Введение к работе
Актуальность темы. Широкомасштабное использование энерго- и ресурсосберегающих технологий и устройств является составной частью энергетической стратегии России до 2020 г. и государственной политики, направленной на устойчивое развитие хозяйственного комплекса нашей страны. В «Энергетической стратегии ОАО «РЖД» на период до 2010 года и перспективу до 2020 года» (утверждена распоряжением ОАО «РЖД» от 11.02.2008 г. № 269р) отмечено, что «Электрифицированные железные дороги испытывают потребность в мощных накопителях электроэнергии для устойчивой реализации режимов рекуперации энергии подвижным составом, сглаживания суточной неравномерности потребления энергии, что, в конечном итоге, связано с экономией энергии на тягу поездов от 10-12 % (грузовое движение) до 15-30 % (пригородное движение)». Одной из приоритетных задач железнодорожного транспорта в вопросах энергосбережения согласно «Стратегическим направлениям научно-технического развития ОАО «РЖД» на период до 2015 г.» (утверждены Президентом ОАО «РЖД» 31.08.2007 № 964) является «широкое использование энергоемких накопителей энергии в основных технологических процессах энергопотребления и генерации энергии», а также «использование достижений в области сверхпроводимости».
В полной мере эти задачи могут быть реализованы путем разработки и создания сверхпроводниковых индуктивных накопителей энергии (СПИН), в которых сосредоточены новейшие достижения физики, химии, материаловедения, электротехники и преобразовательной техники. По сравнению с большинством других типов накопителей энергии, принципиально пригодных для эксплуатации в настоящее время, СПИН обладает целым рядом преимуществ. Использование СПИН в транспортных системах электроснабжения (как стационарных, так и автономных) уже в обозримом будущем позволит повысить надёжность и эффективность их работы, улучшить качество электроэнергии, приблизить режимы работы энергосистем к установившимся (за счёт демпфирования пиков и провалов энергопотребления), снизить потери электроэнергии.
Работы по СПИН ведутся практически во всех развитых странах мира, где особое внимание уделяется их использованию для бесперебойного электроснабжения ответственных объектов. В мировой практике существуют проекты использования СПИН как в составе электрических передач мощности автономных локомотивов, так и на подстанциях систем тягового электроснабжения железных дорог.
Для реализации этих масштабных проектов требуется решить ряд задач, в числе которых находится создание методологии синтеза систем электроснабжения со СПИН транспортного назначения и обоснование эффективных сфер их применения.
Возросшее количество проектов по использованию СПИН в системах энергоснабжения подтверждает актуальность данного исследования.
Цель работы состоит в научном обосновании путей повышения эффективности работы энергоустановок железнодорожного транспорта за счёт расширения области применения СПИН транспортного назначения, определении технологических процессов для использования СПИН, разработке метода расчета требуемой энергоёмкости накопителя, совершенствовании конструкции сверхпроводниковых (СП) магнитов, разработке алгоритмов функционирования и схемных решений.
Для достижения указанной цели в работе поставлены и решены следующие основные задачи:
- выполнен аналитический обзор научно-технических достижений в области создания и использования накопителей энергии на транспорте;
- определены направления наиболее актуальных теоретических и экспериментальных исследований СПИН транспортного назначения;
- составлены математические модели электроэнергетических установок, содержащих в своём составе СПИН;
- разработаны методики определения необходимой энергоёмкости СПИН;
- разработаны схемы электрического сопряжения СПИН с существующими на железнодорожном транспорте электроэнергетическими установками;
- разработаны технические решения в части конструкции СПИН транспортного назначения;
- оценена достоверность теоретических положений при помощи математического и физического моделирования;
- созданы методики синтеза электроэнергетических установок, содержащих в своём составе СПИН, отвечающих нуждам железнодорожного транспорта;
- определена технико-экономическая эффективность использования СПИН в технологических процессах железнодорожного транспорта;
- изготовлен и внедрен экспериментальный образец СПИН.
Методы исследования. Теоретические исследования выполнены с использованием математических методов (интегральное и дифференциальное исчисление, математическая статистика), теории электротехники, теории автоматического управления, методов анализа и синтеза с использованием структурных схем, метода передаточных функций, методов экономического анализа, экспертных методов. Экспериментальные исследования проводились на физических моделях, а также в виде компьютерного моделирования и вариантных расчетов (при поддержке их математической средой Mathcad).
Научная новизна работы заключается в:
- методиках определения необходимой энергоёмкости СПИН, основанной на анализе режимов работы тепловоза или тяговой подстанции;
- создании новых схем электрического сопряжения СПИН с существующими на железнодорожном транспорте электроэнергетическими установками;
- разработке технических решений по конструкции СПИН транспортного назначения;
- создании математических моделей электроэнергетических установок, содержащих в своём составе СПИН;
- результатах натурных экспериментальных исследований физических моделей электроэнергетических установок со СПИН транспортного назначения.
Практическая ценность работы. Применение разработанных схем по сопряжению СПИН с электроэнергетическими системами в сочетании с решениями по их конструкции позволит добиться сокращения расходов железнодорожного транспорта на электроэнергию, повысить надёжность и качество электроснабжения. Например, расчетный годовой экономический эффект (в ценах 2007 года) от применения СПИН на тяговых подстанциях переменного тока составляет 4,643 млн. руб.
Теоретические и практические результаты диссертационной работы использованы в ОАО «РЖД» при разработке технических предложений и требований к СПИН бортового и стационарного исполнения, при изготовлении и в ходе испытаний макетного и экспериментального образцов СПИН транспортного назначения для систем автономного (СПИН-тепловоз) и стационарного (подстанция) тягового электроснабжения, при разработке и внедрении аванпроекта СПИН в системах электроснабжения потребителей ОАО «РЖД», а также в учебном процессе РГУПС.
Достоверность полученных результатов работы подтверждается корректностью использования математического аппарата; удовлетворительным совпадением расчётных и экспериментальных характеристик, полученных при математическом и физическом моделировании, для проверки полученных теоретических положений.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации доложены и обсуждены на: Технико-экономическом совете Главного управления локомотивного хозяйства МПС России 27.05.1993г.; заседаниях топливно-теплотехнической секции Научно-технического совета МПС России от 22.04.1994г. и от 31.05.2000г. (протокол № 6); 59-й вузовской научно-теоретической конференции профессорско-преподавательского состава «Транспорт-2000» (апрель 2000 г., РГУПС, г. Ростов-на-Дону); Четвёртом международном симпозиуме «Электрификация и организация скоростных и тяжеловесных коридоров на железнодорожном транспорте» (25 октября 2007 г., ПГУПС, г. Санкт-Петербург); Первой международной конференции «Ресурсосберегающие технологии на железнодорожном транспорте» (2-3 апреля 2008 г., Экспериментальное кольцо ОАО «РЖД», г. Щербинка); Пятой Международной научно-практической конференции «Автоматика и телемеханика на железнодорожном транспорте» (13-15 октября 2010 г., г. Ростов-на-Дону); совместном заседании кафедр «Автоматизированные системы электроснабжения», «Локомотивы и локомотивное хозяйство» и «Электрический подвижной состав» РГУПС.
Публикации. По результатам выполненных исследований и материалам диссертации опубликовано 13 печатных работ, в том числе 5 статей в журналах, рекомендованных ВАК, 3 патента.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников и приложений.
