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

Рис. 17. 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 и НПЦ-27 ОАО «Электропривод» экспериментальные замеры показателей работы проводились также и на нескольких ТП Московского метрополитена. На рис. 18. 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 следующее:

Погрешность среднеквадратического отклонения показателей работы ТП при моделировании и экспериментальных замерах:

; (23)

при этом:

; (24)

Рис.18. Осциллограммы тока фидера, тока и напряжения ТП «Римская» в течение часа.

Погрешность в расходе электроэнергии ТП при моделировании и экспериментальных замерах:

; (25)

где: р_Мi и р_Zi - показатели исследуемой величины, полученной при моделировании и экспериментальных замерах (токи или напряжение ТП); m_Мр и m_Zр - средние значение (математическое ожидание) показателей исследуемой величины, полученной при моделировании и экспериментальных замерах (токи или напряжение ТП); Uм,z_ТП и Iм,z_ТП - напряжения и токи ТП, полученные при моделировании и экспериментальных замерах.

В пятой главе содержится также методика статистической обработки результатов моделирования, а также экспериментально-замеренных данных. В данном случае помимо интегрированной среды разработки Turbo Delphi задействовался пакет Statistics системы MATLAB2008. На рис. 19. 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. В качестве базового закона был выбран нормальный закон распределения:

; (26)

где m_n и у_n - определяемые математическое ожидание и среднеквадратическое отклонение случайной величины х_n.С помощью представленной программы статистической обработки и моделирования 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 рис. 20. и 21. представлены результаты статистической обработки двух подстанций: Т-14 «Партизанская» и СТП-917 «Римская» в часы интенсивного и разреженного движения поездов.

Рис. 19. Интерфейс программы статистической обработки экспериментально-замеренных данных: зависимости тока и напряжения от времени СТП-917 станции «Римская» в течение часа в период интенсивного движения; столбчатая диаграмма распределения вероятности длительности пиков тяговых токов; столбчатая диаграмма распределения вероятности уровней напряжения ТП; подбор законов распределения плотности вероятности.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Подобный статистический анализ был произведен и с результатами замеров показателей работы ЭПС (рис. 17). В результате были получены экспери ментальные данные по энергии пуска (Ап) и энергии торможения (Ат) на один вагон ЭПС (рис. 22.).

Рис. 20. Статистические показатели работы Т-14 «ст. Партизанская» в час-пик и в час разреженного движения.

Рис. 21. Статистические показатели работы СТП-917 «ст. Римская» в час-пик и в час разреженного движения.

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.

Рис. 22. Энергетические показатели работы ЭПС метрополитена.

При этом использовалась теория обработки систем случайных функций, на основе нормального закона распределения:

; (27)

; (28)

; (29)

где: m_А,Р и у_А,Р - математическое ожидание и среднеквадратическое отклонение энергоемкости и мощности НЭ; r_AP - коэффициент корреляции; К_АР- корреляционный момент; p_ij - вероятность того, что система (А,Р) примет значение Аi и Рj, а суммирование распространяется по всем возможным значениям случайных величин А, Р.

На рис. 23. показана пространственная поверхность плотности распределения вероятности (р; %) принятия избыточной энергии рекуперации в зависимости от энергоемкости (А; МДж) и мощности (Р; МВт) НЭ для ТП метрополитена. В данном случае моделирование произведено для СТП-917 «Римская». Из графика хорошо видно, что для данной подстанции энергоемкость НЭ для принятия практически всей избыточной энергии рекуперации должна составлять порядка 70 МДж, а мощность ПА при этом должна составлять около 2,5 МВт.

Рис. 23. Поверхность распределения плотности вероятности принятия избыточной энергии рекуперации в зависимости от энергоемкости и мощности НЭ для ТП метрополитена.

В шестой главе определен основной полигон эффективного использования НЭ на ж.д. Приведены результаты нескольких проектов и показано, что наибольшая эффективность использования НЭ достигается на участках интенсивного пригородного сообщения и на метрополитене. В частности показана эффективность использования СПИН даже при его теоретических ценах на участке пригородного сообщения Москва-Шереметьево-3, где СПИН располагается на консоли ТС в близи станции Шереметьево и выполняет роль специфической ТП, получающей питание в периоды малой нагрузки прямо по ТС. Показана также эффективность работы ЭПС метрополитена с ЕНЭ и ИНЭ на Малом кольце МЖД.

