автореферат диссертации по энергетике, 05.14.02, диссертация на тему:Проблема использования возобновляемых источников энергии для системы тягового электроснабжения

На правах рукописи

ЖУМАТОВА АСЕЛЬ АКАНОВНА

ПРОБЛЕМА ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ ДЛЯ СИСТЕМЫ ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

Специальность 05.14.02 - Электрические станции и электроэнергетические системы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 /> ЙЮН 2010

МОСКВА-2010

004605721

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшег профессионального образования «Московский государственный университет путей сообщения» (МИИТ) на кафедре «Энергоснабжение электрических железных дорог».

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Шевлюгин Максим Валерьевич (МИИТ)

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Герман Леонид Абрамович (Нижегородский филиал МИИТ)

к.т.н., ведущий научный сотрудник Добровольские Теодорос Пранцишкович (ВНИИЖТ)

Ведущее предприятие: Самарский государственный университет путей сообщения (СамГУПС)

Защита состоится « 02) » ШОМ, 2010 г. в часов на заседании диссе тационного совета Д 218.005.02 в Московском государственном университет пут сообщения (МИИТ) по адресу 127994, г. Москва, ул. Образцова, д. 9, стр. 9, ау 4210.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государстве ного университета путей и сообщения.

Автореферат разослан « » ОЦ__2010 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, просим н правлять по адресу диссертационного совета университета.

Сидорова Н.

л

Ученый секретарь диссертационного совета Д218.005.( ч доктор технических наук, ст. науч. сотрудник

ОБЩАЯ ХАРАКТЕСТИКА ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ Актуальность работы. На сегодняшний день из за постоянного роста энер-опотребления в мегаполисах и крупных промышленных регионах, происходит нижение резерва генерирующих мощностей, а в некоторых случаях растет их де-ицит. Данная работа посвящена частичному решению проблемы энергосбереже-ия за счет использования возобновляемых источников энергии (ВИЭ) в системах ягового электроснабжения (СТЭ) железных дорог. Развитию систем электроснаб-ения на основе ВИЭ и в частности на основе ветроэнергетики, в Казахстане, как в эане с огромным ветровым энергопотенциалом, уделяется особое внимание. Ис-ользование современных ветровых электроустановок (ВЭУ) не только в промыш-енной и хозяйственной энергетике, но и в СТЭ ж.д. актуально во всем мире.

Цель диссертационной работы. Исследование возможности эффективного спользования ВИЭ и, в частности, ветрового энергетического потенциала в СТЭ .д. Казахстана.

Основные задачи исследования. Для достижения цели в диссертационной аботе поставлены и решены следующие задачи:

проведен анализ потенциалов возобновляемых источников энергии в Респуб-ике Казахстан;

разработана схема ветровой тяговой подстанции (ВТП) для использования на говых подстанциях электрифицированных ж.д. переменного тока;

разработана имитационная модель работы ВТП в составе СТЭ ж.д. с учетом рактеристик конкретного типа ВЭУ;

разработан метод расчёта технико-экономической эффективности использо-ния ВЭУ в СТЭ ж.д. с учетом региональных особенностей эксплуатации.

Объект исследования. СТЭ ж.д., в которую входят тяговые подстанции и говая сеть, электроподвижной состав и ВЭУ с учетом технических, климатиче-IX, географических, инфраструктурных, социальных, экономических условий и ергетического потенциала ВИЭ территории.

Теоретическая и методологическая база исследований. В диссертацион-й работе использовались: методы компьютерной обработки массивов информа-и; методы расчета СТЭ ж.д.; методики расчетов экономической эффективности ектроэнергетических объектов; методы математической статистики и теории ве-ятности.

Научная новизна и положения, выносимые на защиту:

1. результаты теоретических и экспериментальных исследований для определения ветровых потенциалов районов Республики Казахстан, где намечена электрификация ж.д., дана оценка возможности их эффективного использования для нужд электрической тяги;

2. разработка схемы и конструкции ветровых тяговых подстанции (ВТП), т.е ТП, использующих ВЭУ с ветровыми электрогенераторами (ВЭГ) для СТЭ ж.д. пе ременного тока;

3. методика формирования графиков ветровых нагрузок с учетом их основны, характеристик и оценка основных параметров ВТП для конкретных условий;

4. имитационная модель работы ВТП в составе СТЭ ж.д. переменного тока, по зволяющая учитывать как вероятностный характер энергопотребления ТС, так-вероятностный характер генерации электроэнергии ВЭУ (ВТП);

5. разработка математической модели для определения техник экономического эффекта от использования ВЭУ на ж.д. Республики Казахстан.

Практическая ценность работы:

- определены ветропотенциальные зоны территории Казахстана с привязкой железнодорожным магистралям, предложены целесообразные объемы первооч редного использования ВЭУ в системе тягового электроснабжения ж.д. Казахстан.

- предложена методика выбора мощности и количества ВЭУ в составе ВТП;

- разработана методика построения вариантов соединения ВЭУ с систем тягового электроснабжения ж.д., реализованная в виде пакета прикладных пр грамм.

Апробация работы. Основные этапы и результаты диссертационной рабо докладывались на: научном семинаре и заседаниях кафедры «Энергоснабжеш электрических железных дорог» Московского государственного университе путей сообщения (МИИТ) в 2007-2009 гг.; на УШ-Х научно-практических ко ференциях «Безопасность движения поездов», МИИТ (2007-2009 гг.); на научн практической конференции «Неделя науки МИИТа» (2007г.); на V - Междунар ном симпозиуме Екгап$, «Электрификация, инновационные технологии, скоро ное и высокоскоростное движение на железнодорожном транспорте», Сан Петербург (2009г).

Публикации, По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ, из н одна в изданиях, рекомендованных ВАК по специальности 05.14.02 - Электри1 ские станции и электроэнергетические системы.

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, пяти глав основного текста, заключения по работе, приложений и списка использованных источников. Общий объем диссертации составляет 179 страницы, включая 49 иллюстрации, 23 таблиц, список использованных источников 77 наименований и 5 приложений на 33 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ Во введении дано обоснование актуальности исследуемой проблемы: Отмечено, что ветер является наиболее перспективным возобновляемым источникам энергии для СТЭ ж.д.

В первой главе произведен анализ по состоянию и перспективам развития ВИЭ. В мировой энергетике указывается, что в целом использование ВИЭ в мире приобрело ощутимые масштабы и устойчивую тенденцию к росту. По различным прошозным оценкам доля ВИЭ к 2015 г. во многих государствах достигнет или превзойдет 10%. Поэтому можно считать, что факт интенсивного роста использования ВИЭ в различных электроэнергетических системах не подвергается сомнению.

Исследованию проблем, связанных с развитием нетрадиционной энергетики, посвятили свои работы многие ученые, на трудах которых базировалось выполненное исследование. Основные аспекты исследуемой проблематики нашли отражение в работах ученых: Арбузова Ю.Д., Безруких П.П., Борисова Г.А., Виссарионова В.И., Огородова Н.В., Сидоренко Г.И., Федотова В.Э., Харитонова В.П., Фатеева Е.М., Андрианова В.Н., Франкфурт М.О., Рождественского И.В., Тарнижевского М.В., Борисенко М.М., Ершиной А.К. и др.

Указанные работы посвящены автономному и децентрализованному использованию ВИЭ в системах первичного электроснабжения. В настоящей же работе исследовались возможности использования ВИЭ в системе тягового электроснабжения электрифицированных железных дорог, которая является одним из наиболее мощных потребителей электроэнергии в региональных масштабах.

Внедрение ВИЭ в СТЭ ж.д. позволит в значительной степени снизить дефицит существующих генерирующих мощностей и повысить экологичность выраба-ываемой энергии. В табл.1. приведены результаты анализа по наиболее значимым отенциалам ВИЭ, который показал, что запасы малой гидроэнергии непосредст-енно для нужд СТЭ ж.д. малопригодны по причине недостаточной мощности и лиматическим условиям, а именно из-за сезонности ее выработки; геотермальная нергетика Казахстана имеет многочисленные локальные точки, но из-за низкотем-юратурного порога (не более 9б°С) и удаленности от ж.д. магистралей использова-

5

ние их для поставленной задачи крайне затруднительно; использование энергии -биомассы на данный период развития этого направления еще более затруднительно; использование световой энергии для поставленной задачи не представляется возможным по причине малой удельной мощности световых элементов (придется покрывать большие площади) и, самое главное, из-за суточной смены дня и ночи.

Табл.1. Потенциалы возобновляемых энергетических ресурсов Казахстана.

