Ресурсо- и энергосберегающие технологии на железнодорожном транспорте и метрополитенах, реализуемые с использованием накопителей энергии (06.07.2009)

Автор: Шевлюгин Максим Валерьевич

В первой главе были также рассмотрены возможные варианты расположения НЭ в ЭЭС ж.д. (рис.3.), определены наиболее подходящие типы и проведена предварительная оценка их параметров. То или иное расположение НЭ в СТЭ определяет возможные функции и технико-экономическую эффективность их использования. Так например в системе первичного электроснабжения (на электростанциях и районных подстанциях) эффективней использовать гидроаккумулирующие электростанции и СПИН (НЭ1 и НЭ2 рис.3.) энергоемкостью свыше 10 ГДж.

Рис.3. Структурная схема питания ж.д. с НЭ на различных этапах.

При использовании НЭ на ТП (НЭ3) для приема избыточной энергии рекуперации его энергоемкость должна составлять порядка 100-200МДж. Такая энергоемкость технически оптимальна для ИНЭ и ЕНЭ. Энергоемкость при установке НЭ в тяговой сети (НЭ4), на постах секционирования (ПС) должна быть рассчитана для приема энергии рекуперации одного поезда и составлять до 100 МДж. В этом случае целесообразней использовать ИНЭ пониженной энергоемкости и ЕНЭ. При установке НЭ на борту электропоезда может быть использован только ЕНЭ. Главным приоритетом в работе ЕНЭ является прием энергии рекуперации. Энергоемкость его при этом должна составлять 5-6 МДж.

Вторая глава посвящена описанию схемы, конструкции, принципа действия и режимов работы ИНЭ. ИНЭ в основном представляет собой конструктивно объединенные в одной установке механический инерционный накопитель (маховик) и электрическую машину (ЭМ) (мотор-генератор (МГ)). Для связи с тяговой сетью используется преобразовательный агрегат. Данная система предназначена для запаса и хранения механической энергии с последующим ее преобразованием и отдачей в виде электрической энергии для дальнейшего использования в СТЭ. Общая принципиальная схема ИНЭ представлена на рис.4. Данная схема была разработана НТЦ «Синтез» НИИЭФА им. Д.В. Ефремова совместно с МИИТом для использования на электрифицируемом Малом кольце Московской железной дороги. По проекту располагаться ИНЭ должны были в середине фидерных зон в качестве так называемых «накопительных» ТП мощностью порядка 5-10 МВт и энергоемкостью 100-150 МДж на единицу ИНЭ.

Рис. 4. Принципиальная схема ПА для ИНЭ.

Кинетическая энергия маховика в общем виде определяется следующим выражением:

где J - момент инерции маховика относительно оси вращения; ( - угловая скорость маховика; f - частота вращения маховика; m - масса маховика; r - радиус инерции маховика.

Максимальная частота вращения составляет 15000 об/мин, а минимальная – 7500 об/мин.

Важнейшим элементом ИНЭ является согласующее устройство между НМ и тяговой сетью, т.е. мощный полупроводниковый преобразовательный агрегат (ПА). Основной задачей ПА является выпрямление напряжения в режиме разряда ИНЭ (при отдаче энергии в СТЭ постоянного тока) и инвертирование в режиме заряда. Помимо этого ИНЭ должен уметь оценивать условия в тяговой сети и, в зависимости от этого, ПА должен обеспечить необходимую мощность и требуемый уровень напряжения на выходе ИНЭ. Обеспечить данные параметры ЕНЭ необходимо в течение всего цикла работы, т.е. при любой частоте вращения ротора в диапазоне от 7500 до 15000 об/мин. Это достигается путем переключения обмоток МГ с помощью коммутационного блока, изменением частоты тока (от 0-2500 Гц) и, главное, работой ПА.

Для использования ИНЭ в СТЭ ж.д. ПА должен иметь кратковременную пиковую мощность до 10 МВт (номинальная мощность 2,5 МВт). Анализ существующей полупроводниковой аппаратуры показал, что ПА на данную мощность удобнее разбить на 6 одинаковых модулей по 1,7 МВт каждый. Модуль включает в себя два силовых полупроводниковых агрегата (рис.4.): а именно реверсивный преобразователь постоянного напряжения (РППН) и автономный инвертор тока (АИТ) с индуктивным дросселем (Д) между ними.

Важным параметром любого НЭ является его КПД. Потери энергии в ИНЭ подразделяются на пассивные (в вакуумной камере (ВК) накопительного элемента при режиме ожидания ИНЭ (рис.5.)) и активные (в МГ и ПА при

Рис.5. Потери энергии в ВК ИНЭ.

