Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ путей улучшения энергетических показа телей электрической тяги 12
1.1 Общая характеристика проблематики электрической тяги 12
1.2 Влияние неравномерности потребления энергии в электрической тяге на электроэнергетические и экономические показатели 15
1.3 Аналитический обзор по применению накопителей энергии в электроэнергетике и на транспорте 17
1.4 Постановка задачи и цель исследования 19
2. Неравномерность потребления электроэнергии в электрической тяге и оценка дополнительных потерь от неравномерности 21
2.1 Типичные диаграммы потребления мощности поездом в системе электрической тяги 21
2.2 Неравномерность загрузки тяговой сети, подстанций, первичной энергосистемы 27
2.3 Количественная оценка неравномерности потребления мощности и эффективности сглаэкшвания ее при помощи накопителей энергии 30
2.4 Влияние реэюима рекуперации на неравномерность энергопотребления и на дополнительные потери
3. Дополнительные потери от неравномерности потребления электроэнергии и оценка экономического ущерба от неравномерности 38
3.1 Общие положения 38
3.2 Методика электротехнического расчета условных потерь 40
3.3 Практические расчеты и внедрение 49
4. Основные типы накопителей энергии и возможности их применения в электрической тяге 53
4.1 Накопители, использующие источники газа 58
4.2 Электрохимические накопители энергии
4.2.1 Электрохимические генераторы 60
4.2.2 Электрохимические аккумуляторы 66
4.2.3 Математическая модель электрохимического накопителя энергии 7
4.3 Индуктивные накопители энергии 79
4.3.1 Основные типы ИНЭ 85
4.3.2 Сверхпроводящие индуктивные накопители энергии
4.4 Емкостные накопители энергии 106
4.5 Маховичные накопители энергии
4.5.1 Монолитные маховики 123
4.5.2 Маховики из композиционных материалов 126
4.5.3 Пути уменьшения потерь на трение в маховиках 1 4.6 Характеристика избранных конструкций накопителей энергии большой энергоемкости 143
4.7 Выбор типа накопителя энергии для его работы в системе электрической тяги 159
5. Выбор решений по применению накопителей энергии в электрической тяге и эффективность их при менения 170
5.1 Целесообразность применения накопителей энергии 170
5.2 Влияние места установки накопителя на качество регулирования 173
5.3 Управление процессом энергообмена в накопителе 174
5.4 Оценка качества использования накопителя 180
6. Имитационная программа для исследований линий метро 181
6.1. Допущения, принятые при построении имитационной модели 181
6.2 Варианты имитационных расчётов 184
6.3 Схема имитационных расчётов 187
6.4 Алгоритм блока тяговых расчетов 199
6.5 Блок-схема алгоритма расчётов 207
6.6 Принят ый метод тяговых расчётов 212
6.7 Характеристика главных процедурных блоков тяговых расчётов
6.7.1. Процедурный блок Rozruch (Разгон) 216
6.7.2. Процедурный блок Wybieg (Выбег) 218
6.7.3. Процедурный блок Hamowanie (Торможение) 219
6.7.4. Процедурный блок Postoj (Стоянка) 221
6.7.5. Генерирование расписания движения поездов 221
7. Имитационные исследования системы энерго снабжения линии метро с использованием компьютерной модели 223
7.1 Параметры железнодорожной линии 223
7.2 Параметры электропоездов метро 225
7.3 Параметры тяговых подстанций 228
7.4 Параметры накопительных подстанций
7.4.1 Предварительная оценка энергоёмкости и мощности накопительной подстанции 229
7.4.2 Параметры инерционного накопителя энергии 229
7.4.3 Момент сопротивления вращению маховика 230
7.4.4 Варианты характеристик накопительных подстанций
7.5. Изменения скорости вращения маховиков 237
7.6. Результаты имитационного моделирования 238
8. Статистическое моделирование системы электрической тяги с накопителями энергии 273
8.1 Оценка достоверности результатов имитационного моделирования и возможности использования этих результатов для статистического моделирования 275
8.2. Упрощенная оценка статистических показателей работы накопи тельной подстанции 280
8.3. Статистические показатели работы накопительной подстанции, основанные на результатах имитационных расчетов 289
8.4. Статистическое моделирование работы накопительной подстанции 306
8.4. Корреляционный анализ мощностей приема энергии накопительной подстанции 311
Основные выводы по работе 316
Список литературы
- Влияние неравномерности потребления энергии в электрической тяге на электроэнергетические и экономические показатели
- Влияние реэюима рекуперации на неравномерность энергопотребления и на дополнительные потери
- Методика электротехнического расчета условных потерь
- Математическая модель электрохимического накопителя энергии
Введение к работе
