Повышение энергетической эффективности электрического подвижного состава Евстафьев Андрей Михайлович

Введение к работе

Актуальность темы исследования. Стратегическим приоритетом программ развития железнодорожного, промышленного и городского транспорта являются разработка и внедрение новых типов энергоэффективного подвижного состава. Особое внимание в области энергосбережения уделяется инновационным технологиям, в их числе использованию альтернативных источников энергии. Основную часть расходов на энергоресурсы транспорта составляют расходы на тяговые нужды. Наиболее эффективным методом энергосбережения является локальная буферизация электроэнергии на различных стадиях ее доставки до потребителя, в том числе введение в электроэнергетическую систему транспорта накопителей энергии, способных сэкономить до 30% электроэнергии, расходуемой на тягу. Бортовые накопители энергии создают возможность применения рекуперативного торможения в любых условиях, не только на электрическом подвижном составе, но и на других видах тягового подвижного состава. Таким образом, задача повышения энергетической эффективности электрического подвижного состава является актуальной и может быть решена путем разработки и создания гибридного тягового подвижного состава (ГТПС), в состав силовых энергоустановок которого входят как источники, так и бортовые накопители энергии различного физического принципа действия, обеспечивающие наиболее эффективное аккумулирование и использование энергии транспортного средства.

Степень разработанности темы исследования. Проблемами транспортной энергетики занимались многие ученые, среди которых в первую очередь необходимо отметить работы В.Н. Аносова, A.A. Бакланова, С.В. Власьевского, В.Н. Игина, Ю.М. Инькова, К.К. Кима, О.В. Мельниченко, В.Е. Розенфельда, А.Н. Савоськина, Н.Н. Сидоровой, М.А. Слепцова, Б.Н. Тихменева, Л.М. Трахтмана, В.П. Феоктистова, Н.И. Щурова. Оптимизации режимов движения поездов с электрической тягой по критерию минимума энергозатрат посвящены работы М.П. Бадера, Л.А. Баранова, А.Т. Буркова,

Я.М. Головичера, Е.В. Ерофеева, А.А. Зарифьяна, Р.Г. Идиятуллина,
И.П. Исаева, Л.Д. Капустина, П.Г. Колпахчьяна, А.Б. Косарева,

А.С. Космодамианского, В.А. Кручека, Ю.М. Кулинича, А.С. Курбасова,
В.А. Кучумова, А.Л. Лисицина, В.Н. Лисунова, В.В. Литовченко, А.С. Мазнева,
А.Н. Марикина, Л.А. Мугинштейна, Р.В. Мурзина, Н.С. Назарова,

О.Н. Назарова, В.И. Некрасова, Б.Д. Никифорова, Н.Б. Никифоровой, М. Павелчик, А.Д. Петрушина, A.B. Плакса, О.Е. Пудовикова, Н.А. Ротанова, Г.Г. Рябцева, В.Г. Сидоренко, О.А. Сидорова, В.Д. Тулупова, Г.А. Федяевой, Б.И. Хоменко, В.Т. Черемисина, М.В. Шевлюгина, В.Г. Щербакова, В.П. Янова.

Объект и предмет исследования. Объектом исследования является силовая энергетическая установка перспективного тягового подвижного состава с накопителями электрической энергии. Предметом исследований являются процессы энергообмена в силовых установках подвижного состава с накопителями энергии.

Цель и задачи диссертации. Целью диссертации является повышение энергетической эффективности тягового подвижного состава железных дорог, городского и промышленного транспорта путем разработки новых научно обоснованных технических решений по применению накопителей энергии в составе силовых энергетических установок подвижного состава.

Для достижения указанной цели требуется решить следующие задачи.

1. Раскрыть основные направления повышения энергетической эффективности и функциональности тягового подвижного состава, обосновать внедрение силовых энергетических установок с накопителями энергии как приоритетное направление повышения энергоэффективности и функциональности подвижного состава.

