Перспективы применения накопителей электрической энергии в системе тягового электроснабжения постоянного тока

УДК 621.3.024

В. Л. Незевак, В. Т. Черемисин

Омский государственный университет путей сообщения

ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ НАКОПИТЕЛЕЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ В СИСТЕМЕ ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Расширение сферы применения накопителей электрической энергии в электроэнергетике и на транспорте обусловливает проработку возможности использования данных устройств и на железнодорожном транспорте. Представляется перспективным применение накопителей электрической энергии в системе тягового электроснабжения постоянного тока для повышения эффективности рекуперативного торможения. На примере одного из участков железной дороги сравниваются варианты повышения энергетической эффективности.

накопитель электроэнергии, системы тягового электроснабжения.

В последнее время наблюдается все большее расширение сферы применения накопителей электрической энергии (НЭЭ): автомобильный транспорт; электрический транспорт городов, включая метро; системы резервирования в электроэнергетических системах; системы электроснабжения нетрадиционной энергетики; пригородный транспорт и др. Сегодня НЭЭ применяются на железнодорожном транспорте в качестве традиционных аккумуляторных батарей для резервирования маломощных потребителей особой группы первой категории (аккумуляторные батареи постов ЭЦ, тяговых подстанций и др.). В системах тягового электроснабжения (СТЭ), а также нетяговой энергетики на отечественном железнодорожном транспорте НЭЭ не получили распространения.

В настоящее время одним из направлений повышения эффективности применения рекуперативного торможения и поддержания напряжения в контактной сети является применение выпрямительно-инверторных преобразователей (ВИП) или поглощающих устройств (ПУ) на резистивных элементах. Первые позволяют преобразовать энергию рекуперации в энергию переменного тока, при этом около 90-95 % данной энергии распределяется на шинах 6 (10) кВ. Вторые поглощают энергию рекуперации на шинах 3,3 кВ. Если применение ВИП сопряжено с повышением уровня потерь в преобразовательном и понижающем трансформаторах подстанции и с отсутствием возможности сглаживания графика электрической нагрузки на шинах 3,3 кВ подстанции,

76

то применение НЭЭ позволяет избежать указанных недостатков при установке на тяговых подстанциях или на электроподвижном составе (ЭПС).

Применение рекуперативного торможения связано с целым рядом преимуществ перед механическим, а также реостатным торможением, заключающихся в возврате электрической энергии в контактную сеть [1]. Возврат электрической энергии позволяет снизить энергоемкость перевозок, определяемую по уровню электропотребления тяговых подстанций. Уровень энергии рекуперации в 2010 г. на сети железных дорог России превысил объем 1 млрд кВт-ч [2]. Появление в последнее время в сфере транспорта и электроэнергетики НЭЭ позволяет рассмотреть возможность применения НЭЭ на участках постоянного тока с применением рекуперативного торможения. Одним из потенциальных преимуществ НЭЭ перед ВИП и ПУ является возврат ранее принятой энергии рекуперации в контактную сеть. Возврат электроэнергии в данном случае позволяет не только сократить потери электроэнергии в трансформаторах и элементах подстанций, но и исключить необходимость сальдированных расчетов с энергоснабжающими организациями, связанных с возвратом энергии рекуперации с неопределенным статусом в первичную сеть [3].

Графики тяговой нагрузки поезда в своем роде уникальны, но характеризуются целым рядом схожих интегральных показателей, например, таких: расход электрической энергии за поездку; техническая скорость; энергия рекуперативного торможения; коэффициенты графика тяговой нагрузки и др. При сравнении графиков по значениям коэффициентов заполнения и коэффициентов неравномерности можно получить сопоставимые значения для графика тяговой нагрузки подстанции и графика нагрузки поезда. Определение значений коэффициентов неравномерности с учетом применения рекуперативного торможения приводит к получению отрицательных значений и характеризует, в отличие от классического случая, не столько график потребляемой нагрузки, сколько график генерации при применении рекуперативного торможения поездом (поездами применительно к шинам тяговой подстанции). В качестве примера можно привести значения для одной из тяговых подстанций (ТПС) № 1 Свердловской железной дороги (рис. 1) и результаты тяговых расчетов в четном и нечетном направлениях для электровоза ВЛ10 с поездом m = 4000 т (рис. 2). Сравнение коэффициентов заполнения графика подстанции (для средних суток) и электровоза (для средней поездки) показывает, что для обоих случаев значения находятся в диапазоне (0,20-0,25), при этом коэффициент неравномерности для обоих случаев равен или близок к нулевому значению. С учетом рекуперативного торможения коэффициент неравномерности принимает отрицательные значения и определяется профилем участка и скоростным режимом поезда. В обоих случаях имеет место не только неравномерная, но и знакопеременная нагрузка, обусловленная применением рекуперативного торможения.

