ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ СИСТЕМ НАКОПЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ НА МОСКОВСКОМ ЦЕНТРАЛЬНОМ КОЛЬЦЕ

УДК 621.311

Перспективы применения систем накопления электроэнергии на Московском центральном кольце

В. Т. Черемисин, В. Л. Незевак

Омский государственный университет путей сообщения, Российская Федерация, 644046, Омск, пр. К. Маркса, 35

Для цитирования: Черемисин В. Т., Незевак В. Л. Перспективы применения систем накопления электроэнергии на Московском центральном кольце // Бюллетень результатов научных исследований. - 2020. - Вып. 2. - С. 33-44. DOI: 10.20295/2223-9987-2020-2-33-44

Аннотация

Цель: Оценка эффективности работы перспективных систем накопления электроэнергии в системе тягового электроснабжения Московского центрального кольца. Методы: Используется имитационное моделирование взаимодействия городского электроподвижного состава и системы тягового электроснабжения Московского центрального кольца с накопителями электроэнергии. Моделирование выполнено с учетом частоты смены режимов работы электроподвижного состава, в том числе рекуперативного торможения, оказывающего влияние на энергетические показатели систем накопления электроэнергии. Результаты: Получены характеристика работы систем накопления электроэнергии, оценка уровня напряжения на шинах постов секционирования, продолжительность эпизодов работы в режимах заряда и разряда, их количество и соответствующие суммарные объемы электроэнергии за сутки. Практическая значимость: Результаты расчетов позволяют оценить перспективы применения систем накопления электроэнергии в условиях работы Московского центрального кольца.

Ключевые слова: Система тягового электроснабжения, Московское центральное кольцо, график электрической нагрузки, системы накопления электроэнергии, пост секционирования, имитационное моделирование, эпизоды работы, уровень напряжения, степень заряженности, глубина разряда, энергоемкость.

Развитие технологий накопления электроэнергии позволяет решать комплекс задач по повышению эффективности работы систем электроснабжения различного назначения, в том числе на транспорте. Современные технологии позволяют использовать системы накопления электроэнергии в тяговой энергетике железнодорожного транспорта с учетом особенностей его работы. Актуальной является проблематика, связанная с решением задач по согласованию работы накопителя электроэнергии с системой тягового электроснабжения железной дороги, настройки устройства, расчета нормальных и аварийных режимов, оценки потенциальной эффективности применения и др. Для решения указанных задач необходимо рассмотреть условия работы систем накопления электроэнергии и получить

оценку их эффективности в условиях действующего участка железной дороги, в частности Московского центрального кольца (МЦК).

Компактное расположение, малая протяженность и замкнутость системы тягового электроснабжения МЦК в условиях интенсивного движения электропоездов характеризует ее как уникальный полигон, позволяющий тестировать в условиях эксплуатации новое оборудование и технологии. Некоторые технологии уже успешно применяются на МЦК, например, в области организации движения поездов, безопасности, тяги и инфраструктуры [1, 2]. На тяговых подстанциях МЦК используется современное силовое и коммутационное оборудование. Система тягового электроснабжения МЦК включает в себя пять тяговых подстанций и четыре поста секционирования, расположенные на двухпутном кольцевом участке железной дороги. В пассажирском городском движении эксплуатируются электропоезда серии ЭС2Г «Ласточка» (Siemens Desiro Rus). График электрической нагрузки тяговых подстанций имеет две области максимальных значений, соответствующих пикам пассажирских перевозок.

Эксплуатация электропоездов показывает высокий уровень возврата электроэнергии при применении рекуперативного торможения, достигающий в отдельных случаях до 50 % от тягового электропотребления. Фиксация токов и напряжений электропоездов с помощью регистраторов параметров движения «РПД МПСУ и Д» позволяет определить рабочие диапазоны тяговых токов и напряжений на токоприемниках электроподвижного состава за сутки. График электротяговой нагрузки электроподвижного состава в координатах ток-напряжение (рис. 1) отличается от аналогичных графиков, полученных для участков железных дорог с преобладанием грузового движения. Усредненный коэффициент наклона данной характеристики для условий МЦК составляет -0,17, для участков с равнинным и горным типами профиля - -0,068 и -0,14 соответственно для серий 2ЭС6 и 2ЭС10 [3], при этом диапазоны изменения напряжения на токоприемниках электропоездов МЦК шире в режиме как тяги (от 2900 до 3800 В), так и рекуперативного торможения (от 3100 до 3900 В). Указанные различия связаны с условиями организации движения на рассмотренных участках [4]. Изменение тяговой нагрузки и напряжения на токоприемниках одного из электропоездов за период его обращения по кольцу МЦК проиллюстрировано на рис. 2.

