 0,9; соs42⁰ = 0,743) и при снижении напряжения до 0,95 Uн

DP2 = [Р² (1+ tg²j) * R] / (0,95Uн)² = 2 (Р² * R) / Uн²

Увеличение потерь составит 2 / 0,907 = 2,21, то есть 2,21 раза. Потери активной энергии от реактивной мощности в суммарных потерях составляют 54,6%.

Потери активной мощности в режиме рекуперации ЭПС (без тяги) j = 60⁰ эл (tg 60 = 1,73; cos j = 0,5 ) и при снижении напряжения до 0,95 Uн

DP2 = [Р² (1+ tg²j) * R] / (0,95Uн)² = 3,993Р²R / (0,95 Uн)² =

= 4,42(Р² * R) / Uн².

Увеличение потерь составит 4,42/0,907 = 4,88, то есть в 4,88 раза. Потери от реактивной мощности в суммарных потерях составляют 79,5%. Увеличение потерь по сравнению с режимом тяги 4,88 / 2,21 = 2,2 раза.

Потери активной мощности в режиме рекуперации ЭПС (Рт = Рр) Q_∑ = (0,9 + 1,73)Рт = 2,63Рт и при снижении напряжения до 0,95 Uн

P² + Q²

DP₂ = * R = [P² + (2,63Р)²] / (0,95 Uн)² =

U²

=7,92P²R/0,9025 Uн² = 8,776 (Р² * R) / Uн²

Увеличение потерь составит 8,772/0,907 = 9,67, то есть в 9,67 раз. Потери от реактивной мощности в суммарных потерях составляют 89,7%. Увеличение потерь по сравнению с режимом тяги 9,67 / 2,21 = 4,4 раза. Так как соотношения активного электропотребления ЭПС в режимах тяги и рекуперации меняется, то увеличение потерь электроэнергии в тяговой сети в режиме рекуперации по сравнению с режимом тяги увеличивается 2 ÷ 4 раза.

Таблица. Потери активной мощности в сети при потреблении реактивной мощности в режимах тяги и рекуперации

Режим работы ЭПС	j, гр. эл.	tgj	DPаа, %	DPар, %	Кратность увеличения потерь	Напряжение	Приме= чание
Приём и передача активной энергии					-	1,05Uн	Активная мощность - постоянная величина
Режим тяги		0,9	45,4	54,6		0,95Uн
Режим рекуперации(без тяги)		1,73	20,5	79,5	2,2	0,95Uн
Режим рекуперации и тяги (Рр = Рт)		-	10,3	89,7	4,4	0,95Uн

DPаа – активные потери мощности при передачи активной мощности;

DPар – активные потери мощности при передачи реактивной мощности;

Выводы: Нагрузочные потери активной мощности при передаче реактивной мощности по СТЭ от полных потерь для tgj = 0,8 - 1,5 составляют 50-75%.

Увеличение потерь активной мощности требует дополнительных затрат энергоносителей на электростанциях, а в период наибольших нагрузок увеличения установленной мощности на электростанциях. Увеличение потерь активной мощности ухудшает технико-экономические показатели работы системы электроснабжения

Генерация (рекуперация) электрической энергии обеспечивает:

- значительный эффект экономии электрической энергии;

- повышение безопасности движения поездов появлением дополнительного электрического торможения наряду с пневматическим;

- экономия тормозных колодок.

Рекуперация электрической энергии – основное направление энергосбережения на электрифицированных железных дорогах переменного тока 25 кВ.

Рекуперативное торможение приводит и к отрицательным эффектам:

- увеличение износа рельсов из-за сосредоточения тормозных усилий на локомотиве;

- повышенное реактивное электропотребление увеличивает активные потери мощности в системе тягового электроснабжения, может потребовать оплаты за потребление реактивной электроэнергии выше экономического значения;

- появление при рекуперации повышенного уровня высших гармоник;

- дополнительные затраты на фильтрокомпенсирующие устройства.