Введение к работе
Актуальность работы.
Энергоресурсы во многом определяют экономическую ситуацию в современном мире. Для всех развитых стран решение проблем энергосбережения и энергоэффективности стало одним из приоритетных направлений деятельности. Для многих современных производств снижение энергоемкости и энергосоставляющей себестоимости продукции также является одним из определяющих факторов эффективного развития.
Железнодорожный транспорт – это не только потребитель продукции топливно-энергетического комплекса страны (ТЭК), но одновременно и технологическое звено в цепи производства, передачи и потребления электроэнергии. Для реализации задач энергосбережения и вопросов их финансирования Правлением ОАО «РЖД» было принято постановление «О ходе реализации Энергетической стратегии ОАО РЖД и корректировке ее параметров с учетом дальнейшего реформирования топливно-энергетического комплекса России и железнодорожного транспорта» от 6 июня 2007 года (Протокол № 18 п. 5 и 7), дополненное распоряжением ОАО РЖД «Об актуализации энергетической стратегии ОАО РЖД и программе ее реализации» № 1296р от 12 июля 2007 г. (п.8). В результате реализации указанной совокупности программ должен образоваться интегральный эффект энергосберегающей деятельности как в натуральных показателях экономии топливно-энергетических ресурсов, так и в экономии материальных средств на их приобретение, позитивно влияющий в целом на общие экономические показатели деятельности всей транспортной системы.
Основную часть энергетических расходов электрифицированных железных дорог составляют расходы на тягу поездов. Ввиду этого ресурсо- и энергосберегающие технологии необходимо внедрять именно в системах тягового электроснабжения (СТЭ). Одним из наиболее эффективных методов энергосбережения является локальная буферизация электроэнергии на различных стадиях ее доставки до потребителя. В настоящей работе изложены основные возможности ресурсо- и энергосбережения на ж.д. транспорте и метрополитенах с использованием различных типов накопителей энергии (НЭ).
В соответствии с описанными выше программами ОАО «РЖД» и многочисленными постановлениями Правительства Москвы на первый план поставлена острейшая проблема экономии электроэнергии. Одним из основных направлений снижения энергопотребления на транспорте – это введение в электроэнергетическую систему (ЭЭС) транспорта накопителей энергии, способных снизить капитальные вложения на основное тяговое электротехническое оборудование и сэкономить до 30% электроэнергии, идущей на тягу поездов.
Цель диссертационной работы. Целью диссертационной работы является исследование возможности эффективного использования НЭ на разных уровнях ЭЭС ж.д., а также разработка устройств и методов для его практической реализации.
Объект исследования: система тягового электроснабжения ж.д. и метрополитенов, в которую входят тяговые подстанции (ТП) и тяговая сеть (ТС), электроподвижной состав (ЭПС) и различного рода НЭ, работающие в совокупности с описанными выше структурными единицами.
Предмет исследования: методы, модели и критерии оценки показателей работы тягового электропотребления на участках ж.д. и метрополитенов с использованием НЭ.
Методы исследования. При решении поставленных в диссертации задач принят комплексный метод исследований, включающий в себя анализ и обобщение данных научно-технической литературы, методы математического анализа и имитационного моделирования, математическая статистика, методы синтеза моделей и построения алгоритмов, теоретические и экспериментальные исследования, причем последнее реализуется с помощью имитационного моделирования при широком использовании методов теории электрических цепей, теории вероятности и матричного исчисления, а также натурными экспериментами и замерами.
Научная новизна заключается в решении ряда комплексных теоретических и практических задач, посвященных проблемам использования различных типов НЭ в СТЭ ж.д. и метрополитенов, в том числе:
- исследованы процессы в СТЭ ж.д., метрополитена, а также и в ЭПС при использовании НЭ;
- разработаны алгоритмы режимов работы основных типов НЭ в различных точках подключения СТЭ;
- созданы имитационные модели позволяющие оценивать эффективность использования НЭ на основе реально замеренных показателей работы СТЭ и ЭПС;
- описаны методики оценки технико-экономического эффекта от использования НЭ;
- разработаны методы локального усиления ТП и ТС с помощью НЭ, при одновременном снижении установленной мощности ТП;
- показано, что использование НЭ в СТЭ повышает качество электроэнергии по напряжению и общую надежность СТЭ;
- определены полигоны и условия наиболее эффективного использования НЭ на ж.д. транспорте и метрополитене.