Наиболее эффективными местами расположения систем накопления накопителей электроэнергии являются линейные устройства системы тягового электроснабжения (посты секционирования или пункты параллельного соединения). Указанное обстоятельство обусловлено одновременным сокращением потерь электроэнергии в системе тягового электроснабжения

I

00 о о

I

ON О

о

ъ

К о

to р

е*

s «

á м о öd О Sc

И

Щ

V!

w «

S

(J Й

о «

H

о а о го

U3 fa Р

Я

5:43:55.65

5:45:47.65

5:48:11.40

5:50:03.00

5:52:16.30

5:54:17.20

5:56:32.55

5:58:49.05

6:02:00.70

6:04:48.70

6:07:48.90

6:11:09.40

6:13:10.40

6:16:18.40

6:19:31.20

6:21:45.65

6:23:37.65

6:25:31.40

6:27:22.95

6:29:53.25

6:32:16.45

6:34:18.70

6:36:20.00

6:38:48.45

6:41:03.15

6:44:11.65

6:46:31.35

6:48:50.50

6:50:46.50

6:53:15.70

6:55:36.90

6:58:13.10

7:00:20.20

7:02:17.70

7:04:29.15

7:06:58.20

to и» о о

и>

и повышением пропускной и провозной способностей на межподстанцион-ной зоне. Преобразование пассивных постов секционирования в активные путем размещения на них накопителей электроэнергии позволяет получить ряд положительных эффектов в системе тягового электроснабжения [5-10].

Эффективность применения систем накопления электроэнергии для условий МЦК определена на основе результатов имитационного моделирования работы системы тягового электроснабжения, полученных с использованием программного комплекса «Кортэс». Исходными данными для моделирования приняты условия эксплуатации электропоездов и параметры системы тягового электроснабжения. Фрагмент схемы системы тягового электроснабжения приведен на рис. 3. Графики электрической нагрузки силового оборудования и изменения напряжения построены на основе мгновенных схем расчета.

Рис. 3. Фрагмент схемы системы тягового электроснабжения МЦК с накопителем электроэнергии

Оценка условий работы накопителя электроэнергии в системе тягового электроснабжения МЦК позволяет получить показатели по объему и продолжительности режимов заряда и разряда. Применительно к условиям

работы накопителя на посту секционирования ПСК 270 МЦК частотные гистограммы для объемов электроэнергии и продолжительности эпизодов работы в режиме разряда и заряда приведены на рис. 4, I и II соответственно. Среднее количество эпизодов работы в режиме заряда и разряда накопителей электроэнергии для условий работы на постах секционирования для режима разряда составляет 542 эпизода, для режима заряда - 404 эпизода.

а

б

10 20 30 40 50 60 70 80

Объем энергии в режиме разряда, кВтч

а

К Й 20

II

0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5

Продолжительность эпизода разряда, мин

б

¡5 10

о

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Объем энергии в режиме заряда, кВтч

250 200 150 100 50 0

0,5 1,0 1,5 2,0

Продолжительность эпизода заряда, мин

50

60

50

40

40

30

30

20

10

10

0

0

90

100

0

0,0

5,0

60

450

400

50

5 350

40

300

30

20

0

0,0

2,5

Рис. 4. Частотная гистограмма распределения объема электроэнергии (I, а; II, а) и продолжительности эпизода (I, б; II, б) в режиме разряда и заряда соответственно для условий работы на ПСК 270

Для заданных условий работы системы накопления получено, что продолжительность эпизодов работы для режимов работы не превышает 5 мин, например для ПСК 270 - не более 2 мин, а объем электроэнергии -

не выше 50 кВт  ч для эпизода. В общем случае продолжительность работы систем накопления в режимах заряда и разряда характеризуется кратковременностью и большим количеством повторений в течение суток.