Таблица 2. Пассивные потери ИНЭ.

Суммарные потери мощности в ВК; Рвк, кВт Расход мощности на поддержание вакуума;

Рв, кВт Расход мощности на систему охлаждения;

Рсо, кВт Потери при вынужденной остановке маховика;

Рост, кВт

0,23 0,04 0,18 0,694

Итого, общие пассивные потери Рпас, кВт 1,2

режиме заряда или разряда ИНЭ). В режиме хранения энергии постоянные пассивные потери в ВК будут складываться из следующих составляющих:

- аэродинамических потерь мощности ротора (Ра);

- потерь мощности в радиальных уплотнениях (Рру);

- потерь мощности в магнитном промежутке (Рм).

Потери в ВК зависят от частоты вращения ротора. Данные о потерях в ВК при-ведены на рис.5. Общие пассивные потери Рпас (табл.2.) составляют 1,2 кВт.

Активные потери ИНЭ появляются только при активных режимах работы ИНЭ, т.е. при заряде или разряде. Они подразделяются на потери в обмотках МГ и в полупроводниковых структурах ПА. Для этих устройств существуют

свои, уже рассчитанные данные по КПД. КПД МГ составляет 97-98%, а КПД ПА – 98%. Формула общего КПД ИНЭ имеет вид:

; (13)

; (14)

; (15)

где: Апр – принятой ИНЭ из СТЭ в течение одного цикла работы за сутки; Акин– кинетическая энергия маховика; Апас – общие пассивные потери энергии в ВК; Рпас – общие пассивные потери мощности в ВК; tраб – время работы ИНЭ в сутки (20 часов).

Учитывая время хранения энергии в часы неинтенсивного движения (принимая во внимание результаты имитационного моделирования работы ИНЭ на Малом кольце Московской железной дороги) получается, что общий КПД работы ИНЭ за сутки составляет порядка 86-90%.

ИНЭ выполнен в виде одномодульной конструкции, которая может быть размещена в типовом контейнере и приспособлена для перевозки по железной дороге. Высота контейнера составляет около 3м. Пример размещения оборудования ИНЭ представлен на рис.6. Стоимость опытного образца ИНЭ составляет порядка 50 млн. рублей.

Рис.6. Эскизное размещение оборудования ИНЭ.

В третьей главе рассмотрены схемы, конструкции, принцип действия, режимы работы и параметры ЕНЭ. ЕНЭ может быть как стационарного (при установке на ТП или в ТС), так и бортового исполнения (при установке на ЭПС). На рис. 7. представлена схема подключения ЕНЭ на двухпутном участке и ее электрическая схема с разделенной емкостью. Для повышения КПД заряда емкости в ЕНЭ используется преобразователь (зарядное устройство), которое работает по принципу электромагнитного дросселя. В данном случае энергия из ТС поочередно запасается в индуктивностях 3 и 5, а затем через диоды 7 и 8 сбрасывается в емкости 15 и 16. Заряд индуктивности происходит до заданного значения максимального тока (в данном случае до Im=1000А, рис. 9), затем цепь рвется тиристором 9 или 10 и ток вынужден течь через емкость. Периодичность открытия и закрытия тиристоров выбирается блоком управления. Сама же емкость разделена на две равные части с целью регулирования напряжения на ней в процессе заряда. Сущность работы ЕНЭ с разделяемой емкостью заключается в следующем: время разряда индуктивности в замкнутом контуре L-C зависит от величины емкости С и напряжения на ней Uc. Чем выше Uс и меньше С, тем быстрее происходит разряд индуктивности. Регулирование

Рис. 7. Схема подключения ЕНЭ с разделенной емкостью на

двухпутном участке.

Рис. 8. Зависимости токов электромагнитных дросселей и напряжения на емкости от времени при моделировании процесса заряда ЕНЭ.

величины общей емкости ЕНЭ и его напряжения дает необходимый результат. Для исследования процессов заряда ЕНЭ была создана математическая модель. Интерфейс программы представлены на рис. 8.

КПД ЕНЭ определялось отношением отданной ЕНЭ энергии обратно в сеть к энергии, затраченной источником на заряд. При этом КПД работы ЕНЭ меняется в процессе заряда или разряда накопителя, а его среднее значение выражается следующим образом:

где ?Цi – КПД цикла передачи энергии дроссель – емкость при заряде и емкость-дроссель при разряде ЕНЭ; К – число циклов.


загрузка...