Практическая ценность. Разработаны методы и сформирован ряд мероприятий по снижению потребления электроэнергии на тягу поездов, расширению полигона рекуперативного торможения и определению других энергосберегающих эффектов на ж.д. транспорте и метрополитене с использованием НЭ. На базе проведенных исследований были разработаны прикладные имитационные модели, а также программный модуль, интегрированный в общую структуру программно-измерительного комплекса по расчету СТЭ ж.д. и метрополитенов с возможностью использования различных типов НЭ как в СТЭ, так и на ЭПС.
Степень разработанности проблемы. Проблемы энергосбережения в ЭЭС ж.д. и метрополитенов, в том числе и с использованием НЭ различных типов, начали решать еще в 90-х годах ХХ века. Особое внимание уделялось расчетам максимальной пропускной способности, снижению потерь энергии в ТС и возможности использования энергии рекуперации. Однако, более интенсивнее продолжение работы получили уже в начале ХХI века, когда на качественно новый уровень развития вышли цифровые ЭВМ, а стало быть и математические имитационные модели, системы диагностики и измерений, но и главное – непосредственно сами НЭ.
Данными направлениями занимались многие отраслевые научные школы страны: СамГУПС, ПГУПС, ВНИИЖТ, ИрГУПС, МИИТ, ОмГУПС, РГОТУПС, РГУПС, ДВГУПС, ОИВТ РАН, РНЦ «Курчатовский институт», НТЦ «Синтез» НИИЭФА и др. Большой вклад в исследование данной области внесли ученые: Ю.М. Астахов, М.П. Бадер, А.С. Бочев, А.Т. Бурков, Д.А. Бут, А.Л. Быкадоров, В.А. Винокуров, Н.В. Гулиа, В.Л. Григорьев, К.К. Деньщиков, В.Т. Доманский, Б.Е. Дынькин, А.М. Иванов, Ю.М. Иньков, В.Е. Кейлин, В.А. Кисляков, Е.Ю. Клименко, Б.И. Косарев, А.В. Котельников, Р.Р. Мамошин, Г.Г. Марквардт, К.Г. Марквардт, В.А. Матюшин, В.В. Менухов, В.Н. Пупынин, Г.Г. Рябцев, А.Н. Савоськин, Э.В. Тер-Оганов, В.П. Феоктистов, Е.П. Фигурнов, В.Т. Черемисин, Н.А. Черноплеков и другие.
Реализация результатов работы. На основании разработанных конструкций НЭ, методов их управления и имитационных моделей проводились следующие расчеты и оценки:
В 2000 г. по заказу МПС был произведен расчет технико-экономической эффективности использования НЭ в проекте электрификации Малого кольца Московской ж.д.
В 2002 г. совместно с ОАО Мосгипротранс была произведена работа «Оценка и расчёт параметров системы тягового электроснабжения линии Москва – аэропорт Шереметьево». Одним из вариантов предлагаемой СТЭ было консольное питание со НЭ на станции «Шереметьево-3».
В 2007 г. результаты данной диссертации были использованы для оценки эффективности использования НЭ в ЭЭС ж.д., как источников нетрадиционного электроснабжения в работе «Научно-обоснованное видение на период до 2030 года доли энергопотребления ОАО «РЖД» во внутреннем балансе производства и потребления ТЭР России по основным видам энергоресурсов» под руководством академика В.Е. Фортова ОИВТ РАН.
В 2008г. результаты работы были использованы ОАО «Электропривод» при формировании технических требований к аккумулирующему элементу, преобразовательному агрегату и алгоритму управления режимами стационарного НЭ, предназначенному для использования в Московском метрополитене.
