Ресурсо- и энергосберегающие технологии на железнодорожном транспорте и метрополитенах, реализуемые с использованием накопителей энергии

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Ресурсо- и энергосберегающие технологии на железнодорожном транспорте и метрополитенах, реализуемые с использованием накопителей энергии

Специальность 05.14.02 - Электростанции и электроэнергетические системы

Шевлюгин М.В.

Москва - 2009

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московском государственном университете путей сообщения» (МИИТ).

Научный консультант: доктор технических наук, профессор

Пупынин Владимир Николаевич (МИИТ)

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Мамошин Ревмир Романович (МИИТ)

доктор технических наук, профессор

Бурков Анатолий Трофимович (ПГУПС)

доктор технических наук

Деньщиков Константин Константинович (ОИВТ РАН)

Ведущая организация: Научно-исследовательский институт железнодорожного транспорта (ВНИИЖТ).

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 энергосоставляющей 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). 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 ресурсо- и энергосберегающие технологии необходимо внедрять именно в системах тягового электроснабжения (СТЭ). Одним из наиболее эффективных методов энергосбережения является локальная буферизация электроэнергии на различных стадиях ее доставки до потребителя. В настоящей работе изложены основные возможности ресурсо- и энергосбережения на ж.д. транспорте и метрополитенах с использованием различных типов накопителей энергии (НЭ).

В соответствии с описанными выше программами ОАО «РЖД» и многочисленными постановлениями Правительства Москвы на первый план поставлена острейшая проблема экономии электроэнергии. Одним из основных направлений снижения энергопотребления на транспорте - это введение в электроэнергетическую систему (ЭЭС) транспорта накопителей энергии, способных снизить капитальные вложения на основное тяговое электротехническое оборудование и сэкономить до 30% электроэнергии, идущей на тягу поездов.

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

Объект исследования: система тягового электроснабжения ж.д. и метрополитенов, в которую входят тяговые подстанции (ТП) и тяговая сеть (ТС), электроподвижной состав (ЭПС) и различного рода НЭ, работающие в совокупности с описанными выше структурными единицами.

Предмет исследования: методы, модели и критерии оценки показателей работы тягового электропотребления на участках ж.д. и метрополитенов с использованием 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, математическая статистика, методы синтеза моделей и построения алгоритмов, теоретические и экспериментальные исследования, причем последнее реализуется с помощью имитационного моделирования при широком использовании методов теории электрических цепей, теории вероятности и матричного исчисления, а также натурными экспериментами и замерами.

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

- исследованы процессы в СТЭ ж.д., метрополитена, а также и в ЭПС при использовании НЭ;

- разработаны алгоритмы режимов работы основных типов НЭ в различных точках подключения СТЭ;

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

- описаны 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 напряжению и общую надежность СТЭ;

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

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.

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

Данными направлениями занимались многие отраслевые научные школы страны: СамГУПС, ПГУПС, ВНИИЖТ, ИрГУПС, МИИТ, ОмГУПС, РГОТУПС, РГУПС, ДВГУПС, ОИВТ РАН, РНЦ «Курчатовский институт», НТЦ «Синтез» НИИЭФА и др. Большой вклад в исследование данной области внесли ученые: Ю.М. Астахов, М.П. Бадер, А.С. Бочев, А.Т. Бурков, Д.А. Бут, А.Л. Быкадоров, В.А. Винокуров, Н.В. Гулиа, В.Л. Григорьев, К.К. Деньщиков, В.Т. Доманский, Б.Е. Дынькин, А.М. Иванов, Ю.М. Иньков, В.Е. Кейлин, В.А. Кисляков, Е.Ю. Клименко, Б.И. Косарев, А.В. Котельников, Р.Р. Мамошин, Г.Г. Марквардт, К.Г. Марквардт, В.А. Матюшин, В.В. Менухов, В.Н. Пупынин, Г.Г. Рябцев, А.Н. Савоськин, Э.В. Тер-Оганов, В.П. Феоктистов, Е.П. Фигурнов, В.Т. Черемисин, Н.А. Черноплеков и другие.

Реализация результатов работы. На основании разработанных конструкций НЭ, методов их управления и имитационных моделей проводились следующие 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». Одним из вариантов предлагаемой СТЭ было консольное питание со НЭ на станции «Шереметьево-3».

