Содержание к диссертации
Введение
1. Концепция автоматизированной системы мониторинга эффективности применения и использования энергии рекуперации 10
1.1 Состояние вопроса 11
1.2 Систематизация существующих методов определения удельной рекуперации на участке работы локомотивных бригад 17
1.3 Обоснование необходимости применения синхронных измерений тока, напряжения и приращения расхода электроэнергии на электроподвижном составе и фидерах контактной сети 30
1.4 Разработка требований к системе мониторинга эффективности применения и использования энергии рекуперации 35
1.5 Выводы по главе 39
2. Разработка метода определения эффективности применения рекуперативного торможения, снижения расхода и потерь электроэнергии в тяговой сети 40
2.1 Общие принципы оценки эффективности применения рекуперативного торможения поездом в границах зоны мониторинга 41
2.2 Порядок формирования базы данных по выполненой работе локомотивных бригад для обеспечения эффективности применения энергии рекуперации 47
2.2.1 Анализ состояния работоспособности системы рекуперативного торможения 47
2.2.2 Анализ состояния системы тягового электроснабжения в границах зоны мониторинга 49
2.2.3 Анализ графика движения и применения машинистом энергосберегающих приемов вождения 56
2.2.4 Формирование итоговой отчетной формы по результатам совершенных поездок 61
2.3 Нормирование и планирование энергии рекуперации на участке следования локомотивной бригады по результатам поездок 64
2.4 Выводы по главе 67
3. Методы повышения эффективности применения рекуперативного торможения и последующего использования энергии рекуперации
3.1 Способ способ повышения эффективности применения
рекуперативного торможения, снижения расхода и потерь электроэнергии на тягу 68
3.2 Применение накопителей электрической энергии в системе тягового электроснабжения и на подвижном составе 78
3.3 Разработка имитационной модели для оценки эффективности применения емкостного накопителя энергии на железнодорожном транспорте 85
3.4 Выводы по главе 101
4. Экспериментальные исследования по оценке влияния параметров и режимов работы системы тягового электроснабжения на эффективность применения и использования энергии рекуперации 102
4.1 Характеристика испытательного полигона и условия проведения эксперимента 102
4.2 Экспериментальные исследования по оценке применения и использования энергии рекуперации 108
4.3 Оценка влияния устройств автоматического регулирования на эффективность применения и использования энергии рекуперации 121
4.4Выводы по главе 136
5. Технико-экономическое обоснование внедрения системы мониторинга эффективности применения рекуперативного торможения и методов его повышения 138
5.1 Технико-экономическое обоснование внедрения системы мониторинга эффективности применения рекуперативного торможения 138
5.2 Технико-экономические расчеты по сокращению эксплуатационных расходов перевозочного процесса за счет оптимизации графика движения поездов 145
5.3 Технико-экономические расчеты параметров и мест установки накопителей электрической энергии в целях повышения эффективности применения и использования энергии рекуперации 149
5.4 Выводы по главе 155
Заключение 157
Список литературы
- Обоснование необходимости применения синхронных измерений тока, напряжения и приращения расхода электроэнергии на электроподвижном составе и фидерах контактной сети
- Порядок формирования базы данных по выполненой работе локомотивных бригад для обеспечения эффективности применения энергии рекуперации
- Применение накопителей электрической энергии в системе тягового электроснабжения и на подвижном составе
- Экспериментальные исследования по оценке применения и использования энергии рекуперации
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Проблема энергосбережения и энергоэффективности в промышленности и на транспорте является одной из наиболее актуальных в связи с постоянным ростом тарифов на энергоресурсы. В связи с тем, что ОАО «РЖД» является одним из крупнейших потребителей электроэнергии, указанная проблема также является актуальной.
Одним из важнейших путей повышения энергоэффективности перевозок на железнодорожном транспорте является снижение потерь электроэнергии в тяговой сети и эффективное использование энергии рекуперативного торможения. За 2016 г. объем рекуперативного торможения по сети железных дорог достиг 2,151 млрд кВтч, что составляет около 5 % от расхода на тягу поездов.
