автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Энергосберегающие технологии на железнодорожном транспорте и метрополитенах, реализуемые с использованием накопителей энергии

На правах рукописи

Шевлюгин Максим Валерьевич

ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ НА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОМ ТРАНСПОРТЕ И МЕТРОПОЛИТЕНАХ, РЕАЛИЗУЕМЫЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ НАКОПИТЕЛЕЙ ЭНЕРГИИ

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

2 О ФЕВ 2014

Москва - 2013

005545223

005545223

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный университет путей сообщения» МГУПС (МИИТ)

Научный консультант: доктор технических наук, профессор

Пупынин Владимир Николаевич

Официальные оппоненты: Черемисин Василий Титович, доктор технических

наук, профессор, директор Научно-исследовательского института энергосбережения на железнодорожном транспорте (НИИЭ ОмГУПС).

Быкадоров Александр Леонович, доктор технических наук, профессор, федеральное государственное бюджетное учреждение высшего профессионального образования «Ростовский государственный университет путей сообщения» (РГУПС), профессор кафедры «Автоматизированные системы электроснабжения».

Марикин Александр Николаевич, доктор технических наук, федеральное государственное бюджетное учреждение высшего профессионального образования «Петербургский государственный университет путей сообщения» (ГТГУПС), заведующий кафедрой «Электроснабжение железных дорог».

Ведущая организация: Открытое акционерное общество

«Научно-исследовательский институт железнодорожного транспорта» (ОАО «ВНИИЖТ»).

Защита диссертации состоится " 13 " марта 2014г. в 14:00 часов на заседании диссертационного совета Д 218.005.02 на базе федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Москсг.ский государственный университет путей сообщения» по адресу: 127094, ГСП-4, Москва, Образцова, 9, стр.9., ауд. 4210

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГУПС (МИИТ).

Автореферат разослан "7_" февраля 2014г.

Ученый секретарь ^ ^

диссертационного совета ' ' (у^^ Сидорова Наталья Николаевна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность работы.

Энергоресурсы во многом определяют экономическую ситуацию в современном мире. Для всех развитых стран решение проблем энергосбережения и энергоэффективности стало одним из приоритетных направлений деятельности. Для многих современных производств снижение энергоемкости и энергетической составляющей себестоимости продукции также является одним из определяющих факторов эффективного развития.

Железнодорожный транспорт - это не только потребитель продукции топливно-энергетического комплекса страны (ТЭК), но одновременно и технологическое звено в цепи производства, передачи и потребления электроэнергии. Для реализации задач энергосбережения и вопросов их финансирования Правлением ОАО «РЖД» было принято постановление «О ходе реализации Энергетической стратегии ОАО РЖД и корректировке ее параметров с учетом дальнейшего реформирования топливно-энергетического комплекса России и железнодорожного транспорта» от 6 июня 2007 года (Протокол № 18 п. 5 и 7), дополненное распоряжением ОАО РЖД «Об актуализации энергетической стратегии ОАО РЖД и программе ее реализации» № 1296р от 12 июля 2007 г. (п.8). Следует отметить, что о повышении энергоэффективности говорится также в Федеральном законе №261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности, и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации» и Постановлении Правительства Москвы № 1499-ПП о ходе реализации Городской целевой программы «Энергосбережение в городе Москве на 2009-2011 гг. и на перспективу до 2020 года». В результате реализации указанной совокупности программ должен образоваться интегральный эффект энергосберегающей деятельности как в натуральных показателях экономии топливно-энергетических ресурсов, так и в экономии материальных средств на их приобретение, позитивно влияющий в целом на общие экономические показатели деятельности всей транспортной системы.

Основную часть энергетических расходов электрифицированных железных дорог составляют расходы на тягу поездов. Ввиду этого энергосберегающие технологии необходимо внедрять в системах тягового электроснабжения (СТЭ). Одним из наиболее эффективных методов энергосбережения является локальная буферизация электроэнергии на различных стадиях ее доставки до

з

потребителя, т.е. введение в электроэнергетическую систему (ЭЭС) транспорта

накопителей энергии, способных снизить капитальные вложения на основное тяговое электротехническое оборудование и сэкономить до 30% электроэнергии, расходуемой на тягу поездов. В настоящей работе изложены основные возможности энергосбережения на ж.д. транспорте и метрополитенах с использованием различных типов накопителей энергии (НЭ).

Объект исследования: система тягового электроснабжения железных дорог и метрополитенов, в которую входят тяговые подстанции (ТП), тяговая сеть (ТС), электроподвижпой состав (ЭПС) и различного рода НЭ.

Предмет исследования: методы, модели и критерии оценки показателей работы тягового электропотребления на участках ж.д. и метрополитенов использующих НЭ.

Степень разработанности проблемы. Проблемы энергосбережения в ЭЭС ж.д. и метрополитенов, в том числе, н с использованием НЭ различных типов, начали решать еще в 90-х годах XX века. Особое внимание уделялось расчетам максимальной пропускной способности, снижению потерь энергии в ТС и возможности использования энергии рекуперации. Однако более интенсивнее продолжение работы получили в начале XXI века, когда на качественно новый уровень развития вышли цифровые ЭВМ, а стало быть, и математические имитационные модели, системы диагностики и измерений, но главное - непосредственно сами НЭ.

Данными направлениями занимались многие отраслевые научные школы страны: ВНИИЖТ, ДВГУПС, ИрГУПС, МИ ИТ, ИТЦ «Синтез» НИИЭФА, ГТГУПС, ГГУПС, РНЦ «Курчатовский институт», СамГУПС, ОИВТ РАН, Ом-ГУПС 11 др. Большой шеяад и исследование данной области внесли ученые: IO.M. Астахов, М.П. Бадер, A.C. Бочев, А.Т. Бурков, Д.А. Бут, A.JI. Быкадоров, Л.А. Герман, H.D. Гулиа, К.К. Дсныциков, В.Т. Домапский, Б.Е. Дынькин, Ю.И. Жарков, А.М. Иванов, IO.M. Иньков, В.Е. Кейлин, Б.Ю. Клименко, Б.И. Косарев, A.B. Котельников, В.А. Кучумов, A.II. Марикин, К.Г. Марквардт, В.А. Матюшин, В.Н. Пупыпин, Г.Г. Рябцсв, А.Н. Савоськин, A.C. Серебряков, Э.В. Тер-Оганов, В.П. Фео1стистоп, В.П. Фигурнов. R.T. Черемисин, H.A. Черноплеков и другие.

Целг> диссертационной работы. Целью диссертационной работы являете;; исследование эффективности использования ИЗ на разных уровнях ЭЭС ж.д., разработка устройств и методов для его практической реализации.

Научная новизна заключается в решении ряда комплексных теоретиче-

ских и практических задач, посвященных проблемам использования различных типов НЭ в СТЭ ж.д. и метрополитенов. При этом:

- исследованы электроэнергетические процессы в СТЭ ж.д., метрополитена, а также в ЭПС при использовании НЭ, что позволило разработать энергосберегающие алгоритмы работы НЭ в различных точках подключения к СТЭ;

- созданы имитационные модели позволяющие оценивать эффективность использования НЭ на основе реально замеренных показателей работы СТЭ и ЭПС;

- разработаны методики оценки технико-экономического эффекта от использования НЭ;

- разработаны методы локального усиления ТП и ТС с помощью НЭ, при одновременном снижении установленной мощности ТП;

- показано, что использование НЭ в СТЭ повышает качество электроэнергии по уровню напряжению и общую надежность СТЭ;

- определены полигоны и условия наиболее эффективного использования НЭ на ж.-д. транспорте и метрополитене;

- разработаны методики оценки КПД и срока службы НЭ, как по данным имитационного моделирования, так и по результатам экспериментального мониторинга.

Теоретическая и практическая ценность. Разработаны методы и сформирован ряд мероприятий по снижению потребления электроэнергии на тягу поездов, расширению полигона рекуперативного торможения и определению других энергосберегающих эффектов на ж.-д. транспорте и метрополитене с использованием НЭ.

На базе проведенных исследований были разработаны прикладные имитационные модели, а также программный модуль, интегрированный в общую структуру программно-измерительного комплекса по расчету СТЭ ж.д. и метрополитенов с возможностью использования различных типов НЭ как в СТЭ, так и на ЭПС.

Разработаны методы и методики оценки эффективности использования НЭ в СТЭ метрополитена, оценки срока службы и срока окупаемости НЭ на основе экспериментальных данных, которые были использованы при внедрении НЭ на Московском метрополитене.

Методы исследования. При решении поставленных в диссертации задач принят комплексный метод исследований, включающий в себя анализ и обобщение данных научно-технической литературы, методы математического анализа и имитационного моделирования, методы обработки математической ста-

тистики, методы синтеза моделей и построения алгоритмов, методы теоретических и экспериментальных исследований, причем последние реализуются с помощью имитационного моделирования при широком использовании методов теории электрических цепей, теории вероятности и матричного исчисления, а также натурными экспериментами и замерами в условиях действующих систем тягового электроснабжения.

Основные положения, выносимые на защиту:

- Определены основные критерии, позволяющие оценить эффективность использования НЭ в СТЭ ж.-д. транспорта, на основании которых проведен анализ существующих типов НЭ и выбор потенциально пригодных.

- В зависимости от функций НЭ определены их типы, параметры и точки присоединения в электроэнергетической системе ж.-д. транспорта.

- Разработаны принципиальные схемы НЭ для использования в СТЭ ж.д. и метрополитенов, а также методы определения интегральных показателей, определяющие эффективность их работы.

- Разработаны имитационные модели работы НЭ в СТЭ, позволяющие воспроизводить процессы энергообмена, как между исследуемыми объектами СТЭ, так и внутри конструкции НЭ.

- На основании результатов имитационного моделирования определены основные полигоны эффективного использования НЭ в СТЭ ж.д. и метрополитена, с оценкой технико-экономических показателей.

- Разработана методика определения мгновенных и интегральных показателей работы НЭ в СТЭ метрополитена при опытной эксплуатации с целью подтверждения расчетных данных по КПД, сроку службы, экономической эффективности и пр.

Степень достоверности результатов проведенных исследований. Достоверность результатов исследований подтверждается путем проверки статистической совместимости полученных данных при имитационном моделировании работы СТЭ с данными экспериментальных замеров в действующих СТЭ ж.-д. транспорта. Подтверждающие достоверность теоретических результатов о;ссисрп«£е1пы проводились 114 -ш овых иадешщиах поел о,-итого тока Московской и Свердловской железных дорог, а так же па тяговых подстанциях и элек-троподпижном составе Московского метрополитена. Результаты теоретических исследований подтверждены результатами длительного мониторинга опытной эксплуатации НЭ на «Филевской» линии Московского метрополитена.

6

Реализация результатов работы. На основании разработанных схем НЭ, методов их управления и имитационных моделей при непосредственном участии автора проводились следующие разработки, расчеты и оценки:

- в 2000 г. по заказу МПС был произведен расчет технико-экономической эффективности использования НЭ в проекте электрификации Малого кольца Московской ж.д.;

- в 2002 г. совместно с ОАО Мосгипротранс была произведена работа «Оценка и расчёт параметров системы тягового электроснабжения линии Москва - аэропорт Шереметьево с НЭ»;

- в 2007 г. результаты данной диссертации были использованы для оценки эффективности использования НЭ в ЭЭС ж.д., как источников нетрадиционного электроснабжения в работе «Научно-обоснованное видение на период до 2030 года доли энергопотребления ОАО «РЖД» во внутреннем балансе производства и потребления ТЭР России по основным видам энергоресурсов», выполненной под руководством академика В.Е. Фортова (ОИВТ РАН);

- в 2009г. по заказу Московского метрополитена на основании натурных системных замеров и методов математического статистического анализа была проведена работа по определению возможности рекуперации на «Филевской» линии. В последующем подобные работы были проведены на «Арбатско-Покровской» и «Бутовской» (2010г.), а также на «Калининской» и «Кольцевой» (2011г.) линиях Московского метрополитена;

- в 2010г. по заказу Инженерного центра «ЭНЕРГОАУДИТКОНТРОЛЬ» была произведена оценка эффективности работы стационарных систем НЭ япопской фирмы Кавасаки на базе накопительных модулей вЮАСЕЬЬ;

- в 2011г. по заказу Московского метрополитена на основании натурных системных замеров и методов математического моделирования была проведена работа «Расчет эффективности использования накопителей энергии в системе тягового электроснабжения Московского метрополитена» на «Филевской», «Лрбатско-Покровской», «Бутовской» и «Кольцевой» линиях;

- в 2012г. по заказу ОАО «РЖД» была проведена работа «Технико-экономическое обоснование использования накопителей электрической энергии па основе аккумуляторов большой емкости на тяговых подстанциях постоянного тока»;

- в 2012г. результаты диссертационной работы были внедрены при разра-

ботке и изготовлении стационарного накопителя энергии в ЗАО «Завод Конвертор»;