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» под руководством академика В.Е. Фортова ОИВТ РАН.

В 2008г. результаты работы были использованы ОАО «Электропривод» при формировании технических требований к аккумулирующему элементу, преобразовательному агрегату и алгоритму управления режимами стационарного НЭ, предназначенному для использования в Московском метрополитене.

В 2009г. на основании натурных системных замеров и методов математического статистического анализа была произведена оценка технико-экономического эффекта от использования НЭ в СТЭ Московского метрополитена.

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 Всемирной электротехнической конференции, Москва, 1999 г.;

- на 1-4 Международных симпозиумах ElTrans, «Электрификация и развитие ж.д. транспорта России. Традиции, современность, перспективы», С-Петербург, 2001г., 2003г., 2005г., 2007г.;

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

- на II-VIII Научно-практических конференциях «Безопасность движения поездов», М., МИИТ, 2002-2008 г.г.;

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

- на Международной научно-практической конференции «Транссибирская магистраль на рубеже XX-XXI веков: 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 I Европейской встрече по использованию суперконденсаторов в электроэнергетических системах: «SUPERCAPS EUROPE 2005», EUROPEAN MEETING ON SUPERCAPACITORS: DEVELOPMENT AND IMPLEMENTATION IN ENERGY AND TRANSPORTATION TECHNIQUES, Berlin-Adlershof, 2005г.;

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

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

- на кафедре «Энергоснабжение эл. ж.д.» МИИТа, 2006г.;

- на II Европейской встрече по использованию суперконденсаторов в электроэнергетических системах: «SUPERCAPS EUROPE 2006», EUROPEAN MEETING ON SUPERCAPACITORS: DEVELOPMENT AND IMPLEMENTATION IN ENERGY AND TRANSPORTATION TECHNIQUES, М., 2006г.;

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

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

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

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

Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 73 печатных работах, в том числе: 45 статьях в сборниках научных конференций и симпозиумов, 9 патентах на различного рода интеллектуальную собственность, 1 монографии и 18 статьях в научно-технических журналах, в том числе в 12 журналах из списка, рекомендованного ВАК по тематике энергетики и транспорта.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка используемых источников и приложений. Общий объем диссертации составляет 372 страницы, включая 181 иллюстрацию, 19 таблиц, список использованных источников из 212 наименований и 4 приложений на 23 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. Проведен обзор основных типов НЭ, потенциально пригодных для использования в электроэнергетической системе (ЭЭС) ж.д., их сравнительный анализ и определены наиболее подходящие для использования в СТЭ ж.д. Рассматривались следующие НЭ: гидроаккумулирующие электростанции, инерционные накопители энергии (ИНЭ), электрохимические накопители энергии, к которым относятся аккумуляторные батареи и топливные элементы, сверхпроводниковые индуктивные накопители энергии (СПИН) и емкостные накопители энергии (ЕНЭ). Сравнительный анализ типов НЭ проводился на основе сопоставления набора их параметров, позволяющих достаточно полно охарактеризовать эти устройства.



Рис. 1. Зависимость тока фидера №3 и напряжения тяговой подстанции «Фили» Московской железной дороги в течение 5-и суток.

Так было определено, что для СТЭ ж.д. наиболее эффективно использовать ИНЭ, ЕНЭ и СПИН.

Одной из основных причин повышения энергетических ущербов в СТЭ - это крайне неравномерный график электропотребления. Решить вечную проблему несогласованности в желаемых режимах работы источника и потребителя можно с помощью локальной буферизации энергии, позволяющей разделить во времени требуемые величины генерируемой и потребляемой мощности. Неравномерность энергопотребления в СТЭ обусловлена уникальными условиями ее работы. Первым фактором, влияющим на неравномерность энергопотребления, является неравномерный же график движения поездов. Вторым фактором является особый неравномерный режим энергопотребления каждой единицы электроподвижного состава (ЭПС).

Проблема неравномерности энергопотребления в СТЭ не исчезает и при использовании режимов рекуперативного торможения для частичного возврата энергии в первичную сеть при использовании инверторов на ТП. И решить весь этот комплекс проблем наиболее эффективно можно с помощью НЭ.