Одним из объектов для исследования режимов совместной работы СПИН была выбрана ТП «Голицино». При моделировании использовались результаты аналогичных замеров тока и напряжения ТП. На рис.24. показана осциллограмма тока и напряжения ТП без использования СПИН в течение суток с усреднением за 1 секунду. В нижней части графика показано среднее за сутки значение тока фидера, которое составляет порядка 100 А. На рис.25. показаны те же 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

Рис. 24. Зависимость тока фидера №3 ТП «Голицино» Московской железной дороги в течение 1-их суток без использования СПИН.

Рис. 25. Зависимость тока фидера №3 ТП «Голицино» Московской железной дороги в течение 1-их суток с использованием СПИН, при зарядном токе 400 А и ограничением энергоемкости до 200 кВтч.

порядка 200 кВтч (0,72 ГДж). При этом все показатели неравномерности улучшились в несколько раз (см. табл. 1.).

В роли другого объекта исследования выступил участок Москва - Крюково Октябрьской железной дороги с ответвлением до нового терминала аэропорта Шереметьево-3 длиной прядка 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 порядка 4,2 ГДж.

Одним из наиболее эффективных вариантов использования НЭ в СТЭ является проект электрификации Малого кольца Московской ж.д. с ИНЭ, протяженностью 54км. В данном случае ИНЭ энергоемкостью 120 МДж устанавливаются в между ТП с целью принятия избыточной энергии рекуперации и поднятия напряжения в ТС. С помощью ПИК с НЭ было произведено несколько вариантов расчетов - без использования ИНЭ в СТЭ и с ними при различных размерах движения.

На рис. 26-28 изображены зависимости тока одной из ТП от времени в течение 30 минут при различных случаях. На рис. 29. показан ток ИНЭ, расположенного на смежной фидерной зоне. Расчеты показали, что при возможности использования рекуперации на зонах СТЭ с ИНЭ расход электроэнергии, идущей на тягу сократился до 25%.

Рис. 26. Ток ТП без использования рекуперативного торможения на участке (т.е. в случае, когда вся кинетическая энергия поездов при торможении гасится в реостатах), и без использования ИНЭ.

Рис. 27. Ток ТП с использованием рекуперативного торможения на участке и без использования ИНЭ.

Рис. 28. Ток ТП с использованием рекуперативного торможения на участке и с использованием ИНЭ.

Рис. 29. Ток ИНЭ в середине зоны с использованием рекуперативного торможения на участке.

Вариантом наиболее эффективного использования накопителей на ж.д. транспорте является внедрение стационарных ЕНЭ в СТЭ метрополитена. Совместно с НПЦ-27 ОАО «Электропривод» прорабатывался подобный проект, в результате которого была разработана система ЕНЭ для Московского метрополитена, вплоть до конструкторской документации.

Принимая во внимание, что условия и показатели работы СТЭ на различных линиях отличаются в широких пределах (в зависимости от расстояний между ТП, профиля пути, размеров движения и пр.), технически конструкцию ЕНЭ удобнее выполнять модульной, состоящей из нескольких стандартных тяговых агрегатов БК и ПА с соответствующими характеристиками (рис. 30, 31.).

Рис. 30. Принципиальная схема стандартного тягового модуля ЕНЭ БК+ПА.

Рис. 31. Модульная конструкция ЕНЭ для ТП метрополитена.

Батарея конденсаторов (БК) состоит из электрохимических конденсаторных модулей, имеющих максимальное напряжение единичного модуля 48В, емкость 530Ф и запасаемую энергию 610 кДж. Максимальное напряжение БК составляет 960 В. Для этого собирается цепь из 20 последовательно соединенных конденсаторов общей энергоемкостью 12,2 МДж.

Седьмая глава посвящена технико-экономическому обоснованию (ТЭО) эффективности использования НЭ в СТЭ ж.д. Так при оценке эффективности СПИН на ТП «Голицино» было определено, что срок окупаемости системы (с учетом роста стоимости за электроэнергию, рис. 31.) составляет порядка 5 лет. В данном случае ТЭО складывалось из следующих основных показателей: экономия средств за счет снижения капитальных затрат на основное тяговое оборудование и ЛЭП; экономия средств за счет возврата энергии рекуперации; экономия средств за счет смены тарифа на стоимость электроэнергии; экономия средств за счет снижения потерь в СТЭ.

Рис. 31. График повышения тарифов на услуги естественных монополий до 2011 г., одобренный Правительством России (по электроэнергии).

При технико-экономической оценке эффективности использования СПИН в СТЭ при консольном питании пригородной линии Октябрьской ж.д. до аэропорта Шереметьево-3 было получено, что установка отдельного вида СПИН в СТЭ, в некоторых случаях должна оказаться дешевле традиционной ТП и проще при установке в условиях аэропорта, а возможность принятия энергии рекуперации, которая в данном случае может составить 8-10 % от энергии, идущей на тягу, дает дополнительную экономию на эксплуатационных затратах. Дополнительная экономия при этом будет составлять порядка 0,68·10⁶ рублей в год.