- в 2013г. результаты диссертационной работы были использованы при внедрении стационарного накопителя энергии на Московском метрополитене и определении основных показателей работы при его опытной эксплуатации.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы рассматривались, докладывались и обсуждались:

в программе «Фундаментальных и поисковых научно-исследовательских работах» Отраслевого центра МИИТа по фундаментальным и научно-исследовательским проблемам транспорта 1997-2004 г.г.;

- на I, III, IV научно-практических конференциях «Ресурсосберегающие технологии на железнодорожном транспорте», М., МИИТ, 1998, 2000, 2001г.г.;

- на 1 -7 Международных симпозиумах ElTrans, «Электрификация и развитие ж.д. транспорта России. Традиции, современность, перспективы», С-Петербург, 2001г., 2003г., 2005г., 2007г., 2009г., 2011г., 2013г.;

- на Всероссийской научно-практической конференции «Ресурсоэнерго-сберегающие проекты и технологии», Международный гуманитарный фонд «Знание», М., 2001г.;

- на III-XIV Научно-практических конференциях «Безопасность движения поездов», М., МИИТ, 2002-2013 г.г.;

- на Всероссийской научной конференции РАН «Проблемы повышения эффективности функционирования и развития транспорта», М., 2002г.;

- па Международной научно-практической конференции «Транссибирская магистраль на рубеже XX-XXI висов: Пути повышения эффективности использования перевозочного потенциала», М., МИИТ, 2003г.;

- на I и II Международных научно-практических конференциях ЮНЕСКО «Использование нетрадиционных и возобновляемых видов энергии и способы ее хранения», М., 2003г., 2004г.;

- на Европейской встрече по энергосбережению, «WTTC - Werkstoffe & Technologien, Transfer & Consulting», Berlin, 2005г.;

- на Г и II Европейских встречах по использованию суперконденсаторов в элилроэьершшчеекпх сиссмах: «SUi-ERCATS EUROPE 2005», EUROPEAN MEETING ON' SUPERCAPACITORS: DEVELOPMENT AND IMPLEMENTATION IN ENERGY AND TRANSPORTATION TECHNIQUES, Berlin-Adlershof, 2005r.;

- на Европейском Форуме экспертов по энергосбережению «FOREX-2005», Centre of Excellence for Materials for Low-energy Consuming Technologies in Electrotechnics «MALET», Electrotechnical Institute, Wroclaw, 2005r.;

- на Бизнес-Конференции SIEMENS «Современные технологии электрификации на железнодорожном транспорте», М., 2006г.;

- на Международной конференции по автоматизированному электроприводу, Санкт-Петербург, 2007г.;

- на Европейском Симпозиуме COSTAction-542 (2007) по направлению "SUPERCAPACITORS FOR POWER ELECTRONICS", Electrotechnical Institute, Gdansk-Sopot, POLAND, 2007r.;

- на секции «Энергосбережения» Московского комитета по науке и технологиям Правительства Москвы, М., 2008г.;

- на кафедре «Энергоснабжение эл. ж.д.» МИИТА, 2006, 2009, 2013г.г.

Публикации. Основные результаты диссертационной работы

опубликованы в 103 печатных работах, из них: 1 монография; 19 публикаций в изданиях, рекомендуемых ВАК по тематике энергетики и транспорта; 2 патента на полезную модель; 7 свидетельств об официальной регистрации программ для электронных вычислительных машин.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка используемых источников и приложений. Общий объем диссертации составляет 345 страниц, включая 201 иллюстрацию, 38 таблиц, список использованных источников из 209 наименований и 1 приложения на 7 страницах.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, дана краткая характеристика диссертационной работы, ее цели, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава посвящена определению основных путей повышения энергетических показателей работы СТЭ с помощью НЭ, а также формированию критериев, определяющих целесообразность использования НЭ на ж.-д. транспорте и метрополитене.

Наибольший эффект энергосбережения на ж.д. и особенно в метрополитене может дать использование на электроподвижном составе (ЭПС) режимов рекуперативного торможения. Однако трансформирование кинетической энергии

поезда в электрическую и ее возврат в тяговую сеть при рекуперативном торможении является сложным технологическим процессом, зависящим от многих факторов. Так, на Московском метрополитене процессу внедрения режимов рекуперативного торможения предшествовала большая исследовательская работа с привлечением специалистов служб «Электроподвижной состав», «Электроснабжение», «Сигнализация и связь», а также специалистов МИИТа и ВНИИЖТа. Возврат энергии рекуперации в СТЭ носит случайный характер, как по величине тока, так и по количеству рекуперирующих вагонов, в зависимости от условий в тяговой сети. С целью оценки условий для рекуперации на нескольких линиях Московского метрополитена проводились системные замеры показателей работы ТП непрерывно в течение нескольких суток с шагом временной дискретизации равным 1 кГц. На рисунке 1 в качестве иллюстрации показан фрагмент записи в течение 6 минут совмещенных осциллограмм токов ЭПС и тяговых подстанций Т-23 и Т-24 «Филевской» линии. На этом рисунке: II в эпс- ток в главной цепи одного вагона ЭПС; 1ф233 - ток фидера №233;

Рисунок ! - Фрагмент записи в течение б минут совмещенных осциллограмм токов ЭПС и тяговых подстанций Т-23 и Т-24 «Филевской» линии Московского метрополитена

1ф241 - ток фидера №241; Тфз ток нагрузки на фидерной зоне смежных фидеров; 1т23 - ток тяговой подстанции Т-23; 1т24 - ток тяговой подстанции Т-24.

Обработка экспериментальных данных показала, что, как и следовало ожидать, рекуперирующий ЭПС не всегда отдает в сеть энергию торможения полностью, т.е. не все вагоны в составе входят в режим рекуперации. На ри-cyincel в момент времени 13.37.00. (эпизод Э1) происходит торможение ЭПС с рекуперацией энергии в сеть. В данном случае ток рекуперации в главной цепи вагона составляет около -200 А. При этом общий ток нагрузки фидерной зоны составляет около -800 А. Это означает, что рекуперируют все четыре вагона в составе и ток по фидерам двух подстанций через шины перетекает на другие зоны к поездам, идущим в режиме тяге (так называемый межпоездной обмен).

С другой стороны в момент времени 13.39.30. (эпизод Э2) ток нагрузки фидерной зоны всего лишь в два раза превышает ток одного вагона, что свидетельствует о двух рекуперирующих вагонах, поэтому очевидно остальные два гасят энергию торможения в реостатах. И в первом и во втором эпизодах ТП «запираются» - это означает, что напряжение на шинах за счет дополнительной генерации энергии на межподстанционной зоне стало больше напряжения холостого хода ТП. Можно сделать вывод, что в настоящих условиях наладить межпоездной обмен в полном объеме не представляется возможным, так как в тяговой сети не всегда есть поезда, идущие в режиме тяги и способные принять энергию рекуперации. Одним из эффективных методов решения данной проблемы является локальная буферизация электроэнергии в СТЭ с помощью накопителей энергии, установленных на ТП, в тяговой сети или на ЭПС. При этом обеспечивается повторное использование энергии торможения поездов, снижается установленная мощность ТП, снижаются потери энергии в тяговой сети, улучшаются климатические условия в подземной части метрополитена. Выбор типа и оценка технико-экономической эффективности использования накопителей энергии на конкретной линии требует дополнительной проработки.

В первой главе было также рассмотрено повышение энергетических ущербов в СТЭ от крайне неравномерного графика электропотребления. Решить вечную проблему несогласованности желаемых режимов работы источника и потребителя также можно с помощью локальной буферизации энергии, позволяющей разделить во времени требуемые величины генерируемой и потребляемой энергии. Неравномерность энергопотребления в СТЭ обусловлена уникальными условиями се работы. Первым фактором, влияющим на неравномерность энергопотребления, является неравномерный график движения поездов. Вторым

и

фактором является особый неравномерный режим энергопотребления каждой единицей ЭПС. Решить весь этот комплекс проблем можно с помощью НЭ.

С помощью уникального оборудования - статического аварийного анализатора - «CAA», разработанного на кафедре «Энергоснабжение электрических железных дорог» Московского государственного университета путей сообщения (МИИТ), были проведены натурные замеры и фиксация токов и напряжения действующей ТП «Фили» Московской железной дороги. Замеры проводились с шагом временной дискретизации в одну миллисекунду непрерывно в течение 11 суток. На рисунке 2 показан фрагмент осциллограммы тока и напряжения тягового фидера №3 ТП «Фили» в функции времени при натурных замерах в течение 5 суток с шагом в 1 мс.

Приведенные осциллограммы ярко иллюстрируют импульсный характер работы фидеров тяговой подстанции. В данном случае броски тягового тока достигают величины 2300 А, при среднесуточном токе порядка 100А (линия в нижней части графика). Отрицательные выбросы тока не имеют отношения к рекуперации и свидетельствуют лишь о перетоках энергии через шины ТП.

3 600 з*со Э 200 3 000

2 200 2000

Т

б 1 400

I.

-600 •1 000

я35£» 0=0, = = = « ™ — —

Рисунок 2 -Ток фидера №3 и напряжение тяговой подстанции «Фили» Московской железной дороги г функции времени л течение 5-и суток

Неравномерное! ь любого графика энергопотребления, в том числе и ТП

«Фили», можно охарактеризовать несколькими интегральными показателями:

1. Коэффициент минимума (характеризует разницу между мощностями в часы пик и в часы наименьшего энергопотребления). Р. О _ шш Р шах

2. Интегральный коэффициент минимума или «Пик-фактор» (характеризует отношение максимальной мощности Ртах к средней Рср). р р _ шах _ тах Р* 1 0

3. Изменяемый диапазон мощностей. АР=Ртах-Рпнп

4. Коэффициент заполнения или плотность нагрузки (характеризует долю средней за сутки электроэнергии по отношению к максимально возможной). \m-dt г= 0 ТР^

5. Время использования максимальной нагрузки. \р(0-Л Тт = -= Ту Р тах

6. Динамическая характеристика графика энергопотребления (характеризует скорость изменения нагрузки). II 8-1%

7. Коэффициент формы тока или мощности (характеризует отношение действующего значения мощности Рь к ее среднему значению Рср). К - д - ' 0 ф~р " 1 т[ 1 0

где: РШщ - минимальная мощность; Ршах - максимальная мощность; Рср — средняя за сутки мощность; Т— время расчетного периода, т.е. за сутки (24 часа).

Обработка результатов длительных замеров по нескольким фидерам ТП «Голицино» дала возможность оценить основные интегральные показатели нагрузки ТП (таблица 1).

Таблица 1 - Интегральные показатели нагрузки СТЭ

Р п 7 Тт АР

0,008 23 0,04 4% 8 МВт

Имитационное моделирование работы ТП «Голицино» с расположенным на ней НЭ показало, что: коэффициент минимума увеличился в десятки раз и стал составлять величину в 0,35; пик-фактор улучшился в 8,5 раза и стал равен 2,7; коэффициент заполнения вырос в 10 раз и составил 0,41; время использования максимальной нагрузки также выросло в 1 0 раз и в процентном соотношении составило 41,2%;- Изменяемый диапазон мощностей улучшился почти в 8 раз и составил 1,035 МВт.

Таким образом, СТЭ по всем показателям неравномерности энергопотребления является наиболее неблагоприятной, что определяет необходимость использования в ней НЭ.

Основными технико-экономическими ущербами в СТЭ, возникающими от неравномерности тяговой нагрузки, являются: увеличение установленной мощности ТП; ускорение старения оборудования; существенное увеличение потерь энергии в тяговой сети и в системе первичного электроснабжения (СПЭ); затруднения, а иногда и невозможность использования рекуперации и пр. Для полного или частичного снижения данных ущербов были определены основные факторы, влияющие на столь неравномерное энергопотребление, а именно: влияние графика движения поездов и режима их ведения; влияние режима рекуперативного торможения; влияние неравномерности тягового энергопотребления па электрооборудование СТЭ; влияние неравномерности тягового энергопотребления на потери в системе внешнего и тягового электроснабжения.

Величина потерь электроэнергии в СТЭ на двухпутном участке может составлять 12% от энергии, идущей на тягу. Поэтому снижению потерь в СТЭ уделяется большое внимание. Ввиду крайней неравномерности нагрузки потери энергии от тягового тока необходимо определять с низким шагом временной дискретизации замеров (до 1 секунды) по следующей формуле:

где: АЛ от и ААм - потери соответственно в стали и в меди тягового трансформатора; рпп - внутреннее сопротивление i-ой ТП; 1Тт - ток i-ой ТП; Rtck~ сопротивление k-того элемента тяговой сети; /го - ток по k-тому элементу тяговой сета; n, m - число ТП и элементов тяговой сети соответственно.

Как показали исследования потери в СТЭ можно считать пропорциональными коэффициенту формы тока или мощности, который представляет собой отношение действующего значения мощности Рд к ее среднему значению Рср.