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

Приведенные осциллограммы ярко иллюстрируют импульсный характер работы фидеров тяговой подстанции. В данном случае броски тягового тока достигают величины порядка 2300А, при среднесуточном токе порядка 100А (линия в нижней части графика). Отрицательные выбросы тока не имеют отношения к рекуперации и свидетельствуют лишь о перетоках мощности через шины ТП.Неравномерность 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)	; (1)
2. Средне-интегральный коэффициент минимума или «Пик-фактор». (характеризует отношение максимальной мощности Рmax к средней Рср )	; (2)
3. Коэффициент заполнения или плотность нагрузки. (характеризует долю средней за сутки электроэнергии по отношению к среднемаксимальной)	; (3)
4. Число секунд использования среднемаксимальной (наибольшей) нагрузки.	; (4)
5. Изменяемый диапазон мощностей.	Р=Pmax-Pmin; (5)
6. Динамическая характеристика графика энергопотребления. (характеризует скорость изменения нагрузки)	; (6)
7. Коэффициент формы тока или мощности. (характеризует отношение действующего значения мощности Рд к ее среднему значению Рср)	; (7)

где: Р_min - минимальная мощность потребления СТЭ; Р_mах - максимальная мощность потребления СТЭ; Р_ср - средняя за сутки мощность потребления СТЭ; Т - время расчетного периода, т.е. за сутки.

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

Табл. 1. Интегральные показатели нагрузки СТЭ.

В	П	Г	Тm	Р
0,008	23	0,04	4%	8 МВт

Имитационное моделирование работы ТП «Голицино», с расположенным на ней мощного и энергоемкого СПИН, 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;

- число секунд использования среднемаксимальной нагрузки также выросло в 10 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 мгновенным, динамическим и интегральным показателям неравномерности энергопотребления является наиболее неблагоприятной и необходимость использования в ней НЭ очевидна.

Основными технико-экономическими ущербами в СТЭ, возникающими от неравномерности тяговой нагрузки, являются: увеличение установленной мощности ТП; увеличение 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 на электрооборудование СТЭ; влияние неравномерности тягового энергопотребления на потери в системе внешнего и тягового электроснабжения.

Величина потерь электроэнергии в СТЭ на 2-путном участке может составлять 12% от энергии, идущей на тягу. Поэтому снижению потерь в СТЭ уделяется большое внимание. В виду крайней неравномерности нагрузки, потери энергии от тягового тока необходимо определять с высокой дискретностью замеров по следующей формуле:

; (8)

где _{ТП i} - внутреннее сопротивление i-ой ТП; I_{ТП i} - ток i-ой ТП; R_{ТС к} - сопротивление k-того элемента тяговой сети; I_{ТП i} - ток по k-тому элементу тяговой сети.

Помимо этого потери в СТЭ можно считать пропорциональными коэффициенту формы тока или мощности, который представляет собой отношение действующего значения мощности Р_д к ее среднему значению Р_ср.

Моделирование работы ТП «Голицино» с мощным НЭ, подключенным непосредственно к шинам постоянного напряжения, позволило качественно и количественно получить зависимости удельных активных потерь в ТП и коэффициента формы используемой мощности от энергоемкости НЭ, т.е. от степени неравномерности (рис.2.). Из рисунка видно, что потери энергии действительно пропорциональны коэффициенту формы потребляемой мощности. Однако, следует также заметить, что наиболее интенсивный спад потерь в ТП происходит в начальном интервале, т.е. от 0 до 500 кВтч энергоемкости НЭ. Именно в этом интервале должна находиться экономически выгодная величина энергоемкости НЭ.

Рис. 2. Зависимость коэффициента формы потребляемой мощности и внутренних потерь ТП от энергоемкости, расположенного на ней НЭ.

Частично или полностью снизить технико-экономические ущербы от специфики энергопотребления в СТЭ, с помощью НЭ можно, решив ряд электротехнических 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 полупроводниковых агрегатов и трансформаторов, что благоприятно скажется на сроке службы оборудования;

- повышению качества электроэнергии;

- повышению и стабилизация уровня напряжения в тяговой сети и на токоприемниках электровозов, идущих в тяговом режиме, что напрямую связано со скоростью поездов, выполнением графика движения и КПД электровозов;

- обеспечению необходимых условий для режима рекуперативного торможения;

- обеспечению динамической и статической устойчивости энергосистемы;

- использованию дешевой электроэнергии, запасенной ночью, для компенсации 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 fn, которая имеет вид:

, (9)

где рi - это показатели степени изменения неравномерности или

; (10)

где в_V, г_V, П_V - это показатели неравномерности уже при использовании НЭ. Значение данной функции характеризует степень эффективности использования НЭ для выравнивания графика энергопотребления. Исследования показали, что для СТЭ ж.д. fn должна быть больше 1147 (10).