Наименование Энергетические ресурсы

Малых ГЭС <10МВт Солнца Ветра

Освоенный потенциал, млрд. кВт-ч в год. 0,4 - -

Экономический потенциал, млрд. кВт-ч в год. 7,5 - 0,82

Технически возможный потенциал, млрд. кВт-ч в год. 21 - 3,3-6,6

Теоретический потенциал, млрд. кВт-ч в год. 65 3,9-5,4 1820

Проведенный анализ показал, что из всего многообразия ВИЭ по доступности, экологичности и масштабам использования в районах Казахстана для СТЭ ж.д. приоритетной является энергия ветра, которая может быть трансформирована в электрическую ВЭУ единичной мощности до 5 МВт. В то же время энергия ветра характеризуется высоким потенциалом практически во всех зонах республики Казахстан, причем по показателю среднегодовой скорости ветра, эта энергия, как правило, более привлекательна по стоимости, чем другие виды ВИЭ. Именно поэтому данный вопрос остро стоит на государственном уровне и подкрепляется многочисленными распоряжениями и законами, в том числе и Законом Республики Казахстан от 4 июля 2009 года «О поддержке использования возобновляемых источников энергии». Данная тематика активно поддерживается и международным сообществом, одна из существенных работ «Обоснование по выбору перспективных площадок для дальнейшего обоснования строительства ВЭС в среднесрочной перспективе до 2015 года» была организована ТОО «Институт «Казсельэнергопроект», согласно договору №0088-S/A.05 от 20 июля 2005 года, на основании задания, выданного «ПРООН» (Программа Развития Организации Объединенных Наций). В данной диссертации использовались результаты экспериментов ряда международных проектов по исследованию ветровой нагрузки в районе Каратау в Южном регионе Республики Казахстан. В сотрудничестве с Германской фирмой Senior Consultant, Renewable Energies -Wind Energy процедура замеров была начата в 2007г. на специально созданных метеостанциях и по базовой программе РС400 проектно-строительной фирмы «НАР». Обработка указанных данных производилась с

март апрель май июнь июль август сентябрь октябрь ноябрь декабрь

к

j ш

ami

SO COO 100000 150000 300000 250000 300000 350000 100 COO 450 000 SQ0000 t, год

'Vcpl = 8.80 м/с ■Vcp7. = S.78 m;c ¡Vcp3" 7.40 м/с ;Vcp4 = 7.93 м/с ¡Vcp5- 6.23 м/с ¡Vcp6 = 7X13 м/с 5Vcp7= 0.00 м/с :Vcp8- 8.79 м/с IVcpS = 0.00 м/с Vcp10-0.00 м/с i Vcp'.l =6,33 м/с •\'cpl2«. 5.84 м/с

Январь Февраль Март (♦ Апрель

.' Мэй Иви*

' Лвг.ч-т (" Сентябри Ог-ряфь Ноябрь • ' Дечебрь

Расчет ; 8ьгопиигь

( Рис. 1. Результаты обработки экспериментальных данных по ветру за год. помощью разработанной программы, результаты которой приведены на рис. I, 2. Для разработки данной программы помимо интегрированной среды разработки turbo Delphi задействовался пакет Statistics системы MATLAB-2008.

На рис.]. представлено первое окно программы, где: 1 - это экспериментальные данные по скорости ветра в течение года по месяцам; 2 -зависимость вероятности распределения скорости ветра за месяц. По этим данным видно, что в тече-кие года не полностью сняты показания, что было связано с техническими неполадками. Первичная обработка определяет среднюю скорость ветра за расчетный период, периоды с наименьшим ветроэнергетическим потенциалом, характер распределения уровня ветра в процентном соотношении, что позволяет грубо оценить возможность использования ВЭУ для СТЭ ж.д. в данном районе. |На рнс.2. представлено второе окно программы с результатами более подробной Статистической обработки, где: 1 - это данные по скорости ветра в течение месяца : определением математического ожидания за месяц (7, 93м/с) и по каждым сут-;ам; 2 - закон плотности вероятности распределения скорости ветра за месяц; 3 -|толбчатая диаграмма распределения ветра по суткам в месяце; 4 - мгновенные начения ветра за 24 часа (30 графиков, соответствующие 30 суткам в месяце); 5 -

определена средняя скорость ветра по часам суток в течение месяца. Результаты представленной статистической обработки позволяют получить закон распределения плотности вероятности ветровой нагрузки за расчетный период, что в последующем позволит синтезировать теоретическую зависимость скорости ветра в периоды, когда нет экспериментальных данных. Здесь же в графическом виде хорошо видно, что средняя скорость ветра по суткам в данном месяце имеет большой разброс (4-16 м/с), что говорит об определенной вероятности энергодефицита в течение целых суток и возможном дефиците мощности в СТЭ, который должен быть скомпенсирован локальной буферизации энергии с помощью НЭ повышенной энергоемкости или коррекцией грузопотока. Статистическая обработка по часам суток в данном случае говорит о том, что ветровая нагрузка практически постоянна и график движения поездов не следует подстраивать в этом месяце под определенные часы, а он может быть равномерным. Полученное математическое ожидание позволяет оценить месячную выработку электроэнергии, вероятностное распределение позволяет определить минимальные и максимальные мощности ВЭУ и дать предварительное заключение о целесообразности использования ветроэнергии для нужд электрической тяги в данном регионе.

¡Vctñ s 7,33 м/с ¡Vqj сутки Í * 5.S4 м/с ¡Vcp сутки 2Ш 5.05 м/с ¡Vcp сутки 3= 8,98 м/с ¡Vcp сутки »-5.04 м/с iVcp с-утки 5- 8.57 м/с ;Vcp сутки $= 3,85 м/с :Vcp сутки 7- 5,60 м/с jVcp сутки 8- 7,72 м/с ¡Vcp сутки 9= 10,85 м/с ¡Vcp сутки 10*12.72 м/с ¡Vcp сутки 11- 4.39 м/с iVcp сутки 12-5.87 м/с jVfcp сутки Í3- S.SS м/с ¡Veo сутки 14- 'C3i м/с iVcp сутки 15= 8,30 Wc ;Vcp сути» 18- 16.?? м/с ¡Vcp сутки 17= 7.88 м/с Vcp сутки 18- 16.25 м'с jVcp сутки 19» 14,43 м'с ¡Vcp сутки 20« 636 м/с •Vcp сутки 21 «4.80 м/с (Vcp сутки 22. 951 м'с (Vcp сутки 23« 5,16 м/с •Vcp сутки 24> 4.53 м/с |Vcp сутки 25= 5.83 м/с ¡Vcp сутки 7,15 м/с Vcp сутки 27« 7.45 м/с ¡Vcp сутки 23= 5.37 м/с ¡Vcp сутки 23-5.39 м/с ¡Vcp сутки 33« 6.28 м/с

По месяцам Апрель

I ¡? W 2Р Зр 4 !? 5

6 Р ? V 8 55 9 V Юр 11 Р 12Р 13 Р И р 15 Р 16'5 17

i ссс гас t, мин f 18 Р 13Р 20 (V 21V 22

Рис. 2. Результаты статистической обработки экспериментальных данных ветровой нагрузки за месяц.

Помимо этого разработанная программа по уже известным параметрам ветровой нагрузки (среднее значение ветра, среднеквадратическое отклонение, закон распределения, параметры порывов и пр.), позволяет синтезировать случайную зависимость мгновенных значений скорости ветра от времени. Данный алгоритм представлен на рис.3., и используется в том случае, когда частично или полностью отсутствуют данные по мгновенным значениям ветра в течение значительного периода времени (например, месяцы июль, октябрь, ноябрь на рис.1.). В последующем теоретически синтезированная ветровая нагрузка может быть использована в качестве исходных данных в имитационной модели работы ветровых ТП в составе СТЭ ж.д.

Рис.3. Алгоритм формирования случайной зависимости значений скорости ветра по известному закону распределения.

Исследования показали, что распределение величины скорости ветра соответствует нормально-логарифмическому закону, а распределение длительности порывов ветра - нормальному. Поэтому для формирования случайных зависимостей скорости ветра используются нормальный закон распределения для длительности порывов ветра с параметрами т„ и ап- математическое ожидание и среднеквадра-

тическое отклонение случайной величины х„, а также логарифмически-нормальный с параметрами а и р для амплитуды скорости ветра.