Моделирование работы ТП «Голицино» с НЭ, подключенным непосредственно ;с шипаи; постоянного напряжения, позволило качественно и количественно получить зависимости удельных активных потерь в ТП и коэффициента формы мощности от энергоемкости НЭ (рисунок 3). Из рисунка видно, что потери

ААС1Э=ААТП +ААТС =[ААС7.+ААм]+АА7С =

энергии действительно пропорциональны коэффициенту формы мощности, причем наиболее интенсивный спад потерь в ТП происходит в начальном интервале зависимости, т.е. от 0 до 500 кВт ч энергоемкости НЭ. Именно в этом интервале должна находиться экономически выгодная величина энергоемкости НЭ.

С целью оценки степени неравномерности загрузки ТП постоянного тока с помощью автоматизированной системы коммерческого учета электроэнергии ОАО «РЖД» с 21 по 27 марта 2011 г. был проведен опыт поминутной диагностики показателей работы 28-ми ТП Южно-Уральской железной дороги. На рисунке 4 представлена зависимость тока, напряжения и мощности ТП «Сладкое» от времени в течение недели. При этом был выявлен факт завышения уровня напряжения на высокой стороне ТП на 7% (11150 В). Повышенное первичное напряжение по всем фазам фиксировалось более суток в период 21-22.03.11. Это послужило причиной перераспределения загрузки соседних ТП, что привело к перераспределению токов в СТЭ, увеличению потерь, а также повышению температуры тягового оборудования, что, в свою очередь, негативно скажется на сроке его службы.

зооо—

а 2500

& £ 2000

5 Ь

= а 1500

¡ | 1000100

5 i 500331

I 0

о 250 500 750 1000 1250 1500

Энергоемкость НЭ (кВт ч)

Рисунок 3 - Зависимость коэффициента формы мощности и внутренних потерь ТП от энергоемкости, расположенного на ней НЭ

На рисунке 5 представлены результаты обработки мгновенных значений напряжений и токов ТП. Обработка данных показала - столбчатая диаграмма распределения уровней напряжения исследуемой ТП (рисунок 5, а) в отличие от других ТП является бимодальным распределением с симметричным смещением в начальный период измерения в зону повышенного уровня первичного напряжения. В случае диаграммы токов (рисунок 5, б) - с увеличением первичного напряжения наблюдается изменение столбчатой диаграммы - экспоненциальный закон в течение 21.03.11. и части 22.03.11. поменялся на «нормальный».

Таким образом, обширный мониторинг множества ТП подтверждает крайне неравномерную загрузку за счет специфики электрической тяги.

Рисунок 5 - Столбчатая диаграмма распределения уровней напряжения (а) и токов (б) ТП «Сладкое» за период с 21.03.11. по 24.03.11 (с фактом

завышения первичного напряжения 21 числа и части 22.03.11.) Полученные данные АСКУЭ позволили оценить показатели неравномерности энергопотребления ТП (рисунок б). Основной характеристикой данного показателя является коэффициент заполнения (или плотность нагрузки). Наилучший коэффициент заполнения был зафиксирован на ТП «Чурилово» -7=0,47, а наихудший ■ на ТП «Шумиха» - 7=0,18. Повышение коэффициента заполнения ведет к снижению «импульсов» эффективного тягового тока и к некоторому снижению потерь электроэнергии.

Частично или полностью снизить технико-экономические ущербы от специфики энергопотребления в СТЭ с помощью НЭ можно, решив ряд электро-

Рисунок 4 -Значения Ш, Ис, 1а и УАа ТП «Сладкое» в функции времени (с фактом завышения первичного напряжения 10 кВ 21.03.11.)

технических задач по:

- спрямлению минутных и часовых графиков нагрузки, так как это приведет к уменьшению токовых нагрузок и провалов нагрузки тяговых подстанций, что будет способствовать лучшему использованию установленной мощности подстанций при увеличении размеров движения и весов поездов, и даже понижению установленной мощности ТП, а также снижению температуры элементов полупроводниковых агрегатов и трансформа

0,600 0,500 0,400, 0,300

0,200

-Коз<Ь. заполнения 'VI

Коз св. минимума

в)

. _ _ _

Рисунок б - Показатели работы ТП в течение 7 суток, (а - показатели неравномерности энергопотребления ТП, б - средний коэффициент мощности, в - средняя мощность ТП за сутки) торос, что благоприятно скажется на сроке службы оборудования;

- повышению качества электроэнергии и стабилизации уровня напряжения в тяговой сети и на токоприемниках электровозов, находящихся в режиме тяги, что напрямую связано со скоростью поездов, выполнением графика движения и КПД электровозов;

обеспечению необходимых условий для режима рекуперативного торможения;

- использованию дешевой электроэнергии, запасенной ночью, для ком-

пенсации дефицита мощности в часы пик;

- лучшему использованию энергии рекуперации и уменьшению потерь энергии в тяговой сети, при отказе от возврата энергии в первичную сеть, и при одновременном безотказном стопроцентном обеспечении необходимых тормозных моментов на валу двигателей электровозов.

Для комплексной оценки эффективности использования НЭ в СТЭ ж.д. с целью выравнивания тяговой нагрузки была получена целевая функция /и, которая имеет вид:

/я = П(А) или fii = Ap-Ay-AIl = l-l

где: pi - показатели степени изменения неравномерности; pVt уу, Пу-показатели неравномерности уже при использовании НЭ. Значение данной функции характеризует степень эффективности использования НЭ для выравнивания графика энергопотребления. Показатель функции fn должен превышать определенную величину, которая высчитывается для конкретной ТП отдельно. Исследования показали, что для случая ТП «Голицино»/« должна быть больше величины в 1150.

Вторая глава посвящена обзору основных типов НЭ, пригодных для эффективного использования в электроэнергетической системе (ЭЭС) ж.д. транспорта, их сравнительному анализу и определению наиболее подходящих для использования в СТЭ ж.д. Рассматривались следующие НЭ: гидроаккумули-рующие электростанции, инерционные накопители энергии (ИНЭ), электрохимические накопители энергии, к которым относятся аккумуляторные батареи (АБ), сверхпроводниковые индуктивные накопители энергии (СПИН) и емкостные накопители энергии (ЕНЭ). Сравнительный анализ различных НЭ проводился па основе сопоставления набора их параметров, позволяющих охарактеризовать эти устройства. Так было определено, что для СТЭ ж.д. возможно эффективное использование ИНЭ, ЕНЭ, СПИН и АБ.

Па рисунке 7 представлена принципиальная схема ИНЭ. ИНЭ представляет собой конструктивно объединенные в одной установке механический инерционный накопитель (маховик) и электрическую машину (ЭМ) (мотор-

ДР =

А у = -уг

г

дя=—я

tfv

Др > 25 I J Ау > 7,4 I > 1150)

|ДД > 6,2 J

генератор (МГ)). Для связи с тяговой сетью используется преобразовательный агрегат (ПА), состоящий из реверсивного преобразователя постоянного напряжения (РППН) и инвертора тока (ИТ). Данная система предназначена для запаса и хранения механической энергии с последующим ее преобразованием и отдачей в виде электрической энергии для дальнейшего использования в СТЭ. Данная схема была разработана НТЦ «Синтез» НИИЭФА им. Д.В. Ефремова совместно с МИИТом при участии автора. Мощность данного ИНЭ составляет порядка 5-10 МВт, а энергоемкость - 100-150 МДж на единицу ИНЭ.

Потери энергии в ИНЭ подразделяются на пассивные (в вакуумной камере (ВК) накопительного элемента при режиме ожидания ИНЭ (рисунок 8)) и активные (в МГ и ПА при режиме заряда или разряда ИНЭ).

В режиме хранения энергии постоянные пассивные потери в ВК будут складываться из следующих составляющих: аэродинамических потерь мощности ротора (Ра); потерь мощности в радиальных уплотнениях (Рру); потерь мощности в магнитном промежутке (Рм).

Потери в ВК зависят от частоты вращения ротора. Данные о потерях в ВК приведены на рисунке 8. Общие пассивные потери Рпас составляют 1,2 кВт.

Активные потери ИНЭ появляются только при активных режимах работы НИЗ, т.е. при заряде или разряде. Они подразделяются на потери в обмотках МГ и в полупроводниковых структурах ПА. КПД МГ составляет 97-98%, а КПД ПА-98%.

Формула для определения общего КПД ИНЭ имеет вид:

Рисунок 7 - Принципиальная схема ИНЭ

Пинэ ~~

Лп

(А,

кнн ЛПАС ) • Г)мг -Цпа _ (Апг ■ 11мг'ЛПА Рпас '^РАК)'Чмг ' Пш

А1<ин ^ПР ' Ппл ' 11 МГ > Лот — (Ашн АПАС ) ■ Т]ПА • Г)мг , Аплс - РПАС ' ¡РАБ >

где: Аир - энергия, принятая ИНЭ из СТЭ в течение одного цикла работы за сутки; Акии— кинетическая энергия маховика; Апас - общие пассивные потери энергии в ВК; Рпас - общие пассивные потери мощности в ВК; граб — время работы ИНЭ в сутки.

Учитывая время хранения энергии в часы неинтенсивного движения (принимая во внимание результаты имитационного моделирования), получается, что общий КПД работы ИНЭ за сутки составляет 86-90%.

Во второй главе также рассматривается схема, конструкция, принцип действия и режимы работы СПИН. Для СТЭ железных дорог СПИН является одним из самых перспективных источников пиковой мощности. Принцип работы СПИН основан на том, что электроэнергия запасается в виде энергии магнитного поля, постоянно поддерживаемого незатухающим (замороженным) током в сверхпроводящей катушке с практически нулевым активным сопротивлением.

--—- 19-- ---Аэродинамические потери, Ра .....Потери в радиальных уплотнен! -Птери в магнитном промежутке, Рм —е—Суммарные потери, Рс

0,450,4-Й 0,35-~ 0,3-§ 0,25-| 0,22 0,15; о. 0,1 ■ о Б 0,05-С 0 0,3913

..........^..........

^^^вгбдббз:-..........

>,197

-\-•- -1

-1-1- -

8 9 10 11 12 13 14 15 16 Частота врвщения маховика (хЮОО об/мин)

Рисунок 8 - Потери энергии в ВК ИНЭ Одна из возможных схем подключения СПИН к СТЭ железных дорог показана

на рисунке 9. Здесь СПИН подключается непосредственно к шинам тягового напряжения 27,5 кВ ТП переменного тока. Аккумулирующий элемент (АЭ) через коммутационный модуль (КМ) подключается к преобразовательному агрегату. Преобразовательный агрегат состоит из импульсного регулятора постоянного тока (ИРПТ) и четырехквадрантпого регулятора (4<38), разделенных контуром постоянного тока с поглощающей (фильтрующей) вставкой постоянного тока (ФВПТ). Далее преобразовательный агрегат через трехфазную линию подключается к силовому трансформатору (СТ), который, в свою очередь, через разъединитель подсоединен к шинам 27,5 кВ. Также в схеме имеются блоки управления и рефрижераторная установка для ожижения хладагента.

-ИОкВ

Преобразовате№ный_агрепгг

403 ИРПТ

= /

/= \) Т| /=

БПРПА

Тяговые фидера 27,5 кВ

Рисунок 9 - Схема подключения СПИН к ТП переменного тока КПД работы СПИН можно оценить следующим образом:

Цспин ~~

^отд

ЛпРНН ЛЛ

ЛПРИН

-(ЬЛТШ+ААТПТВ + £ААПЛ1 +

Априн АПРИН АПРШ

где: Априн - энергия, принятая СПИН из СТЭ за сутки; А отд - энергия, отданная СПИН в СТЭ за сутки; АА - потери энергии в СПИН за сутки; ААПл¡~ потери энергии в преобразовательном агрегате в течении ¡-ой секунды; ААВт'~ потери энергии за счет вихревых токов в элементах в течении ¡-ой секунды.

КПД СПИН можно также определить и с помощью других показателей. При этом необходимо учитывать расходы энергии на собственные нужды. Тогда выражение для расчета КПД СПИН будет следующим:

АПр[*тг

*?СПИН ~~ Чпл ' ' ЦАЭ —Ц ПА'

А ПРИН Асн • Ки

где: /¡¡¡л - КПД преобразовательного агрегата; цлэ - КПД аккумулирующего элемента СПИН; Кф - коэффициент формы мощности (учитывает неравномерность работы ПА); Априн - энергия, принятая СПИН из СТЭ за сутки; Аси - энергия, расходуемая на собственные нужды СПИН за сутки (работа криокуллеров и вакуумного насоса); Ки - коэффициент использования (учитывает степень непостоянства работы криогенного оборудования).

Используя результаты моделирования работы СПИН в СТЭ ж.д., было получено, что общий КПД СПИН для конкретного случая составляет 0,91.

При оценке массогабарнтных показателей СПИН оценивались два варианта - первый СПИТ! с обычной тороидальной катушкой при энергоемкости в 350 кВт ч (1,26 ГДж). Аккумулирующий элемент может быть выполнен в виде тора из С катушек с внешним диаметром 5,7 м и массой 7 тонн каждая (56т).

