تقليل الخسارة في أنظمة السكك الحديدية الكهربائية

في هذا البحث، سوف يتم وضع طريقة لتقليل خسائر النظام لأنظمة جر السكك الحديدية المكهربة من خلال استخدام معوضات التباين الثابت (SVCs)، كما سيتم اعتماد نموذج تحليل تدفق الطاقة لنظام السكك الحديدية مع مراعاة نوعين من وصلات المعوضات الاستاتيكية (SVC) مع توصيلات من خط إلى أرض ومن خط إلى خط.

الهدف من تقليل الخسارة في أنظمة السكك الحديدية الكهربائية

تعتبر القاطرة الكهربائية في نظام الجر بالسكك الحديدية مصدراً هاماً لتيار التسلسل السلبي والتيارات التوافقية وخفض مستوى الجهد الكهربائي؛ وذلك لأنه يمكن تمثيلها بحمل من خط إلى خط بخاصية غير متوازنة، لذلك يعتبر استغلال معوضات التباين الثابت (SVCs) طريقة واعدة للتخفيف من المشكلات المتعلقة بجودة الطاقة في أنظمة جر السكك الحديدية.

كما تم فحص وظيفة التحكم في جهد التيار المتردد الثابت لنظام الجر بالسكك الحديدية، كذلك التحقيق في جدوى (SVC) في مواقع مختلفة، بالإضافة إلى ذلك تم تطوير طرق التعويض لتيار التسلسل السلبي في نظام ثلاثي الطور في، ومع ذلك بينما يتم استغلال المعوضات الاستاتيكية (SVC) لأغراض مختلفة في شبكة الطاقة التقليدية، على سبيل المثال تقليل خسارة النظام وتعظيم الأرباح وتقليل تكلفة التشغيل، لذلك؛ فإن الدراسات حول تشغيل المعوضات الاستاتيكية (SVC) في شبكات الجر بالسكك الحديدية نادرة.

كذلك تتمثل إحدى الطرق الفعالة لاستخدام (SVC) في نظام الطاقة في تحديد مخرجات الطاقة التفاعلية بناءً على مشكلة التحسين، بحيث تم اقتراح دراسات مختلفة للعثور على نقاط التشغيل المثلى لـ (SVC) لشبكات النقل أو التوزيع التقليدية، على سبيل المثال تم اقتراح مشاكل التحسين لتقليل خسائر النظام وتعظيم أرباح مشغلي الشبكات، ومع ذلك نادراً ما تم التحقيق في مثل هذه الأساليب لأنظمة الجر بالسكك الحديدية المكهربة.

إعدادات النظام الكهربائي الخاصة بالتقليل من فقدان القدرة بالسكك الحديدية

نظام (AT-Fed) للسكك الحديدية

يوضح الشكل التالي (1) تكوين نظام جر كهربائي للسكك الحديدية يتم تغذيته بواسطة (5 ATs)، كما أن هناك ثلاث مراحل، وهي التسلسل والسكك الحديدية والمغذي، بحيث يتم حقن التيارات من شبكة النقل عبر محول سكوت على جانبي السلسة والمغذي، كذلك تكون القطارات متصلة بين سلسال وسكة حديدية وتتغير مواقعها بمرور الوقت،،كما يتم توصيل (SVC) ويتم وصف تكوين الاتصال في القسم التالي، بحيث لوحظ أن جميع معلمات الجهد والتيار هي في شكل أرقام معقدة.

تكوين اتصال (SVC)

يوضح الشكل التالي (2) التكوينات الخاصة بتنفيذ (SVC) في نظام الجر بالسكك الحديدية، بحيث يقدم الشكل (2-a) اتصالاً فردياً من خط إلى أرض لـ (SVC)، وفي هذا المخطط يتم تثبيت (SVC) واحد في (5-th AT)، كما ويتم توفير التيار (ISC) فقط عبر خط سلسال.

كذلك يكون (SVC) مؤرضاً وغير متصل بالسكك الحديدية بحيث افترضت معظم الدراسات السابقة التي تدرس المعوضات البخارية المعزولة في نظام جر سكة حديد تغذيه (AT) وجود اتصال من خط إلى أرض، ونظراً لأن التيار التفاعلي يتدفق مثل حمل غير متوازن في هذا المخطط؛ فقد يكون هناك انحراف في الجهد في طور السكة (أي زيادة الجهد في VR5).

ومن ناحية أخرى، يوفر مخطط التوصيل من خط إلى خط، وذلك كما هو موضح في الشكل السايق (2-b)، كذلك القدرة التفاعلية لكل من سلسال ومغذي، بالإضافة إلى ذلك لا يتم تأريض المعوضات الاستاتيكية (SVC) ويتم توصيلها بمرحلة السكة الحديدية، لذلك وعلى عكس مخطط خط إلى أرض في الشكل (2-a)؛ فإنه يلزم استخدام جهازي (SVC) لتنفيذ النظام في مخطط الخط إلى الخط، كما توفر المعوضات البخارية المعزولة التيار إلى سلسال (ISC) والمغذي (ISF) ، كما ويتدفق مجموع التيارات عبر السكة.