Для моделирования случайных чисел, распределенных по нормальному закону, использовался генератор псевдослучайных чисел (ГСЧ) равномерно распределенных в интервале от 0 до 1 с помощью стандартной подпрограммы Turbo Delphi-2007 «RANDOM». Затем используя уравнения преобразования равномерно распределенной величины, формировалась последовательность случайных чисел, распределенных по нормальному закону. В данной задаче используются формулы, предложенные Муллером, и позволяющие получать пару сопряженных независимых значений rji и

Л,

Нормальное распределение величин моделируется по формулам:

xJ = тх + ах • 7]/ 7 ху+, = тх + ■ т]^. (2)

Логарифмически-нормальное распределение величин моделируется по формулам:

у ] с , у е • (3)

Для проверки согласованности теоретического и статистического распределения используется критерии согласия Пирсона:

/ = (4)

ы КР/

где п - число разрядов статистического ряда ветровой нагрузки; к - число реализаций (объем статической совокупности); т, - количество попаданий в /-ый разряд статистического ряда; р, - теоретическая вероятность попадания случайной величины в /-ый разряд статистического ряда; кр, - теоретическое количество попаданий случайной величины в /-ый разряд.

Разработанная программа позволяет произвести расчёты, на основании которых можно не только сделать предварительные выводы о целесообразности использования энергии ветра в расчетных районах местности для нужд электрической тяги, но и синтезировать теоретическую ветровую нагрузку для дальнейшего использования в моделировании работы ВЭУ в составе СТЭ ж.д., оценить сезонную составляющую энергии ветра и, в случае неравномерности ветровой нагрузки в течение суток, скорректировать график движения поездов (для примера, в апреле, см.

рис.2., ветровая нагрузка равномерна по времени суток, из чего следует, что график движения поездов может быть так же равномерным).

Во второй главе разработана схема TIT с ВЭУ (далее ВТП) для электрифицированной ж.д. переменного тока. Рассмотрены принципиальная схема и режимы работы ВТП (рис.4,5). Структурная схема ВТП показана на рис.4. В состав ВТП, вместо традиционного силового оборудования, должны входить ветровой электрогенератор в сочетании с преобразовательным агрегатом и накопителем энергии (НЭ) достаточно большой энергоемкости. В качестве НЭ может быть использован инерционный накопитель, емкостной, сверхпроводниковый индуктивные НЭ, или же аккумуляторная батарея АБ. Анализ основных типов НЭ показал, что для решения поставленной задачи целесообразнее использовать емкостной накопитель энергии (ЕНЭ).

Режим работы ВТП следующий (см. рис. 4, где показаны схемы ВТП и включения ВТП в СТЭ ж.д.): при отсутствии поездной нагрузки электроэнергия ВЭГ, вырабатываемая в блоке I, накапливается в емкостном накопители энергии НЭ блока 2. При подходе поезда, ВТП начинает подпитывать его с помощью ВЭГ. В момент проезда вблизи ВТП поезд потребляет от подстанции максимальный тяговый ток, при отсутствии необходимого ветра параллельно к ВЭГ подключается НЭ, обеспечивая необходимую мощность. Основной смысл работы системы при этом заключается в том, что ВЭГ постоянного работает на полную мощность (если же, конечно, имеется необходимая сила ветра), питая и поездную нагрузку и паралель-

2

енэ

К!Г.) в блоке 2 от В')Г соседней IM II или Ш

режим нитяным от ► СЮ в блоке 2 черсч блок 3 к')

■цфнл ){ ) и блоке2 от собственного ЮГ » блоке 1

заряд 11) и блоке 2 от рекунернруюше! о поеща

режим питании ) непосредственно от ЮГ с блока 1

Рис. 4. Структурная схема ВТП и возможные режим работы.

но обеспечивая подзаряд собственного НЭ или НЭ соседних ВТП. Сам же НЭ работает в импульсном режиме, обеспечивая энергией броски пусковых и далее тяговых токов. При необходимости (в случае недостаточной силы ветра в данном районе) подпитка ВТП для подзаряда НЭ может обеспечиваться от соседних ВТП или ГТП прямо по тяговой сети, т.е. через контактную сеть и рельсовую цепь.

Таким образом, у ВТП существует несколько режимов работы (см. рис. 5):

- режим заряда НЭ от собственного ВЭГ (при отсутствии поездов Э на зоне), при этом энергия ветра через блок 1 поступает непосредственно к НЭ в блок 2 (см. рис.4);

- режим подзаряда НЭ по ТС от ГТП или соседних ВТП (при отсутствии других поездов на зоне и недостаточной ветровой нагрузке в данной части ж.д. линии);

- режим заряда НЭ по ТС от рекуперирующего поезда (при отсутствии поездов на зоне);

- режим питания Э поТС от ВЭГ (при незначительной тяговой нагрузке);

- режим питания Э по ТС от ВЭГ и НЭ (при питании поезда вблизи данной ВТП).

Ток подзаряда В'Ш от

~ ► Ток подзаряда ВТП от ТО - —рекуперирующего поезда , , Питания от ВТП - ^ Режим питания от ЕЮ Питания от ГТП

Рис. 5. Принципиальная схема системы тягового электроснабжения с ветровыми тяговыми подстанциями.

В случае подзаряда НЭ от главных тяговых подстанции (ГТП) по ТС снижается к.п.д. всей системы тягового электроснабжения с ВТП за счет появления дополнительных потерь электроэнергии в тяговой сети в ГТП и ВТП, что должно быть учтено при определении тсхнико-экономической эффективности использования ВТП в СТЭ. На рис. 6. показана схема замещения СТЭ при заряде НЭ от ГТП. Величина дополнительных потерь электроэнергии от заряда НЭ ВТП от ГТП будет зависеть от ветровой ситуации в районе, а точнее от периодов дефецита ветровой нагрузки, и может быть рассчитана по следующей формуле:

Мта = X ДРдаЛ + ^ + X А/яяЛ = ¡=1 .=1 1=1 к т п т /« т ; (5)

1=1 о о '=1 о

т т

при ЭТОМ Е^втт = X V 2777г 1=1 1=1

где к - количество элементов тяговой сети; и - количество ТГ1; т количество ВТП; АР - потери активной мощности в ТС, ТП и ВТП; 12 - общий ток, протекающий в ТС и ТП; 11 - ток от тяговой нагрузки в ТС и ТП; 1т - ток ВТП;

Следует отметить, что для обеспечения названных режимов работы СТЭ с ВТП в целом, необходима специальная многопараметрическая система измерений, j диагностики и микропроцессорного блока управления. Данная система должна постоянно отслеживать состояние ТС, запас энергии в НЭ, ветровую нагрузку и мно-I roe другое, вплоть до кратковременных метеопрогнозов, и принимать решение о перераспределении энергетических потоков. К примеру, при недостаточной ветровой нагрузке и наличии поездов на зоне напряжение на шинах ВТГ1 будет целесообразнее искусственно, с помощью преобразовательного агрегата, занизить и переложить большую часть тяговых токов на те ВТП, где сохранился больший энерго-| запас в НЭ или же на обычные ГТП. Таким образом, для наиболее эффективной ра-j боты всей СТЭ с ВТГ1 необходимо централизованное управление.

Конструктивное исполнение ВТП предполагается быть модульным (ВЭГ+ ПА+НЭ), т.е. в данном случае мощность ВЭГ и энергоемкость НЭ независимы друг от друга, оцениваются исходя из существующего графика движения поездов, а также ветровой нагрузки данного района и определяется моделированием (см. гл.4.).

Данный подход крайне удобен в случае усиления СТЭ при изменении размеров движения, а отсутствие подводящих линий системы первичного электроснабжения обеспечивает полную свободу в проектировании и сооружении необходимых конструкций.

На рис. 7 показана принципиальная схема ВТО, которая состоит из преобразователя постоянного тока с индуктивным звеном, трехфазного выпрямителя и однофазного выпрямительно-инверторного агрегата с повышающим выходным трансформатором.

Преобразователь постоянного тока

Г

Рис. 7. Схема ВТП.

Третья глава посвящена моделированию процесса работы ВЭУ в составе СТЭ ж.д. переменного тока, сформирована база данных по основным отечественным и зарубежным ВЭУ.

По метод}' общей оценки ветрового потенциала и производительности ВЭУ, при известных характеристиках ветра, можно перейти к электротехническим и эксплуатационным показателям ВЭУ, а именно: принимаем, что поток ветра с поперечным сечением 5 обладает кинетической энергией, определяемой выражением:

(6)

2 2

где: т = рБУ - масса воздуха; р - плотность воздуха; V - мгновенная скорость ветра, определяемая по данным наблюдений или моделирования; 5 - площадь сечения ветрового потока. Однако, полностью кинетическую энергию ветра преобразовать в движение ветряка практически невозможно, ее долю определяет коэффициент использования энергии ветра с, который оценен как:

Полную мощность ветрового потока М можно описать произведением силы ветра Р\> на скорость V. Реальная же мощность ветра должна учитывать коэффициент использования:

где Сх - аэродинамический коэффициент лобового сопротивления; (I -II) -относительная скорость набегания ветра на поверхность; I! - скорость, с которой перемещается рабочая поверхность (лопасти турбины).