77

78

Рис. 1. Фрагмент суточного графика тяговой нагрузки подстанции

79

Рис. 2. Ток поезда в четном и нечетном направлениях участка

Известно, что сглаживание графика электрической нагрузки приводит к снижению себестоимости вырабатываемой электрической энергии, как это показано, например, в [4], а также повышает эффективность работы СТЭ и в некоторых случаях приводит к ликвидации лимитирующих участков железной дороги [5, 6]. Поскольку график тяговой нагрузки подстанции определяется характеристиками графика движения поездов на участке, то условно мероприятия по выравниванию графика можно разделить на организационные, включающие в себя регулирование интервалов движения, массы поездов и прочие, и технические, влияющие на поддержание уровня на шинах тяговых подстанций и регулирование нагрузки, потребляемой из сети. Применение НЭЭ в энергосистемах, например на гидроаккумулирующих станциях, преследует цель выровнять график нагрузки. Аналогично устройства накопления электрической энергии могут быть использованы для выравнивания графика тяговой нагрузки как в СТЭ, так и на ЭПС.

К факторам, влияющим на места размещения НЭЭ в СТЭ в условиях применения рекуперативного торможения, следует отнести профиль участка, эксплуатируемый парк ЭПС с возможностью рекуперативного торможения, удаленность НЭЭ от мест рекуперации (возможность приема максимальной мощности избыточной энергии рекуперации), потенциальный объем избыточной энергии рекуперации, частоту применения рекуперативного торможения поездом, средний объем энергии рекуперации за случай применения рекуперативного торможения и другие. Кроме указанных условий следует учитывать и другие параметры участка: количество путей; интенсивность движения; долю пассажирского движения и т. д. Также следует учитывать режимы, в которых будет эксплуатироваться НЭЭ. На однопутных участках наиболее тяжелый режим будет складываться при максимальном числе поездов в режиме рекуперативного торможения и в отсутствие поездов в режиме тяги. Аналогично для двухпутных участков: при максимальном числе поездов, находящихся в режиме рекуперации, и минимальном - в режиме тяги [7].

Результаты измерений расхода электрической энергии при помощи счетчиков ОмГУПС на одной из тяговых подстанций Свердловской железной дороги показывают, что условия приема электрической энергии на тяговой подстанции в значительной мере определяются параметрами движения. Прием энергии рекуперации за время эксперимента на Свердловской железной дороге показал, что среднее значение перетока энергии рекуперации для ТПС № 1 составляет около 20 кВтч, для ТПС № 2 - около 15 кВтч. Данные значения могут быть использованы при оценке энергоемкости НЭЭ.

Одним из альтернативных вариантов является установка НЭЭ на других объектах СТЭ (постах секционирования и пунктах параллельного соединения), а также на ЭПС. В этом случае задача приема избыточной энергии рекуперации может быть решена путем поглощения энергии рекуперации

80

НЭЭ. Требуется выбрать необходимую энергоемкость НЭЭ с целью поглощения избыточной энергии рекуперации и последующего использования энергии для сглаживания графика электрической нагрузки поезда.

Ранее отмечалось, что основная цель использования НЭЭ на ТПС -снижение загрузки понижающих и преобразовательных трансформаторов, потерь в них, а также стабилизация напряжения на шинах ТПС. Основным вопросом в данной задаче является выбор необходимой энергоемкости устройства. Следует отметить, что в связи с необходимостью поглощения большой мощности энергии рекуперации НЭЭ не могут располагаться исключительно на ТПС, поскольку не смогут эффективно принимать энергию рекуперации, например, на однопутных участках или в вынужденном режиме при временном закрытии для ремонта одного из путей. Применение данных устройств позволяет эффективно перераспределять энергию рекуперации путем снижения напряжения на шинах тяговых подстанций и расширения зоны приема избыточной энергии рекуперации для передачи энергии рекуперации через шины подстанции на соседнюю межподстанционную зону.

Напряжение холостого хода на шинах тяговых подстанций, как правило, находится на уровне 3500-3600 В, чтобы поддерживать необходимый уровень напряжения в контактной сети. Включение приемников энергии рекуперации ВИП или ПУ выполняется на уровне напряжения выше напряжения холостого хода. Поэтому процесс заряда НЭЭ необходимо осуществлять при напряжении, соответствующем режиму рекуперативного торможения. Если оценить величину возврата энергии рекуперации по шинам тяговой подстанции на уровне напряжения выше напряжения холостого хода (для рассматриваемого случая - 3650 В) в условиях работы БАРН-3,3 и при его отключенном состоянии, то по итогам эксперимента можно сделать следующие выводы (см. таблицу): уровень перетоков на данном напряжении по шинам подстанции с БАРН-3,3 существенно ниже, чем при отключенном БАРН-3,3; меньше количество случаев возврата энергии по шинам подстанции, а также времени возврата в соотношении один к двум. Соотношение величин возвра-

Результаты эксперимента на ТПС № 2 Свердловской железной дороги

Наименование присо единения Время, с Кол-во случаев W , кВт-ч рек7

с БАРН без БАРН с БАРН без БАРН с БАРН без БАРН

ФКС№ 1 105 347 6 11 23,0 38,1

ФКС№ 2 108 347 6 11 25,6 101,7

ФКС№ 5 593 1181 15 24 113,0 894,5

ФКС№ 6 195 190 6 14 17,7 49,2

Сумма 1001 2065 33 60 179,3 1083,5

81

та энергии рекуперации свидетельствует о нецелесообразности применения НЭЭ различных видов совместно с устройствами БАРН-3,3.