При этом криостат должен иметь внешний диаметр 17 м и высоту 7,5 м. Объем данной конструкции будет составлять около 796 м3, а вокруг криостата должна быть обеспечена зона отчуждения диаметром 8 м.

Второй перспективный СПИН при той же энергоемкости с катушкой тороидального типа с постоянной плотностью запасаемой энергии (тороид с однородным модулем поля), должен представлять собой тор с обмотками, в котором диаметр равен высоте, и иметь размеры Зм в диаметре и Зм в высоту соответственно, при массе 15т. Криостат при этом будет иметь размеры примерно 7м в диаметре и 5м в высоту, общим объемом 192 м3. Следует отметить, что в данном случае внешние магнитные поля должны быть значительно меньше и зона отчуждения может составлять не более 2-3 м.

В качестве НЭ для СТЭ во второй главе также был рассмотрен накопитель BPS на основе аккумуляторных батарей (АБ) японской фирмы Кавасаки, который формируется на основе накопительного модуля GIGACELL. Данный модуль является никель-металл-гидридным аккумулятором энергии. Путем последовательного соединения модулей формируется батарея на необходимое напряжение СТЭ. BPS впервые была испытана на муниципальном метро г.Осака (Япония) в ноябре 2007г. на ТП Комагава и показала высокую эффективность.

В данном случае НЭ подключается непосредственно к шинам ТП. Следует отметить, что зона работы НЭ при таком исполнении ограничена 4-6% энергии от полной энергоемкости НЭ. Данное ограничение диктуется сроком службы всей накопительной системы - при систематических разрядах НЭ, сверх установленной нормы, резко снижается число циклов перезаряда накопителя. Оценка КПД BPS показала, что эффективность его работы в указанном диапазоне разряда составляет порядка 92%. В условиях Московского метрополитена на каждую ТП необходимо 4 шкафа с модулями размером порядка 2,6мх1,5мх2,2м и массой 6,2 т каждый.

Во второй главе были произведены обзор и оценка эффективного использования в СТЭ суперконденсаторов. В данном случае рассматривались конденсаторы отечественных фирм «Тсхнокор» и «Элтон». Характеристики и технико-энергетические показатели работы НЭ в условиях СТЭ на основе конденсаторов подробно рассмотрены в четвертой главе.

Во второй главе были также рассмотрены возможные варианты расположения НЭ в ЭЭС ж.д. (рисунок 10), определены наиболее подходящие типы

НЭ и проведена предварительная оценка их параметров. То или иное расположение НЭ в СТЭ определяет возможные функции и технико-экономическую эффективность их использования. Так, например, в системе первичного электроснабжения (на электростанциях и районных подстанциях) более эффективно использование гидроаккумулирующих электростанций и СПИН (НЭ1 и НЭ2 рисунок 10) энергоемкостью свыше 10 ГДж.

При использовании НЭ на ТП (НЭЗ) для приема избыточной энергии рекуперации его энергоемкость должна составлять 100-200 МДж. Такая энергоемкость приемлема для ИНЭ и ЕНЭ. Энергоемкость при установке НЭ в тяговой сети (НЭ4), на постах секционирования (ПС) должна быть рассчитана для приема энергии рекуперации одного поезда и не превышать 100 МДж. В этом случае более целесообразно использовать ИНЭ пониженной энергоемкости и ЕНЭ. При установке НЭ на борту электропоезда может быть использован только ЕНЭ или АБ. Главным приоритетом в работе ЕНЭ является прием энергии рекуперации. Энергоемкость его при этом должна составлять до 12 МДж.

Рисунок 10 - Структурная схема питания ж.д. с НЭ на различных этапах

Третья глава посвящена разработке математических и имитационных моделей работы различного типа НЭ в ЭЗС ж.д. Математические модели работы НЭ сформированы как в виде отдельных самостоятельных программ, использующих уже готовые данные, так и в виде нескольких модулей в составе созданного па кафедре «ЭЭЖД» МИИТа программно-измерительного комплекса имитационного моделирования СТЭ с НЭ (ПИК НЭ) (рисунок 11). ПИК НЭ предназначен для решения широкого диапазона задач проектирования, эксплуатации и исследований процессов ЭЭС ж.д. на линиях метрополитенов и

/

Моделирование профиля пути

Результаты расчета, статистическая обработка, анализ и сравнение показателей работы устройств ТП, ТС и СПЭ по нормативным характеристикам

Рисунок 11 - Структурная схема ПИК с НЭ, разработанного на кафедре «Энергоснабжениеэлектрических

железных д орог» МГУ ПС (МИИТ)

железных дорог постоянного и переменного тока. ПИК НЭ был использован в проектной и эксплуатационной деятельности для расчета показателей работы СТЭ множества железнодорожных объектов: Малого кольца Московской ж.д.; Московского метрополитена; новых участков скоростного сообщения до аэропортов «Шереметьево» и «Внуково» соответственно Московской и Октябрьской ж.д.; «Бутовской» линии легкого метро и др.

Особенность математической модели НЭ состоит в том, что расположение НЭ в различных точках ЭЭС меняет токораспределение и уровень напряжения. Объект НЭ в математической модели описывается как своего рода активный элемент, работающий в режимах, напрямую зависящих от условий всей исследуемой схемы, от внутреннего состояния самого НЭ. Разработаны два вида моделей:

1. Модель работы НЭ в виде составной части ПИК НЭ используется при моделировании СТЭ с особыми «накопительными» ТП. В данном случае НЭ могут располагаться на ТП или же вместо них в середине фидерной зоны. Особенность «накопительных» ТП состоит в том, что их ВАХ характеризуется как двухпараметрическая, зависящая не только от тока, но и от запаса энергоемкости. Помимо этого, величина мощности данных ТП также является переменной и зависит от условий работы СТЭ и НЭ.

2. Модель работы НЭ в виде отдельной прикладной программы (рисунки 11 и 12), использующей в виде исходных данных результаты экспериментальных замеров, что дает возможность максимально приблизиться к истинному результату, используя начальные данные не расчетные, а реально замеренные для конкретного объекта работы - ТП и ЭПС. На рисунке 12 представлен интерфейс с результатами расчета, где показан пример моделирования работы СПИН на ТП «Голицино» Московской ж.д. Интерфейс включает в себя поля для внесения начальных данных по НЭ, два графических окна, показывающие в сравнении временные показатели работы ТП без СПИН и с ним, а также окно с результатами расчета интегральных показателей работы ТП в двух случаях. Данная программа позволяет определить интегральные показатели работы ТП и целесообразность использования НЭ с технико-экономической оценкой.

В работе также рассмотрена программа, позволяющая моделировать работу ЭПС с бортовыми ЕНЭ. При этом, как и в предыдущем случае, используется уже готовый тяговый расчет, который может быть построен с помощью имитационной программы МДП (рисунок 11) или же с использованием экспе-

риментально замеренных данных (рисунок 1 и 2). На рисунке 13 представлен интерфейс данной программы, алгоритм которой подобен алгоритму предыдущей программы работы НЭ на ТП и заключается в пересчете показателей работы ЭПС с учетом ЕНЭ на борту. Специфика данного алгоритма состоит в том, что ЭПС, в отличие от ТП, в сочетании с ЕНЭ имеет больше режимов работы.

В диссертации была произведена статистическая оценка достоверности результатов моделирования ПИК НЭ с использованием экспериментально замеренных показателей работы как ЭПС, так и ТП. Основное расхождение результатов моделирования показателей работы СТЭ с реальными замеренными данными происходит на стадии формирования теоретического тягового расчета движения одиночного поезда при некоторых идеализированных усредненных данных по его составности, величине напряжения в тяговой сети, сопротивлению движения в функции скорости и т.п.

экспериментальных данных (ток и напряжение в функции времени без НЭ и с его использованием; интегральные показатели работы ТП)

В данном случае было произведено сравнение результатов теоретически

полученного тягового расчета и реально замеренного. С целью определения

технико-энергетических показателей работы ЭПС, объединенными усилиями

сотрудников ЗАО «ЗРЭПС» и кафедры «Энергоснабжение железных дорог» МГУ ПС (МИИТ) при участии автора, во время обкатки отремонтированных вагонов метро, были проведены натурные замеры токов и напряжений в тяговых цепях ЭПС. Замеры проводились на вагоне типа ЕжЗ, курсирующем по Та-ганско-Краснопресненской линии Московского метрополитена в течение двух | часов (на рисунке 14 показан фрагмент замеров). г.......... " ——II ними»»'!»II 11 ..........

/Ч /ч Ар [ ¡с | 1Й

Рисунок 13 - Интерфейс модели работы бортового ЕНЭ на ЭПС с использованием готового тягового расчета по экспериментальным замерам

Рисунок 14 - Результаты замеров показателей работы ЭПС

на Таганско-Краснопресненской линии Московского метрополитена

Анализ экспериментальных и теоретических исследований показал, что расхождение между теоретическими и экспериментальными данными составляет порядка 15%. Причиной расхождения результатов в основном являются различия в режимах ведения поезда, что практически полностью может быть устранено с помощью «симулятора ведения поезда».

Совместно со Службой «Электроснабжения» замеры показателей работы проводились и на нескольких ТП Московского метрополитена. На рисунке 15 показан 60-минутный фрагмент осциллограммы тока фидера, а также тока и напряжения ТП «Римская». Сравнение интегральных показателей работы ТП при моделировании и экспериментальных замерах показало, что расхождение составило около 9%. Оценка проводилась по следующим зависимостям: - погрешность среднеквадратиче- у, ,

^ _ -\1 \JrMi Мр '

ского отклонения показателей работы ТП при моделировании и экспериментальных замерах:

\2

До- = /1 - ' ,м /,

J т

при этом: mp = — jpMZ-dt ;

1 о

- погрешность в расходе электроэнергии ТП при моделировании и экспериментальных замерах:

-1мТШ -At

д4 = /1~!Й-/,

YlJzm -Izrai-At

где: put и pzi - показатели исследуемой величины, полученной при моделировании и экспериментальных замерах (токи или напряжение ТП); тМр и

mZp- средние значение (математическое ожидание) показателей исследуемой величины, полученной при моделировании и экспериментальных замерах (токи или напряжение ТП); U.u,zTn и 1м,zm - напряжения и токи ТП, полученные при моделировании и экспериментальных замерах.

В третьей главе содержится также методика статистической обработки результатов моделирования, а также экспериментально замеренных данных. В данном случае помимо интегрированной среды разработки Turbo Delphi задей-ствовался пакет Statistics сист емы MATLAB2008. На рисунке 16 показан пример обработки данных по показателям работы СТП-917 (ст. «Римская») Московского метрополитена. Для определения закона распределения плотности вероятности и его параметров, использовались алгоритмы определения параметров закона распределения случайных величин, на основе опытных данных пакета Statistics. С помощью представленной программы статистической обработки и моделирова-

ния были обработаны экспериментальные данные показателей работы нескольких ТП в различные часы суток и при различных, т.е. централизованной и децентрализованной, системах энергоснабжения Московского метрополитена и построены необходимые зависимости. На рисунке 17 представлены аналогичные результаты статистической обработки показателей работы Т-14 «Партизанская» в часы интенсивного и разреженного движения поездов.

Рисунок ! 5 - Осциллограммы тока фидера, тока и напряжения ТП «Римская» в течение часа

Вромя (с) Время (с|

Рисунок 16- Интерфейс программы статистической обработки экспериментальных данных СТП-917

Подобный статистический анализ был произведен и по результатам замеров показателей работы ЭПС (рисунок 17). В результате были получены экспериментальные данные по энергии пуска (Ап) и энергии торможения (Ат) на один вагон ЭПС (рисунок 18). Дальнейшее статистическое моделирование позволило совместить экспериментальные данные по показателям работы ТП и ЭПС, в результате чего удалось оценить порядок избыточной энергии рекуперации и мощность стационарного НЭ, необходимого для ее принятия на ТП.

Частость

Частость

Рисунок 17 - Статистические показатели работы Т-14 в час-пик и в час разреженного движения

При этом использовалась теория обработки систем случайных функций,

на основе нормального закона распределения:

ЯЛ,Р) = 1

2ттАсгР^1 — г%Р

СЛ-тл)г 2г-(А-тА)(Р-тР) (.Р-тр)г

сгАар I j

где: тА,г и аА,р ~ математическое ожидание и среднеквадратическое отклонение энергоемкости и мощности НЭ; гАР - коэффициент корреляции; Км - корреляционный момент; р0 - вероятность того, что система (А,Р) примет значение А1 и Р], а суммирование распространяется по всем возможным значениям случайных величин А, Р.

