Принципы использования сверхпроводникового индуктивного накопителя энергии для повышения экономичности силовой установки автономного транспортного средства с электрической передачей

УДК 629.42.064.5

ПРИНЦИПЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СВЕРХПРОВОДНИКОВОГО ИНДУКТИВНОГО НАКОПИТЕЛЯ ЭНЕРГИИ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ЭКОНОМИЧНОСТИ СИЛОВОЙ УСТАНОВКИ АВТОНОМНОГО ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА С ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПЕРЕДАЧЕЙ

В.В. НИКИТИН, Е.Г. СЕРЕДА, Б.А. ТРИФОНОВ

Петербургский государственный университет путей сообщения

Разработаны принципы использования сверхпроводниковых индуктивных накопителей энергии (СПИН) в электрических передачах автономных транспортных объектов для повышения их энергетической экономичности. Получены выражения для определения основных параметров зарядной цепи, выработаны способы регулирования дополнительной мощности нагрузки, создаваемой накопителем энергии на валу первичного теплового двигателя.

Ключевые слова: накопитель энергии, газотурбинный двигатель, транспортное средство, электрическая передача.

В настоящее время транспорт является одной из наиболее энергоемких отраслей экономики. В период назревающего дефицита углеводородного сырья чрезвычайно актуальной задачей в сфере транспортной энергетики является сокращение расхода топлива автономными транспортными средствами, к которым предъявляется ряд жестких требований: высокая экономичность, экологичность, надежность, возможность работы на дешевых видах топлива, низкая стоимость обслуживания. В наибольшей степени этим требованиям отвечают газотурбинные двигатели (ГТД), которые могут служить реальной альтернативой дизельным двигателям. Вместе с тем, ГТД имеет недостатки, заключающиеся в существенной зависимости его экономичности от эффективной мощности и высоком расходе топлива в режиме холостого хода и при неполной нагрузке. Одним из путей повышения экономичности автономных транспортных средств с электрической передачей является использование накопителей энергии, которые позволят аккумулировать энергию в режимах долевых нагрузок ГТД, повышая его экономичность. В дальнейшем эту энергию можно использовать как для тяговых нужд (например, повысить мощность транспортного средства сверх мощности первичного двигателя при особо тяжелых условиях движения), так и для вспомогательных нужд (маневровые передвижения и питание вспомогательного электрооборудования без запуска ГТД, запуск ГТД).

Среди возможных перспективных вариантов исполнения накопителей высокой энергоемкости (300 МДж и более) внимания заслуживает сверхпроводниковый индуктивный накопитель энергии (СПИН), который характеризуется высокой удельной энергоемкостью (20...50 МДж/т), практически неограниченным числом зарядно-разрядных циклов и возможностью неограниченно длительного хранения энергии [1 - 3]. В настоящее время использование такого накопителя затруднительно по причине высокой стоимости криогенного обеспечения низкотемпературных сверхпроводников, охлаждаемых до уровня температур жидкого гелия. Однако в недалекой перспективе следует ожидать прорыва в технологии изготовления высокотемпературных обмоточных проводов [4], для которых затраты на охлаждение до температур жидкого азота на два порядка ниже [5].

© В.В. Никитин, Е.Г. Середа, Б.А. Трифонов Проблемы энергетики, 2010, № 1-2

Источниками электрической энергии на современных мощных автономных транспортных средствах являются трехфазные синхронные генераторы, приводимые во вращение первичным тепловым двигателем. В настоящей статье разрабатываются принципы заряда СПИН от тягового синхронного генератора (СГ), приводимого во вращение ГТД, и определяются основные параметры этого процесса.

Особенностями СПИН, как приемника (источника) энергии, являются медленно меняющийся ток и низкое напряжение, определяемые весьма малым омическим сопротивлением цепи заряда-разряда и затрудняющие непосредственное его подключение к источникам (приемникам) энергии традиционного исполнения (генераторам и двигателям). Наиболее целесообразным представляется вариант заряда СПИН через промежуточный емкостной накопитель энергии (ЕН) относительно небольшой энергоемкости. В этом случае заряд СПИН будет проходить поэтапно, принимая характер импульсной накачки энергии. Преимущества такого варианта состоят в том, что СГ освобождается от работы с большими, медленно меняющимися токами, в результате чего появляется возможность гибко регулировать величину и длительность дополнительной нагрузки ГТД в зависимости от различных внешних условий. При достаточно частых импульсах заряда промежуточного ЕН ГТД, вследствие своей инерционности, будет воспринимать не импульсную, а некоторую среднюю дополнительную нагрузку.

