Расчет систем тягового электроснабжения является основной задачей проектирования электрифицированных железных дорог. Для расчета энергосистемы необходимо корректно реализовать полную модель, включающую в себя: внешнюю энергосистему, модели тяговых подстанций с выпрямительными агрегатами и непрерывно перемещающуюся нагрузку (ЭПС). На основе статьи «Электрический расчет непрерывно перемещающейся нагрузки в MatLab/Simulink» продолжим исследование проблем, возникающих в ходе моделирования ЭС в MatLab/Simulink
MatLab/Simulink является одной из наиболее удобных и эффективных программ для инженерных расчетов и может быть использован для моделирования систем тягового электроснабжения, так как включает в себя большой набор расчетных методов, обширную библиотеку силовых электротехнических элементов и имеет возможность создания сложных моделей.
Задачи
– Система внешнего ЭС
– Система тягового электроснабжения с моделью ТП.
Задача первая.
Внешняя энергосистема — совокупность электростанций и линий электропередач (ЛЭП) между ними. В рассматриваемой задаче представлять модель внешней энергосистемы будут эквивалентные блоки источника трехфазного напряжения ( Three - phase source ) идлинной линии ( Three - phase PI Section Line ) .
Рассмотрим каждый из них:
Блок Three - phase source – источник трехфазного напряжения. С помощью этого блока будет моделироваться электростанция. На выходе этого блока получается трехфазное напряжение заданной амплитуды и частоты. В параметрах так же указывается мощность короткого замыкания на электростанции и отношение индуктивного и активного сопротивления трансформатора на электростанции.
Рис.2. Изображение Электростанции в MatLab/Simulink и Параметры блока Three-phase source
Блок Three - phase PI Section Line — длинная линяя, соединяющая электростанции. Длинные линии- линии с распределённой нагрузкой, в которых длина линии много больше, чем длина волны. В таких линиях из-за продольных и поперечных сопротивлений ток и напряжение изменяются непрерывно вдоль линии. В параметрах этого блока задается длина линии, частота протекающего тока и активное, индуктивное и ёмкостное сопротивление линии.
Рис. 2. Изображение длинной линии в MatLab/Simulink и Параметры блока Three-phase PI Section Line
В результате решения данной задачи получаем полную модель внешней энергосистемы. Две электростанции соединённые длинными линиями с промежутками для подключениями тяговых подстанций.
Рис. 3. Полная модель Внешней ЭС в MatLab/Simulink
Задача вторая
Тяговая подстанция постоянного тока предназначена для получения, преобразования (понижения напряжения и выпрямления тока) и распределения электроэнергии для обеспечения электрической энергией электровозов, электропоездов.
Рис. 4. Принципипальная схема тяговой подстанции: 1-Тяговый Трансформатор; 2-Выпрямительный агрегат
Для моделирования тяговой в MatLab/Simulink выбираем шестипульсовую неуправляемую схему выпрямления. Для реализации этого используем блоки трехфазного трансформатора ( Three - Phase Transformer ) и выпрямитель ( Universal bridge илина рис. 7 DD 1 )
Three - Phase Transformer
Данный блок является простейшим трехфазным двухобмоточным трансформатором с выбором конфигурации обмоток. В параметрах задаются паспортные данные заданного трансформатора, такие как мощность, частота тока и уровни напряжения на высокой и низкой стороне, и номинальные сопротивления обмоток и магнитопровода.
Рис. 5. Изображение блока тягового трасформатора в MatLab/Simulink и его параметры
Universal bridge
Универсальный блок выпрямителя с мостовой схемой соединения диодов, выполняющий функцию выпрямления переменного тока в пульсирующий с допущением принимаемый за постоянный. В данном случае используется трехфазная схема выпрямления. В параметрах этого блока выбирается нужная фазность моста (3), элементы (диод или теристор) и сопротивление полупроводникового элемента в открытом состоянии.
Рис. 6. Изображение блока выпрямителя в MatLab/Simulink и его параметры
Стоит отметить, что в дополнение к этим элементам необходимо учесть сопротивление линии обратного тока, поэтому к отрицательному выходу диодного моста присоединяется сопротивление, равное сопротивлению отсасывающего федера. Таким образом модель тяговой подстанции будет наиболее полно реализованна в пределах данной задачи.
Рис. 7. Полная модель тяговой подстанции постонного тока
В результате решения задач получается полноценная модель двухпутного участка электрифицированной железной дороги.
Результаты
Входе выполнения поставленных задач были получены графики напряжений на входе и на выходе тяговой подстанции.
Рис. 8. Панпряжения на входе первой и пятой ТП
Разность фаз и амплитуд напряжений отражает потери энергии во внешней системе на ЛЭП.
Рис. 9. Напряжениние на выходе ТП
Уровень напряжения в тяговой сети близок к нормативному уровню 3,3 кВ. Но из-за низкого коэфицента искажения форма графиков не идеальна. Уменьшение кривизны графиков и увеличение коэфицента искажения зависит от увеличения количества пульсаций.
Рис. 9. Итоговая модель двухпутного участка
Такая модель используется для анализа процессов, возникающих в ходе работы участка без нагрузки, при движении поездов и работы в аварийном режиме. В данном случае участок может быть, как и обобщенным, так и частным при условии внесения в модель данных о заданном пути.