На рисунке 19 показана пространственная поверхность плотности распределения вероятности (1) принятия избыточной энергии рекуперации в зависимости от энергоемкости (А; МДж) и мощности (Р; МВт) НЭ дня ТП метрополитена. В данном случае моделирование произведено для СТП-917 «ст. Римская». Из графика хорошо видно, что для данной подстанции энергоемкость НЭ для принятия практически всей избыточной энергии рекуперации должна составлять около 70 МДж, а мощность ПА при этом должна составлять около 2,5 МВт.

1 40

Рисунок 19 Поверхность распределения плотности вероятности принятия избыточной энергии рекуперации в зависимости от энергоемкости и мощности

НЭ для ТП метрополитена К четвертой главе описаны схемы, конструкции, принцип действия, режимы работы и параметры НЭ при их использовании в СТЭ метрополитена. В

данном случае рассмотрены стационарные НЭ управляемого и неуправляемого типов на основе суперконденсаторов. Накопителями энергии неуправляемого типа будем называть те НЭ, аккумулирующий элемент которых, подключается непосредственно к шинам ТП, а режимы заряда или разряда НЭ определяются условиями циркулирующей энергии в тяговой сети. Накопителями энергии управляемого типа будем называть те НЭ, аккумулирующий элемент которых, подключается к шинам ТП через преобразовательный агрегат, задающий режимы работы накопителя в соответствие с выбранным алгоритмом. Выбор типа и функциональных возможностей НЭ определяется исходя из конкретных условий на конкретной линии метрополитена.

Одна из главных задач НЭ - это гарантированный прием избыточной энергии рекуперации и ее повторное использование для нужд тяги. Однако помимо основной задачи НЭ может быть использован в качестве энергетического буфера на ТП для выравнивания графика энергопотребления из системы первичного электроснабжения (СПЭ) и, тем самым, снижения установленной мощности ТП. При этом в режиме тяги будет осуществляться параллельная работа НЭ с КВ-агрегатами ТП. Однако в данном случае сложность состоит в том, что у обычной ТП линейная вольтамперная характеристика (ВАХ), не зависящая от времени, а ограниченная энергоемкость "накопительной" ТП определяет ее ВАХ, как характеристику двухпараметрическую.

Исследования свойств накопительных модулей ЕНЭ и адаптация накопительной системы для условий Московского метрополитена позволили в достаточно полной мере отобразить ВАХ ЕНЭ - напряжение на НЭ зависит не только от тока, но и от времени его потребления и, как следствие, от степени заряда накопителя, поэтому определяется зависимостью напряжения от тока и запаса энергии (времени потребления тока) и строится в координатах U, I, t. На рисунке 20 показана пространственная ВАХ ТП и ЕНЭ, описанная следующими выражениями:

^тп ~ f(Jm ) = Uхх ~ ^тл ' R-отл >

„ UBPS = UoBPS ~ hps ' KBPS I

UBPS=f(IBPS,AA(t)) = },

где: AA - величина энергии, на которую разряжена батарея; Uobps - начальный уровень напряжения па батареи в момент разряда; IBps — ток разряда батареи; t - время потребления тока; Robps - внутреннее сопротивление батареи; а,

32

Ь и с - коэффициенты аппроксимации экспериментальных зависимостей.

Из рисунка 20 хорошо видно, что при полностью заряженном НЭ большую часть тягового тока будет выдавать ЕНЭ, так как напряжение на нем выше напряжения холостого тока ТП. Максимальное напряжение на НЭ может достигать максимального уровня напряжения на ЭПС в режиме рекуперативного торможения - 925 В в настоящих условиях эксплуатации ЭПС Московского метрополитена. Именно этому значению соответствует на ВАХ начальный уровень напряжения НЭ (925 В при 1=0 и ДА=0). По мере увеличения тягового тока и разряда НЭ будет происходить перераспределение загрузки НЭ и КВ-агрегатов ТП и, в конечном итоге при значительном разряде накопителя и сохранении большого тока, подпитка СТЭ от НЭ прекратится.

Рисунок 20 Пространственные ВАХ ТП и НЭ в плоскости «напряжение - ток», запас энергии (время потребления тока) Одним из главных недостатков НЭ неуправляемого типа является наличие большого мертвого объема энергоемкости (около 90%). Однако это дает больший ресурс работы и лучше сказывается на КПД накопителя, который может составлять порядка 97%. В общем виде КПД НЭ неуправляемого типа определяется следующим образом:

24 24 24

[¿з ■ «з ■ Л - Гг'з • Я0 ■ Л - Г г/ ■ Яа • Л

- Аот -1_»_£_

1Т~ . ~ 24

Апр г. ,

113 -н, Ш

о

где: Аот, Апр - соответственно отданная и принятая из СТЭ энергия НЭ; ¡з и ¡р - токи заряда и разряда соответственно; и3 - напряжение НЭ при заряде;

<♦)(.) 825 В

ЕНЭ

БК

(енэ П юк 11 V-

г"?Г ; т. |—|— 1 (г

! 1ДТ1 1 | ОТ!

CP

Ro - внутреннее сопротивление НЭ.

В четвертой главе также рассматривается НЭ управляемого типа, т.е. с использованием преобразовательного агрегата.

Основные элементы стационарного ЕНЭ показаны на рисунке 21, это:

- батарея молекулярных конденсаторов (БК);

- преобразователь постоянного тока П (на максимальный ток рекуперации) для связи БК с шинами ТП или тяговой сетью;

- система датчиков контроля тока (ДТ1, ДТ2) и напряжения (ДН1 и ДН2) совместно с системой регулирования (CP), формирующей команды на управление работой ЕНЭ;

- быстродействующий выключатель (БВ) для физического подключения ЕНЭ и защиты его оборудования от токов короткого замыкания.

Преобразователь П в ЕНЭ осуществляет передачу энергии рекуперации из тяговой сети в БК и обратно и регулирует в зависимости от режима работы и состояния СТЭ, величину мощности.

„ nLJr-. тп Максимальная мощность

Рисунок 21-Принципиальная схема ЕНЭ на III

преобразователя для загруженных линий Московского метрополитена (таких как «Арбатско-Покровская» линия) предварительно определена на уровне порядка 22,5 МВт. Данное устройство представляет собой реверсивный преобразователь постоянного напряжения с двухсторонним переменным коэффициентом трансформации и промежуточным индуктивным звеном, выполненное на базе современных силовых IGBT модулей. Преобразователь выполняет 4 важные функции:

- заряд конденсаторов ЕНЭ непосредственно от тяговой сети крайне неэкономичен, так как КПД заряда с нулевого напряжения в этом случае составит лишь 50%. В связи с этим в преобразователе предусмотрен промежуточный индуктивный накопитель, который позволяет обеспечить КПД заряда свыше 85%;

- на выходе в тяговую сеть, преобразователь стабилизирует необходимый уровень напряжения и одновременно позволяет регулировать отдаваемую мощность;

- для повышения коэффициента использования энергоемкости ЕНЭ, т.е. для снижения «мертвого» объема накопителя, преобразователь позволяет разряжать БК с регулируемой мощностью до задаваемого уровня напряжения;

- в сочетании с собственной системой управления преобразователь способен выполнять и функции защиты оборудования ЕНЭ.

На рисунке 22 показана схема модели преобразователя с системой управления, реализованная в среде Matlab/Simulink. Работа преобразователя основывается на предварительном накапливании энергии от источника Ute в индуктивных реакторах (Ldl и Ld2) и поочередном сбрасывании ее в накопительный конденсатор Сп (упрощенная модель БК). Необходимые частота и величина тока индуктивных реакторов, с помощью блока управления, обеспечиваются силовыми IGBT модулями 12-17 класса Sl, S3 - при заряде, и S2, S4 - при разряде.

ш

I Ш"

I

1

ЕЬ»

I_

StAfTf »3 Ни

Ouu --

rttaml Zar 11

1 . Ф'

. 1

"Й-

SubifctmlZarl

4

J

Рисунок 22 - Схс:>;а преобразователя с системой управления Работа преобразователя моделировалась в среде МАТЬАВ 2010 с помощью системы Бт-шИпк. Для реализации данной модели и расчете основных показателей работы был выбран неявный метод Эйлера в сочетании с методом трапеций 2-3 порядка. Применение закон численной схемы позволяет проводить расчет за приемлемое время с приемлемой точностью расчетов. Для проверки точности расчетов результаты сравнивались с решениями, полученными другими методами при исключении моментов коммутации ЮВТ модулей.

Па рисунках 23 и 2.4 представлены результаты моделирования работы преобразователя л режиме заряда КБ в двух вариантах: без емкостного фильтра (рисунок 23) и с использованием емкостного фильтра (рисунок 24).

б)

Г;:

Io

А/ г^'Л/'Л

m

м

Uci

Л

'M

мм

idi : id2

a)

0.628 0.63 0.632 0.634 0.636 9.402 9.404 9.406 9.408 9.41

Рисунок 23 - Общий ток на выходе преобразователя (1о) и токи индуктивных реакторов (М1 и М2) в функции времени без емкостного фильтра в различные

периоды заряда б)

Io

Ucn

Idl Id2

1000

600

Idl

Io

lien

Id2

0.628 0.63 0.632 0.634 0.636 9.402 9.404 9 406 9 408 9.41

Рисунок 24 - Общий ток на выходе преобразователя (1о) и токи индуктивных реакторов (И 1 и Ы2) в функции времени емкостным фильтром в различные периоды заряда

На рисунке 23, а показан общий ток на выходе преобразователя (1о) и токи индуктивных реакторов (ТсП и М2) в функции времени без емкостного фильтра в начальный момент заряда накопительном конденсаторе (при напряжении порядка 40В). На рисунке 23, б показаны те же самые токи, но по прошествии 9 секунд, с напряжением на накопительном конденсаторе около 450 В. Как видно из осциллограмм, с увеличением заряда, т.е. с повышением напряжения на накопительном конденсаторе (Сп), форма токов существенно меняется. Ток на выходе ЕНЭ с повышением напряжения на БК перестает иметь явно импульсный характер. Однако на всем периоде заряда ЕНЭ является источником высокочастотных гармонических составляющих, которые могут повлиять на систему безопасности. Для устранения высших гармонических составляю-

щих необходимо использовать на выходе ЕНЭ емкостной фильтр на рисунке 22). На рисунке 24 показаны аналогичные осциллограммы с использованием фильтра.

На рисунке 25 представлены результаты спектрального анализа тока ЕНЭ с использованием емкостного фильтра. Из рисунка видно, что ток ЕНЭ практически полностью избавлен от гармонических составляющих на несущих часто-

тах рельсовых цепей.

Рисунок 25- Спектральный анализ составляющих тока рекуперирующего ЭПС и тока ЕНЭ с емкостным фильтром

КПД ЕНЭ определялось отношением отданной ЕНЭ энергии обратно в сеть к энергии, затраченной источником на заряд. При этом КПД работы ЕНЭ меняется в процессе заряда или разряда накопителя, а его среднее значение выражается следующим образом:

к

где: К число циклов; г\щ - КПД цикла передачи энергии дроссель - конденсатор при заряде и конденсатор-дроссель при разряде ЕНЭ:

~ л ~ А А

Ат Аю лиз

ТЫ ТЫ ТЫ ТЫ

( Г/У'.Л • + ( + \i\rRudt)

О о _О_«-,

- 1 ты

\итс'дзНДЛ

о

где Ат и Аьнэ энергия источника заряда и энергия ЕНЭ, отданная обратно в сеть; ААШЭ - потери энергии в ЕНЭ, аЛАзшэ и ААРЕнэ ~ потери энергии при заряде и разряде накопителя; 1ДЗ и /> токи дросселя в режимах заряда и разряда; Яд и А\: - активные сопротивления дросселя и конденсатора; иК: - напряжения тяговой сети; Т2С, и Ты- время заряда и разряда дросселя при каждом

цикле. При этом: ¡дз

кд

иг + 0.5-7(7? „ +ЯС) „. , ч

■ СО

Ь Г2 1 КД

' а = °~а >ю°=1Ш'а=и>

где: Ь - индуктивность дозирующего реактора; С - емкость ЕНЭ; 1т -максимальное значение тока дозирующего реактора.

Моделирование показало, что КПД ЕНЭ в зависимости от режимов работы колеблется от 0,82 до 0,98.

Важным моментом является определение срока службы конденсаторов (рисунок 26), который зависит не только от числа циклов перезаряда (п), но и от степени разряда конденсатора (у) при каждом цикле.

Рисунок 26 - Зависимость срока службы конденсатора от числа циклов перезаряда в сутки и от степени его разряда

Данную зависимость наиболее полно можно описать следующими уравнениями:

] «V*

где: No - общее число циклов перезаряда; а,Ъ - коэффициенты, зависящие от конкретного типа конденсатора; ns - число циклов перезаряда в сутки; Kt - число пар поездов в час.

На рисунке 26 показана пространственная зависимость срока службы

конденсатора (Тс) от числа циклов перезаряда в сутки (п) и от степени его разряда (Ур). В данном случае для примера использован конденсатор фирмы «Элтон» для Ш метрополитена. Из графика видно, что при размерах движения в 1000 поездов в сутки и 50% разряде срок службы будет составлять 12 лет.