Актуальность темы определяется тем, что за последние 10-12 лет практически во всех странах мира резко обострилась проблема сокращения энергопотребления - как для экономической системы в целом, так и в электрической тяге на железнодорожном и городском транспорте. Специфическая особенность электрического транспорта связана со значительной неравномерностью потребления электроэнергии на движение поезда, а также с весьма существенными потерями электроэнергии в системе тягового электроснабжения. Особенно велика неравномерность потребления электроэнергии в пригородном сообщении и в метро, поскольку в этих видах сообщения электропоезда имеют частые остановки (в пригородном сообщении среднее расстояние между остановочными пунктами обычно составляет 3-5 км, в метрополитенах Москвы и других городов России 0,6-0,7 км, в метрополитенах стран Центральной и Западной Европы 0,3-0,5 км). Поэтому импульсы потребления электроэнергии при пуске и разгоне поезда чередуются с движением на выбеге без тока и с импульсами возврата энергии в тяговую сеть при рекуперативном торможении, так что период энергообмена поезда с тяговой сетью составляет 4-5 мин в пригородном сообщении и 1,2-1,5 мин в метро.
Столь неблагоприятный режим энергопотребления ведет к существенным потерям энергии в тяговой сета постоянного тока, в агрегатах тяговых подстанций и в первичной сети переменного 3-фазного тока. Дополнительная трудность состоит в том, что имеющиеся тяговые подстанции постоянного тока на линиях, обслуживающих пригородное сообщение крупных городов, и в метрополитенах оборудованы только выпрямительными агрегатами - они не обеспечивают передачу избыточной энергии рекуперации из тяговой сети в первичную энергосистему. Для решения этой проблемы должна быть выполнена значительная реконструкция системы электроснабжения, причем возможные технические решения сводятся к реализации одного из двух вариантов:
установка на тяговых подстанциях инверторныч агрегатов с тиристорными преобразователями;
использование на электропоездах или в системе электроснабжения накопителей энергии.
Первый вариант технически наиболее проработан; инверторные агрегаты для подстанций выпускаются заводами электротехнической промышленности, так что для их установки на подстанциях необходимо лишь выполнить технико-экономический расчет, чтобы определить, окупит ли стоимость возвращаемой в первичную сеть избыточной энергии рекуперации затраты на приобретение, монтаж и эксплуатацию инверторных агрегатов. Однако, в этом варианте решается только проблема передачи избыточной энергии рекуперации в первичную энергосистем)', но остается нерешенной весьма существенная проблема сглаживания неравномерности электропотребления.
Поэтому имеются основания считать более перспективным второй вариант, предусматривающий установку накопителей энергии, поскольку при этом решаются обе рассматриваемые проблемы. Данная работа посвящена исследованию возможностей улучшения энергетичесгагх показателей системы электрической тяги
постоянного тока при мощности накопителей, которые обеспечивают сглаживание неравномерности энергопотребления и позволяют принять и полезно использовать непосредственно электропоездами всю избыточную энергию рекуперации, а также разработке соответствующих расчетных методик.
Цель и задачи исследования состоят в научной проработке проблемы применения накопителей энергии в электрической тяге постоянного тока, в исследовании получаемого при этом эффекта, который проявляется в сглаживании неравномерности потребления энергии из первичной энергосистемы и в полном использовании энергии рекуперативного торможения электропоездов. Для решения этих задач необходимо обосновать комплексную математическую модель электрической железной дороги при учете характерных особенностей, связанных с реальными режимами двігжения электропоездов, которые характеризуются циклами потребления-отдачи электроэнергии. На основе этой модели должна быть развита практическая методика моделирования энергетических процессов в системе электрической тяги с целью обоснования параметров, режимов использования и алгоритмов управления накопителями при приеме-отдаче энергии. Необходимо также обосновать методику выбора типа и параметров накопителей применительно к специфическим условиям электрической тяги, а также сформулировать базовые положения по технико-экономическому анализу соответсвующих электроэнергетических систем, частным случаем которых является электрическая железная дорога. Учет экономического фактора необходим петому, что уже появились маховичные, индуктивные и ёмкостные накопители серийного производства, по которым известны не только технические, но и экономические показатели (начальная стоимость, затраты на обслуживание, ресурс).