В первой главе были также рассмотрены возможные варианты расположения НЭ в ЭЭС ж.д. (рис.3.), определены наиболее подходящие типы 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) эффективней использовать гидроаккумулирующие электростанции и СПИН (НЭ1 и НЭ2 рис.3.) энергоемкостью свыше 10 ГДж.



Рис.3. Структурная схема питания ж.д. с НЭ на различных этапах.

При использовании НЭ на ТП (НЭ3) для приема избыточной энергии рекуперации его энергоемкость должна составлять порядка 100-200МДж. Такая энергоемкость технически оптимальна 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 составлять до 100 МДж. В этом случае целесообразней использовать ИНЭ пониженной энергоемкости и ЕНЭ. При установке НЭ на борту электропоезда может быть использован только ЕНЭ. Главным приоритетом в работе ЕНЭ является прием энергии рекуперации. Энергоемкость его при этом должна составлять 5-6 МДж.

Вторая глава посвящена описанию схемы, конструкции, принципа действия и режимов работы ИНЭ. ИНЭ в основном представляет собой конструктивно объединенные в одной установке механический инерционный накопитель (маховик) и электрическую машину (ЭМ) (мотор-генератор (МГ)). Для связи с тяговой сетью используется преобразовательный агрегат. Данная система предназначена для запаса и хранения механической энергии с последующим ее преобразованием и отдачей в виде электрической энергии для дальнейшего использования в СТЭ. Общая принципиальная схема ИНЭ представлена на рис.4. Данная схема была разработана НТЦ «Синтез» НИИЭФА им. Д.В. Ефремова совместно с МИИТом для использования на электрифицируемом Малом кольце Московской железной дороги. По проекту располагаться ИНЭ должны были в середине фидерных зон в качестве так называемых «накопительных» ТП мощностью порядка 5-10 МВт и энергоемкостью 100-150 МДж на единицу ИНЭ.

Рис. 4. Принципиальная схема ПА для ИНЭ.

Кинетическая энергия маховика в общем виде определяется следующим выражением:

; (11)

где J - момент инерции маховика относительно оси вращения; - угловая скорость маховика; f - частота вращения маховика; m - масса маховика; r - радиус инерции маховика.

Максимальная частота вращения составляет 15000 об/мин, а минимальная - 7500 об/мин.

Важнейшим элементом ИНЭ является согласующее устройство между НМ и тяговой сетью, т.е. мощный полупроводниковый преобразовательный агрегат (ПА). Основной задачей ПА является выпрямление напряжения в режиме разряда ИНЭ (при отдаче энергии в СТЭ постоянного тока) и инвертирование в режиме заряда. Помимо этого ИНЭ должен уметь оценивать условия в тяговой сети и, в зависимости от этого, ПА должен обеспечить необходимую мощность и требуемый уровень напряжения на выходе ИНЭ. Обеспечить данные параметры ЕНЭ необходимо в течение всего цикла работы, т.е. при любой частоте вращения ротора в диапазоне от 7500 до 15000 об/мин. Это достигается путем переключения обмоток МГ с помощью коммутационного блока, изменением частоты тока (от 0-2500 Гц) и, главное, работой ПА.

Для использования ИНЭ в СТЭ ж.д. ПА должен иметь кратковременную пиковую мощность до 10 МВт (номинальная мощность 2,5 МВт). Анализ существующей полупроводниковой аппаратуры показал, что ПА на данную мощность удобнее разбить на 6 одинаковых модулей по 1,7 МВт каждый. Модуль включает в себя два силовых полупроводниковых агрегата (рис.4.): а именно реверсивный преобразователь постоянного напряжения (РППН) и автономный инвертор тока (АИТ) с индуктивным дросселем (Д) между ними.

Важным параметром любого НЭ является его КПД. Потери энергии в ИНЭ подразделяются на пассивные (в вакуумной камере (ВК) накопительного элемента при режиме ожидания ИНЭ (рис.5.)) и активные (в МГ и ПА при режиме заряда или разряда ИНЭ).