В пятой главе определены основные полигоны эффективного использования НЭ на ж.-д. транспорте. Одним из объектов для исследования режимов совместной работы СПИН была выбрана ТП «Голициио». При моделировании использовались результаты аналогичных замеров тока и напряжения ТП. На рисунке 12 в первом окне показаны осциллограммы тока и напряжения ТП без использования СПИН в течение суток со средним значением тока за сутки (линия в нижней части графика), которое составляет порядка 100 А. Во втором окне рисунка 13 показаны те лее зависимости, но при использовании на ТП СПИН. На рисунке хорошо видно, что броски тока фидера, идущие от тягового агрегата, уменьшились с 2500 А до 300 А, т.е. в 8 раз. Это означает, что именно во столько раз можно понизить установленную мощность ТП. Моделирование показало, что для выравнивания графика энергопотребления необходим СПИН с энергоемкость порядка 200 кВт ч (0,72 ГДж). При этом все показатели неравномерности улучшились в несколько раз.

Другим объектом исследования был участок Москва - Крюково Октябрьской железной дороги с ответвлением до нового терминала аэропорта Шере-метьево-3 длиной около 7км. В данном случае СПИН использовался вместо ТП в конце линии. Имитационное моделирование показало, что СПИН полностью способен взять на себя функции ТП, заряжаясь относительно малыми токами в минуты отсутствия нагрузки и отдавая энергию в минуты тяги поездов. При этом энергоемкость СПИН должна составлять около 4,2 ГДж.

Одним из наиболее эффективных вариантов использования НЭ в СТЭ является проект электрификации Малого кольца Московской ж.д. В данном случае НЭ общей энергоемкостью около 120 МДж устанавливаются на ТП с целью принятия избыточной энергии рекуперации и поднятия напряжения в ТС. С помощью ПИК с НЭ было произведено несколько вариантов расчетов - без примепешы рекуперации ЭПС и НЭ в СТЭ и с их использованием при различных размерах движения. На рисунке 27 показаны результаты моделирования -ток и напряжение одной из пяти тяговых подстанций (ТП2) в функции времени в течение суток и соответствующие увеличенные фрагменты: а) без рекуперации ЭПС и НЭ; б) с рекуперацией ЭПС, но без НЭ; в) с рекуперацией ЭПС и НЭ.

39

Имитационное моделирование показало, что использование накопителя энергии на тяговой подстанции ТП-2 в данном рассматриваемом эпизоде позволило поднять напряжение на шинах ТП до номинального уровня в 3300В, снизить мощность тяговых агрегатов, потребляемую из первичной сети, даже по сравнению с вариантом включения рекуперации, на 25% и уменьшить расход электроэнергии, также по сравнению с вариантом включения рекуперации, еще на 11,7% .

-Ч1Ж1 5000

1)1И*-И10В 1ШЦ-»

п у ц у н 11 и1 \

Рисунок 27 - Ток и напряжение ТП2 в функции времени в течение суток и увеличенный фрагмент в течение 17 минут а) без рекуперации ЭПС и НЭ; б) с рекуперацией ЭПС, но без НЭ; в) с рекуперацией ЭПС и НЭ В шестой главе описан опыт внедрения стационарного НЭ общей энергоемкостью в 90 МДж неуправляемого типа на действующей тяговой подстанции Т-23 «Филевской» линии Московского метрополитена. При вводе НЭ в штатную эксплуатацию проводился непрерывный мониторинг показателей работы ТП и НЭ в течение нескольких суток. На рисунке 28 показаны зависимости токов НЭ и ТП, а так же напряжения на шинах от времени в течение суток. На рисунке 29 показаны зависимости зарядных и разрядных энергий НЭ от времени

Время; с

|р _ щд) 17 - 1нз(А) Р - Цш(В) Г — Г ~~ ^^ Р - Т(%) 1

Рисунок 28 - Ток НЭ, ток и напряжение Т-23 в функции времени за сутки

-10 ООО __^ _ ,__ ..

5 000 10 000 15 000 20 000 25 000 30 000 35 000 40 000 45 000 50 000 55 000 60 000 65000 70 000

Время; с_____

Ьп(АЗ 17 !на(А) Р Цш(В) Р — КПДЧОООО Р" - 1тп-Инз Р — Апр(МЩ) & — Аст(МОж) ? Т(%) |

Рисунок 29-Энергии заряда и разряда НЭ, КПД НЭ в функции времени за сутки

20 000 40 000 60 000 1 500 -1 000 -500 0 500 1 000 1 500

Рисунок 30 - Ток НЭ в Рисунок 31 - Распределение

функции времени за сутки плотности вероятности тока НЭ

в течение суток, а также КПД НЭ. Для оценки адекватности результатов имитационного моделирования работы НЭ на ТП расчетные данные сравнивались с данными экспериментальных замеров. На рисунках 30 и 31 приведены графики изменения тока НЭ ь течение суток и плотность вероятности тока НЭ. Исследования показали, что распределение величины тока НЭ при эксперименте и при модели-

ровании соответствует нормальному закону. Проверка гипотезы о Гауссовом распределении производилась с использованием критерия согласия Пирсона.

При экспериментальных замерах показателей работы НЭ, КПД системы определялось следующим образом:

Аот ¿(^

7э :-------

А'=1

где: Апр и Аот - энергии принятая из сети и отданная соответственно; 1Раз и 1зар - замеренные разрядные и зарядные токи НЭ; иш -замеренное напряжение на шинах ТП; Т- время замеров (-20 часов в сутки); А1 - шаг квантования (50 мс).

Из рисунков видно, что установившееся значение КПД работы СНЭ за сутки составило 95,5%.

Оценка снижения потерь энергии в тяговых агрегатах за счет снижения тягового тока при использовании НЭ по данным экспериментальных замеров определяется следующим образом:

ДАТ, =-

где: 1тп 1 - ток ТП в ¡-й момент времени; 1нэ_) - ток НЭ в ¡-й момент времени; Янэ - внутреннее сопротивление НЭ; Ятп- внутреннее сопротивление тяговых агрегатов; - шаг квантования (50 мс).

Обработка экспериментальных данных и расчет показали, что потери в

тяговых агрегатах снизились на величину около 15%. При этом статистическая обработка также показала, что снижение отдаваемой мощности ТП составило около 13,4%.

Длительный мониторинг позволил также оценить срок службы НЭ (Тсл). Относительный износ НЭ можно оценивать в режиме реального времени посредством постоянного мониторинга токов накопителя и напряжения на шинах ТП. Расчет относительного износа и фактический срок службы также ведется в режиме реального времени по формулам:

100%

(50%) '=1

С'

Топсуг)' 365

л(ЯЭЮ0%)

где: Т% - относительный износ НЭ; То - начальный износ НЭ; Кст- коэффициент, учитывающий степень старения НЭ; п(50%) - число циклов переза-

ряда при 50% разряда НЭ; С, Б - коэффициенты аппроксимации; 1раз ! - ток НЭ в ¡-й момент разряда; инэ_1 - напряжение НЭ в ¡-й момент разряда;

А(цэ1оо%) - общая энергоемкость НЭ (по паспорту); А^шаг квантования (50 мс).

Первый анализ относительного износа НЭ показал, что за сутки мониторинга, НЭ износился на Т0т(сут> = 0,011%. Если принять, что режимы работы НЭ за сутки будут одинаковыми в течение всего периода эксплуатации, то срок службы можно оценить на уровне 25 лет.

Седьмая глава посвящена технико-экономическому обоснованию эффективности использования НЭ на наиболее привлекательных полигонах СТЭ, а именно: НЭ на Малом кольце Московской ж.д. и в Московском метрополитене.

При оценке инвестиций в работе использовался основной показатель для расчета эффективности проекта, которым является чистый дисконтированный доход (ЧДД) - накопленный дисконтированный эффект за расчетный период, приведенный к начальному шагу по норме дисконта. Зависимость ЧДД от срока полезного использования НЭ и дисконтированный срок окупаемости проекта показан на рисунке 32.

08

Рисунок 32. - Зависимость ЧДД от срока полезного использования проекта на Малом кольце Московской ж.д.

Оценка технико-экономического эффекта на Московском метрополитене рассматривалась на «Филевской» линии подобным образом. В общем виде срок окупаемости НЭ на ТП можно оценить по следующей формуле:

гр _ К-Сщ __^КНЭ ~ ЬРуМ ' Цуи_

ок ~ Э-Рэ ~ ЦРекГод + Л», + М,о,„т + м«шаяе)' 4э,э„ ~ рэ ' где: Кнэ - капитальные затраты на НЭ; АРум -величина, на которую была снижена установленная мощность ТП, Цум •■ цена подводимой мощности от питающего центра; Цэл.эн •• цена электроэнергии; Э ■■ экономия за счет снижения энергопотребления; Рэ - расходы на эксплуатацию НЭ, Арек.в год - избыточная энергия рекуперации в год; Аклим.в год - энергия, необходимая для отвода тепла реостатов из подземной части метрополитена; ДАпот.тп - потери

энергии вТПв год; ААпот.эпс - потери энергии на ЭПС в год.

Зависимость ЧДД от срока полезного использования НЭ и дисконтированный срок окупаемости проекта Московского метрополитена показан на рисунке 33. При этом срок окупаемости составил около 7 лет.

Следует отметить, что подобный результат по окупаемости был также получен для «Арбатско-Покровской» и «Бутовской» линиях. Для «Кольцевой» линии использование НЭ менее целесообразно.

Рисунок 33 - Зависимость ЧДД от срока полезного использования проекта на Московском метрополитене

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1 Определены основные критерии, которые позволяют оценить эффективность использования НЭ в СТЭ ж.-д. транспорта.

2 Проведенный анализ существующих типов НЭ позволил выбрать накопители ЕНЭ, ИНЭ, АБ и СПИН, которые целесообразно использовать в СТЭ ж.д. и метрополитенов.

3 Разработана методика выбора параметров НЭ при их использовании на ТП, в ТС и на ЭПС, которая позволяет определять точки подключения НЭ в зависимости от функций с наибольшим эффектом.

4 Разработана методика определения основных интегральные показателей работы СТЭ, которая определяет целесообразность использования НЭ.

5 Разработаны принципиальные схемы и конструкции, определены мас-согабаритные показатели основных типов НЭ для использования в СТЭ ж.д. и метрополитенов, а также и на ЭПС, что позволяет произвести оценку потенциальной возможности их использования.

6 Представлены математические модели работы НЭ, отражающие все переходные процессы при энергообмене между узлами индуктивных и емкостных составляющих внутри конструкции ЕНЭ управляемого типа и позволяющие оценивать потери и КПД при работе НЭ в различных режимах.

7 Разработаны имитационные модели по расчету параметров СТЭ с использованием НЭ различного типа, интегрированные в общую структуру ПИК НЭ, и позволяющие математически воспроизводить все процессы, сопровождающие энергообмен между рекуперирующими единицами ЭПС, ТС, НЭ, ТП, а также рассчитывать электроэнергетические показатели работы исследуемых объектов.

8 Разработаны методики выбора режимов работы НЭ в различных точках подключения в зависимости от состояния СТЭ и НЭ, а также их функциональных возможностей, с помощью которых можно повысить эффективность НЭ для каждого конкретного случая его использования.

9 Определены полигоны наиболее эффективного использования НЭ в СТЭ ж.д. на сегодняшний день с предварительной оценкой эффективности, что позволяет раскрыть возможный потенциал энергосбережения на действующих и проектируемых линиях ж.д. и метрополитенов.

10 На основе имитационных моделей разработана методика оценки эффективности внедрения НЭ на действующих ж.д. и метрополитенах, а также при проектировании новых железнодорожных линий с НЭ, которая показала, что срок окупаемости НЭ на ТП Малого кольца Московской ж.д. может составить 6 лет, а срок окупаемости НЭ на ТП метрополитена может составить порядка 7 лет. Однако учитывая перспективу развития технологий изготовления молекулярных конденсаторов, можно предположить, что их стоимости будут значительно снижены.

11 Используя разработанные методы была оценена конструкция и параметры первого в России НЭ для Московского метрополитена. Проведенный мониторинг показателей работы НЭ подтвердил высокую сходимость расчетных данных имитационного моделирования и данных экспериментальных замеров.

12 С помощью созданных математических и имитационных моделей с использованием экспсримснтальпо-замереиных данных показателей работы исследуемых объектов (ТП, ЭПС, НЭ), удалось выявить и другие виды ущербов в СТЭ и у ее потребителей, снижение которых определяет технико-экономическую эффективность использования НЭ на ж.-д. транспорте.

Основные нологхешш диссертации отражены о следующих работах:

Монография:

1. Шеилюгин, М.В. Снижение расхода энергии и рабочей мощности основного С!у:с!Ю!0 оборудования теговых подстанций электрических железных дорог с по-«0111,1.10 накопителей гпергип [Текст]/М.В. Шевлюгин//Монография.-2007- 151с.