Основными факторами, препятствующими увеличению объема рекуперированной энергии, являются случаи отсутствия приемников энергии рекуперации, недостаточное использование резервов технологии вождения электроподвижного состава, отсутствие условий применения рекуперации в системе тягового электроснабжения, несовершенство в организации движения поездов, неполадки в системе рекуперации в пути следования.
Таким образом, определение резервов применения рекуперативного торможения, снижения расхода и потерь электроэнергии за счет совершенствования режимов работы системы тягового электроснабжения, технологии вождения поездов и организации их движения является актуальной задачей.
Объект исследования – система тягового электроснабжения и электроподвижной состав в условиях применения рекуперативного торможения.
Область исследования – методы и средства снижения расхода и потерь электроэнергии на тягу поездов.
Степень разработанности темы исследования. Значительный вклад в решение задачи повышения эффективности применения рекуперативного торможения и снижения потерь электроэнергии в тяговой сети внесли такие ученые, как Аржанников Б. А., Бадер М. П., Бакланов А. А., Бурков А. Т., Герман Л. А., Давыдов Ю. А., Добрынин Е. В., Дынькин Б. Е., Евстафьев
A. М., Жарков Ю. И., Закарюкин В. П., Игнатенко И. В., Косарев А. Б., Косарев Б. И., Котельни
ков А. В., Крюков А. В., Ли В. Н., Марикин А. Н., Марквардт К. Г., Мельниченко О. В., Митро
фанов А. Н., Мугинштейн Л. А., Петрушин А. Д., Пляскин А. К., Пудовников О. Е., Пупынин
B. Н., Рябцев Г. Г., Савоськин А. Н., Сидорова Е. А., Черемисин В. Т., Шевлюгин М. В.
Работы в части накопления, хранения и последующего использования энергии рекуперации вели зарубежные ученые: Yan G., Sevilla M., Carlen, M.W., Farahmandi, C.J.; работы в области организации энергоэффективного перевозочного процесса вели Кумар А. К., Хоупт П. К.
Большая часть проведенных исследований посвящена определенному влияющему на эффективность применения рекуперативного торможения фактору: технологии вождения поездов, параметрам и режимам работы системы тягового электроснабжения, поездной обстановке и т. д. Не учитывалось то, что эти факторы взаимосвязаны и при оценке энергетической эффективности применения рекуперативного торможения и использования энергии рекуперации необходимо подходить к решению этой задачи комплексно.
Целью диссертационной работы является повышение эффективности применения рекуперативного торможения, снижения расхода и потерь электроэнергии за счет совершенствования режимов работы и параметров системы тягового электроснабжения, технологии эксплуатации электроподвижного состава.
Для достижения указанной цели были поставлены и решены следующие задачи:
разработать классификацию методов оценки эффективности применения рекуперативного торможения и обосновать необходимость выполнения оценки эффективности применения рекуперативного торможения с учетом технологии ведения поезда, параметров и режимов работы системы тягового электроснабжения путем применения синхронных измерений приращения расхода электроэнергии за короткие промежутки времени по фидерам контактной сети тяговых подстанций и электроподвижного состава;
разработать метод определения эффективности применения рекуперативного торможения, снижения расхода и потерь электроэнергии в тяговой сети, позволяющий проводить анализ в границах произвольной зоны учета с учетом параметров и режимов работы системы тягового электроснабжения, поездной ситуации, технического состояния локомотива и применения рациональных режимов ведения поезда, а также устройство контроля режимов работы тяговой подстанции;
предложить способ повышения эффективности применения рекуперативного торможения, снижения расхода и потерь электроэнергии на тягу, позволяющий производить корректировку нормативного графика движения поездов относительно ординаты максимальной рекуперации.
разработать схемные решения по подключению емкостных накопителей энергии в системе тягового электроснабжения и имитационную модель системы мониторинга эффективности применения рекуперативного торможения, позволяющую оценить эффективность использования энергии рекуперации при установке накопителей электрической энергии в системе тягового электроснабжения и на электроподвижном составе.