Методика исследования базируется на использовании современных методов компьютерного моделирования и соответствующих пакетов прикладных программ для математического имитационного моделирования на ЭВМ энергетических процессов в комплексной системе электрической тяги. Достоверность полученных результатов обеспечивается благодаря тому, что исходные данные для моделирования включают одномерные и двумерные распределения основных параметров диаграмм движения электропоездов, которые отражают реальные режимы эксплуатации исследуемых транспортных систем (пригородные зоны крупных городов и метрополитены).
Научная новизна заключается в следующем:
обоснована комплексная математическая модель для анализа процессов энергопотребления в системе электрической тяги постоянного тока на базе исходных статистических характеристик, отражающих реальные режимы движения электропоездов, причем соответствующие зависимости в системе координат «время - путь - ток - скорость» рассматриваются для характерных периодов графика движения поездов, т.е. по периодам суток, как случайные функции, обладающие свойствами стационарности и эргодичности;
выполнен аналитический обзор работ теоретического плана и конкретных разработок по накопителям электроэнергии соответствующей энергоемкости и предложена методика выбора типа и определения основных параметров накопителя энергии по результатам моделирования энергетических про-
цессов в системе электрической тяги с применением критерия полного поглощения накопителем избыточной энергии рекуперации с последующим ее возвратом, причем рассчитываются такие параметры накопителя как энергоемкость, максимальная мощность в режимах приема и отдачи энергии, длительность цикла «прием - отдача энергии»; - обоснована методика расчета дополнительных потерь энергии в системе электроснабжения, возникающих по причине неравномерности потребления тока электропоездами, введены вероятностные критерии для оценки этой неравномерности, предложена методика оценки неравномерности для случая применения накопителей энергии при разных схемах их установки в системе, причем рассмотрены варианты применения бортовых и стационарных накопителей. При этом развиты понятия идеального технически и идеального (оптимального) экономически накопителя. Праісгическое значение диссертации состоит в том, что обоснованы предложения по применению накопителей электроэнергии, подключаемых к фидерам тяговых подстанций, что позволяет значительно улучшить технико-экономические показатели существующей системы электрической тяги постоянного тока, особенно в условиях метрополитенов и пригородного сообщения. В частности, за счет сглаживания пиков потребления электроэнергии снижается установленная мощность тяговых подстанций и сечение линий первичного электроснабжения, гарантировано обеспечивается полное использование энергии рекуперативного торможения. Для практической реализации рекомендованы конкретные типы накопителей электроэнергии, обоснованы их технические параметры и алгоритмы управления процессами приема-отдачи энергии. Эмпирическую базу диссертации составляет система имитационного моделирования процессов движения поездов по заданным статистическим характеристикам, что позволяет в условиях проектных организаций реализовать любые режимы работы системы электрической тяги с вычислением показателей функционирования системы, в которую вводят накопитель энергии.
Практическая реализация работы выполнена применительно к конкретным условиям движения электропоездов Московского метрополитена и Московского железнодорожного узла. Полученные при этом результаты использованы для формулирования конкретных предложений по установке накопителей энергии, расчета их параметров и выбора типов. Одновременно рассчитан эффект от применения накопителей в части снижения потерь энергии в системе тягового н первичного электроснабжения, а также в части увеличения доли рекуперируемой энергии, которая используется полезно.