2. Уточнить классификационные признаки и разработать системную

классификацию гибридного тягового подвижного состава. Разработать систему

показателей, характеризующих специфику широкой номенклатуры гибридного

тягового подвижного состава, и методику комплексной оценки его технического

уровня, энергетической эффективности и конкурентоспособности.

3. Провести комплексный анализ свойств и характеристик основных накопителей энергии по критериям целесообразности и эффективности их использования в составе силовых энергетических комплексов гибридного тягового подвижного состава.

4. Обобщить методики оценки энергоемкости бортового накопителя энергии на основе критерия функционального назначения накопителя для различных групп подвижного состава.

5. Разработать математические модели и провести теоретическое исследование эффективности энергообменных процессов между структурными элементами гибридных энергосистем тягового подвижного состава.

6. На основе теоретического исследования обосновать наиболее рациональную архитектуру системы управления гибридной силовой установкой перспективного тягового подвижного состава.

7. Разработать основы теории управления потоками энергии и мощности в гибридной силовой энергетической установке.

8. Выполнить предварительное технико-экономическое обоснование внедрения бортовых систем аккумулирования энергии на тяговый подвижной состав.

9. Сформулировать направления дальнейшего развития научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ по внедрению гибридных технологий в конструкцию тягового подвижного состава.

Научная новизна. Научная новизна диссертации заключается в следующем.

1. Разработана системная классификация гибридного тягового подвижного состава, характеризующая специфику силовых энергоустановок широкой номенклатуры транспортных средств, соответствующих этому понятию.

2. Для количественной характеристики основных свойств гибридного

тягового подвижного состава разработана система показателей и методика

сравнительной оценки его технического уровня, энергетической эффективности

и конкурентоспособности.

3. Разработаны математические модели силовых энергетических установок гибридного тягового подвижного состава, на основе которых выполнен анализ энергетической эффективности зарядно-разрядных процессов бортовых накопителей энергии применительно к емкостному накопителю и совместной работе емкостного накопителя и аккумуляторной батареи. Получены соотношения для расчета эффективности энергообменных процессов в резистивных зарядно-разрядных контурах и контурах с реакторами.

4. Разработана многофункциональная компьютерная модель на базе мультиконверторной гибридной топологии, включающая силовую часть и систему управления, которая позволяет исследовать переходные процессы в различных режимах работы гибридного тягового подвижного состава.

5. На основе экспериментального исследования разработана методика определения уточненных параметров тяговых двигателей постоянного тока, учитывающая влияние вихревых токов на изменение магнитного потока возбуждения, и разработана уточненная модель тягового двигателя, которая является структурной частью общей модели гибридной силовой установки.

6. Разработаны основы теории управления энергией и мощностью в гибридной силовой энергетической установке перспективного тягового подвижного состава на базе системного подхода и иерархической структуры управления.

7. Выполнено предварительное технико-экономическое обоснование внедрения гибридных технологий на тяговый подвижной состав железных дорог применительно к маневрово-вывозным локомотивам, показаны источники сокращения эксплуатационных затрат.

Теоретическая и практическая значимость работы.

Теоретическая значимость диссертации заключается в разработке научно обоснованных положений и технических решений по повышению энергетической эффективности тягового подвижного состава.

Практическая значимость работы заключается в следующем.

1. Разработанная система показателей, характеризующих технический уровень, энергетическую эффективность и конкурентоспособность гибридного тягового подвижного состава, и методика позволяют дать комплексную рейтинговую оценку существующим и вновь разрабатываемым видам подвижного состава, что может применяться при принятии решений на этапах проектирования и закупки подвижного состава.

2. Разработанные математические модели могут найти применение при модернизации эксплуатируемого и разработке нового гибридного тягового подвижного состава для анализа режимов работы силовых энергоустановок, определения проектных параметров их структурных элементов и поиска наиболее рациональных технических решений.