Принципиальная схема заряда СПИН от СГ через промежуточный ЕН приведена на рис. 1. На схеме приняты следующие обозначения: СПК -сверхпроводящий ключ, расположенный в холодной зоне СПИН (внутри криостата) и обеспечивающий режим "замороженного потока" при длительном хранении энергии; К1 - полупроводниковый ключ, предназначенный для подключения промежуточного ЕН к СПИН при разряде первого на второй; К2 -полупроводниковый ключ, расположенный в теплой зоне (вне криостата) и обеспечивающий режим кратковременного хранения энергии в интервалах заряда промежуточного ЕН; КЗ - полупроводниковый ключ, предназначенный для сброса энергии ЕН на разрядный резистор К2; К4 - полупроводниковый ключ, предназначенный для аварийного вывода энергии из СПИН на разрядный резистор К1; УВ - управляемый трехфазный мостовой выпрямитель.

СПИН УВ

Рис. {.Принципиальная схема заряда СПИН от СГ через промежуточный ЕН

Процесс заряда СПИН в данном случае будет состоять из двух этапов: заряда промежуточного ЕН от СГ и разряда ЕН на СПИН. Рассмотрим эти этапы подробнее.

Первый этап - заряд промежуточного ЕН.

При прямом подключении ЕН к СГ возникнет бросок тока, ограниченный лишь активным сопротивлением цепи заряда ЕН и индуктивностью фазных

обмоток СГ. Это может привести к появлению недопустимых электродинамических усилий в обмотках СГ и выходу из строя полупроводниковых ключей УВ. Для ограничения начального броска тока в цепь заряда ЕН должны быть введены токоограничивающие реакторы, которые можно включить последовательно с фазной обмоткой статора СГ (схема с предварительным включением) или в цепь выпрямленного тока (схема с последующим включением). Сравним два этих варианта исходя из того, что в обоих случаях максимальный ток в начале заряда ЕН должен ограничиваться одной и той же величиной.

Рассмотрим схему с предварительным включением. Будем считать, что индуктивности реакторов, включенных последовательно в фазы обмотки статора СГ, равны между собой: Ьд = Ьд = Ь— = Ьтр , активным сопротивлением реакторов, активным и индуктивным сопротивлением цепи выпрямленного тока можно пренебречь, а ЕН в начальный момент разряжен.

Тогда для начального этапа заряда ЕН с учетом [6] получим, что пик фазного тока СГ

т _ 2-ит ' 111 —

ш  Ьтр

Необходимость ограничения броска зарядного тока ЕН на начальном этапе и допущение о равенстве нулю начального напряжения ЕН требует, чтобы процесс заряда ЕН протекал на протяжении нескольких полупериодов фазного напряжения СГ. Следовательно, угловая частота собственных колебаний зарядного контура ш0 должна быть существенно меньше угловой частоты напряжения СГ: ш > 5-ш0. Отсюда можно получить выражение для граничной индуктивности токоограничивающих реакторов в зависимости от емкости ЕН и допустимого броска зарядного тока:

и2  с

ЬТР.1 = 0,16-.

I

'т

Рассмотрим схему с последующим включением. Будем считать, что активные и индуктивные сопротивления фаз СГ и активное сопротивление токоограничивающего реактора пренебрежимо малы, а напряжение на выходе выпрямителя и^ идеально сглажено. Тогда, с учетом [6], получим пик зарядного тока

I = Ь/3 и

'т 17 т -1 Т '

п V ЬТР.2

откуда индуктивность токоограничивающего реактора для схемы с последующим включением

ЬТР.2 =-2_т|—.

Сравнивая (1) и (2), учтем, что в схеме с последующим включением конечное значение напряжения ЕН равно удвоенному выпрямленному

напряжению УВ [6], поэтому, чтобы в обоих случаях в ЕН запасти одинаковую энергию, в схеме с последующим включением можно уменьшить емкость ЕН в четыре раза. Следовательно, отношение ХТр.2/ЬТр ^ »4 и суммарная

энергоемкость (а значит масса и габариты) токоограничивающих реакторов в схеме с предварительным включением будет составлять 75 % от аналогичных параметров в схеме с последующим включением. Таким образом, схема с предварительным включением реакторов оказывается предпочтительной; индуктивность реакторов и емкость ЕН можно определить из выражений:

Ь 2 ит

ьтр =——

Ш 1т

С =

25

2 г

Ш Ьтр

Процесс заряда ЕН можно рассчитать на основе подхода, развитого в работе [7], где рассчитывается усредненная кривая ис = /(t) при работе выпрямителя на противо-ЭДС, в качестве которой рассматривается текущее значение напряжения ЕН. Выражения для напряжения ЕН, приведенные в [7], позволяют достаточно точно рассчитать кривую напряжения ЕН и найти время его заряда, однако не отражают особенностей изменения тока заряда. Более точное исследование процесса заряда ЕН в зависимости от различных параметров было предпринято на имитационной модели, выполненной в среде МЛТИЬЛБ-81ши11пк, при следующих исходных данных: индуктивность фазы статорной обмотки синхронного генератора ЬГ=0,1 мГн; индуктивность токоограничивающего реактора ЬТР=Ь фазы-ЬГ=0,9 мГн; активное сопротивление фазы обмотки статора синхронного генератора гГ=0,25 мОм; сопротивление нагрузки (цепи выпрямленного тока) гН=8,6 мОм; емкость ЕН С=300000 мкФ; напряжение на выходе выпрямителя и^ =500 В. Результаты моделирования представлены на рис. 2.