В зависимости от условий работы, ландшафта, показателей ветровой нагрузки оценивается электроэнергетический потенциал ВЭУ с пересчетом уже на электрическую мощность, которая может быть отдана в СТЭ. А именно:

где: Авэу - энергия ВЭУ, отданная в СТЭ, Рюу - мощность, 1ЮУ и U&y - ток и напряжение ВЭУ, АРВэг и АР па ~ потери мощности в электрогенераторе и преобразовательном агрегате.

Разработана прикладная программа (вид интерфейса приведен на рис. 8.), которая в зависимости от показателей ветровой нагрузки, места расположения ВЭУ (т.е. районной ветровой нагрузки) позволяет оценить тин ВЭГ, рассчитать интегральные и мгновенные электроэнергетические показатели всей ветровой электроустановки т.е. мгновенные мощности и выработка энергии в течение расчетного периода времени. На рис.8, приведен пример, где: © и © - технические характеристики выбранного типа ВЭУ SWT-2.3-93 (при скорости ветра 11 м/с будет достигнута номинальная мощность 2300 кВт); ® - смоделированная зависимость мгновенной мощности ВЭУ указанного типа от времени, которая в последующем будет использована в качестве исходных данных для моделирования работы СТЭ с ВЭУ; © - интегральные показателей работы ВЭУ, т.е. средняя мощность ВЭГ составила 800 кВт при скорости ветра 7, 93 м/с, максимальная мощность ВЭГ соста вила 2300 кВт при скорости ветра от 11 м/с, выработка электроэнергии за расчетный период времени составила примерно 580 кВтч. В данном случае можно сделать вывод, что для использования на ВТП в составе СТЭ при соответствующих условиях понадобится как минимум 3 ВЭГ указанного типа.

Mv = FvV4 = FvCx (F - U)1 ;

(8)

Av = jFvC^'~ur-Tät = A3y, =jPtoya = j(J„yUBW-ЛРЮг -AP/aW; (9)

<1 ' П fi

Тип - 8^/Т-2.3-93 . Ометаемая площадь - 6800 ?л2 Частота вращения - 6-16 об/мин [ Генератор - асинхронный ! Номинальна мощность - 2300 кВт : Система контроля * БСАВА, ЛМеЬ^'ТВ : Тормазная система - 3- ступенчатая планетарная, с косозубыми зубчатыми . колесами

©

Рср=804,90 кВт . Выработка ВЭГ: А= 2086401152,00 кДж А- 379,56 МВт ч

(з) (Г)Зависимость мощности ВЭУ (кВт) от скорости ветра (м/с)

20 ОНО 35 00С 1, ммн

Рис. 8. Интерфейс программы с примером оценки показателей работы ВЭУ при конкретных параметрах ветровой нагрузки.

На рис.9, показан принцип взаимодействия ВЭГ, НЭ и ТС, где в качественном виде в единой оси времени показан эпизод сравнения мощности ВТП, необходимой для нагрузки в ТС, с мощностью ВЭГ (а); определение необходимой мощности заряда или разряда НЭ (б); запас энергии НЭ в функции времени (в). На рис. 9. (а) показаны три характерные зоны: I - зона избыта мощности ВЭУ (в данный период времени ВЭГ полностью питает тяговую нагрузку, а также может заряжать НЭ и подпитывать другие ВТП); 2 - зона достаточности мощности ВЭУ (в данный период времени мощности ВЭГ хватает только на питание тяговой нагрузки на зоне); 3 - зона дефицита мощности ВЭГ (в данный период времени мощности ВЭГ не хватает для питания тяговой нагрузки и поэтому необходима подпитка от НЭ, НЭ при этом работает в режиме разряда). В зависимости от условий в ТС, которые определяются по уровню напряжения, и ветровой ситуации, определяется та или иная зона работы системы и дается сигнал на заряд или разряд НЭ. Из рисунков видно, что для определения необходимых параметров системы необходимо производить статистическую обработку показателей работы СТЭ и ВЭГ, а именно первой и третьей зон, а энергоёмкость НЭ для ВТП будет определяться, как интеграл разности мгновенных мощностей по времени:

1,1 1,г

А, = [ (Рт - Р ВЭГ а ТС «ТС - Р ВЭГ (10)

где Рш - мгновенная мощность необходимая для питания нагрузки ТС; РП )1 -мгновенная мощность ВЭГ; ¡Тс - ток тяговой сети, необходимый для питания тяговой нагрузки; игс - напряжения на шинах ВТП.

При этом следует определить то соотношение интервала времени Тр и величины мощности разряда НЭ за один цикл перезаряда, при котором величина отдаваемой энергии в ТС была максимальной (Араз.тах на рис.9). Именно на этоту величину и должна быть рассчитана энергоемкость НЭ.

Рвэу>Ртп Рвэу=Ртп Рвэу<Рти

Рис. 9. а) характер изменения мощности, необходимой для ТС и выдаваемой ВЭГ; б) мощности НЭ; в) изменения запаса энергии в НЭ в функции времени.

Алгоритм данной программы является частью имитационной модели работы ВТП в составе СТЭ, которая реализует все выше указанные режимы энергообмена между ТС, ВЭУ и НЭ. Блок-схема алгоритма модели представлена на рис.10. Для принятия решения в пользу того или иного выбора режима работы ВТП оцениваются условия в ТС (по уровню напряжения), проверяется текущий за пас энергии в НЭ, а также в зависимости от силы ветра рассчитывается отдаваемая мощность

ВЭУ. На рис.10.: Рк = - мгновенная мощность нагрузки ТС; Рвэу = /(V) -

мгновенная мощность ВЭУ; С/„- напряжения холостого хода ВТП; 1/гс - напряжения тяговой сети; 1вт - ток тяговой подстанции; /юу - ток ВЭУ; !,п - ток накопителя энергии; /„„ - ток заряда НЭ; 1рю - ток разряда НЭ; - ток, отдаваемый ВТП в тяговую сеть; 1р1К- избыточный ток рекуперации; Ат- энергия НЭ; Ув- скорость ветра.

Рис. 10. Блок-схема алгоритма работы ВТП в составе СТЭ ж. д.

В четвертой главе описан проект использования ВЭУ на электрифицируемом участке Актогай-Достык (Казахстан, район Джунгарских ворот, протяженность 306 км). В данном районе по результатам исследований наблюдается достаточный ветровой потенциал. Для расчета и моделирования даны характеристики железнодорожного участка Актогай - Достык, где описаны динамика объемов грузовых и пассажирских перевозок и их перспективы на будущее.

Для определения основных параметров работы СТЭ с ВТП на расчетном участке Актогай - Достык была смоделирована работа СТЭ с размерами движения 35 пар в сутки (грузовые 3600т и пассажирские 750т в случайном порядке, но с равно-

мерным интервалом). Для расчета использовалась имитационная модель работы СТЭ ж.д. с ВТП. разработанная на базе програ.ммного комплекса, созданного на кафедре «Энергоснабжение эл. ж.д.» МИИТа. Общий вид расчетной схемы, в графическом представлении СТЭ с ВТП участка Актогай-Достык, показан па рис.! I.

Рис. 11. Графическое представление СТЭ участка Актогай-Достык.

Расчетная схема включает в себя 6 'ГП, из них две это ГТП по краям расчетного участка (Достык и Актогай) и четыре ВТП (Жаланашколь, Разъезд №13, Разъезд №18, Разъезд №5). В результате моделирования получена зависимость мгновенных мощностей ТП и ВТП по времени, а также интегральные показатели работы ВТП (расход энергии за сутки, максимальные мощности заряда и разряда НЭ, необходимая энергоёмкость НЭ). Пример результатов моделирования приведён на рис.12,13,14. На рис.12, показана зависимость мощности одной из ВТ'П, необходимая для питания тяговой нагрузки, в течение 12 часов. Здесь видна характерная неравномерность тягового энергопотребления в ТС, где максимальное значение мощности достигало порядка 5,5 МВА, а минимальное опускалось практически до нуля. Следует отметить, что среднее значение мощности данной ВТП составило 2,4 МВА. Необходимая мощность ВТП (рис.12.) должна быть обеспечена мощностью ВЭУ и НЭ. На рис. 13. показана мощность ВЭУ в той же оси времени в один из характерных дней с устойчивой ветровой нагрузкой. Среднее значение ВЭУ составило порядка 3 МВА, что выше среднего значения ВТП для необходимого питания ТС. Однако, тяговая нагрузка не равномерна и чтобы покрыть ее пики потребления (до 5,5 МВА) мощности ВЭУ недостаточно. Необходимый дефицит мощности компенсирует НЭ. На рис.14, показаны мощность и запас энергии в НЭ ВТП в той же оси времени. При совмещении всех трех графиком (рис. 12,13,14) хорошо видно, когда и в каком режиме работает НЭ для обеспечения покрытия дефицита мощности ВЭУ, при этом максимальная мощность заряда составила 2,5 МВт, а максимальная мощность разряда - 3 МВт. Именно на эту мощность должен быть рассчитан ПА НЭ.