К необходимым условиям оценки работы накопителей в системе тягового электроснабжения относятся степень заряженности и глубина разряда накопителей электроэнергии. Показатели работы систем накопления электроэнергии зависят от начального напряжения, внутреннего сопротивления, токов заряда и разряда, количества электричества и энергоемкости. При определении степени заряженности используются уравнения Шефер-да, Хаскиной-Даниленко и др. Одним из простых способов оценки степени заряженности является способ, основанный на счетчике А  ч, количестве электричества или счетчике Вт  ч для режимов заряда и разряда.

Построение графика изменения кумулятивного объема энергии дает возможность получить требуемый уровень полезной энергоемкости ЖНЭЭ как разницу между максимальным Жмакс и минимальным кумулятивным значением Жмин за сутки. Указанный объем ЖНЭЭ при допущении о том, что коэффициент полезного действия системы накопления равен единице, позволяет оценить степень заряженности накопителя на к-м шаге расчетов по следующей формуле:

Iк

Е ик  ч

БоСк = ^--100,

^НЭЭ

где ик, 1к - значения напряжения и тока для к-го интервала времени; А/к -шаг времени.

По результатам имитационного моделирования для наиболее тяжелых условий работы системы накопления - напряжение включения на разряд равно напряжению холостого хода, внешняя характеристика является «жесткой» - максимальная энергоемкость для условий работы на постах секционирования находится в диапазоне 950-1300 кВт  ч. Для рассмотренного поста секционирования ПСК 270 максимальная полезная энергоемкость ЖНЭЭ составляет 1185 кВт  ч. График изменения степени заряженности системы накопления, построенный при условии равенства начальной степени заряженности БоС0 = 50 % (глубине разряда 95 %), приведен на рис. 5, а. При введении ограничений на полезную энергоемкость в размере 500 кВт  ч степень заряженности 8оС не изменяет цикличность в течение рассматриваемых суток (рис. 5, б). Суммарный объем электроэнергии за сутки в режиме разряда при ограничении энергоемкости падает с 7054 до 5920 кВт  ч, т. е. на 16,1 %, в режиме заряда - с 7166 до 6168 кВт  ч, т. е. на 13,9 %. При дальнейшем ограничении энергоемкости, например до 300 и 200 кВт  ч, наблюдается снижение объемов электроэнергии для режима

разряда, для рассматриваемых вариантов - на 22,2 и 24,9 % соответственно, режима заряда - на 21,6 и 24,7 % соответственно.

а

б

t, мин

Рис. 5. Изменения 8оС для накопителя на ПСК 270: а - без ограничений на энергоемкость, б - с ограничением 500 кВт • ч

Размещение накопителей электроэнергии на постах секционирования позволяет улучшить показатели нагрузочной способности системы тягового электроснабжения и повысить энергетическую эффективность перевозочного процесса. Рассмотрим результаты расчета показателей нагрузочной способности для двух вариантов - с системой накопления электроэнергии или без нее (базовый).

К основным показателям нагрузочной способности относятся коэффициент нагрузки выпрямителей тяговых подстанций и минимальный уровень напряжения на токоприемнике электроподвижного состава.

Коэффициент нагрузки выпрямителей (о.е.) вычисляется следующим образом:

к

I

л

н. в t

УI  к

/—( Б ном доп в t

здесь 1л - наибольшее среднее значение тока за период t, А; 1в ном - номинальный ток выпрямительных агрегатов, определяемый по количеству включенных под нагрузку агрегатов, А; кдоп в г - коэффициент допустимой нагрузки (для интервалов усреднения 0,25 мин - 1,9; 2 мин - 1,5; 15 мин -1,25; 30 мин и более - 1,0).