Сшчьи в рщеизарусиыз: изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

2. Шевлюгин, М.В. Сверхпроводимость притормозила на пороге подстанций.

[Текст]/М.В. Шевлюгин, В.В. Лобынцев//Мир транспорта.-2006.-№1.-С.44-47.

3. Шевлюгин, М.В. Система накопления энергии на вагоне метро для аварийного вывода поезда из туннеля. [Текст]/М.В. Шевлюгин // НТТ - Наука и техника транспорта. - 2006. - №3. - С. 29-32.

4. Шевлюгин, М.В. ЕНЭ на борту метропоезда. [Текст]/М.В. Шевлюгин // Мир транспорта. - 2007. - №1. - С. 46-49.

5. Шевлюгин, М.В. Повышение энергетических показателей работы системы тягового электроснабжения железных дорог с помощью накопителей энергии. [Текст]/М.В. Шевлюгин//НТТ-Наука и техника транспорта.-2007.-№1.-С.68-72.

6. Шевлюгин, М.В. Криогенные накопители энергии в системе тягового электроснабжения железных дорог. [Текст]/М.В. Шевлюгин // Известия Самарского научного центра РАН. - 2007. - С. 101-105.

7. Шевлюгин, М.В. Снижение расхода электроэнергии на движение поездов в Московском метрополитене при использовании емкостных накопителей энергии. [Текст]/ М.В. Шевлюгин, К.С. Желтов // НТТ - Наука и техника транспорта.-2008,-№1.-С.15-20.

8. Шевлюгин, М.В. Энергосберегающие схемы тягового электроснабжения железных дорог на базе сверхпроводниковых индуктивных накопителей энергии. [Текст]/ М.В. Шевлюгин // Электротехника. - 2008. - №7. - С. 28-34.

9. Шевлюгин, М.В. Стационарная система аккумулирования энергии рекуперации электроподвижного состава метрополитена на базе емкостных накопителей энергии. [Текст]/ М.В. Шевлюгин, Ю.А.Бродский, А.И.Подаруев, В.Н. Пу-пынин // Электротехника. - 2008. - №7. - С. 38-41.

10. Шевлюгин, М.В. Энергосбережение на железнодорожном транспорте с помощью сверхпроводниковых индуктивных накопителей энергии. [Текст]/ М.В. Шевлюгин // НТТ - Наука и техника транспорта. - 2008. - №2. - С. 67-70.

11. Шевлюгин, М.В. Возможность использования возобновляемых источников энергии в системе тягового электроснабжения железных дорог. [Текст]/М.В. Шевлюгин, А.А.Жуматова //НТТ - Наука и техника транспорта. -2008. -№4. -С.25-28.

12. Шевлюгин, М.В. Емкостные накопители в системе электроснабжения метрополитена. [Текст]/ М.В. Шевлюгин, Ю.А.Бродский, В.Ю.Клинов, А.И. Пода-руев, В.Н.Пупынин // Русский инженер. - 2008. - №2. С. 62-64.

13. Шевлюгин, М.В. Оценка эффективности использования стационарных ёмкостных накопителей энергии в метрополитене на основе экспериментальных замеров показателей работы системы тягового электроснабжения. [Текст]/ М.В. Шевлюгин, Л.А.Баранов, Ю.А.Бродский, В.А.Гречишников, А.И.Подаруев, В.Н.Пупынин,// Электротехника. -2010. - № 1. - С. 62-65.

14. Шевлюгин, М.В. Внедрение энергосберегающих технологий на метрополитене. [Текст]/ М.В. Шевлюгин, Д.В.Гаев, А.В.Ершов, Л.А.Баранов, В.А. Гречишников // Мир транспорта. - 2010. - № 3. — С. 3-7.

15. Шевлюгин, М.В. Возможность использования накопителей энергии ВР8 на базе аккумуляторных батарей СЮАСЕЬЬ в СТЭ Московского метрополитена. [Текст] / М.В. Шевлюгин, М.П.Бадёр, М.П.Бычкова, В.А.Гречишников // Электроника и электрооборудование транспорта. - 2010. - №5-6. - С. 23-26.

16. Шевлюгин, M.B. Преобразовательный агрегат ёмкостного накопителя энергии для системы тягового электроснабжения метрополитена. [Текст] / М.В. Шевлюгин, В.А.Гречишников, А.И.Подаруев,// Электротехника.-2011.-№5- С. 17-33.

17. Шевлюгин, М.В. Расчёт относительной реализуемой мощности трансформатора тяговой подстанции по старению изоляции. [Текст] / М.В. Шевлюгин, В.В.Андреев, В. А.Гречишников, Н.Н.Привезенцев//Электротехника.-2011-№8.-С.46-49.

18. Шевлюгин, М.В. Анализ показателей работы силового оборудования системы тягового электроснабжения ОАО «РЖД» на основе мониторинга показателей АСКУЭ тяговых подстанций в режиме реального времени. [Текст] / М.В. Шевлюгин, М.П.Бадёр, В.А.Гречишников, Ю.Н.Король // Электроника и электрооборудование транспорта. - 2011. - №5-6. - С. 5-8.

19. Шевлюгин, М.В. Расчёт интегральных показателей работы разветвлённых систем тягового электроснабжения. [Текст] / М.В. Шевлюгин, В.В.Андреев, В.А.Гречишников // Электротехника. - 2012. - № 12. - С. 32-36.

20. Шевлюгин, М.В. Теоретическое обоснование эффективности использования накопителей энергии неуправляемого типа в системе тягового электроснабжения метрополитена. [Текст] / М.В. Шевлюгин, В.А.Гречишников // Электроника и электрооборудование транспорта. - 2013. - №5. - С. 17-19.

Патенты и свидетельства о регистрации программ для ЭВМ:

21. Шевлюгин, М.В. Программный комплекс «Электроснабжение метрополитена». [Текст] / М.В .Шевлюгин, В.М.Абрамсон, В.В.Андреев, В.А. Гречишников, В.Ю.Клинов, А.М.Минц, В.Н.Пупынин и др. // Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2005610082 от 11.01.05.

22. Шевлюгин, М.В. Универсальный измеритель для тяговых подстанций и электроподвижного состава метрополитенов. [Текст] / М.В. Шевлюгин, В.М. Абрамсон, В.В.Андреев, В.А.Гречишников, В.Ю.Клинов, А.М.Минц, В.Н. Пу-пынин, // Патент на полезную модель №43977 от 10.02.05.

23. Шевлюгин, М.В. Программный комплекс «Электроснабжение электрифицированных железных дорог постоянного и переменного тока». [Текст] / М.В. Шевлюгин, В.В.Лсдресв, В.А.Гречишпшсов, В.Н.Пупышш // Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2005610812 от 02.06.05.

24. Шевлюгин, М.В. Моделирование процесса энергопотребления электропод-пшкного состава железных дорог и метрополитенов с накопителями энергии на борту. [Текст] / М.В. Шевлюгин // Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2005611422 от 14.06.05.

25. Шевлюгин, М.В. Расчет параметров сверхпроводящего индуктивного накопителя энергии для использования на тяговых подстанциях железных дорог. [Тс::с.т] / М.Е. Шсшиоиш // Ссидстельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2006611590 от 12.05.06.

26. ТТ.Ттлюгкп, T,f.T5. Моделирование процесса заряда пмкостного накопителя -нергни с помощью двойного электромагнитного дросселя. [Текст] / М.В. Шсюйопш // Ciüv.oiельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2006611591 от 12.05.06.

27. Шевлюгин, М.В. Зарядное устройство для емкостного накопителя энергии. [Текст] / М.В. Шевлюгин, В.Н.Пупынин // Патент на полезную модель №53826, приоритет от 23.12.05.

28. Шевлюгин, М.В. Устройство накопления электроэнергии для аварийного тягового питания электроподвижного состава. [Текст] / М.В. Шевлюгин К.С. Желтов //Патент на полезную модель №56736, приоритет от 12.05.06.

29. Шевлюгин, М.В. Комплекс программ для расчёта системы электроснабжения при работе подвижного состава с рекуперацией. [Текст] / М.В. Шевлюгин, Е.П.Балакина, Л.А.Баранов, А.В.Ершов, В.А.Гречишников, Ю.Г.Щукин и др. // Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2011610650 от 11.01.11.

30. Шевлюгин, М.В. Модель линии метрополитена для определения эффективности включения режима рекуперации. [Текст] / М.В. Шевлюгин, Е.П. Балакина, Л.А.Баранов, А.В.Ершов, В.А.Гречишников, Щукин Ю.Г. и др. // Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2011610651 от 11.01.11.

Статьи в других изданиях:

31. Шевлюгин, М.В. Оценка полигона эффективного применения накопителей энергии на федеральных железных дорогах РФ. [Текст] / М.В. Шевлюгин, В.Н. Пупынин// Фундаментальные и поисковые научно-исследовательские работы в области железнодорожного транспорта-2001.-№928.-С. 162-164.

32. Шевлюгин, М.В. Capacitor Storage Systems for Traction Vehicles. [Текст] / М.В. Шевлюгин, В.Н. Пупынин// «Supercaps europe 2005», I European meeting on supercapacitors: Development and implementation in energy and transportation techniques. Berlin-adlershof- 2005. C.34-36.

33. Шевлюгин, M.B. Energy-saving technologies in rail transportation using energy receptacles. [Текст] / М.В. Шевлюгин, В.Н. Пупынин// Centre of Excellence for Materials for Low-energy Consuming Technologies in Electrotechnics "MALET", OWPW. Wroclaw.- 2005 - C.27-29.

34 Шевлюгин, М.В. Подземная рекуперация. [Текст] / М.В. Шевлюгин// Энергоэффективность и энергосбережение. 2013-№9—10 — С. 62-64.

Шевлюгин Максим Валерьевич

ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ НА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОМ ТРАНСПОРТЕ И МЕТРОПОЛИТЕНАХ, РЕАЛИЗУЕМЫЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ НАКОПИТЕЛЕЙ ЭНЕРГИИ

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы Подписано в печать - 23.01.14 Заказ № 841

Формат 60x84/16_Тираж - 100 экз._Усл. печ. л. 2_

УПЦ ГИ МНИТ, 127994, г. Москва, ул. Образцова, д.9, стр.9.

48

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный университет путей сообщения»

МГУПС (МИИТ)

На правах рукописи

У ¡>20145060 Г

Шевлюгин Максим Валерьевич

«ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ НА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОМ ТРАНСПОРТЕ И МЕТРОПОЛИТЕНАХ, РЕАЛИЗУЕМЫЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ НАКОПИТЕЛЕЙ ЭНЕРГИИ»

Специальность 05.09.03 - Электротехнические комплексы и системы

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант:

Доктор технических наук, профессор

Пупынин Владимир Николаевич

Москва - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ......................................................................................................................6

1 КРИТЕРИИ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ ЦЕЛЕСООБРАЗНОСТЬ..................................16

ПРИМЕНЕНИЯ НАКОПИТЕЛЕЙ ЭНЕРГИИ НА Ж.Д. ТРАНСПОРТЕ................16

1.1 Повышение эффективности рекуперативного торможения.............................16

1.2 Выравнивание графика энергопотребления......................................................29

2 ОСНОВНЫЕ ТИПЫ НАКОПИТЕЛЕЙ ЭНЕРГИИ И ОЦЕНКА ПЕРСПЕКТИВНОСТИ ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В

ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ Ж.Д. ТРАНСПОРТА..........................49

2.1 Гидроаккумулирующие электростанции...........................................................49

2.2 Электрохимические накопители энергии...........................................................53

2.3 Инерционные накопители энергии.....................................................................58

2.3.1 Накопительный модуль ИНЭ...........................................................................60

2.3.2 Преобразовательный агрегат............................................................................71

2.3.3 Блок управления.................................................................................................72

2.3.4 Оценка КПД ИНЭ...............................................................................................74

2.3.5 Массогабаритные параметры ИНЭ..................................................................78

2.4 Сверхпроводниковые индуктивные накопители энергии................................79

2.4.1 Накопительный модуль.....................................................................................87

2.4.2 Преобразовательный агрегат и схема подключения СПИН к СТЭ............102

2.4.3 Вспомогательные системы..............................................................................104

2.4.4 Блок управления СПИН..................................................................................108

2.4.5 Оценка КПД СПИН.........................................................................................113

2.4.6 Массогабаритные параметры СПИН.............................................................115

2.5 Емкостные накопители электрической энергии..............................................118

2.6 Сопоставимый анализ параметров основных типов НЭ.................................130

2.7 Возможные варианты расположения НЭ в ЭЭС, определение наиболее подходящих типов и предварительная оценка их параметров............................134

3 ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОТЫ СТЭ С НЭ........................143

3.1 Программно-измерительный комплекс имитационного моделирования СТЭсНЭ....................................................................................................................143

3.1.1 Исходные данные и прикладные программы предварительных расчетов......................................................................................................................146