Достык - 0,2 км

Жаланашколь - (»5,20 км Ра^ьезд №5 - 246,2 км Актогяй - 306,2 ш

fkrn, Mbr

m 450 500 550 600___650___708_750 8ЕЮ__B50__900 950 10ОО 1 050____f 100.

Рис. 12. Мощность ВТП «Разъезд MS», необходимая для питания ТС в течение

12 часов (моделирование участка Актогай - Достык), в функции времени.

Рвэу, МВт

400 450 500 550 500 650 700 750 ООО 350 300 950 1 0ОО 1 050 1100t5MHH

Рис. 13. Мощность ВЭУВТЛ «Разъезд №5» в течение 12 часов (моделирование участка Актогай -Достык), в функции времени.

Рис. 14. Мощность и запас энергии в НЭ ВТП «Разъезд №5» в течение 12 часов (моделированиеучастка Актогай -Достык), в функции времени.

По разработанной модели с подключением созданных баз данных, произведены расчеты системы тягового электроснабжения и определены параметры ВТП с ВЭУ и НЭ в СТЭ электрифицируемого участка ж.д. Актогай-Достык переменного тока. По данным расчета выбраны силовое оборудование ТП, перегонные устройства, полупроводниковые преобразователи и прочее.

Электротехнические параметры ВТП должны быть следующими:

- мощность ВЭУ Рвэу = 3x2300 МВт;

- мощность преобразователя НЭ Р„э = 5 МВт;

- энергоемкость НЭ А„э = 1000 МДж;

- общая номинальная мощность ВТП Аегп ~ '2 000 кВА.

Основным модулем этой модели является комплексная программа, где рассчитывается выдаваемая мощность ВТП в СТЭ ж.д., необходимая для заданных размеров движения.

В пятой главе рассмотрена технико-экономическая оценка эффективности использования ВЭУ в системе тягового электроснабжения ж.д., где рассчитывается обобщенный вид технико-экономических показателей работы СТЭ с ВЭУ. На рис. 15. представлен график изменения стоимости электроэнергии (федеральный закон РФ). На рис. 16. - изменение стоимости удельной установленной мощности ВЭУ по годам, а также изменение себестоимости энергии различных электростанций.

3,5 3,25

з

2,75 2,5 2,15 2

1,75

м

руб/кВтч

годы

120000 100000 80000 60000 40000 20000 0

Вт •*♦■»Мощ. ВЭУ —♦-»газ ветер 1 Ж"1 уголь 1 уб. 1АТ

VI ¡м> -

7*

--

2007(8) 2008 2009 2010 2011

^ л/'

^

V V V

2,5 2

1,5 1

0,5 0 ОДЫ

Рис. 75. График повышения Рис. 16. Изменение стоимости удельной уста-тарифов на электроэнергию. новленной мощности ВЭУ и себестоимости

энергии различных электростанций.

Технико-экономический эффект от внедрения ВЭУ в СТЭ железных дорог в

основном будет складываться за счет снижения капитальных затрат на строительство подводящих линий электропередачи уровня 110 (220) кВ и их обслуживание, снижения расходов на оплату электроэнергии на тягу поездов за счет энергии ветра и дополнительного дохода от продажи избыточной энергии в зимний сезон сторонним, нетяговым потребителям.

Таким образом, срок окупаемости ВТП в СТЭ ж.д. исследованного участка Актогай-Достык можно оценить следующим образом:

Г - Кцщ-Кн!

" 3 Э„-(Звтп-Зтп)+\Э;

где Квт„ - капитальные вложения на строительство ВТП (руб.); Ктп - апиталь-ные вложения на строительство традиционной ТП (руб.); Эээ - экономия электроэнергии, забираемой из системы первичного энергоснабжения, за счет использования энергии ветра за год (руб. в год); Зт, - затраты на эксплуатацию ВТП (руб. в год); Зтп - затраты на эксплуатацию традиционных ТП с учетом эксплуатации подводящих ЛЭП (руб. в год); ДЭ - сезонная энергия, т.е. дополнительная энергия в холодные месяцы года, когда ветер становится более стабильным и значительно усиливается, что позволяет подпитывать собственные нужды и нетяговые потребители для обогрева и других нужд (руб. в год); ДК - разница капитальных затрат на строительство ВТП и традиционных ТП с ЛЭП (руб.); Э - экономия средств за счет снижения затрат на электроэнергию (руб. в год).

Принимая во внимание удельную стоимость ВЭУ порядка 20000 руб. за кВт (рис.16.), уровень тарифов 2,75 руб. за кВт-ч (рис.15.), 30% резерв и годовую выработку электроэнергии порядка 26,3-106 кВтч на ВТП, срок окупаемости ВТП по сравнению с традиционными ТП составил 12-15 лет. Следует отметить, что удельная стоимость ВЭУ со временем будет снижаться, а стоимость электроэнергии наоборот увеличиваться (рис.15, 16), поэтому к 2020 году срок окупаемости предполагаемой системы снизится до 9-11 лет, при сроке службы ВЭГ порядка 15-20 лет.

Заключение.

Возросший в последние годы интерес к энергетике является отражением ее экономической, социальной и экологической значимости для общества. Современный период развития характеризуется обострением проблем в энергетике, вызванных кризисом в экономике, а также появлением сложных экологических проблем.

В диссертации получены следующие основные результаты и выводы:

1. Результаты рассмотрения потенциальных возможностей известных и используемых ныне видов возобновляемых источников энергии: морских приливов и волн, гидроэнергии, геотермальной энергии, энергии биомассы, солнечного излучения и энергии ветра показывают, что для использования в системах тягового электроснабжения (СТЭ) железных дорог Казахстана наилучшим образом подходит ветровая энергия.

2. Предложена структурная схема ветровой электрической тяговой подстанции (ВТП), состоящей из ветрогенератора (крыльчатки с генератором переменного тока на оси), преобразователя переменного тока в постоянный, к выходу которого подключены

две параллельных ветви: накопителя энергии и блока тяговой сети. Первая ветвь состоит из четырех квадрантного преобразователя постоянного тока в постоянный и блока суперконденсаторов (ионисторов), а вторая - из преобразователя постоянного тока в переменный и трансформатора, выходная обмотка которого питает тяговую сеть 25 кВ.

3. Определена,элементная база, разработаны требования ко всем преобразователям ВТП и их принципиальные схемы.

4., На основании статистических данных получены необходимые для расчетов параметров ВТП характеристики ветров, так называемых Джунгарских ворот - высокогорного плато, лежащего на уровне 500 м, шириной от 10 до 20 км и протяженностью 80 км - где в ближайшее время намечается электрификация железной дороги на переменном токе 25 кВ.

5. Разработана имитационная модель работы ВТП в составе программного комплекса, разработанного на кафедре «ЭЭЖД» МИИТа, позволяющая определять целесообразные места установки, мощность и количество ВТП в составе любого электрифицируемого участка ж.д. Модель использован при расчетах электрификации участка Лк-тогай—Достык, длиной 306 км, проходящего через плато Джунгарские ворота.

6. Предложена методика оценки технико-экономической эффективности использования BTJI в СТЭ железной дороги. Дан пример использования методики применительно к электрифицируемому участку Актогай-Достык ж.д. переменного тока.

7. В целом результаты работы убеждают, что постоянно снижающаяся стоимость получаемой ветровой энергии, простота и удобство обслуживания ВТП, наличие большого количества отечественных и иностранных фирм, выпускающих ВЭУ, является залогом того, что использование ВТП при электрификации железных дорог несомненно будет использовано. А именно: планируется, что к 2015 году срок окупаемости ВТП по сравнению с традиционными ТП составит 12-15 лет.

Основные результаты опубликованы автором в следующих статьях:

1. Жуматова A.A. Обзор по нетрадиционным возобновляемым источникам энергии // Сборник трудов научно-практической конференции «Неделя науки МИИТа» - 2007г. - c.V-69-70.

2. Жуматова A.A., Шевлюгин М.В. Повышение надежности и энергетической стабильности электроснабжения ж.д. Казахстана с помощью возобновляемых источников энергии //Труды VIII научно-практической конференции «Безопасность движения поездов».-М.: МИИТ, 2007. c.V-51-52.

3. Жуматова A.A., Шевлюгин М.В. Возобновляемые источники энергии и оценка возможности в системах тягового электроснабжения ж.д. // научно-технический журнал, Вестник МИИТа выпуск 16, 2007. с. 27-31.