Изменение коэффициента нагрузки выпрямителей тяговых подстанций (%) определяется по формуле

7 баз _ Т^вар

мн в, = н. в г - н. в г -100,

н.в I 7 баз '

кн. в г

где кнбавзг, - коэффициенты загрузки выпрямителей тяговых подстанций при периоде усреднения г для базового и рассматриваемого варианта соответственно.

По результатам расчетов для вариантов применения систем накопления электроэнергии наибольшее снижение коэффициента нагрузки выпрямителей наблюдается на тяговых подстанциях станций Покровско-Стреш-нево и Андроновка МЦК - на 25 и 35 % соответственно.

Характерным условием работы систем накопления электроэнергии является недостаточность объемов рекуперации - в графике степени заря-женности преобладает режим разряда. Для указанных случаев необходимо выполнять заряд систем накопления электроэнергии от контактной сети в диапазоне напряжения, близком к напряжению холостого хода тяговых подстанций.

Сравнение вариантов по величине минимального и одноминутного напряжения показывает, что для варианта применения накопителей электроэнергии минимальное напряжение на токоприемнике электроподвижного состава наблюдается выше в среднем на 1,5 % относительного базового варианта.

Возможна реализация нескольких вариантов размещения систем накопления электроэнергии в системе МЦК. Применительно к критерию энергетической эффективности лучшим является вариант, соответствующий размещению систем на тяговой подстанции ст. Андроновка и постах секционирования ПСК 270 и ПСК Черкизово, ограничивающих подстанцию с обеих сторон. В этом случае потенциальная экономия электроэнергии за сутки для пассажирского движения - около 24,6 тыс. кВт • ч, уровень потерь электроэнергии - 3,4 %. Альтернативным вариантом является размещение накопителей электроэнергии на указанных постах секционирования - потенциал экономии электроэнергии для данного варианта составляет 24,6 тыс. кВт • ч в сутки, уровень потерь электроэнергии - 3,6 %.

Таким образом, по результатам имитационного моделирования и расчетам для системы тягового электроснабжения МЦК можно сделать следующие выводы о потенциальной эффективности применения накопителей электроэнергии.

Объемы энергии, реализуемые накопителями электроэнергии на постах секционирования МЦК по эпизодам работы для режимов заряда и разряда, не превышают 50 кВт • ч. Продолжительность эпизодов работы в режимах заряда и разряда - не более 3,0 мин, количество эпизодов составляет 600 случаев в сутки. Указанные условия позволяют обеспечить под-

держание степени заряженности путем чередования коротких циклов разряд-заряд.

График степени заряженности накопителей электроэнергии на постах секционирования МЦК характеризуется цикличностью работы - имеет два цикла в сутки. Полезная энергоемкость для накопителей электроэнергии оценивается в диапазоне 950-1300 кВт  ч. Для двух постов секционирования (ПСК 445 и ПСК-1) в графике заряженности преобладает разряд. Сокращение полезной энергоемкости накопителей до 200-300 кВт  ч приводит к потере объема энергии при рекуперативном торможении на величину около 30 %.

Эффект применения накопителей электроэнергии на постах секционирования МЦК заключается в снижении коэффициента нагрузки выпрямителей на тяговых подстанциях в среднем на 28,6 % и увеличении минимального напряжения на 1,5 %. По критерию энергетической эффективности применение систем накопления электроэнергии позволяет повысить уровень энергетической эффективности на 13,3 %.

Библиографический список

1. Розенберг Е. Н. Московское центральное кольцо: инновационные решения / Е. Н. Розенберг // Вестн. Ин-та проблем естественных монополий. Техника железных дорог. - 2016. - Вып. 4 (36). - С. 42-45.

2. Агафонов Е. В. Новые технические средства ЖАТ на МЦК / Е. В. Агафонов // Автоматика, связь, информатика. - 2017. - Вып. 2. - С. 12-14.

3. Незевак В. Л. Характеристика тяговой нагрузки для определения параметров накопителя электрической энергии / В. Л. Незевак, А. П. Шатохин // Мир транспорта. -

2018. - Т. 16. - № 2(75). - С. 84-94.