апробировать метод определения эффективности применения рекуперативного торможения, снижения расхода и потерь электроэнергии с учетом параметров и режимов работы системы тягового электроснабжения постоянного тока на действующем участке железной дороги.
Научная новизна работы заключается в решении ряда комплексных задач по разработке новых научно обоснованных технологических решений для повышения эффективности рекуперативного торможения, снижения расхода и потерь электрической энергии в тяговой сети. Для решения названных задач:
разработана классификация методов оценки эффективности применения рекуперативного торможения по способу получения исходных данных и конечных результатов;
разработан метод определения эффективности применения рекуперативного торможения, снижения расхода и потерь электроэнергии в тяговой сети с учетом параметров и режимов работы системы тягового электроснабжения, поездной ситуации, технического состояния локомотива и применения рациональных режимов ведения поезда;
предложен способ повышения эффективности применения рекуперативного торможения, снижения расхода и потерь электроэнергии на тягу, учитывающий
скрещение встречных потоков поездов относительно ординаты максимальной рекуперации при формировании графика движения.
Теоретическая и практическая значимость работы заключается в следующем:
разработан метод определения эффективности применения рекуперативного торможения, снижения расхода и потерь электроэнергии в тяговой сети, позволяющий формировать рекомендации по различным режимам ведения поездов в границах зон учета посредством мониторинга параметров и режимов работы системы тягового электроснабжения, поездной ситуации при рекуперативном торможении, технического состояния электрических цепей электровоза;
разработаны и защищены патентом РФ устройство контроля режимов работы тяговой подстанции и схемные решения по установке емкостных накопителей электрической энергии на посту секционирования постоянного тока;
разработан и защищен патентом РФ способ имитационного моделирования, позволяющий оценить снижение расхода электроэнергии на тягу поездов за счет корректировки суточного нормативного графика движения поездов;
разработана имитационная модель системы мониторинга электропотребления электровозом, позволяющая осуществлять контроль снижения расхода электроэнергии на тягу поездов в режиме рекуперативного торможения при установке в системе тягового электроснабжения накопителей электрической энергии;
предложен комплекс основных требований к системе мониторинга эффективности применения энергии рекуперации, позволяющий обеспечить техническую возможность достоверного определения объемов рекуперативного торможения на участке следования локомотивной бригады, выявления причин его снижения на произвольном участке железной дороги, вплоть до межподстанционной зоны;
разработана и внедрена на Западно-Сибирской и Свердловской железных дорогах методика контроля расхода электроэнергии на тягу поездов по показаниям приборов учета на тяговых подстанциях и электроподвижном составе постоянного тока;
даны рекомендации по необходимой установленной мощности, расположению и рациональному использованию емкостных накопителей электрической энергии в составе системы тягового электроснабжения постоянного тока и электроподвижного состава в целях снижения расхода и потерь электроэнергии на тягу за счет применения рекуперативного торможения на участке следования локомотивной бригады.
Методология и методы исследования. При решении поставленных задач использовались методы оптимизации, теория вероятности и математическая статистика, методы дифференциального и интегрального исчисления, теория электрических цепей. При расчетах показателей совместной работы системы тягового электроснабжения, электроподвижного состава и накопителя электрической энергии использовался пакет имитационного моделирования Simulink матричной системы MatLab.
Положения диссертации, выносимые на защиту:
классификация методов оценки эффективности применения рекуперативного торможения;
метод определения эффективности применения рекуперативного торможения, снижения расхода и потерь электроэнергии в тяговой сети;
способ повышения эффективности применения рекуперативного торможения, снижения расхода и потерь электроэнергии на тягу;
схемные решения по применению емкостных накопителей электрической энергии в системе тягового электроснабжения.
Степень достоверности. Достоверность основных результатов диссертационной работы подтверждена сходимостью экспериментальных исследований, проведенных на калиброванном и поверенном оборудовании, с результатами имитационного моделирования. Расхождения составили не более 10 %. Получены регрессионные многофакторные модели возврата электроэнергии, имеющие высокий коэффициент детерминации, варьирующийся в диапазоне 0,94 – 0,98.