Основные направления повышения эффективности использования энергии рекуперации, помимо потребления энергии рекуперативного торможения поездами, следующими в тяге:

• прием энергии ВИП, установленными на всех ТПС участка;

• прием энергии ВИП, установленными только на некоторых ТПС участка с наибольшим возможным возвратом энергии;

• прием энергии ВИП, установленными на одной ТПС;

• прием энергии рекуперации НЭЭ, установленным на ТПС;

• прием энергии рекуперации НЭЭ, установленным на борту ЭПС;

• управление параметрами графика движения.

На рис. 3 сравниваются варианты, сделанные авторами [8] и дополненные вариантами с использованием НЭЭ. Следует отметить, что имеется ряд альтернатив вариантам применения ВИП или НЭЭ в СТЭ. Так, некоторые авторы (например, [9]) предлагают использовать НЭЭ в «бесконтактной» системе электроснабжения для метрополитена, где НЭЭ обеспечивает движение поездов на перегонах (межподстанционных зонах), а заряд НЭЭ и разгон поезда осуществляются исключительно на станциях, на которых находятся тяговые подстанции. В условиях железнодорожного транспорта применение НЭЭ в «бесконтактной» системе электроснабжения сопряжено с целым рядом

Без рекуперации С рекуперацией и С НЭЭ на одной С рекуперацией и С рекуперацией с С рекуперацией, С НЭЭ на ЭПС без ВИП на ТПС из ТПС с ВИП на 3 ТПС ВИП на всех ТПС без ВИП на ТПС и

управлением

движением

Рис. 3. Удельный расход электроэнергии по счетчикам ТПС для различных вариантов расчетов

82

труднопреодолимых препятствий, например, значительной энергоемкостью НЭЭ для обеспечения движения грузового поезда (в том числе трогание поезда при внеплановых остановках на перегоне), достигающей для одного перегона значений около 1 ГДж; ограниченным временем заряда НЭЭ на станциях при безостановочном проходе поезда; необходимостью строительства новых тяговых подстанций на станциях при ограниченной величине энергоемкости НЭЭ и другими.

Таким образом, применение накопителей в СТЭ и на ЭПС позволяет сократить загрузку преобразователя и трансформаторов подстанции. Наиболее перспективным вариантом повышения энергетической эффективности перевозок является установка НЭЭ на ЭПС. Применение НЭЭ одновременно с БАРН-3,3 представляется нецелесообразным ввиду поддерживаемого уровня напряжения на шинах 3,3 кВ тяговой подстанции.

Библиографический список

1. Электрическая тяга / В. Е. Розенфельд, И. П. Исаев, Н. Н. Сидоров и др. ; под ред. И. П. Исаева. - М. : Транспорт, 1995. - 294 с.

2. Эффективнее расходовать топливно-энергетические ресурсы! / А. Н. Ходаке-вич // Локомотив. - 2011. - № 11. - С. 2-5.

3. Об определении статуса энергии рекуперации на железнодорожном транспорте в условиях оптового рынка электроэнергии / В. Л. Незевак // Актуальные вопросы экономики и пути их решения на этапе современного развития России : материалы Всерос. науч.-практич. конф., 25 апр. 2013 г. ; в 2 т. Т. 1 / под ред. Ю. А. Тюриной. - Хабаровск : Изд-во ДВГУПС, 2013. - С. 142-151.

4. Тарифы и режимы электропотребления / В. В. Михайлов. - 2-е изд., перераб. и доп. - М. : Энергоатомиздат, 1986. - 43 с.

5. Выбор мест установки накопителей электрической энергии на полигоне постоянного тока железнодорожного транспорта по критерию энергоэффективности / В. Т. Че-ремисин, В. Л. Незевак, М. М. Никифоров // Транспорт РФ. - 2013. - № 2 (6). - С. 14-18.

6. Применение накопителей электрической энергии на электроподвижном составе для повышения эффективности работы систем тягового электроснабжения на участках постоянного тока / В. Л. Незевак, А. П. Шатохин // Транспортная инфраструктура Сибирского региона : материалы IV Всерос. науч.-практич. конф. с междунар. участием, 13-17 мая 2013 г., Иркутск ; в 2 т. Т. 2. - Иркутск : Изд-во ИрГУПС, 2013.

7. Справочник по электроснабжению железных дорог. Т. 1 / под ред. К. Г. Марк-вардта. - М. : Транспорт, 1980. - 256 с.

8. Повышение энергетической эффективности системы тягового электроснабжения в условиях рекуперации электроподвижного состава / В. Т. Черемисин, В. Л. Незевак, А. С. Вильгельм и др. // Локомотив. - 2013. - № 8. - С. 7-10.

9. Allegre, A.-L., Bouscayrol, A., Delarue, P. et al. Energy Storage System With Supercapacitor for an Innovative Subway // IEEE Transactions on Industrial Electronics. -2010. - Vol. 57, is. 12. - P. 4001-4012.

© Незевак В. Л., Черемисин В. Т., 2015

83