4. Незевак В. Л. Совершенствование модели влияния параметров графика движения поездов на тяговое электропотребление на участках постоянного и переменного тока c I и II типом профиля пути при помощи регрессионных моделей и нейронных сетей / В. Л. Незевак // Вестн. транспорта Поволжья. - 2017. - № 6 (66). - С. 34-44.

5. Zhao W. Energy transfer and utilization efficiency of regenerative braking with hybrid energy storage system / W. Zhao, G. Wu, C. Wanga et all. // Journal of Power Sources. -

2019. - N 427. - P. 174-183.

6. Титова Т. С. Повышение энергетической эффективности локомотивов с накопителями энергии / Т. С. Титова, А. М. Евстафьев // Изв. Петерб. ун-та путей сообщения. - СПб.: ПГУПС, 2017. - Т. 14. - Вып. 2. - С. 200-210.

7. Вильгельм А. С. Пути повышения энергоэффективности на малом кольце Московской железной дороги с использованием инверторов / А. С. Вильгельм, В. Л. Незевак, В. Т. Черемисин // Транспорт Урала. - 2014. - № 3 (42). - С. 90-94.

8. Черемисин В. Т. Повышение энергетической эффективности системы тягового электроснабжения в условиях работы постов секционирования с накопителями электрической энергии / В. Т. Черемисин, В. Л. Незевак, А. П. Шатохин // Изв. Томск. поли-техн. ун-та. Инжиниринг георесурсов. - 2015. - Т. 326. - № 10. - С. 54-64.

9. Комяков А. А. Оценка эффективности параллельной работы выпрямительных преобразователей тяговых подстанций на основе данных измерительных систем / А. А. Комяков, В. В. Эрбес, В. Л. Незевак // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. - 2015. - № 2 (46). - С. 137-143.

10. Черемисин В. Т. Результаты оценки режимов работы активных и пассивных постов секционирования в системе тягового электроснабжения с целью выбора параметров накопителей электроэнергии / В. Т. Черемисин, В. Л. Незевак, В. В. Эрбес // Изв. Транссиба. - 2017. - № 3(31). - С. 132-143.

Дата поступления: 25.02.2020 Решение о публикации: 04.03.2020

Контактная информация:

ЧЕРЕМИСИН Василий Титович - д-р техн. наук, профессор; CheremisinVT@gmail.com НЕЗЕВАК Владислав Леонидович - канд. техн. наук, ст. науч. сотрудник, доцент; NezevakWL@mail.ru

Prospects for the use of electricity accumulation systems at the Moscow Central Circle

V. T. Cheremisin, V. L. Nezevak

Omsk State Transport University, 35, Karla Marksa pr., Omsk, 644046, Russian Federation

For citation: Cheremisin V. T., Nezevak V. L. Prospects for the use of electricity accumulation systems at the Moscow Central Circle. Bulletin of scientific research results, 2020, iss. 2, pp. 33-44. (In Russian) DOI: 10.20295/2223-9987-2020-2-33-44

Summary

Objective: To evaluate the effectiveness of promising electricity accumulation systems in the traction power supply system of the Moscow Central Circle. Methods: Simulation of the interaction of urban electric rolling stock and the traction power supply system of the Moscow Central Circle with energy accumulation devices. The simulation was performed taking into account the frequency of changing the operating modes of the electric rolling stock, including regenerative braking, which affects the energy performance of the electricity accumulation systems. Results: The study has determined the operation characteristics of the electricity accumulation systems, the voltage level on the section switch box busbars, the duration of charge and discharge operation episodes, their number, and the corresponding total electricity volumes per day. Practical importance: The calculation results allow evaluating the prospects for the use of electricity accumulation systems in the Moscow Central Circle operation.

Keywords: Traction power supply system, Moscow Central Circle, electrical load schedule, electricity accumulation systems, section switch box, simulation, operation episodes, voltage level, charge level, depth of discharge, energy capacity.