4. Жуматова A.A., Шевлюгин М.В. Возможность использования возобновляемых источников энергии в системе тягового электроснабжения железных дорог // Журнал «Наука и техника транспорта». М. 2008. №4 с. 25-28.

5. Жуматова A.A., Шевлюгин M.B. Повышение надежности и энергетической независимости электрифицированных ж.д. с помощью ветровых электроустановок //Труды IX научно-практической конференции «Безопасность движения поездов». -М.: МИИТ, 2008. с. VI-12-13.

6. Жуматова A.A. Ветровые электроустановки в системе тягового электроснабжения железных дорог //Тезисы докладов V - Международном симпозиуме ElTrans, «Электрификация, инновационные технологии, скоростные и высокоскоростное движение на железнодорожном транспорте, 200 лет 111 У ПС», Санкт-Петербург, 2009. с.42-43.

7. Жуматова A.A. Оценка устойчивости ветровой нагрузки для ВЭУ в составе СТЭ электрифицированных ж.д. //Труды X научно-практической конференции «Безопасность движения поездов». - М.: МИИТ, 2009. c.VI-3-4.

8. Жуматова A.A., Шевлюгин М.В. Экспериментальный анализ ветрового потенциала Юго-Казахстано-Каратауских зон и Джунгарских ворот для использования в электроэнергетических системах железнодорожного транспорта // Вестник Казахской академии транспорта и коммуникации им. М. Тынышпаева. Казахстан -Алматы, 2009. №2 с.231-235.

9. Жуматова A.A. Экономические предпосылки использования ветровых электроустановок в системе тягового электроснабжения Казахстана // Сборник трудов научно-практической конференции «Неделя науки МИИТа» - 2009г. - с.П-39.

ЖУМАТОВА АСЕЛЬ АКАНОВНА

ПРОБЛЕМА ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ ДЛЯ СИСТЕМЫ ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

Специальность 05.14.02 - Электрические станции и электроэнергетические системы

Подписано в печать 26.04.2010 Формат 60x84 1/16

Усл. печ.л. - 1,5 Заказ № 285 Тираж 80 экз.

Печать офсетная. Бумага для множительного аппарата.

Типография МИИТа. 127994, г. Москва, ул. Образцова, дом 9, строение 9.

Список основных сокращений.

ВВЕДЕНИЕ.

1. ОБЗОР ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ РАБОТАЮЩИХ НА ОСНОВЕ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ.

1.1. Солнечная энергия.

1.2. Геотермальные источники энергии.

1.3. Энергия биомассы.

1.4. Малая гидроэнергетика.

1.5. Ветровая энергия.

1.5.1. Климатологические характеристики ветров.

1.5.2. Приведенная средняя скорость и классы открытости местности.

1.6. Перспективы использования ВИЭ.

1.7. Оценка ветрового потенциала для нужд электротяги ж.д.

2. РАЗРАБОТКА СХЕМЫ И КОНСТРУКЦИИ ТП С ВЭУ (ВТП) НА ЭЛЕКТРИФИЦИРОВАННОЙ Ж.Д. ПЕРЕМЕННОГО ТОКА.

2.1. Принцип работы тяговой подстанций с ВЭУ.

2.2. Структурная схема тяговой подстанции с ВЭУ.

2.3. Выбор оборудования для ВТП.

3. МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА РАБОТЫ ВЭГ В СОСТАВЕ ВТП СТЭ Ж.Д.

3.1. Методы оценки эксплуатационных показателей ВЭУ при известных характеристиках режима ветра.^

3.1.1. Время работы и простоев ВЭУ.

3.1.2 Учет влияния степени открытости местности на выработку энергии.

3.2. Программа расчета мгновенной мощности ВЭУ.

4. ПРОЕКТ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВЭУ НА ЭЛЕКТРИФИЦИРУЕМОМ УЧАСТКЕ АКТОГАЙ-ДОСТЫК.

4.1. Программно-измерительный комплекс расчета СТЭ ж.д.

4.2. Характеристика железнодорожного участка Актогай - Достык.

4.3. Имитационное моделирование работы СТЭ проектируемого участка с ВЭУ.

4.3.1. Моделирование движение поездов.

4.3.2. Моделирование процесса работы СТЭ ж.д. Актогай

Достык с ВТП.

5. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВТП В СТЭ ЖЕЛЕЗНОЙ ДОРОГИ.

5.1. Технико-экономическая оценка эффективности использования ВЭУ.

5.1.1. Экономические показатели ВЭУ различных размеров.

5.1.2. Расчет технико-экономического обоснования использования ветроустановок мощностью 2300 кВт.

5.2. Сравнительная оценка технико-экономических показателей использования ВЭУ в СТЭ ж.д.

5.2.1. Оценка затрат на электрификацию участка Актогай-Достык по традиционной схеме электроснабжения.

5.2.2. Оценка затрат на электрификацию участка Актогай-Достык по схеме электроснабжения с ВЭУ.

ВЫВОДЫ.

К возобновляемым источникам энергии (ВИЭ) относят солнечную, ветровую и геотермальную энергию, энергию морских приливов и волн, биомассы (растения, различные виды органических отходов), низкопотенциальную энергию окружающей среды. К ВИЭ также принято относить малые ГЭС (мощностью до 30 МВт при мощности единичного агрегата не более 10 МВт), которые отличаются от традиционных - более крупных - ГЭС только масштабом.

Интерес к ВИЭ появилось после энергетического кризиса 1973 г., связи с этим во многих странах, в том числе в США, Дании, Нидерландах, были разработаны многолетние государственные программы исследований и разработок преобразователей солнечной, ветровой, геотермальной и других видов ВИЭ.

Развитие ВИЭ в мире за последние 30-лет оцениваются как восторженных до умеренно пессимистических. Например, «Green peace» призывает вообще заменить всю традиционную топливную и атомную энергетику на использования ВИЭ.

В целом использование ВИЭ в мире приобрело ощутимые масштабы и устойчивую тенденцию к росту. В некоторых странах доля ВИЭ в энергобалансе составляет единицы процентов. По различным прогнозным оценкам к 2015г. во многих государствах оно достигнет или превзойдет 10%.

Развитие и фундамент теории и практики применения возобновляемых источников энергии внесли значительный вклад работы ученых Агеева В.А., Арбузова Ю.Д., Безруких П.П., Борисова Г.А., Виссарионова В.И., Огородова Н.В., Сидоренко Г.И., Федотова В.Э., Харитонова В.П., Фатеева Е.М., Андрианова В.Н., Франкфурт М.О., Рождественского И.В., Тарнижевского М.В., Борисенко М.М., Ершина А.К. и др.

Актуальность работы заключается в частном решение проблемы энергосбережения за счет использования ВИЭ в системах тягового электроснабжения (СТЭ) железных дорог. В настоящее время из-за постоянного роста энергопотребления в мегаполисах и крупных промышленных регионах, происходит снижение резерва генерирующих мощностей, а в некоторых случаях растет их дефицит. Развитию систем электроснабжения на основе ВИЭ, и в частности на основе ветроэнергетики в Казахстане, как в стране с огромным ветровым энергопотенциалом, уделяется особое внимание. Использование современных ветровых электроустановок (ВЭУ) не только в промышленной и хозяйственной энергетике, но и в СТЭ ж.д. актуально во всем мире.

Цель диссертационной работы. Исследование возможности эффективного использования ВИЭ и в частности ветрового энергетического потенциала в СТЭ ж.д. Казахстана.

Основные задачи исследования. Для достижения цели в диссертационной работе поставлены и решены следующие задачи:

- провести анализ потенциалов возобновляемых источников энергии в Республике Казахстан;

- разработать ключевые схемы и конструкции ВЭУ для использования на тяговых подстанциях электрифицированных ж.д. переменного тока;

- разработать имитационная модель расчета технико-экономических характеристик ВЭУ в составе СТЭ ж.д. с учетом региональных особенностей эксплуатации;

- разработать математическая модель для расчета экономической эффективности внедрения ВЭУ в системе тягового электроснабжения с учетом их влияния на энергобаланс всей электроэнергетической системы ж.д.

Объект исследования. СТЭ ж.д., в которую входят тяговые подстанции и тяговая сеть, электроподвижной состав и ВЭУ с учетом технических, климатических, географических, инфраструктурных, социальных, экономических условий и энергетического потенциала ВИЭ.

Теоретическая и методологическая база исследований. В диссертационной работе использовались: методы компьютерной обработки массивов информации; методы расчета СТЭ ж.д.; методики расчетов экономической эффективности электроэнергетических объектов; методы математической статистики и теории вероятности.