о о 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5с

Рис. 2. Кривые напряжения и тока при заряде промежуточного емкостного накопителя

Заряд ЕН осуществляется током, потребляемым от СГ, следовательно определяет дополнительный момент нагрузки на вал ГТД. Поскольку ток в

импульсе заряда ЕН изменяется во времени, представляется целесообразным связывать дополнительную нагрузку ГТД со средним током заряда ЕН. Характер нарастания напряжения ЕН подсказывает практический способ регулирования среднего тока его заряда, а значит и дополнительной нагрузки ГТД, заключающийся в том, чтобы заряжать ЕН до конечного напряжения меньшего, чем выходное напряжение выпрямителя V с.КОН = к -V^, (А<1), искусственно прерывая процесс заряда. Это позволит существенно сократить время заряда ЕН, за счет отсечения завершающего этапа заряда с малой скоростью нарастания напряжения, и повысить частоту импульсов заряда ЕН, т.е. повысить скорость накачки энергии в СПИН. Напряжение, до которого осуществляется заряд ЕН, можно варьировать в широком диапазоне. При этом вопрос с прерыванием тока заряда решается путем поочередного отключения полупроводниковых ключей УВ при переходе соответствующего фазного тока через ноль.

Второй этап - заряд СПИН от промежуточного ЕН.

При характерных для СПИН весьма малом омическом сопротивлении цепи заряда (Л) и значительной его индуктивности (Ь) переходный процесс будет носить колебательный характер и описываться следующими выражениями для тока СПИН и напряжения ЕН:

I = ехр

10 - со«ш* -

' исо + 5 _ Л

-- + — 1 о

ч ш - Ь ш 0

31П ш *

Ы£ = ехр

Vсо - со« ш * +

т т тт 5 5 - Л ш - Ь -1о + ис 0 — + т--1о

ш 2-ш

где I о, ис о - начальный ток СПИН и начальное напряжение ЕН;

5 = Л 2 - Ь; ш:

Л

,2

1

4-Ь2 Ь-С'

«1П ш *

Заряд СПИН до значения расчетной энергоемкости будет осуществлен за N циклов подзаряда от ЕН, причем N зависит от емкости ЕН, начального и конечного напряжения его заряда и потерь энергии при заряде СПИН. Например, при заряде СПИН энергоемкостью Зоо МДж от ЕН энергоемкостью 38 кДж при параметрах цепи заряда, указанных выше, полном заряде и полном разряде ЕН понадобится N=8400 циклов накачки энергии при их суммарной длительности 2о,8 мин.

При анализе процесса заряда СПИН интерес представляет оценка величины дополнительной нагрузки ГТД, которую создает заряд промежуточного ЕН. Сложность оценки данной величины состоит в том, что частота следования импульсов заряда ЕН не остается постоянной по мере накачки энергии в СПИН. Наиболее явно непостоянство частоты импульсов выражено в начале этого процесса. В этом случае представляется целесообразным оценивать среднюю дополнительную нагрузку ГТД за весь период заряда СПИН по среднему току ЕН за N циклов его заряда (рис. 3).

За время Т полного заряда СПИН, состоящего из N циклов заряда-разряда промежуточного ЕН, средний ток ЕН можно определить как

/С.ер = Т ] ,

^и.нач

где ¿и.нач, ¿и.кон - время начала и окончания импульса заряда ЕН. /с А

А

V

I

С.СР.ИМП

О

N циклов заряда ЕН за время полного заряда СПИН

г

Рис. 3. К определению среднего тока емкостного накопителя

Из выражения (3) вытекают способы изменения среднего тока заряда ЕН.

Первый способ заключается в изменении длительности импульса заряда ЕН. Для этого необходимо искусственно прерывать процесс заряда ЕН в различные моменты завершающей стадии заряда (при различных конечных значениях напряжения ис.кон ) и/или искусственно прерывать процесс разряда ЕН на СПИН, обеспечивая различные начальные значения напряжения ЕН для следующего этапа его заряда ис.нач . Оба этих варианта эквивалентны регулированию порции энергии, перекачиваемой в СПИН через ЕН.

Второй способ заключается в изменении частоты следования импульсов разряда ЕН на СПИН, что может быть достигнуто путем организации нескольких параллельных каналов заряда СПИН от соответствующего числа промежуточных ЕН. В этом случае СПИН должен выполняться в виде отдельных модулей, допускающих независимую закачку энергии.