Рис.5. Потери энергии в ВК ИНЭ.

Таблица 2. Пассивные потери ИНЭ.

Суммарные потери мощности в ВК; Рвк, кВт	Расход мощности на поддержание вакуума; Рв, кВт	Расход мощности на систему охлаждения; Рсо, кВт	Потери при вынужденной остановке маховика; Рост, кВт
0,23	0,04	0,18	0,694
Итого, общие пассивные потери Рпас, кВт 1,2

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 при-ведены на рис.5. Общие пассивные потери Рпас (табл.2.) составляют 1,2 кВт.

Активные потери ИНЭ появляются только при активных режимах работы ИНЭ, т.е. при заряде или разряде. Они подразделяются на потери в обмотках МГ и в полупроводниковых структурах ПА. Для этих устройств существуют свои, уже рассчитанные данные по КПД. КПД МГ составляет 97-98%, а КПД ПА - 98%. Формула общего КПД ИНЭ имеет вид:

; (12)

; (13)

; (14)

; (15)

накопитель энергия железнодорожный метрополитен

где: Апр - принятой ИНЭ из СТЭ в течение одного цикла работы за сутки; Акин- кинетическая энергия маховика; Апас - общие пассивные потери энергии в ВК; Рпас - общие пассивные потери мощности в ВК; tраб - время работы ИНЭ в сутки (20 часов).

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

ИНЭ выполнен в виде одномодульной конструкции, которая может быть размещена в типовом контейнере и приспособлена для перевозки по железной дороге. Высота контейнера составляет около 3м. Пример размещения оборудования ИНЭ представлен на рис.6. Стоимость опытного образца ИНЭ составляет порядка 50 млн. рублей.



Рис.6. Эскизное размещение оборудования ИНЭ.

В третьей главе рассмотрены схемы, конструкции, принцип действия, режимы работы и параметры ЕНЭ. ЕНЭ может быть как стационарного (при установке на ТП или в ТС), так и бортового исполнения (при установке на ЭПС). На рис. 7. представлена схема подключения ЕНЭ на двухпутном участке и ее электрическая схема с разделенной емкостью. Для повышения КПД заряда емкости в ЕНЭ используется преобразователь (зарядное устройство), которое работает по принципу электромагнитного дросселя. В данном случае энергия из ТС поочередно запасается в индуктивностях 3 и 5, а затем через диоды 7 и 8 сбрасывается в емкости 15 и 16. Заряд индуктивности происходит до заданного значения максимального тока (в данном случае до Im=1000А, рис. 9), затем цепь рвется тиристором 9 или 10 и ток вынужден течь через емкость. Периодичность открытия и закрытия тиристоров выбирается блоком управления. Сама же емкость разделена на две равные части с целью регулирования напряжения на ней в процессе заряда. Сущность работы ЕНЭ с разделяемой емкостью заключается в следующем: время разряда индуктивности в замкнутом контуре L-C зависит от величины емкости С и напряжения на ней Uc. Чем выше Uс и меньше С, тем быстрее происходит разряд индуктивности.



Рис. 7. Схема подключения ЕНЭ с разделенной емкостью на двухпутном участке.

Рис. 8. Зависимости токов электромагнитных дросселей и напряжения на емкости от времени при моделировании процесса заряда ЕНЭ.

Регулирование величины общей емкости ЕНЭ и его напряжения дает необходимый результат. Для исследования процессов заряда ЕНЭ была создана математическая модель. Интерфейс программы представлены на рис. 8.

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:

; (16)

где з_Цi - КПД цикла передачи энергии дроссель - емкость при заряде и емкость-дроссель при разряде ЕНЭ; К - число циклов.

КПД одного циклы выражается следующим образом:

; (17)

где А_ИЗ и А_ЕНЭ - энергия источника заряда и энергия ЕНЭ отданная обратно в сеть; ДА_ЕНЭ - потери энергии в ЕНЭ, а ДА_ЗЕНЭ и ДА_РЕНЭ - потери при заряде и разряде накопителя; i_ДЗ и i_ДР - токи дросселя в режимах заряда и разряда; R_Д и R_С - активные сопротивления дросселя и емкости; U_ТС - напряжения тяговой сети; T_zd и T_rd - время заряда и разряда дросселя при каждом цикле.