Научная новизна заключается в следующих результатах работы:

1) Разработана методика формирования теоретических графиков ветровых нагрузок для любых районов с учетом их основных характеристик;

2) Получены результаты теоретических и экспериментальных исследований для определения ветрового потенциала районов Республики Казахстан, где намечена электрификация ж.д., дана оценка возможности их эффективного использования для нужд электрической тяги;

3) Разработаны схема и конструкция ветровых тяговых подстанции (ВТП), т.е. ТГ1, использующих ВЭУ с ветровыми электрогенераторами (ВЭГ) для СТЭ ж.д. переменного тока;

4) Создана имитационная модель работы ВТП в составе СТЭ ж.д. переменного тока, позволяющая учитывать как вероятностный характер энергопотребления ТС, так и вероятностный характер генерации электроэнергии ВЭУ (ВТП);

5) Разработана математическая модель для определения технико-экономического эффекта от использования ВЭУ на ж.д. Республики Казахстан.

Практическая ценность работы:

- определены ветропотенциальные зоны территории Казахстана, предложены целесообразные объемы первоочередного использования ВЭУ в системе тягового электроснабжения ж.д. Казахстана;

- предложена методика выбора мощности и количества ВЭУ в составе ВТП;

- разработана методика построения вариантов соединения ВЭУ с системой тягового электроснабжения ж.д., реализованная в виде пакета прикладных программ.

Апробация работы. Основные этапы и результаты диссертационной работы докладывались на научном семинаре и заседаниях кафедры «Энергоснабжение электрических железных дорог» Московского государственного университета путей сообщения (МИИТ) в 2007-2009 гг.; на VIII-X научно-практических конференциях «Безопасность движения поездов», МИИТ (2007-2009 гг.); на научно-практической конференции «Неделя науки МИИТа» (2007г.); на V - Международном симпозиуме Eltrans, «Электрификация, инновационные технологии, скоростное и высокоскоростное движение на железнодорожном транспорте», Санкт-Петербург (2009г).

В первой главе представлен общий обзор по ВИЭ и дано их перспективное использование по Казахстану.

Во второй главе разработаны схемы и конструкции ТП с ВЭУ на электрифицированной ж.д. переменного тока, где описаны принцип работы ТП с ВЭУ и принципиальная схема ТП с ВЭУ, и были рассчитаны параметры ТП с ВЭУ на электрифицированным ж.д.

В третьей главе описаны результаты моделирования процесса работы ВЭГ в составе системы тягового электроснабжения ж.д.

В четвертой главе предложен проект использования ВЭУ на электрифицируемом участке Актогай-Достык.

В пятой главе сделана технико-экономическая оценка эффективности использования ВЭУ в системе тягового электроснабжения для конкретного участка железной дороги.

ВЫВОДЫ

Возросший в последние годы интерес к энергетике является отражением ее экономической, социальной и экологической значимости для общества. Современный период развития характеризуется обострением проблем в энергетике, вызванных кризисом в экономике, а также появлением сложных экологических проблем.

В диссертации получены следующие основные результаты и выводы:

1. Результаты рассмотрения потенциальных возможностей известных и используемых ныне видов возобновляемых источников энергии: морских приливов и волн, гидроэнергии, геотермальной энергии, энергии биомассы, солнечного излучения и энергии ветра показывают, что для использования в системах тягового электроснабжения (СТЭ) железных дорог наилучшим образом подходит ветровая энергия.

2. Предложена структурная схема ветровой электрической тяговой подстанции (ВТП), состоящей из ветрогенератора (крыльчатки с генератором переменного тока на оси), преобразователя переменного тока в постоянный, к выходу которого подключены две параллельных ветви: накопителя энергии и блока тяговой сети. Первая ветвь состоит из четырех квадратного преобразователя постоянного тока в постоянный и блока суперконденсаторов, а вторая - из преобразователя постоянного тока в переменный и трансформатора, выходная обмотка которого питает тяговую сеть 25 кВ.

3. Разработана требования ко всем преобразователям ВТП и их принципиальные схемы.

4. На основании статистических данных получены необходимые для расчетов ВТП характеристики ветров, так называемых Джунгарских ворот — высокогорного плато, лежащего на уровне 500 м, шириной от 10 до 20 км и протяженностью 80 км — где в ближайшее время намечается электрификация железной дороги на переменном токе 25 кВ.

5. Разработан программный комплекс позволяющий определять целесообразные места установки, мощность и количество ВТП в составе любого электрифицируемого участка ж.д. Комплекс использован при расчетах электрификации участка Актогай - Достык, длиной 306 км, проходящего через плато Джунгарские ворота.

6. В заключение работы предложена методика оценки технико-экономической эффективности использования ВТП в СТЭ железной дороги. Дан пример использования методики применительно к электрифицируемому участку Актогай - Достык.

7. В целом результаты работы убеждают, что низкая стоимость получаемой ветровой энергии, простота и удобство обслуживания ВТП, наличие большого количества иностранных фирм, выпускающих ветрогенераторы, является залогом того, что использование ВТП при электрификации железных дорог несомненно будет использовано.

1. Андреев В.В. "Методы разработки алгоритмов и программ при использовании средств вычислительной техники для решения задач проектирования и эксплуатации систем электроснабжения электрифицированных ж.д.", в двух частях, М. 1984г.

2. Безруких П.П. Ресурсы и эффективность использования возобновляемых источников энергии в России //коллектив авторов, СПб.: Наука, 2002г., стр. 314.

3. Безруких П.П., Безруких П.П. (мл). Что может дать энергия ветра. Ответы на 33 вопроса. М.: НИЦ «Инженер», 1998г., стр.48.

4. Бекметьев P.M., Заглиев И.Г. Ветроэнергетические ресурсы различных районов Казахстана.: Сб. науч. Тр., Гидропроекта, вып. 129. Ветроэнергетические станции. М., 1988 г., ст. 63-70.

5. Берлянд Т.Г. Распределение солнечной радиации на континентах. Л.: Гидрометоеоиздат, 1961г., стр. 21-35.

6. Бей Ю.М., Мамошин P.P., Пупынин В.Н., Шалимов М.Г. Тяговые подстанции. Учебник для вузов ж.д. транспорта. М.: Транспорт, 1986г., стр.320.

7. Богуславский Э.И. Технико-экономическая оценка освоения тепловых ресурсов недр. Л.: ЛГУ, 1984г.

8. Борисенко М.М., Заварина М.В. Вертикальные профили скоростей ветра по измерениям на высотных мачтах //Тр. ГГО, вып. 210. Л.: Гидрометеоиздат, 1967г., стр. 11-20.

9. Борисенко М.М. Вертикальные профили ветра и температуры в нижних слоях атмосферы // Тр. ГГО, вып. 320. Л.: Гидрометеоиздат, 1974г., стр. 205.

10. Борисенко М.М., Корнюшин О.Г., Соколова С.Н. Исследование климатических характеристик ветроэнергетических ресурсов: Обзорная информация. Серия 37.21. Метеорология. 1987. Вып.4. 51с.

11. И. Борисенко М.М., Дробышев А.Д., Харитонов В.П., Чанышева С.Г. Методическое указания проведение изыскательных работ по оценкеветроэнергетических ресурсов для обоснования схем размещения и проектирования ветроэнергетических установок, 1990г., стр.41.

12. Васильев A.M., Ландсман А.П. Полупроводниковые фотопреобразователи. М.: Сов. Радио, 1971г., стр. 248.

13. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. М.: Наука, 1964г., стр. 575.

14. Ветроагрегаты и ветроустановки. Методы экономической эффективности СТП ЗЗГА 2 - 78. М.: НПО «Ветроэн», 1978г.

15. Гриневич Г.А. Опыт разработки элементов малого ветроэнергетического кадастра Средней Азии и Казахстана. Ташкент: Из. АН УзССР, 1952г., стр. 151.

16. Дорошин Г.А. Доклад «Перспективы использования ветроэнергетики в Казахстане» подготовлен в рамках проекта программы развития ООН (ПРОНН) ГЭФ «Казахстан инициатива развития рынка ветроэнергетики», Алматы, 2006г.

17. Дроздов Н.А., А.В. Новик. В сб. "Информационно-образовательные проблемы энергосбережения", Мн.: БГУ, 1998г., стр. 37.

18. Дробышев А. Д., Курыгина Л.И. Восстановление статистических характеристик скорости ветра в 500-метровом слое атмосферы//Тр. ЗапСибНИИ Госкомгидромета. 1987. Вып.80. С. 11-21.

19. Дробышев А.Д. Косвенные способы расчета режимных характеристик скорости ветра и ее непрерывной продолжительности//Тр. ЗапСибНИИ Госкомгидромета. 1984. Вып.66. С.59-74.

20. Дьяконов А.Ф., Перминов Э.М., Шакарян Ю.Г. Ветроэнергетика России. Состояние и перспективы развития. М.: Изд-во МЭИ, 1996г., стр. 220.