Апробация результатов работы. Основные материалы и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на 4-й всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Транспортная инфраструктура Сибирского региона» (Иркутск, 2013); всероссийской научно-практической конференции «Электропривод, электротехнологии и электрооборудование предприятий» (Уфа, 2013); всероссийской научно-практической конференции с международным участием «120 лет железнодорожному образованию в Сибири» (Красноярск, 2013); международной научно-практической конференции «Повышение энергетической эффективности наземных транспортных систем» (Омск, 2014); VIII международной научно-технической конференции в рамках года науки Россия – ЕС «Научные проблемы реализации транспортных проектов в Сибири и на Дальнем Востоке» (Новосибирск, 2015); III научно-технической конференции с международным участием «Трансвуз-2015» (Омск, 2015); VIII международном симпозиуме «Eltrans-2015» – «Электрификация, развитие электроэнергетической инфраструктуры и электрического подвижного состава скоростного и высокоскоростного железнодорожного транспорта» (Санкт-Петербург, 2015); третьей всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Эксплуатационная надежность локомотивного парка и повышение эффективности тяги поездов», (Омск, 2016).
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 29 печатных работах, из них четыре – в изданиях, определенных ВАК Минобрнауки России. Получено три патента Российской Федерации на полезные модели и один патент на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, приложений, списка литературы из 146 наименований и содержит 187 страниц основного текста, 78 рисунков и 30 таблиц.
Обоснование необходимости применения синхронных измерений тока, напряжения и приращения расхода электроэнергии на электроподвижном составе и фидерах контактной сети
В зависимости от выбранных условий суммарной экономии электроэнергии либо использования пропускной способности участка выбирается более рациональный режим движения поезда. На основании выбранного варианта дается оценка эффективности рекуперации для данного участка. Метод учитывает поездную ситуацию на участке, ограничения скорости на участке следования. Позволяет дать рекомендации при разработке графика движения и режимных карт с учетом требования максимального использования рекуперативного торможения. Основные недостатки данного метода: нет учета состояния системы тягового электроснабжения, исправность схемы рекуперативного торможения, применение машинистом энергосберегающих приемов вождения.
Метод расчета эффективной зоны рекуперации с учетом удаления поездов в тяговом и рекуперативном режимах, величины и соотношения их токов, а также напряжения на шинах тяговых подстанций [57]. Для расчета эффективной зоны рекуперации используются численные методы на базе уравнений Кирхгофа, методы контурных токов или узловых потенциалов. Зона рекуперации есть функция нескольких переменных: L рек= рекI тягU Т П x 1x2) (1.6) где I ек- ток рекуперирующего электровоза, А; Iтяг - ток электровоза идущего в тяге, А; UТХ ПХ- напряжение холостого хода на шинах тяговых подстанций, В; xvx2- координаты положения поездов. По результатам расчета для участка железной дороги определяются зависимости напряжения на токоприемнике электровоза, тока тяговых подстанций и относительных потерь мощности в тяговой сети от расстояния между поездами в тяговом и рекуперативном режимах и делается вывод об оптимальном расстоянии между поездами (напряжение на токоприемнике рекуперирующего электровоза не должно превышать более 4 кВ) с целью обеспечения приемлемого баланса между потерями энергии в тяговой сети и потерей потенциально возможной энергии рекуперации поезда.
Основным достоинством данного метода можно считать возможность получения рекомендаций по регулированию уровня напряжения на шинах тяговых подстанций с целью повышения эффективности рекуперативного торможения. Данный метод также обладает рядом недостатков в связи с отсутствием учета следующих факторов: поездная ситуация, исправность схемы рекуперативного торможения, применение машинистом энергосберегающих приемов вождения.