نموذج حساب تدفق الطاقة الكهربائية من خلال السكك الحديدية

في هذا القسم، يتم تقديم نموذج حساب تدفق القدرة لنظام جر سكة حديد مزود بتغذية (AT)، وذلك كما كان موصوف في الشكل السابق (1)، وهو أمر مطلوب للتشغيل الأمثل للمراوح (SVCs)، بحيث تم اعتبار طريقتين توصيل (SVC) الموصوفين في القسم السابق في النموذج، ولتطوير طريقة الحساب؛ فإنه يتم أولاً بالتحقيق في المعادلات المتزامنة لتمثيل نظام الجر بالسكك الحديدية وإثبات أنه يمكن حل المعادلات المقترحة.

المعادلات الرياضية المتعلقة بنظام جر السكك المكهربة

في الشكل (1)، يمكن تمثيل جميع الفولتية والتيارات في شكل أعداد مركبة، كما تتم الإشارة إلى الأجزاء الحقيقية والخيالية لكل متغير بواسطة الحروف العلوية (r ، i) على التوالي (أي IC1 = IrC1 + jIiC1)، بحيث يتكون نظام الجر بالسكك الحديدية من نوعين من الأقسام، وهي أقسام بها قطار وبدونه، بحيث يوضح الشكل  التالي (3-a)، كذلك يمكن تكوين القسم بدون قاطرة بين سلسال وسكة حديدية، وفي هذه الحالة يتم تعريف الأجزاء الحقيقية والخيالية لتيار الخط من (k -th AT) إلى [(k + 1) -th AT] على التوالي:

حيث (x∈ {C، R، F}) من ناحية أخرى وكما هو موضح في الشكل (3-b)؛ تتدفق التيارات الخطية للسلسلة وجوانب السكك الحديدية من (k -th AT) إلى العقدة المتصلة بالقطار، لذلك وبالنسبة للقسم الذي يتضمن حمولة القطار؛ فإنه يتم تعريف الأجزاء الحقيقية والخيالية لتيارات الخط للسلسلة والسكك الحديدية على التوالي على أنها:

حيث أن {C، R}، بالإضافة إلى ذلك وفي هذه الحالة تحديداً؛ فإنه يمكن تعريف الأجزاء الحقيقية والخيالية لتيار الخط المتدفق من جانب القطار إلى [(k + 1) -th AT] على التوالي وعلى النحو التالي:

معادلات (SVC): نظراً لأن المعوضات البخارية المعزولة يتم تنفيذها في (AT # 5)؛ فإن القيود الحالية المتعلقة بالتغيير الخامس في (AT) مع مخطط اتصال (SVC)، وبالنسبة للمخطط المفرد من الخط إلى الأرض الموضح في الشكل (2-a)؛ فإن التيارات الموجودة في السلسلة والمغذي تفي بالمعادلات التالية:

توسيع الطريقة المقترحة لحل مشاكل الفقد الكهربائي

نظراً لأن طريقة حساب تدفق الطاقة الكهربائية تم تطويرها بشكل عام؛ فإنه يمكن اعتماد طريقة الحساب ليس فقط للنظام الموصوف في الشكل (1)، ولكن أيضاً لنظام الجر بالسكك الحديدية مع عدد مختلف من (ATs) والقطارات، وعلاوة على ذلك وحتى إذا اعتبرت الطريقة واحدة فقط (SVC) في آخر (AT) وخطي توصيل؛ فإنه يمكن تعريف حساب تدفق الطاقة باستخدام العديد من المعادلات التفاضلية الصغيرة أو طريقة اتصال مختلفة بسهولة مع تعديل بسيط لأن مبدأ عمل المعادلات المتزامنة.

وبنهاية هذه الدراسة؛ فإنه تم تقديم طريقة تقليل الخسارة المعتمدة على (PSO) لنظام جر سكة حديد (AT-feed)، وبالإضافة إلى ذلك تم اقتراح نموذج جديد لحساب تدفق الطاقة مع مراعاة المعوضات الاستاتيكية (SVC) تم أخذ مخططي اتصال (SVC)، وهما خط واحد إلى أرض ومزدوج خط إلى خط، كما ووضع في الاعتبار مشكلة تدفق الطاقة والتحسين.

أيضاً، وبالنسبة لطريقة التحسين؛ فقد تم تقليل فقد الطاقة لنظام الجر بالسكك الحديدية بنسبة تصل إلى (14.77٪)، لذلك يُقترح أن يمثل نموذج تدفق الطاقة المقترح نظام جر السكك الحديدية جيداً وأن طريقة التحسين المقترحة فعالة لتقليل فقد الطاقة، وفي الختام يمكن استغلال المعوضات البخارية المعزولة بطريقة أكثر كفاءة لنظام الجر بالسكك الحديدية باستخدام الطريقة المقترحة.