при этом:

; (18)

; (19)

; ; ; ;

где: L - индуктивность дозирующего реактора; С - емкость ЕНЭ; Im - 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. Срок службы конденсаторов зависит не только от числа циклов перезаряда (n), но и от степени разряда конденсатора (v) при каждом цикле. Данную зависимость наиболее полно можно описать следующими уравнениями:

; (20)

где: No - общее число циклов перезаряда; а,b - коэффициенты, зависящие от конкретного типа конденсатора; n_S - число циклов перезаряда в сутки; К_i - число пар поездов в час.

На рис.9. показана пространственная зависимость срока службы конденсатора (Тс) от числа циклов перезаряда в сутки (n) и от степени его разряда (Vр). В данном случае для примера использован конденсатор фирмы «Эсма» для ТП метрополитена. Из графика видно, что при размерах движения в 1000 поездов в сутки и 50% разряде, срок службы будет составлять порядка 12 лет.

Рис.9. Зависимость срока службы конденсатора от числа циклов перезаряда в сутки и от степени его разряда.

Размеры конденсаторной батареи будут зависеть от энергоемкости ЕНЭ. По расчетам для пригородных ж.д. постоянного тока емкость ЕНЭ должна составлять 35-50Ф. При использовании конденсаторов «ЭКОНД» или «Технокор» типа ИКЭ-115/300 и принимая во внимание размеры необходимого оборудования, а также, учитывая доступность к его монтажу, можно сделать вывод, что площадь ЕНЭ будет составлять примерно 10х11 м, при высоте в 3,9.

Однако, в ближайшие 2-3 года удельная энергоемкость базового конденсатора должна вырасти примерно в 5 раз практически при тех же размерах и стоимости.

При размещении ЕНЭ на электроподвижном составе большое значение начинают иметь габаритные размеры и вес накопителя. Предыдущее техническое решение (ЗУ по схеме с индуктивным НЭ) для ЭПС не совсем удобно, так как оно работает с повышенным значением мертвого объема ЕНЭ. Достаточно низкий процент использования объема ЕНЭ требует поиска альтернативного технического решения для эффективного приема и отдачи энергии рекуперации в условиях расположения оборудования на борту ЭПС. Одним из таких вариантов является схема ЕНЭ с реверсивным преобразователем постоянного напряжения с промежуточным индуктивным звеном, выполненным на базе современных силовых IGBT модулей. Однако, такое решение на порядок повышает стоимость зарядного устройства.

В четвертой главе произведен краткий обзор криогенного сверхпроводникового силового оборудования, потенциально пригодного для использования в СТЭ ж.д. постоянного тока, и более подробно описаны схемы, конструкции, принцип действия и режимы работы СПИН.

СТЭ железных дорог, особенно постоянного тока, являются уникальным полигоном для широкомасштабного использования устройств криогенной сверхпроводниковой техники, так как это сильноточный потребитель первой категории со сравнительно низким уровнем напряжения, с резконеравномерным энергопотреблением и, как следствие этого, большими потерями энергии. Именно поэтому в данный момент, момент глобальной реконструкции технического обеспечения ж.д., внедрение современных технологий на основе криогенных устройств мирового уровня как нельзя кстати. К устройствам такого рода относятся: криогенные сверхпроводниковые трансформаторы, преобразователи, реакторы, ограничители тока и индуктивные накопители энергии. Наиболее эффективно использовать все эти устройства в комплексе на одной, так называемой, сверхпроводниковой ТП, что позволит значительно снизить габаритные размеры основного оборудования, практически до нуля снизить потери и повысить надежность ТП.

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. Энергоемкость СПИН зависит от конструкции СП-катушки, типа и технологии изготовления сверхпроводника, а также рода хладагента (гелий или азот).

Самыми распространенными видами конструкции катушек СПИН являются простые линейные с витками, располагающимися вокруг прямой оси, и тороидальные, с витками, охватывающими центральную кольцевую линию. Однако особый интерес для железнодорожного транспорта может представлять, разрабатываемые в настоящее время, СП-катушки нового типа с так называемым «замкнутым магнитным потоком». Энергоемкость каждой катушки (а именно индуктивность L) рассчитывается по разному, т.к. большое значение имеет геометрия конструкции.