Метод расчета избыточной энергии рекуперации, использующий принципы теории вероятности [58–60]. В основе метода лежит формула Бернулли для расчета вероятности события, а именно того или иного режима движения электровозов или электропоездов: р =\ — \cadb{\ - с - d)N-a b (1.7) {a\b\(N-a-b)\J где а - количество ЭПС, движущихся в режиме тяги; Ъ - количество ЭПС, движущихся в режиме рекуперации; N- количество ЭПС, работающих на перегоне; (N-а — Ъ)- количество ЭПС, движущихся в режиме выбега; с- относительное время нахождения ЭПС в режиме тяги; d - относительное время нахождения ЭПС в режиме рекуперации; (l-c — d)- относительное время нахождения ЭПС в режиме выбега. Формируется матрица ситуаций, для которых рассчитывается избыточная энергия рекуперации.
Метод имеет множество допущений, влияющих на точность определения объема рекуперативного торможения и его избытка. Данный подход не учитывает: погодные условия, реальную поездную ситуацию, исправность схемы рекуперативного торможения, применение машинистом энергосберегающих приемов вождения, нет учета системы тягового электроснабжения. В группе расчетно-аналитических методов выделяется подгруппа методов, реализованных программно (имитационное моделирование) в целях облегчения и ускорения расчетов.
Метод наложения с учетом реального напряжения на токоприемнике [61,62]. В основу оценки эффективности рекуперативного торможения положен всеми известный метод наложения, применяемый в расчетах электрических цепей. Совмещенное проведение тяговых расчетов в соответствии с [63] и расчетов системы тягового электроснабжения позволяет учитывать реальные поездные ситуации и действительный уровень напряжения на токоприемниках электровозов. Данный метод реализован в программном комплексе ОмГУПС [64]. Основными недостатками метода и реализованного программного комплекса можно считать: низкую производительность и большие затраты времени на выполнение расчетов, отсутствие возможности учета исправности схемы рекуперативного торможения, применение машинистом энергосберегающих приемов вождения, учет погодных условий.
Метод определения энергии рекуперации на основании непрерывного исследования графика движения. Основным отличием от известных методов, описанных в [65], является возможность построения нагрузок элементов тяговой сети, полностью используя тяговые расчеты поездов без спрямления их характеристик. Метод реализован в программном комплексе КОРТЭС [66]. Основным недостатком комплекса является неизменное напряжение на токоприемнике при проведении тяговых расчетов, отсутствие учета погодного фактора, исправности схемы рекуперативного торможения, а также применение энергооптимальных приемов вождения машинистом.
Порядок формирования базы данных по выполненой работе локомотивных бригад для обеспечения эффективности применения энергии рекуперации
В соответствии с обозначенными предпосылками разрабатываемого метода можно определить порядок основных этапов проведения мониторинга: 1) наблюдение объекта и получение данных для анализа (синхронные измерения на тяговых подстанциях и электроподвижном составе); 2) анализ эффективности применения рекуперативного торможения с учетом режимов работы системы тягового электроснабжения, технологии ведения поезда, организации движения поездов на участке; 3) нормирование объемов рекуперации по участку; 4) формирование итогового протокола по результатам суточной работы локомотивных бригад для принятия управленческих решений.
Оценить эффективность рекуперативного торможения, как известно, можно за какой-либо отчетный период или экспериментальный период. В качестве стандартных отчетных периодов на железнодорожном транспорте принимаются одни сутки и один месяц. Отчеты за другие периоды, превышающие одни сутки и кратные одним суткам, могут быть получены на основании стандартных отчетных периодов.
Под экспериментальным периодом будет пониматься период проведения экспериментальных исследований на участке с использованием средств синхронного измерения электрической энергии на фидерах контактной сети тяговых подстанций и электроподвижном составе. За минимальный экспериментальный период принимается время проследования одного поезда по исследуемой межподстанционной зоне.
Принимая во внимание выше сказанное можно сделать вывод о том, что анализ эффективности рекуперации необходимо проводить для каждого локомотива, начиная с получения данных, их анализа и дальнейшего принятия решений в рамках каждой поездки. Для организации работы системы мониторинга автором был разработан метод, алгоритм которого представлен на рисунке 2.1.