3. Разработанные основы теории управления энергией и мощностью гибридной силовой энергоустановки закладывают методологические основы построения многоуровневых систем управления перспективным энергоэффективным тяговым подвижным составом.

Практическая значимость результатов диссертации подтверждена актами внедрения филиала ОАО «РЖД» – Дирекции тяги и ООО «Локотех».

Методология и методы исследования. Исследования выполнены на основе комплексного подхода к проблеме энергетической эффективности тягового подвижного состава, ориентированного на практическую значимость и экономическую обоснованность результатов. Для решения поставленных задач в работе используются методы теории электрических и магнитных цепей, теории автоматического управления, теории электрической тяги, структурного анализа, имитационного моделирования электромагнитных и электромеханических процессов.

Положения, выносимые на защиту. На защиту выносятся следующие

положения.

1. Классификация гибридного тягового подвижного состава, система

показателей и методика оценки его технического уровня, энергетической

эффективности и конкурентоспособности.

2. Математические модели энергетических комплексов гибридного тягового подвижного состава, учитывающие особенности функционирования накопителей энергии в системе тягового электропривода и позволяющие определять энергооптимальные способы управления тяговым электроприводом.

3. Топология, схемные решения и алгоритмы управления энергетическими комплексами гибридного тягового подвижного состава, обеспечивающие сокращение потерь энергии во всех режимах работы.

4. Основы теории управления энергией и мощностью силовой энергетической установки перспективного тягового подвижного состава.

Степень достоверности и апробация результатов работы.

Достоверность основных научных положений и результатов обеспечивается корректностью принятых допущений и математических формулировок задач и подтверждается удовлетворительной сходимостью результатов теоретического и экспериментального исследования.

Материалы диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных, всероссийских, отраслевых и региональных симпозиумах, конференциях, выставках и конкурсах: Всероссийская научно – техническая конференция с международным участием «Ресурсосберегающие технологии на железнодорожном транспорте» г. Красноярск, 2005 г.; международная научно-техническая конференция «Наука, инновации и образование: Актуальные проблемы развития транспортного комплекса России», УрГУПС, 2006 г.; пятая международная научная конференция творческой молодежи «Научно-техническое и экономическое сотрудничество стран АТР в ХХI веке», ДВГУПС, 2007 г.; Всероссийская научно-практическая конференция «Транспорт-2007», РГУПС, 2007 г.; международная научно-практическая конференция ученых транспортных вузов, инженерных работников и представителей академической науки «Подвижной состав XXI века», ДВГУПС, 2008 г.; научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых Электромеханического факультета ИрГУПС «Проблемы, решения, инновации транспорта Российской

Федерации», ИрГУПС, 2010 г.; Всероссийская научно-практическая

конференция «Научно-технические проблемы транспорта, промышленности и образования», ДВГУПС, 2010 г.; Всероссийская научно-практической конференция «Транспорт-2010», РГУПС, 2010 г.; Всероссийская научно-техническая конференция с международным участием «Эксплуатационная надежность локомотивного парка и повышение эффективности тяги поездов», ОмГУПС, 2012 г.; IV, V Международной научно-практической конференции «Интеллектуальные системы на транспорте», ПГУПС, 2014, 2015 гг.; 3-й, 4-й, 5-й, 6-й, 7-й, 8-й, 9-й международный симпозиум «Eltrans», ПГУПС, 2005, 2007, 2009, 2011, 2013, 2015, 2017 гг.

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 53 научных работах, в том числе 24 работах в журналах, входящих в перечень изданий, рекомендованных ВАК Минобрнауки России для публикации результатов исследований на соискание ученых степеней кандидата и доктора наук, и в трех публикациях в журналах, индексируемых в базе данных Scopus. По теме диссертации получено 13 патентов на изобретения и полезные модели и 3 свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка литературы из 316 наименований и приложений, размещенных на 396 страницах машинописного текста, включая 15 таблиц и 130 рисунков.