Обмотка катушки СПИН выполняется из низкотемпературных сверхпроводников (НТСП) второго рода (NbTi, Nb₃Sn, V₃Ga и др.), остужающихся жидким гелием при температуре 4,2К. В последнее время активно ведутся работы по разработке и производству высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП) второго поколения, которые в недалеком будущем (10-15 лет) могут прийти на смену НТСП, а в качестве хладагента будет использоваться жидкий азот при температуре уже 77К.

Одна из возможных схем подключения СПИН к СТЭ железных дорог показана на рис. 10. 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 четырехквадрантного регулятора (4QS), 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.

Рис. 10. Структурная схема подключения СПИН к ТП переменного тока.

Для поддержания работоспособности СПИН, т.е. для обеспечения сверхпроводимости СП-проводника, необходима масса дополнительных устройств, а именно: для обмена энергией преобразовательного агрегата с СП-катушкой в конструкции должны быть предусмотрены специальные токовводы; для охлаждения гелия и азота в структуру криостата должны быть введены отдельные криокуллеры; для поддержания необходимого давления в криостате необходим вакуумный насос.

Блок управления БУ полностью берет на себя функции управления и защиты всех узлов конструкции. Режимы заряда и разряда выбираются на основании показателей датчиков. Важной функцией БУ является регулирование и выбор режимов работы СПИН. Для эффективной работы СПИН в СТЭ необходимо иметь возможность регулирования мощности, протекающей через него, в зависимости от изменения параметров режима работы СТЭ. При формировании программного обеспечения для микропроцессорного блока управления в него закладываются алгоритмы трех активных режимов работы СПИН (рис. 11.), которые будут определяться в зависимости от условий, создаваемых в СТЭ и времени суток. А именно:

1. Заряд СПИН от ТП по ТС.

2. Заряд СПИН от рекуперирующего ЭПС.

3. Разряд СПИН на тяговую нагрузку.

В остальное время СПИН находится в режиме хранения энергии.

КПД работы СПИН можно оценить следующим образом:

; (21)

где: Априн - энергия, принятая СПИН из СТЭ за сутки; Аотд - энергия, отданная СПИН в СТЭ за сутки; ДА - потери энергии в СПИН за сутки; ДАпаi- потери энергии в преобразовательном агрегате в течении i-ой секунды; ДАвтi- потери энергии за счет вихревых токов в элементах в течении i-ой секунды;

Рис. 11. Фрагмент блок-схемы алгоритма выбора режима работы СПИН.

КПД СПИН можно также определить и с помощью других показателей: На рис. 12. показан фрагмент моделирования работы СПИН на ТП «Голицино», а именно ток СПИН в зависимости от времени. Положительное значение тока - это ток заряда СПИН из системы первичного электроснабжения, а отрицательный ток - это ток СПИН, идущий в тяговую сеть. При этом необходимо учитывать расходы энергии на собственные нужды. Тогда выражение для расчета КПД СПИН будет выглядеть следующим:

; (22)

где: з_ПА - КПД преобразовательного агрегата; з_АЭ - КПД аккумулирующего элемента СПИН; Кф - коэффициент формы мощности (учитывает неравномерность работы ПА); Априн - энергия, принятая СПИН из СТЭ за сутки; Асн - 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 было получено, что общий КПД работы СПИН для конкретного случая составляет 0,91.

При оценке массогабаритных показателей СПИН оценивались два варианта:

1. СПИН с обычной тороидальной катушкой.

2. Перспективный СПИН с катушкой тороидального типа с постоянной плотностью запасаемой энергии (тороид с однородным модулем поля).

В первом случае при энергоемкости в 350 кВтч (1,26 ГДж) аккумулирующий элемент может представлять собой конструкцию тора из 8 катушек с внешним диаметром 5,7 м и весом 7 тонн каждая (56т). При этом криостат должен быть с внешним диаметром 17 м и высотой 7,5 м. Объем данной конструкции будет составлять порядка 796 м³, а вокруг криостата должна быть обеспечена зона отчуждения диаметром 8 м.

Рис. 12. Зависимость тока СПИН от времени при моделировании его работы на ТП «Голицино».

Во втором случае при той же энергоемкости СП-катушка с однородным модулем поля должна представлять собой тор с обмотками, в котором диаметр равен высоте, и иметь размеры 3м в диаметре и 3м в высоту соответственно, при общем весе 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 2-3м.