Алгоритм определения эффективности рекуперативного торможения границах произвольной зоны мониторинга Данный алгоритм включает в себя целый ряд работ по подготовке данных, поступающих с информационно-измерительных комплексов, установленных на электроподвижном составе (ИИК ЭПС) и автоматизированной системы мониторинга и учета электроэнергии на фидерах контактной сети тяговых подстанций (АСМУЭ ФКС), блока имитационного моделирования, а также их первичного анализа, блоков выявления причин снижения эффективности рекуперативного торможения за поездку, формирование базы данных по поездкам, их комплексный анализ и формирование итоговой отчетности.
При проведении оценки эффективности применения рекуперативного торможения необходимо выбрать критерий и его значение (норму возврата), при котором рекуперативное торможение, применяемое на участке мониторинга, будет считаться эффективным. Основным критерием, позволяющим оценить эффективность рекуперации, как было уже сказано выше, является удельная рекуперация [86].
На первом этапе работы алгоритма с информационно-измерительных комплексов, установленных на ЭПС, на сервер поступает информация о находящихся на зоне мониторинга электровозах, имеющая следующий вид: Ek – серия локомотива, mk – масса поезда, Nk – участок следования, ti – глобальное время, Ski – координата пути в момент записи показаний, Uki – действующее значение напряжения на токоприемнике в момент записи показаний, Iki – действующее значение тока электровоза в момент записи показаний, Wрасх.лi – приращение расхода электроэнергии, Wвозв.ki – приращение возврата электроэнергии. Далее определяется фактическая удельная рекуперация электровоза wpki на межподстанционной зоне и сравнивается с выставленной нормой возврата. Массив данных для оценки эффективности рекуперативного торможения с измерительных систем, установленных на электроподвижном составе (таблица 2.1), поступает для анализа на сервер в режиме реального времени. Норма возврата по межподстанционным зонам для рассматриваемого участка Nk , серии локомотива Ek и массы поезда mk может быть получена на основании статистической обработки поездок w"рM (при наличии базы данных (БД) по этим поездкам), либо путем применения имитационного моделирования
Наиболее оптимальным методом имитационного моделирования при определении нормы возврата электроэнергии, а также отвечающим требованию необходимости оценки эффективности рекуперативного торможения вплоть до МПЗ, является метод энергетических диаграмм [87]. Так как в методе используется ряд допущений и имеются недостатки, то воспользуемся только его частью, а именно частью, связанной с проведением тяговых расчетов и построением самих энергетических диаграмм для участка следования локомотивной бригады. Тяговые расчеты будем проводить в программном комплексе КОРТЭС, разработанном во ВНИИЖТе [88]. Отчет об объеме энергии рекуперации в КОРТЭС представляет собой значение для всего участка следования, поэтому объемы энергии рекуперации по МПЗ определяются на основании полученных в результате расчета графиков тока рекуперации с учетом уровня напряжения в контактной сети для каждой серии электровоза по z -му перегону в соответствии с правилами тяговых расчетов [89] по формуле, кВтч:
Применение накопителей электрической энергии в системе тягового электроснабжения и на подвижном составе
Ряду экспериментальных исследований, проведенных на железных дорогах постоянного тока показал, что бывают случаи повышения напряжения в контактной сети выше 4 000 В на участках с эксплуатацией электровозов серий ВЛ10 и ВЛ11 [111], приводящие к срабатыванию защиты от повышенного напряжения на электроподвижном составе и остановке поезда, а также сокращению объемов рекуперативного торможения и, как следствие, снижению эксплуатационных показателей не только единичного электровоза, но и всего депо и дороги в целом. Кроме этого, на электровозах серии 2ЭС6 при напряжении в контактной сети более 3 400 В дополнительно в автоматическом режиме применяются пуско-тормозные резисторы, а при напряжении выше 3 800 В вообще прекращается электрическое торможение и бригады вынуждены применять пневмотический тормоз.