References

1. Rozenberg E. N. Moskovskoye tsentral'noye kol'tso: innovatsionnye resheniya [Moscow Central Circle: innovative solutions]. Bulletin of the Institute of Natural Monopolies Research. Railway Equipment, 2016, iss. 4

2. Agafonov E. V. Novye tekhnicheskiye sredstva ZHAT na MTsK [New railroad automation and telemechanics at the MCC]. Avtomatika, svyaz', informatika [Automation, communication, computer science], 2017, iss. 2, pp. 12-14.

3. Nezevak V. L. & Shatokhin A. P. Kharakteristika tyagovoy nagruzki dlya opredele-niya parametrov nakopitelya elektricheskoy energii [Features of the traction load for determining the parameters of the electric energy storage device]. Mir transporta [World of Transport and Transportation], 2018, vol. 16, no. 2

4. Nezevak V. L. Sovershenstvovaniye modeli vliyaniya parametrov grafika dvizheniya poyezdov na tyagovoye elektropotrebleniye na uchastkakh postoyannogo i peremennogo toka c I i II tipom profilya puti pri pomoshchi regressionnykh modeley i neyronnykh setey [Improving the model of the train traffic schedule parameters influence on traction power consumption in sections of direct and alternating current with track profile I and II using regression models and neural networks]. Vestnik transporta Povolzh'ya [Transport Bulletin of the Volga region], 2017, no. 6

5. Zhao W., Wu G., Wanga C. et all. Energy transfer and utilization efficiency of regenerative braking with hybrid energy storage system. Journal of Power Sources, 2019, no. 427, pp. 174-183.

6. Titova T. S. & Evstafyev A. M. Povysheniye energeticheskoy effektivnosti loko-motivov s nakopitelyami energii [Improving the energy efficiency of locomotives with energy accumulation devices]. Proceedings of Petersburg Transport University. Saint Petersburg, PGUPS Publ., 2017, vol. 14, iss. 2, pp. 200-210.

7. Vil'gel'm A. S., Nezevak V. L. & Cheremisin V. T. Puti povysheniya energoeffek-tivnosti na malom kol'tse Moskovskoy zheleznoy dorogi s ispol'zovaniyem invertorov [Ways to improve energy efficiency on the Small Ring of Moscow Railway with the help of inverters]. Transport Urala [Transport of the Urals], 2014, no. 3

8. Cheremisin V. T., Nezevak V. L. & Shatokhin A. P. Povysheniye energeticheskoy effektivnosti sistemy tyagovogo elektrosnabzheniya v usloviyakh raboty postov sektsion-irovaniya s nakopitelyami elektricheskoy energii [Increase of energy efficiency of electric traction system in operating condition of sectioning posts with electric energy storage units]. Izvestia Tomskogo Polytekhnicheskogo Universiteta. Engeniring georesursov [Bulletin of the Tomsk Polytechnic University. Geoassets Engineering], 2015, vol. 326, no. 10, pp. 54-64.

9. Komyakov A. A., Erbes V. V. & Nezevak V. L. Otsenka effektivnosti parallel'noy raboty vypryamitel'nykh preobrazovateley tyagovykh podstantsiy na osnove dannykh iz-meritel'nykh sistem [Evaluation of the efficiency of parallel operation of traction substation rectifier converters based on the measuring systems data]. Sovremennye tekhnologii. Sis-temnyi analiz. Modelirovaniye [Modern Technologies. System Analysis. Modeling], 2015, no. 2

10. Cheremisin V. T., Nezevak V. L. & Erbes V. V. Rezul'taty otsenki rezhimov raboty aktivnykh i passivnykh postov sektsionirovaniya v sisteme tyagovogo elektrosnabzheniya s tsel'yu vybora parametrov nakopiteley elektroenergii [Results of evaluating the operating

modes of active and passive section switch boxes in the traction power supply system with the aim of choosing the parameters of energy accumulation devices]. Izvestiya Transsiba [,Journal of Transsib Railway Studies], 2017, no. 3

Received: February 25, 2020 Accepted: March 04, 2020

Author's information:

Vasily T. CHEREMISIN - Dr. Sci. in Engineering, Professor; CheremisinVT@gmail.com Vladislav L. NEZEVAK - PhD in Engineering, Senior Researcher, Associate Professor; NezevakWL@mail.ru