Статья:

Использование накопителей энергии в системах тягового электроснабжения железных дорог и метрополитенов

Журнал: Научный журнал «Студенческий форум» выпуск №5(141)

Рубрика: Технические науки

Выходные данные
Юрова О.А. Использование накопителей энергии в системах тягового электроснабжения железных дорог и метрополитенов // Студенческий форум: электрон. научн. журн. 2021. № 5(141). URL: https://nauchforum.ru/journal/stud/141/86685 (дата обращения: 02.03.2024).
Журнал опубликован
Мне нравится
на печатьскачать .pdfподелиться

Использование накопителей энергии в системах тягового электроснабжения железных дорог и метрополитенов

Юрова Ольга Андреевна
студент, Российский университет транспорта (МИИТ), РФ, г. Москва
Шевлюгин Максим Валерьевич
научный руководитель, д-р техн. наук, проф., Российский университет транспорта (МИИТ), РФ, г. Москва

 

Развитие транспортной инфраструктуры и пассажиропотоков на железных дорогах и в метрополитене требуют надежного электроснабжения электропоездов, повышения качества электрической энергии в тяговой сети и обеспечения безопасности движения поездов.

Рост интенсивности движения поездов приводит к увеличению динамики их разгона и торможения, что в свою очередь способствует росту числа экстремальных режимов в работе всего электрооборудования, а так же отрицательно сказывающегося на его ресурсе и сроке службы.

Так, например, далеко не вся энергия при электродинaмическом (рекуперaтивном) торможении поезда распределяется между остальными составами, а выделяется на его бортовых резистивных элементах в виде дополнительного тепла и оказывает существенное влияние на нагрев воздуха кaк в туннелях, так и на станциях метро. Для сравнения: при каждой остановке поезда выделяется столько же энергии, сколько необходимо для поддержания нормальной температуры в небольшой квартире зимой в течение суток. Впоследствии, необходимо дополнительно тратить энергию и нести расходы на технические средства обеспечивая необходимую вентиляцию и кондиционирование для поддержания необходимой температуры в подземной части метрополитена.

Снижение энергоемкости перевозочного процесса и повышение пропускной способности рельсового транспорта являются важнейшими задачами, комплексным решением которых является использование накопителей энергии в системе тягового электроснабжения.

В качестве основных задач, решаемых накопителями электроэнергии на транспорте, выделяют следующие [1,2,3,4,5]: обеспечение требуемого уровня напряжения при аварийном или технологическом отключении; стабилизация уровня напряжения в месте присоединения; повышение эффективности применения рекуперативного торможения; повышение энергетической эффективности перевозок и качества тягового электроснабжения железных дорог (подразумевается, что НЭ также позволит решить проблему рекуперации энергии с возвратом её, если это необходимо, в первичную энергосистему).

Существует несколько основных типов НЭ, которые возможно использовать на электрифицированной железной дороге и метрополитене:

1) сверхпроводниковые индуктивные накопители (СПИН);

2) кинетические (инерционные) (ИНЭ);

3) аккумуляторы (АБ);

4) суперконденсаторы (емкостной накопитель энергии (ЕНЭ)).

Помимо классификации НЭ по типу аккумулирующего элемента их так же подразделяют на накопители управляемого и неуправляемого типов. Накопителями энергии неуправляемого типа принято называть те НЭ, аккумулирующий элемент которых, подключается непосредственно напрямую к шинам тяговой подстанции (ТП), а режимы заряда или разряда НЭ определяются условиями циркулирующей энергии в тяговой сети [6,7]. Накопителями энергии управляемого типа принято называть те НЭ, аккумулирующий элемент которых, подключается к шинам ТП через преобразовательный агрегат, задающий режимы работы накопителя в соответствие с выбранным алгоритмом [8]. Выбор типа и функциональных возможностей НЭ определяется исходя из конкретных условий на конкретной линии метрополитена или желехнодорожных магистралей. Примеры НЭ управляемого и неуправляемого типов представлены на рисунках 1 и 2.

 

Рисунок 1. Принципиальная схема емкостного НЭ на ТП управляемого типа

 

Основные элементы НЭ, показанного на рисунке 1, это:

- батарея молекулярных конденсаторов (БК);

- преобразователь постоянного тока П (на максимальный ток рекуперации) для связи БК с шинами ТП или тяговой сетью;

- система датчиков контроля тока (ДТ1, ДТ2) и напряжения (ДН1 и ДН2) совместно с системой регулирования (СР), формирующей команды на управление работой ЕНЭ;

- быстродействующий выключатель (БВ) для физического подключения ЕНЭ и защиты его оборудования от токов короткого замыкания.

НЭ, установленный на ТП, должен выполнять следующие функции: стабилизировать напряжение как для тяговой нагрузки, подающееся в КС, так и для собственных нужд ТП и сторонних потребителей [9,10]; стабилизировать мощность, потребляемую из системы внешнего электроснабжения; обеспечивать аккумулирование электроэнергии, полученной от электроподвижного состава (ЭПС) при рекуперативном торможении; обеспечить автономное электроснабжение ЭПС при аварии в системе первичного электроснабжения при эвакуации пассажиров из тоннеля метро [14].

С точки зрения оптимального энергообмена при рекуперации НЭ необходимо располагать непосредственно на ЭПС в бортовом исполнении. В этом случае дополнительно экономятся потери энергии в тяговой сети при обеспечении межпоездного обмена, так как ЭПС, рекуперируя, отдает энергию торможения самому себе с последующим ее использованием для собственного режима тяги [13].

Систематизируя изложенную информацию, можно выявить соответствие типа накопителя решаемой проблеме, обеспечивающее ее оптимальное решение (рисунок 3).