3.1.2 Модель работы СТЭ........................................................................................160

3.1.3 Выходные данные, полученные при моделировании СТЭ с НЭ и статистическая обработка результатов...................................................................163

3.2 Математическая модель НЭ в комплексе имитационного моделирования работы СТЭ....................................................................................169

3.2.1 Алгоритм моделирования работы НЭ, интегрированный в общую структуру программно-измерительного комплекса с НЭ....................................169

3.2.2 Алгоритм моделирования работы НЭ, на конкретном объекте СТЭ с

установленными показателями работы объекта....................................................172

3.2.2.1 Моделирование работы НЭ на ТП при использовании данных реальных замеров......................................................................................................172

3.2.2.2 Моделирование работы НЭ на ЭПС при использовании данных тягового расчета........................................................................................................175

3.3 Статистическое моделирование СТЭ метрополитена с НЭ...........................177

3.4 Оценка достоверности результатов моделирования......................................181

3.4.1 Сравнение результатов расчета имитационной модели движения поезда с результатами натурных замеров показателей работы ЭПС метро

на Таганско-Краснопресненской линии Московского метрополитена..............182

3.4.2 Сравнение результатов расчета имитационной модели работы СТЭ «Сокольнической» линии по интегральным показателям с официальными данными Энергонадзора Московского метрополитена........................................186

3.4.3 Сравнение результатов расчета имитационной модели работы СТЭ «Филевской» Московского метрополитена линии с результатами экспериментальных замеров....................................................................................189

4 НАКОПИТЕЛИ ЭНЕРГИИ ДЛЯ СИСТЕМЫ ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ МЕТРОПОЛИТЕНА.......................................................192

4.1 Накопитель энергии неуправляемого типа......................................................193

4.2 Накопитель энергии управляемого типа..........................................................197

4.2.1 Общая конструкция НЭ управляемого типа.................................................197

4.2.2 Преобразовательный агрегат для НЭ.............................................................202

4.2.3 Блок управления НЭ........................................................................................208

4.2.4 Оценка КПД НЭ...............................................................................................210

5 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОЛИГОНОВ ЭФФЕКТИВНОГО

ИСПОЛЬЗОВАНИЯ НЭ В СТЭ.................................................................................212

5.1 Использование накопителей энергии на пригородном сообщении ж.д.......212

5.1.1 Определение показателей работы ТП постоянного тока ригородного сообщения без СПИН...............................................................................................212

5.1.2 Определение показателей работы ТП постоянного тока пригородного сообщения с применением СПИН..................................................213

5.2 Линия ж.д. до аэропорта Шереметьево-3 со СПИН при консольном питании......................................................................................................................215

5.2.1 Расчет показателей работы участка ж.д. при консольном питании без использования режимов рекуперативного торможения и без СПИН.................217

5.2.2 Расчет показателей работы участка ж.д. с применением режимов рекуперативного торможения, но без СПИН.........................................................220

5.2.3 Расчет показателей работы участка ж.д. с применением режимов рекуперативного торможения и СПИН..................................................................223

5.2.4 Оценка параметров СПИН для расчетного участка.....................................226

5.3 ЭПС метрополитена с ЕНЭ................................................................................228

5.3.1 Моделирование движения ЭПС без использования энергии рекуперации и ЕНЭ...................................................................................................229

5.3.2 Моделирование движения ЭПС при использовании энергии рекуперации но без ЕНЭ..........................................................................................230

5.3.3 Моделирование движения ЭПС при использовании энергии рекуперации и при наличии ЕНЭ............................................................................231

5.3.4 Моделирование движения ЭПС при использовании энергии

рекуперации и ЕНЭ в функции выравнивания графика энергопотребления.....231

5.4 Использование накопителей энергии на Малом кольце Московской ж.д......233

5.4.1 Комплексная имитационная модель работы участка

электрифицированной ж. д. постоянного тока с накопителями энергии.............235

5.4.2 Моделирование работы системы тягового электроснабжения Малого кольца МЖД..............................................................................................................258

5.4.2.1 Моделирование работы системы тягового электроснабжения

Малого кольца МЖД без рекуперации и накопителей энергии..........................259

5.4.2.2 Моделирование работы системы тягового электроснабжения

Малого кольца МЖД с рекуперацией, но без накопителей энергии..................261

5.4.2.3 Моделирование работы системы тягового электроснабжения

Малого кольца МЖД с рекуперацией и накопителями энергии.........................263

6 ВНЕДРЕНИЕ СТАЦИОНАРНОГО НЭ НА МОСКОВСКОМ МЕТРОПОЛИТЕНЕ....................................................................................................270

6.1 Общие описание СНЭ........................................................................................270

6.2 Мониторинг мгновенных показателей работы СНЭ.......................................273

6.3 Определение интегральных и электро-энергетических показателей работы СНЭ...............................................................................................................281

6.3.1 Статистическая обработка результатов измерений на Т-23 «Филевской» линии Московского метрополитена................................................281

6.3.2 Определение КПД работы СНЭ на Т-23 «Филевской» линии Московского метрополитена по экспериментальным данным............................291

6.3.3 Определение вольт-амперных характеристик Т-23 «Филевской»

линии Московского метрополитена........................................................................295

6.3.4 Оценка снижения установленной мощности Т-23 «Филевской»

линии Московского метрополитена при работе СНЭ...........................................296

6.3.5 Оценка относительного износа и срока службы СНЭ на Т-23 «Филевской» линии Московского метрополитена при работе СНЭ...................299

6.3.6 Оценка снижения потерь энергии в тяговых агрегатах Т-23 «Филевской» линии Московского метрополитена при работе СНЭ...................300

6.3.7 Оценка сходимости теоретических и экспериментальных данных...........300

7 ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ............................................302

ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ НЭ В СТЭ Ж.Д....................................302

7.1 Технико-экономическая оценка эффективности использования НЭ на Малом кольце Московской ж.д...............................................................................302

7.2 Технико-экономическая оценка эффективности использования НЭ в Московском метрополитене....................................................................................307

ВЫВОДЫ......................................................................................................................312

ЛИТЕРАТУРА.............................................................................................................314

ПРИЛОЖЕНИЕ А........................................................................................................339

Список основных сокращений:

Ш - высокотемпературный сверхпроводник первого поколения

№ - высокотемпературный сверхпроводник второго поколения

4С>8 - четырехквадрантный преобразователь

АЭ - аккумулирующий элемент

БАК - батарея аномальных конденсаторов

БУ - блок управления

ВТСП - высокотемпературный сверхпроводник

ЕНЭ - емкостной накопитель энергии

ЗУ - зарядное устройство

ИНЭ - инерционный накопитель энергии

ИРПТ - импульсный регулятор постоянного тока

КМ - коммутационный модуль

КС - контактная сеть

МДП - Моделирование движения поезда

НО - сплав ниобий-олово

НТ - сплав ниобий-титан

НТСП - низкотемпературный сверхпроводник

НЭ - накопитель энергии

ПИК НЭ - Программно-измерительный комплекс с накопителями энергии РУ - рефрижераторная установка РЦ - рельсовая цепь

СПИН - сверхпроводниковый индуктивный накопитель

СПОТ - сверхпроводниковый ограничитель тока

СППА - сверхпроводниковый преобразовательный агрегат

СПР - сверхпроводниковый реактор

СПТ - сверхпроводниковый трансформатор

СПЭ - система первичного электроснабжения

СТ - согласующий трансформатор

СТЭ - система тягового электроснабжения

ТП - тяговая подстанция

ТС - тяговая сеть

УЭ - управляющий электрод

ФВПТ - фильтрующая вставка постоянного тока

ЭПС - электроподвижной состав

ЭЭС - электроэнергетическая система

ВВЕДЕНИЕ

Энергоресурсы во многом определяют экономическую ситуацию в современном мире. Для всех развитых стран решение проблем энергосбережения и энергоэффективности стало одним из приоритетных направлений деятельности. Для многих производств энергоемкость и энергосоставляющая себестоимости продукции также является одним из главенствующих факторов [1].

Исходными предпосылками актуализации «Энергетической стратегии» являются результаты анализа ее реализации за предыдущие годы работы ОАО «РЖД» и внешних и внутренних факторов, накладываемых на железнодорожную энергетику, в условиях реформирования ОАО «РЖД» и топливно-энергетического комплекса страны. На рисунке 1-3. представлены динамики роста объема перевозок, потребления топливно-энергетическихресурсов (ТЭР) и затрат на их приобретение, а также прогнозы потребности ОАО «РЖД» в ТЭР на тягу поездов и динамики изменения энергоемкости перевозочного процесса на электрической тяге (удельный расход электроэнергии на тягу поездов) до 2030 года [2, 3]. На представленных зависимостях отчетливо видны темпы роста перевозок и, соответственно, рост электропотребления. С другой стороны в этих зависимостях заложено снижение удельных показателей по расходам на обеспечение электропотребления.

рисунок 1 - Динамика роста объема перевозок, потребления топливно-энергетических ресурсов (ТЭР) и затрат на их приобретение (в процентах к 2006 году) [173]

Электроэнергия (млрд. кВтч)

Рост 16,5%

Рисунок 2 Прогноз потребности ОАО «РЖД» в ТЭР на тягу поездов

до 2010 года [3]

Рисунок 3 Прогноз динамики изменения энергоемкости перевозочного процесса на электрической тяге (удельный расход электроэнергии на тягу

поездов) до 2030года [3]

Актуальность работы.

Железнодорожный транспорт - это не только потребитель продукции топливно-энергетического комплекса страны (ТЭК), но одновременно и технологическое звено в цепи производства, передачи и потребления электроэнергии. Для реализации задач энергосбережения и вопросов их финансирования Правлением ОАО «РЖД» было принято постановление «О ходе реализации Энергетической стратегии ОАО РЖД и корректировке ее параметров с учетом дальнейшего реформирования топливно-энергетического комплекса

России и железнодорожного транспорта» от 6 июня 2007 года (Протокол № 18 п. 5 и 7), дополненное распоряжением ОАО РЖД «Об актуализации энергетической стратегии ОАО РЖД и программе ее реализации» № 1296р от 12 июля 2007 г. (п.8). Следует отметить, что о повышении энергоэффективности говорится также в Федеральном законе №261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности, и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации» и Постановлении Правительства Москвы № 1499-ПП о ходе реализации Городской целевой программы «Энергосбережение в городе Москве на 2009-2011 гг. и на перспективу до 2020 года». В результате реализации указанной совокупности программ должен образоваться интегральный эффект энергосберегающей деятельности как в натуральных показателях экономии топливно-энергетических ресурсов, так и в экономии материальных средств на их приобретение, позитивно влияющий в целом на общие экономические показатели деятельности всей транспортной системы [4-6].

Основную часть энергетических расходов электрифицированных железных дорог составляют расходы на тягу поездов. Ввиду этого энергосберегающие технологии необходимо внедрять в системах тягового электроснабжения (СТЭ). Одним из наиболее эффективных методов энергосбережения является локальная буферизация электроэнергии на различных стадиях ее доставки до потребителя, т.е. введение в электроэнергетическую систему (ЭЭС) транспорта накопителей энергии, способных снизить капитальные вложения на основное тяговое электротехническое оборудование и сэкономить до 30% электроэнергии, расходуемой на тягу поездов. В настоящей работе изложены основные возможности энергосбережения на ж.д. транспорте и метрополитенах с использованием различных типов накопителей энергии (НЭ).

Цель диссертационной работы. Целью диссертационной работы является исследование эффективности использования НЭ на разных уровнях ЭЭС ж.д., разработка устройств и методов для его практической реализации.

Объект исследования: система тягового электроснабжения железных дорог и метрополитенов, в которую входят тяговые подстанции (ТП), тяговая сеть (ТС), электроподвижной состав (ЭПС) и различного рода НЭ.

Предмет исследования: методы, модели и критерии оценки показателей работы тягового электропотребления на участках ж.д. и метрополитенов использующих НЭ.

Методы исследования. При решении поставленных в диссертации задач принят комплексный метод исследований, включающий в себя анализ и обобщение данных научно-технической литературы, методы математического анализа и имитационного моделирования, методы обработки математической статистики, методы синтеза моделей и построения алгоритмов, методы теоретических и экспериментальных исследований, причем последние реализуются с помощью имитационного моделирования при широком использовании методов теории электрических цепей, теории вероятности и матричного исчисления, а также натурными экспериментами и замерами в условиях действующих систем тягового электроснабжения.

Научная новизна заключается в решении ряда комплексных теоретических и практических задач, посвященных проблемам использования различных типов НЭ в СТЭ ж.д. и метрополитенов. При этом:

- исследованы электроэнергетические процессы в СТЭ ж.д., метрополитена, а также в ЭПС при использовании НЭ, что позволило разработать энергосберегающие алгоритмы работы НЭ в различных точках подключения к СТЭ;

- созданы имитационные модели позволяющие оценивать эффективность использования НЭ на основе реально замеренных показателей раб