При указанных выше исходных данных и СПИН энергоемкостью 50 МДж рассчитаны зависимости средней дополнительной мощности, потребляемой от ГТД при заряде СПИН, и времени его заряда от значений начального инач и конечного и кон напряжения ЕН (рис. 4 и 5).

Из рис. 4 и 5 следует, что для обеспечения максимальной мощности нагрузки на ГТД необходимо, чтобы заряд и разряд промежуточного ЕН осуществлялся при и с.кон » 0,8 и^ и и с.нач » 0,4 и^.

Рис. 4.Зависимости времени заряда, среднего тока и средней мощности, потребляемой от генератора от относительного значения начального напряжения ЕН, при заряде СПИН

энергоемкостью 50 МДж

кВт

100 %

Рис. 5. Зависимости времени заряда и средней мощности, потребляемой от генератора, от относительного значения конечного напряжения ЕН для различных начальных напряжений на ЕН, при заряде СПИН энергоемкостью 50 МДж

Выводы

1. Одним из перспективных путей повышения экономичности силовых установок автономных транспортных объектов с ГТД и электрической передачей является использование сверхпроводниковых индуктивных накопителей энергии

(СПИН), заряд которых целесообразно осуществлять посредством импульсной накачки энергии через промежуточный емкостной накопитель (ЕН) малой энергоемкости.

2. Для ограничения бросков тока при заряде промежуточного ЕН в зарядную цепь необходимо включать токоограничивающие реакторы; меньшие массогабаритные показатели реакторов обеспечиваются при включении их последовательно с фазами обмотки статора синхронного генератора. Получены выражения для расчета индуктивности токоограничивающих реакторов и емкости промежуточного ЕН.

3. При необходимости изменения дополнительной нагрузки ГТД, создаваемой СПИН, могут быть рекомендованы следующие способы ее регулирования: изменение степени заряда и глубины разряда промежуточного ЕН и/или независимый заряд отельных модулей СПИН от нескольких промежуточных ЕН.

Summary

Abstract: Principles of use of the superconducting magnetic energy storage coil (SMES) in electrical transfers of the vehicles with on-board prime mower to improve their power efficiency were developed. Expressions for define of key parameters of the charging circuit are received. Ways of regulation of additional capacity of the loading created by the energy storage on a shaft of the prime mower are developed.

Key words: energy storage, gas turbine engine, vehicle, electrical transmission.

Литература

1. Накопители энергии: Учеб. пособие для вузов/Д.А.Бут, Б.Л.Алиевский, С.Р.Мизюрин, П.В.Васюкевич / Под ред. Д.А.Бута. М.: Энергоатомиздат, 1991.400 с.

2. Хожаинов А.И., Никитин В.В. Автономная тяговая электрическая передача со сверхпроводниковыми электрическими машинами и индуктивным накопителем энергии // Электричество. 1996. №10. С.30-37.

3. Хожаинов А.И., Никитин В.В., Середа Г.Е. Способ применения сверхпроводникового накопителя энергии (СПИН) для повышения экономичности грузовых газотурбовозов // Транспорт Российской Федерации. 2007. №7. С.29-31.

4. Chernoplekov N.A., Chubraeva L.I. High-temperature superconducting materials of the 1-st and the 2-nd generation and prospects for their application in electric engineering. UESS'04. Alushta, Ukraine. P 971-974.

5. Черноплеков Н.А. Сверхпроводниковые технологии: современное состояние и перспективы практического применения // Вестник Российской академии наук. Т.71. №4. 2001. С.303-319.

6. Пентегов И.В. Основы теории зарядных цепей емкостных накопителей энергии. Киев: Наукова думка, 1982.

7. Бертинов А.И., Мизюрин С.Р., Сериков В.А., Геворкян Р.Л. Энергетика процесса заряда конденсатора от генератора переменного тока через выпрямитель // Электричество, 1967. №8. С.54-61.

Поступила в редакцию 30 октября 2009 г.

Никитин Виктор Валерьевич - д-р техн. наук, доцент, заведующий кафедрой "Электромеханические комплексы и системы" Петербургского государственного университета путей сообщения. Тел.: 8 (812) 540-02-45; 8 (812) 457-83-98; (812) 310-98-11. E-mail: victor-nikitin@nm.ru.

Трифонов Борис Алексеевич - канд. техн. наук, доцент кафедры «Электромеханические комплексы и системы» Петербургского государственного университета путей сообщения. Тел.: 8(812) 457-83-98; (812) 310-98-11; 8 (812) 316-48-16.

Середа Евгений Геннадьевич - инженер кафедры «Электромеханические комплексы и системы» Петербургского государственного университета путей сообщения. Тел.: 8(812) 575-63-85; 8 (812) 457-83-98; (812) 310-98-11.