Общая стоимость СПИН для сглаживания пиков энергопотребления ТП в СТЭ ж.д. будет составлять для катушки цилиндрического типа величину порядка 330·10⁶ рублей, а для катушки тороидального типа - 540·10⁶ рублей. Оценить стоимость перспективных СПИН новой конструкции, где в качестве АЭ используется СП-катушка с однородным модулем поля, пока что можно лишь примерно, хотя априори ясно, что она должна быть меньше, чем у существующих, а именно с учетом стоимости преобразовательного агрегата стоимость СПИН со сверхпроводниками на основе NbTi составит величину порядка 120 ·10⁶ рублей, а на основе Nb₃Sn - 370,4 ·10⁶ рублей.

Однако, следует особо отметить, что во всем мире наблюдаются значительные темпы роста производства высокотехнологичного оборудования на основе сверхпроводящей криогенной техники. По сегодняшним оценкам и прогнозу на будущее Всемирного банка (рис. 13.) инвестиции в развитие данной отрасли растут в геометрической прогрессии и составляют порядка 10-20% в год. Примерно в такой же пропорции стоимость криогенного оборудования должна будет снижаться.

Рис. 13. Оценка мирового рынка сверхпроводникового электротехнического оборудования по прогнозу Всемирного банка.

Пятая глава посвящена разработке математических и имитационных моделей работы различного типа НЭ в ЭЭС ж.д. Отдельные математические модели работы НЭ сформированы как в виде отдельных программ, использующей уже готовые данные, так и в виде нескольких модулей в составе созданного на кафедре «ЭЭЖД» МИИТа программно-измерительного комплекса имитационного моделирования СТЭ с НЭ (ПИК НЭ) (рис. 14.). ПИК НЭ предназначен для решения широкого диапазона задач проектирования, эксплуатации и исследований процессов ЭЭС ж.д. на линиях метрополитенов и железных дорог постоянного и переменного тока. ПИК НЭ был использован в проектной и эксплуатационной деятельности для расчета показателей работы СТЭ множества железнодорожных объектов: Малое кольцо Московской ж.д.; Московский метрополитен; новые участки скоростного сообщения до аэропортов «Шереметьево» и «Внуково» соответственно Московской и Октябрьской ж.д.; Бутовская линия 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 и по особым законам. 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 от запаса энергоемкости. Помимо этого величина мощности данных ТП так же является переменной и зависит от условий работы СТЭ и НЭ.

2. Модель работы НЭ в виде отдельной прикладной программы (рис.15-16), использующей в виде исходных данных результаты экспериментальных замеров. Предыдущая модель адаптирована для исследования процессов энергообмена и расчета показателей работы НЭ исключительно в теоретическом, имитационном формате. Однако, существует возможность максимально приблизиться к истинному результату, используя начальные данные не расчетные, а реально замеренные для конкретного объекта (показатели работы ТП или ЭПС).

Рис. 14. Структурная схема ПИК с НЭ, разработанного на кафедре «Энергоснабжение электрических железных дорог» МГУ ПС.

Размещено на http://www.allbest.ru/

На рис. 15. представлен интерфейс с результатами расчета, где показан пример моделирования работы СПИН на ТП «Голицино» Московской железной дороги в течение суток. Интерфейс (рис. 15.) включает в себя поля для внесения начальных данных по СПИН, 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.

Рис. 15 Интерфейс программы моделирования работы СПИН на ТП с использованием экспериментально замеренных данных (зависимости тока и напряжения от времени без СПИН и при его использовании, а также интегральные показатели работы ТП).

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 (рис. 14.) или же с использованием экспериментально замеренных данных (рис. 1.). На рис. 16. представлен интерфейс данной программы. Алгоритм представленной программы схож с алгоритмом 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.

Рис. 16. Интерфейс программы, моделирующей работу бортового ЕНЭ на ЭПС с использованием готового тягового расчета или экспериментально замеренных данных.

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.

В данном случае было произведено сравнение результатов теоретически рассчитанного 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 (МИИТа), при обкатке отремонтированных вагонов метро, были проведены натурные замеры токов и напряжений в тяговых цепях ЭПС. Замеры проводились на вагоне типа Еж3, курсирующем по Таганско-Краснопресненской линии Московского метрополитена в течение двух часов (на рис. 17. показан фрагмент замеров).