Применение приемников энергии рекуперации в системе тягового электроснабжения или на подвижном составе позволит обеспечить изменение напряжения в контактной сети в допустимых диапазонах. Указанные проблемы могут быть решены путем размещения в системе тягового электроснабжения (СТЭ) специальных приемников энергии рекуперации (инверторы или поглощающие устройства) [112]. Появление различных типов промышленно выпускаемых образцов накопителей электроэнергии (НЭЭ), а также расширение номинального ряда их емкости позволяет рассмотреть использование НЭЭ в качестве приемника энергии рекуперации [113].
Применение НЭЭ в электроэнергетических системах исследовалось учеными СССР. В частности, для уплотнения графиков нагрузки [114], используя основной принцип работы НЭЭ – отдача ранее запасенной энергии.
Перспективными видами накопителей для железнодорожного транспорта, ввиду их характеристик, принято считать следующие: емкостные накопители электрической энергии на основе молекулярных суперконденсаторов (ЕНЭ); накопители электрической энергии на основе сверхпроводимости – сверхпроводниковые индуктивные накопители (СПИН); электромеханические индуктивные накопители электрической энергии [115–118].
Основным недостатком существующих накопителей электрической энергии применительно к железнодорожному транспорту являются их высокая стоимость и габариты устройства, а также низкая удельная запасаемая энергия (Дж/кг) и реализуемая мощность. Наиболее эффективным и подходящим типом накопителя энергии, в силу ряда характеристик, для реализации на железнодорожном транспорте и метрополитене можно считать накопитель емкостного типа [119, 120].
Как показывают многочисленные исследования, наиболее благоприятные места установки НЭЭ с точки зрения энергоэффективности являются тяговые подстанции, посты секционирования и электроподвижной состав (рисунок 3.5) [121–123]. Рисунок 3.5 – Места установки НЭЭ: 1–электроподвижной состав, 2 – тяговая подстанция, 3 – пост секционирования
Если размещение инверторов в системе тягового электроснабжения неразрывно связано с тяговыми подстанциями, то НЭЭ возможно размещать на объектах, непосредственно не связанных с внешней системой электроснабжения, например, на постах секционирования. Это позволяет в ряде случаев приблизить приемник энергии к местам с наибольшей частотой применения рекуперативного торможения или объемам рекуперации.
В процессе оценки эффективности НЭЭ на том или ином объекте железнодорожного транспорта необходимо решить целый ряд задача, а именно: а) определение в четном и нечетном направлениях движения с различными весовыми нормами поездов для заданных технических скоростей движения: – объема энергии рекуперативного торможения локомотива; – количества случаев применения рекуперативного торможения локомотивом; б) выявление на основе фактического распределения масс поездов рассматриваемого участка распределения единичных объемов энергии рекуперативного торможения локомотива; в) определение объема энергии рекуперативного торможения поезда в единичном случае с наибольшей вероятностью для рассматриваемого участка; г) определение энергоемкости НЭЭ для секций локомотивов; д) определение энергоемкости НЭЭ для ТПС; е) определение энергоемкости НЭЭ для ПС.
Как известно, наибольший эффект от установки накопителя электрической энергии достигается при его размещении непосредственно на самом источнике рекуперации. Для оценки величины энергоемкости НЭЭ, необходимого для установки на электроподвижном составе, необходимо провести ряд тяговых расчетов для различных масс поездов в четном и нечетном направлениях рассматриваемого участка [124, 125]. На основе сделанных расчетов можно получить значения возвращаемой в контактную сеть энергии по каждому случаю применения рекуперативного торможения (рисунки 3.6 а,б).
Экспериментальные исследования по оценке применения и использования энергии рекуперации
Задачей экспериментальных исследований, при синхронных измерениях электрических величин на ФКС и ЭПС, является возможность показать в работе использование метода по выявлению недостатков применения рекуперативного торможения и использования энергии рекуперации.