ТЭО при оценке проекта электрификации Малого кольца Московской ж.д. с ИНЭ показало, что расход электроэнергии на тягу поездов может быть снижен на 25%. На рис. 32. показаны зависимости экономии электроэнергии и срока окупаемости ИНЭ (с учетом эксплуатационных расходов) в функции размеров движения. Срок окупаемости систем ИНЭ (при стоимости ИНЭ - 30 млн. рублей) для всего расчетного участка при размерах движения 100 пар поездов в сутки и стоимости электроэнергии 189 копеек (на 2008г., рис. 31.) за 1кВ.ч. составляет 2,7 года, при сроке службы вращающихся частей накопительной системы 10 лет.

Рис. 32. Зависимости годовой экономии электроэнергии и срока окупаемости ИНЭ при различных размерах движения.

В случае использования стационарных ЕНЭ на ТП Московского метрополитена экономия электроэнергии может составить до 32% (с учетом климатической составляющей) от энергии, идущей на тягу поездов, а срок окупаемости должен составить менее 3 лет.

ВЫВОДЫ

1. Рассмотрены основные типы НЭ, которые принципиально могут использоваться на железнодорожном транспорте как в СПЭ, так и в СТЭ ж.д. постоянного и переменного тока. Проведен сравнительный анализ всех основных параметров НЭ и показано, что для СТЭ ж.д. наиболее подходят ИНЭ, ЕНЭ и СПИН.

2. Определены и обоснованы точки подключения НЭ различного рода в ЭЭС железнодорожного транспорта, в которых их использование будет наиболее эффективным, а именно: на ТП, в ТС и на ЭПС.

3. Получены основные интегральные показатели работы СТЭ железнодорожного транспорта, которые определяют целесообразность использования НЭ.

4. Разработаны принципиальные схемы и конструкции, определены массогабаритные и стоимостные показатели ИНЭ, ЕНЭ и СПИН для использования в СТЭ ж.д. и метрополитенов, а также и на ЭПС.

5. Представлены математические модели работы ЕНЭ, отражающие все переходные процессы при энергообмене между узлами индуктивных и емкостного накопителей внутри конструкции ЕНЭ, применительно к СТЭ постоянного тока и на ЭПС.

6. Исследованы внутренние процессы энергообмена и дана оценка потерь энергии в СТЭ, позволившие оценить КПД работы НЭ при различных режимах. Так КПД ЕНЭ составил 0,8-0,98, ИНЭ - 0,86-0,9, а СПИН - 0,91.

7. Разработан модуль имитационной модели по расчету параметров СТЭ с использованием НЭ различного типа, интегрированный в общую структуру ПИК НЭ и позволяющий математически воспроизводить все процессы, сопровождающие энергообмен между рекуперирующими единицами ЭПС, СТЭ, НЭ и ТП. Разработаны также прикладные программы моделирования работы НЭ на ТП, в ТС и на ЭПС с использованием реально замеренных показателей 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.

9. Определены полигоны наиболее эффективного использования НЭ в СТЭ ж.д. на сегодняшний день, а именно: на ТП и ТС ж.д. постоянного тока городского и пригородного сообщения, а также на метрополитенах.

10. Произведено технико-экономическое обоснование эффективности использования НЭ в СТЭ в различных случаях. Показано, что срок окупаемости СПИН на ТП пригородного сообщения Московской ж.д. может составить 5 лет. Установка отдельного вида СПИН в СТЭ при консольном питании в некоторых случаях должна оказаться дешевле традиционной ТП, а возможность принятия энергии рекуперации дает дополнительную экономию на эксплуатационных затратах. Срок окупаемости ИНЭ на электрифицируемом Малом кольце Московской ж.д. может составить менее 3 лет. Срок окупаемости ЕНЭ на ТП метрополитена составляет 3-4 года, а на ЭПС порядка 17 лет. Однако, учитывая перспективу развития технологий изготовления молекулярных конденсаторов, можно предположить, что их энергоемкость в ближайшие 5-7 лет при той же стоимости и массогабаритных показателях будет увеличена в 5 раз. Это дает право считать, что к указанному сроку использование ЕНЭ на ЭПС окажется экономически выгодным.

11. На основе имитационных моделей разработана методики оценки эффективности внедрения НЭ на действующих ж.д. и метрополитенах, а также методик проектирования новых железнодорожных линий с НЭ.