Анализ возможных мест расположение НЭ в электроэнергетической системе рельсового транспорта в зависимости от типа и функционала показал следующее (рисунок 4 и таблица 1).

 

Рисунок 2. Принципиальная схема НЭ неуправляемого типа на основе суперконденсаторов, расположенного на тяговой подстанции Т-23 Московского метрополитена [11,12]

 

Рисунок 3. Систематизация соответствия типа накопителя электрической энергии решаемой проблеме для получения наибольших эффектов

 

Рисунок 4. Структурная схема питания железных дорог с НЭ на различных этапах

 

Таблица 1.

Анализ возможных мест расположение НЭ в электроэнергетической системе рельсового транспорта в зависимости от типа и функционала

Тип НЭ

Расположение

Функционал

Энергоемкость

ЕНЭ

ЭПС, ТП

(НЭ5, НЭ3)

Энергия рекуперации, автономный ход.

ЭПС - 6 МДж

ТП – 80 МДж

АБ

ЭПС, ТП, середина зоны

(НЭ5, НЭ4, НЭ3)

Энергия рекуперации, автономный ход, стабилизация напряжения и частично нагрузки.

ЭПС - 6 МДж

ТП – 100 МДж

ИНЭ

ТП, середина зоны

(НЭ4, НЭ3)

Энергия рекуперации, автономный ход, стабилизация напряжения и частично нагрузки.

100-200 МДж

СПИН

ТП, районные подстанции, электростанции.

(НЭ3, НЭ2, НЭ1)

Энергия рекуперации, автономный ход, стабилизация напряжения и нагрузки.

до 1010 Дж

 

В статье выявлены проблемы, которые могут эффективно решаться путём применения накопителей электрической энергии, и дана их характеристика. Проведённый анализ принципа действия и особенностей каждого из типов накопителей позволил систематизировать соответствие типа накопителя решаемой проблеме, обеспечивающее наибольший эффект от ее решения. Проведенный анализ различных накопителей энергии позволил оценить энергоемкости аккумулирующих элементов и функционал НЭ в зависимости от их размещения в различных точках электроэнергетической системы рельсового транспорта.

 

Список литературы:
1. Ребров И.А., Шевлюгин М.В., Котельников А.В., Ермоленко Д.В. В сборнике: Интеллектуальная энергетика на транспорте и в промышленности. Накопители электрической энергии в системе тягового электроснабжения железных дорoг постоянного тока. Материалы всероссийской молодежной научно-практической конференции с международным участием. 2018. С. 67-79.
2. Шевлюгин М.В. ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ НА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОМ ТРАНСПОРТЕ И МЕТРОПОЛИТЕНАХ, РЕАЛИЗУЕМЫЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ НАКОПИТЕЛЕЙ ЭНЕРГИИ автореферат дис. ... доктора технических наук / Моск. гос. ун-т путей сообщ. (МИИТ) МПС РФ. Москва, 2013.
3. Баранов Л.А., Бродский Ю.А., Гречишников В.А., Подаруев А.И., Пупынин В.Н., Шевлюгин М.В., «Оценка эффективности использования стационарных ёмкостных накопителей энергии в метрополитене на основе экспериментальных замеров показателей работы системы тягового электроснабжения» // Электротехника. 2010. № 1. С. 62-65. 
4. Шевлюгин М.В. Повышение энергетических показателей работы системы тягового электроснабжения железных дорог с помощью накопителей энергии // Наука и техника транспорта. 2007. № 1. С. 68-73. 
5. Шевлюгин М.В. «Совершенствование системы тягового электроснабжения с помощью накопителей энергии» // Соискатель - приложение к журналу Мир транспорта. 2007. Т. 04. № 1. С. 35-38.
6. Шевлюгин М.В., Голицына А.Е., Стадников А.Н. Опытная эксплуатация накопителей энергии неуправляемого типа на тяговых подстанциях московского метрополитена. Электропитание. 2019. № 4. С. 51-60.
7. Гречишников В.А., Шевлюгин М.В. Теоретическое обоснование эффективности использования накопителей энергии неуправляемого типа в системе тягового электроснабжения метрополитена // Электроника и электрооборудование транспорта. 2013. № 5. С. 17-19. 
8. Гречишников В.А., Подаруев А.И., Шевлюгин М.В., «Преобразовательный агрегат ёмкостного накопителя энергии для системы тягового электроснабжения метрополитена», Электротехника. 2011. № 5. С. 17-22. 
9. Шевлюгин М.В., Голицына А.Е., Белов М.Н., Плетнев Д.С. Повышение надежности электроснабжения собственных нужд тяговых подстанций метрополитена с помощью накопителей энергии. Электротехника. 2020. № 9. С. 26-31.
10. Шевлюгин М.В., Стадников А.Н., Юдин А.С. О применении накопителей энергии в системе электроснабжения мегаполиса на примере Москвы. Электропитание. 2020. № 1. С. 7-31.
11. Гречишников В.А., Шевлюгин М.В. Эксплуатация накопителя энергии на метрополитене // Мир транспорта. 2013. Т. 11. № 5 (49). С. 54-58. 
12. Гаев, Д.В. Внедрение энергосберегающих технологий / Д.В. Гаев, А.В. Ершов, Л.А. Баранов, В.А. Гречишников, М.В. Шевлюгин // Мир транспорта. - 2010. - №3. - с.3-7.
13. Шевлюгин М.В. ЕНЭ на борту метропоезда. Мир транспорта. 2007. Т. 5. № 1 (17). С. 46-49. 
14. Шевлюгин М.В., Ермоленко Д.В., Стадников А.Н., Голицына А.Е. Опыт пуска электроподвижного состава при помощи "накопительных" тяговых подстанций на Московском метрополитене. Электротехника. 2017. № 11. С. 75-80.