Экспериментальные исследования по оценке токов, напряжений и потоков мощности по ФКС в условиях применения рекуперативного торможения выполнены для временного интервала прохождения экспериментального полигона Кузино – Сабик – Сарга электровоза 2ЭС10 №2389 с составом массой 6286 т. Время проследования поездом данного участка в нечетном направлении – с 22 ч 38 мин до 23 ч 25 мин (Московского времени).
Графические зависимости токов, напряжений и мощности, полученные по приборам учета электроэнергии, установленным на ФКС тяговых подстанций с посекундной дискретизацией, приведены на рисунках 4.3–4.6.
Даже по графикам электрических величин, построенным по данным измерительных систем ФКС ТП, можно сделать ряд заключений о режимах работы и эффективности питания МПЗ, о перетоках мощности по ФКС ТП.
За рассматриваемый период средние значения напряжения на шинах 3,3 кВ тяговых подстанций составили: ТП Кузино – 3556 В, ТП Сабик – 3609 В, ТП Сарга – 3624 В. Максимальное значение напряжения наблюдалось на шинах 3,3 кВ тяговой подстанции Сабик (см. рисунок 4.4) и составило 3808 В. Повышение напряжения до указанного уровня обусловлено применением рекуперативного торможения электровозом 2ЭС10 и отсутствием на МПЗ источников приема энергии рекуперации (других электровозов). Минимальное значение напряжения на шинах 3,3 кВ за рассматриваемый период составило 3513 В и наблюдалось на тяговой подстанции Кузино.
При прохождении поездом МПЗ Кузино – Сабик можно выделить восемь временных интервалов в соответствии с режимами ведения поезда (рисунки 4.3, 4.4): ведение поезда в режиме тяги – временные интервалы 2 и 6; ведение поезда в режиме выбега – временные интервалы 1, 3, 5 и 7; применение рекуперативного торможения – временные интервалы 4 и 8;
Максимальное значение тока в режимах тяги и рекуперации по МПЗ составили 2918 и 926 А, соответственно. Расход электрической энергии по ФКС ТП Кузино и Сабик (с учетом возврата электроэнергии) составил 366,1 и 261,1 кВтч, соответственно. Неравномерность загрузки тяговых подстанций (kнер=1,4) обусловлена профилем пути и неравенством напряжений на смежных ТП (рисунок 4.1).
Перетоки электроэнергии по шинам 3,3 кВ тяговых подстанций Кузино и Сабик, питающих МПЗ Кузино – Сабик, за рассматриваемый период составили 232,1 кВтч (38,8 % от приема электроэнергии по ФКС) и 107,1 кВт (29,1 %) соответственно. Возврат по ТП Сабик обусловлен применением электровозом 2ЭС10 рекуперативного торможения и отсутствием на МПЗ других электровозов. Переток мощности по шинам 3,3 кВ ТП Кузино также обусловлен применением рекуперативного торможения (рисунок 4.4, период 8), а также неравенством напряжений на ТП Кузино и ТП Сабик.
При прохождении поездом МПЗ Кузино – Сабик можно выделить пять временных интервалов в соответствии с режимами ведения поезда (см. рисунки 4.5, 4.6): ведение поезда в режиме тяги – временные интервалы 1 и 5; ведение поезда в режиме выбега – временные интервалы 2 и 4; применение рекуперативного торможения – временные интервалы 3. Максимальное значение тока в режимах тяги и рекуперации по МПЗ составили 2494 и 1168 А, соответственно. Расход электрической энергии по ФКС тяговых подстанций Сабик и Сарга (с учетом возврата электроэнергии) составил 920,1 и 903,8 кВтч, соответственно. Тяговые подстанции загружены равномерно (kнер=1,02).
Перетоки электроэнергии по шинам 3,3 кВ тяговых подстанций Сабик и Сарга, питающих МПЗ Сабик – Сарга, за рассматриваемый период составили 70,3 кВтч (7,1 % от приема электроэнергии по ФКС) и 209,7 кВт (18,8 %), соответственно. Возврат по ТП Сабик и ТП Сарга обусловлен применением электровозом 2ЭС10 рекуперативного торможения и отсутствием на МПЗ других электровозов.