21. Ершина А.К., Ершин Ш.А., Жапбасбаев У.К. Основы теории ветротурбины Дарье, 2001г., стр.103.

22. Интегрирование политики в области энергоэффективности и возобновляемых источников энергии, 2005г., стр. 43.

23. Заварина М.В. Расчетные скорости ветра на высотах нижнего слоя атмосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1971г., стр. 163.

24. Классификация эксплуатационных запасов и прогнозных ресурсов подземных вод. М., 1997г.

25. Климат СССР. Ветер. Научно-прикладной справочник, Серия 3. Многолетние данные. Части 1—6. Выпуск 7. Белорусская ССР. JI-д: Гидрометеоиздат, 1987.

26. Колпаков А. И. Энергия, принесенная ветром. // Силовая электроника. 2005г., № 3 и 2007г., №2.

27. Колпаков А.И. Альтернативная энергетика и SEMIKRON// Электронные компоненты №9' 2003г.

28. Колпаков А.И. Конденсаторы ELECTRONICON для высоковольтных преобразовательных устройств и компоненты и технологии №6' 2004г.

29. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теоретическая физика. Т.6. Гидродинамика. М.: Наука, 1988г., стр. 736.

30. Лидоренко Н.С., Евдокимов В.М., Стребков Д.С. Развитие фотоэлектрической энергетики. М.: Информэлектро, 1988г., стр. 52.

31. Методы разработки ветроэнергетического кадастра. М.: Изд-во. АН СССР, 1963г., стр. 196.

32. Методические указания по производству микроклиматических обследований в период изысканий. Л.: Гидрометеоиздат, 1969. 66 с.

33. Методические указания по обоснованию и разработке схемы размещения площадок под ветроэнергетические установки на территории Республики Беларусь. Т.1: Отчет о НИР / Белэнергосетьпроект, Б № 12488-02. Минск, 1995г.

34. Минин В.А. Основные элементы ветроэнергетического кадастра севера европейской части СССР//Проблемы энергетики Мурманской области и соседних районов. Апатиты: Изд-во КФ АН СССР, 1980г., стр. 135-151.

35. Милевский В.Ю. Методика исследования скоростных роз и скоростей ветровых роз диаграмм ветра//Тр. ГГО. Вып. 113. Л.: Гидрометеоиздат, 1960. С.57-70.

36. Михайлов А.К. «Перспективы создания сверхпроводящих накопителей энергии». Москва, Высшая школа, 1976г.

37. Наставление гидрометеорологическим станциям и постам. Вып.З. 4.1. JL: Гидрометеоиздат, 1969. 307 с.

38. Нетрадиционные источники энергии и их комплексное использование. М.: ВНИИКТЭП, 1985г. стр. 150.

39. Неклепаев Б.Н. Электрическая часть электростанций и подстанций. Учебник для электроэнергетических специальности вызов 2-е изд., 1986 г., М.: Энергоатомиздат, стр. 640.

40. Обзоры результативности экологической деятельности, Казахстан, Второй обзор выпуск № 27, ООН Нью-Йорк и Женева, 2008г., стр. 146-148.

41. Отчет: «Исследование отрасли альтернативной энергетики Республики Казахстан», Том I «Общий анализ, выводы и рекомендации», IGM Consulting company, ноябрь, 2008г., стр.83.

42. Отчет: «Исследование отрасли альтернативной энергетики Республики Казахстан», Том IV «Источники первичной и вторичной информации», 2008г., стр.163.

43. О целевом видении стратегии развития электроэнергетики России на период до 2030 года. РАН. М.: Наука, 2007г., стр.135.

44. Официальный сайт открытого акционерного общества «Межрегиональная распределительная сетевая компания Центра и Приволжья» http://www.mrsk-cp.ru, info@mrsk-cp.гu.

45. Пивоваров З.И., Стадник В.В. Климатические характеристики солнечной радиации как источника энергии на территории СССР. Л.: Гидрометеоиздат, 1988г., стр. 292.

46. Программный комплекс расчета пропускной способности по системе электроснабжения двухпутных магистральных электрифицированных линий. ОФАПМПС № г.р. 1115863.00258-01, М.1987г.

47. Программа дальнейшего развития международного пограничного перехода Достык и железнодорожного участка Актогай-Достык на 20062011 годы.

48. Подтягин М.Е. Ветер и метеосеть //Вестн. ЕГМС. 1934г. №2, стр. 4-6.

49. Регулярный обзор политики в области энергоэффективности. Казахстан, 2006г., часть I. Тенденции политики в области энергоэффективности, инструменты и действующие лица, стр. 42-46.

50. Рекомендации по определению климатических характеристик ветроэнергетических ресурсов. «Госкомгидромет СССР ГГО им. А.И. Воейкова». - Л-д: Гидрометеоиздат, 1989.

51. Рышковский И.Я., Засорин С.Н. Электрические станции и тяговые подстанции. Учебник для вузов ж.д. транспорта. М.: Трансжелдориздат, 1959 г., стр.344.

52. Руководство по сооружению ветроэнергетических установок. Программа ТЕРМИЯ / Комиссия европейских сообществ. Берлин, 1997.

53. Сарнацкий Э.В., Чистов С.А. Системы солнечного тепло- и хладоснабжения. М.: Стройиздат, 1990г.

54. Справочник по климату СССР. Вып. 1, ч.З. Ветер. Л.: Гидрометеоиздат, 1965г., стр. 306.

55. Справочник по климату СССР. Вып. 2, ч.З. Ветер. Л.: Гидрометеоиздат, 1966г., стр. 120.

56. Справочник по климату СССР. Вып. 3, ч.З. Ветер. Л.: Гидрометеоиздат, 1966г., стр. 271.

57. Тарнижевский М.В., Алексеев В.Б., Кабилов З.А., Абуев И.М. Солнечные коллекторы и водонагревательные установки. //Теплоэнергетика, 1995г., №6 стр. 48-51.

58. Тарнижевский М.В., Абуев И.М. Технический уровень и освоение производства плоских солнечных коллекторов в России //Теплоэнергетика, 1997г., №4 стр. 13-15.

59. Фатеев Е.М. Ветродвигатели и ветроустановки М.: ОГИЗ - Сельхозгиз, 1948г., стр.544.

60. Формирование информационного банка данных по ветроэнергетическому потенциалу в зонах предполагаемого внедрения ветроустановок: Отчет о НИР 06.4.1 ГНТП «Городское хозяйство» / HI И П «Ветромаш». Минск, 1998.

61. Харитонов В. П. Оптимизация размеров ветроустановок: Экспресс-информация // ЦБНТИ Минводхоза СССР. Серия 3. Обводнение и сельскохозяйственное водоснабжение. Выпуск 8. М., 1985г.

62. Харитонов В.П. Автономные ветроэлектрические установки. М.: ГНУ ВИЭСХ, 2006г., стр.280.

63. Харитонов В.П., Абрамов Н.Д., Салимов В.Э., Волосов Д.Р. Анализ характеристик ветроэлектрических установок // Техника в сельском хозяйстве., 2004г., №5.

64. Чанышева С.Г. Местные ветры Средней Азии. JL: Гидрометеоиздат, 1966. 120 с.

65. Шейндлин А.Е. Проблемы новой энергетики. М.: Наука, 2006г., стр.406.

66. Шпильрайн Э.Э. Концепция применения солнечной и ветровой энергии в России. М., 1992. 45 с

67. Шефтер Я.И. Использование энергии ветра. М.: Энергоатомиздат, 1983 г. стр. 201.

68. Шефтер Я.И., Рождественский И.В. Ветронасосные и ветроэлектрические агрегаты. М.: Колос, 1967г., стр. 376.

69. Энергетическая стратегия ОАО «РЖД» на период до 2010г. и на перспективу до 2030г., Москва, стр. 74.

70. Энергетика и топливные ресурсы Казахстана. № 1, 2000г.

71. Angstrom A. Solar and terrestrial radiation. Q.J.R. Met. Soc. 1924. Vol.50.p. 121125.

72. Briag A., Sargos F. Medium Voltage Converter. SEMIKRON International, 2003.

73. Frederic Sargos. Power electronics for converters in windmills //STACK Marketing Manager SEMIKRON. France

74. Wegley H.L., Ramsdell J.V., Orgill M.M., Drake R.L. A Sitting Handbook for Small Wind Energy Conversion Systems. US DOE. Battelle, 1980.

75. Wintrich A., Schreiber D. Minis control the giants: Electronic power components as subsystems of energy conversion // Elektronikpraxis. March, 2001

76. Wind Energy Resource Atlas of the United States. Pacific Northwest Laboratory. Richland. Washington 99352. DOE/CH 10094-4.March, 1987