12. С помощью математического и имитационного моделирования с использованием экспериментально-замеренных данных показателей работы исследуемых объектов, показаны также другие выявленные виды ущербов в СТЭ и у ее потребителей, снижение которых определяет экономическую эффективность использования НЭ на ж.д. транспорте.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОТРАЖЕНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

1. Абрамсон В.М., Андреев В.В., ГречишниковВ.А, Клинов В.Ю., Минц А.М., Пупынин В.Н., Розанцева С.В., Комиссаров Н.Н., Шевлюгин М.В. Программный комплекс «Электроснабжение метрополитена», Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2005610082, Федеральная служба по интеллектуальной собственности, патен-там и товарным знакам, Москва, 11.01.05.

2. Шевлюгин М.В. Программа для ЭВМ: «Моделирование процесса энергопотребления электроподвижного состава железных дорог и метрополитенов с накопителями энергии на борту», Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2005611422, Федеральная служба по интеллектуальной собственности, патен-там и товарным знакам, Москва, 14.06.05.

3. Шевлюгин М.В., Пупынин В.Н. «Capacitor Storage Systems for Traction Vehicles», «Supercaps europe 2005», I European meeting on supercapacitors: Development and implementation in energy and transportation techniques, Berlin-adlershof, 2005.

4. Шевлюгин М.В. «Energy-saving technologies in rail transportation using energy receptacles», Centre of Excellence for Materials for Low-energy Consuming Technologies in Electrotechnics “MALET”, OWPW, Wroclaw, 2005.

5. Шевлюгин М.В. Программа для ЭВМ: «Моделирование процесса заряда емкостного накопителя энергии с помощью двойного электромагнитного дросселя», Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ №2006611591 Федеральная служба по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам, Москва, 12.05.06.

6. Шевлюгин М.В., Пупынин В.Н. «Зарядное устройство для емкостного накопителя энергии», Патент на полезную модель №53826, приоритет от 23.12.05., Федеральная служба по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам, Москва, 27.05.06.

7. Шевлюгин М.В., Желтов К.С. «Устройство накопления электроэнергии для аварийного тягового питания электроподвижного состава», Патент на полезную модель №56736, приоритет от 12.05.06., Федеральная служба по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам, Москва, 10.09.06.

8. Шевлюгин М.В. «Система накопления энергии на вагоне метро для аварийного вывода поезда из туннеля», «НТТ - Наука и техника транспорта» // Научно-технический и производственный журнал, РГОТУПС, Москва, №3, 2006г.

9.Шевлюгин М.В. «ЕНЭ на борту метропоезда», Журнал «Мир транспорта», МКЖТ МПС РФ, Москва, №1, 2007г.

10. Шевлюгин М.В. «Повышение энергетических показателей работы системы тягового электроснабжения железных дорог с помощью накопителей энергии», «НТТ - Наука и техника транспорта» // Научно-технический и производственный журнал, РГОТУПС, Москва, №1, 2007.

11. Шевлюгин М.В. «Снижение расхода энергии и рабочей мощности основного силового оборудования тяговых подстанций электрических железных дорог с помощью накопителей энергии», Монография, Москва, МГУ ПС (МИИТ), 2007г.

12. Шевлюгин М.В. ,Желтов К.С. «Снижение расхода электроэнергии на движение поездов в Московском метрополитене при использовании емкостных накопителей энергии», «НТТ - Наука и техника транспорта» // Научно-технический и производственный журнал, РГОТУПС, Москва, №1, 2008.

13. Шевлюгин М.В. «Энергосберегающие схемы тягового электроснабжения железных дорог на базе сверхпроводниковых индуктивных накопителей энергии», «Электротехника»// Научно-технический журнал, ЗАО «Знак», Москва, №7, 2008.

14. Бродский Ю.А., Подаруев А.И., Пупынин В.Н., Шевлюгин М.В. «Стационарная система аккумулирования энергии рекуперации электроподвижного состава метрополитена на базе емкостных накопителей энергии», «Электротехника»// Научно-технический журнал, ЗАО «Знак», Москва, №7, 2008.

15. Шевлюгин М.В. «Энергосбережение на железнодорожном транспорте с помощью сверхпроводниковых индуктивных накопителей энергии», «НТТ - Наука и техника транспорта» // Научно-технический и производственный журнал, РГОТУПС, Москва, №2, 2008.

16. Шевлюгин М.В., Жуматова А.А. «Возможность использования возобновляемых источников энергии в системе тягового электроснабжения железных дорог», «НТТ - Наука и техника транспорта» // Научно-технический и производственный журнал, РГОТУПС, Москва, №4, 2008.

Размещено на Allbest.ru