В 2009г. на основании натурных системных замеров и методов математического статистического анализа была произведена оценка технико-экономического эффекта от использования НЭ в СТЭ Московского метрополитена.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы рассматривались, докладывались и обсуждались:
- в программе «Фундаментальных и поисковых научно-исследовательских работах» Отраслевого центра МИИТа по фундаментальным и научно-исследовательским проблемам транспорта 1997-2004 г.г.;
- на I, III, IV научно-практических конференциях «Ресурсосберегающие технологии на железнодорожном транспорте», М., МИИТ, 1998, 2000, 2001г.г.;
- на Всемирной электротехнической конференции, Москва, 1999 г.;
- на 1-4 Международных симпозиумах ElTrans, «Электрификация и развитие ж.д. транспорта России. Традиции, современность, перспективы», С-Петербург, 2001г., 2003г., 2005г., 2007г.;
- на Всероссийской научно-практической конференции «Ресурсоэнерго-сберегающие проекты и технологии», Международный гуманитарный фонд «Знание», М., 2001г.;
- на II-VIII Научно-практических конференциях «Безопасность движения поездов», М., МИИТ, 2002-2008 г.г.;
- на Всероссийской научной конференции РАН «Проблемы повышения эффективности функционирования и развития транспорта», М., 2002г.;
- на Международной научно-практической конференции «Транссибирская магистраль на рубеже XX-XXI веков: Пути повышения эффективности использования перевозочного потенциала», М., МИИТ, 2003г.;
- на I и II Международных научно-практических конференциях ЮНЕСКО «Использование нетрадиционных и возобновляемых видов энергии и способы ее хранения», М., 2003г., 2004г.;
- на Европейской встрече по энергосбережению, «WTTC - Werkstoffe & Technologien, Transfer & Consulting», Berlin
, 2005г.;
- на I Европейской встрече по использованию суперконденсаторов в электроэнергетических системах: «SUPERCAPS EUROPE 2005», EUROPEAN MEETING ON SUPERCAPACITORS: DEVELOPMENT AND IMPLEMENTATION IN ENERGY AND TRANSPORTATION TECHNIQUES, Berlin-Adlershof, 2005г.;
- на Европейском Форуме экспертов по энергосбережению «FOREX-2005», Centre of Excellence for Materials for Low-energy Consuming Technologies in Electrotechnics «MALET», Electrotechnical Institute, Wroclaw, 2005г.;
- на Бизнес-Конференции SIEMENS «Современные технологии электрификации на железнодорожном транспорте», М., 2006г.;
- на кафедре «Энергоснабжение эл. ж.д.» МИИТа, 2006г.;
- на II Европейской встрече по использованию суперконденсаторов в электроэнергетических системах: «SUPERCAPS EUROPE 2006», EUROPEAN MEETING ON SUPERCAPACITORS: DEVELOPMENT AND IMPLEMENTATION IN ENERGY AND TRANSPORTATION TECHNIQUES, М., 2006г.;
- на Международной конференции по автоматизированному электро-приводу, Санкт-Петербург, 2007г.;
- на Европейском Симпозиуме COSTAction-542 (2007) по направлению “SUPERCAPACITORS FOR POWER ELECTRONICS”, Electrotechnical Institute, Gdansk-Sopot, POLAND, 2007г.;
- на секции «Энергосбережения» Московского комитета по науке и технологиям Правительства Москвы, М., 2008г.;
- на кафедре «Энергоснабжение эл. ж.д.» МИИТА, 2009г.
Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 73 печатных работах, в том числе: 45 статьях в сборниках научных конференций и симпозиумов, 9 патентах на различного рода интеллектуальную собственность, 1 монографии и 18 статьях в научно-технических журналах, в том числе в 12 журналах из списка, рекомендованного ВАК по тематике энергетики и транспорта.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка используемых источников и приложений. Общий объем диссертации составляет 372 страницы, включая 181 иллюстрацию, 19 таблиц, список использованных источников из 212 наименований и 4 приложений на 23 страницах.