Апробация работы выполнена путем доклада га следующих научных конференциях и семинарах:
Всероссийский электротехнический конгресс ВЭЛК-99, Москва, 1999;
I и II международные симпозиумы «Энергосбережение, качество электроэнергии, электромагнитная совместимость на железнодорожном транспорте», Москва, РАПС, 1997, 2000;
II международная научно-техшгческая конференция «Актуальные проблемы развития железнодорожного транспорта», Москва, МИИТ, 1996;
II международная научно-техническая конференция «Проблемы развития ло-комотивостроения», Москва - Голицыне, 1996;
I, II и III научно-технические конференции «Ресурсосберегающие технологии на железнодорожном транспорте», Москва, МИИТ, 1998, 1999,2000;
Научно-техническая конференция «Подвижной состав 21 века (идеи, требования, проекты), Санкт-Петербург, 1999;
I и II сетевые научно-технические конференции «Современные проблемы экономики и управления на железнодорожном транспорте», Москва, МИИТ, 1999, 2000;
I и II научно-технические конференции «Безопасность движения поездов», Москва, МИИТ, 1998,2000;
научная конференция «Развитие транспортных систем и транспортных средств (TRANSSYSTEM-89), Польша, Варшава, 1989;
VIII научно-техническая конференция «Рельсовый подвижной состав», Польша, Варшава, 1990;
III и IV научные конференции «Электротехника, электроника и автоматика на транспорте», (SEMTRAK-86,88), Польша, Краков, 1986,1988;
III международная конференция «Электроприводы и электроснабжение в электрической тяге», Польша, Варшава, 1997;
II симпозиум «Компьютерные системы обеспечения инженерных расчетов в промышленности и на транспорте», Польша, Закопане, 1998;
IV научная конференция «Компьютерные системы для науки и транспорта (TRANSCOME), Польша, Закопане, 2000;
Международная научная конференция ТРАНСПОРТ-97, Словакия, Острава, 1997;
VIII лучная конференция в высшей школе транспорта и связи VSDS, ЧССР, г. Жилина, 1998;
XIV международная конференция «Актуальные проблемы рельсового подвижного состава», Словакия, Жилина, 1999;
юбилейная научная конференция по электрическому транспорту, Болгария, София, 1990; '
научные семинары и расширенные заседания кафедры «Электрическая тяга», Москва, МИИТ, 1996-2000;
ученый совет транспортного факультета Радомского политехнического института, Польша, Радом, 1999;
заседание Института транспортных машин и электрического транспорта Варшавского технологического университета, Польша, Варшава, 2000;
- секция локомотивного хозяйства НТС МПС РФ, Москва, 2000.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 38 печатных работ, в том
числе 15 на русском языке.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, восьми глав, заключения, списка использованных источников и приложения. Объем основной части диссертации составляет 319 стр., 150 рисунков, 17 таблиц, 26 стр. списка использованной литературы из 344 наименований, 106 стр. приложения.
Влияние неравномерности потребления энергии в электрической тяге на электроэнергетические и экономические показатели
Неравномерность потребления энергии в электрической тяге имеет тенденцию к усилению, что ухудшает ее энергетические и экономические показатели, требует завышения установленной мощности всех видов оборудования в системе электроснабжения. Эта проблема требует отдельного рассмотрения применительно к пригородному сообщению и метро, где используют электрическую тягу постоянного тока. Ниже освещена суть проблемы и намечены пути ее решения, имея в виду конечную цель - снижение потерь электроэнергии и повышение результирующего КПД системы электрической тяги.
Система электрической тяги в пригородных зонах крупных городов характеризуется пиковыми нагрузками первичной энергосистемы, что связано со специфичными режимами движения электропоездов при наличии частых остановок. Например, в Московском узле среднее расстояние, проходимое электропоездом между остановками, составляет 4,1 км, в Риге - 2,7 км, в Варшаве - 5,2 км. При этом энергия из контактной сети обычно потребляется импульсами длительностью до 2-3 мин. Поскольку современные поезда имеют рекуперативное торможение, например, электропоезда ЭР2Р, ЭР2Т, ЭД2Т, ЭД4, эксплуатируемые в Московском узле, то после импульса потребления энергии и промежутка, соответствующего режиму выбега, следует импульс отдачи энергии в сеть длительностью 30-60 сек. Наличие в фидерной зоне нескольких электропоездов не дает полного сглаживания импульсного характера потребления энергии; приходится также учитывать возможность наложения импульсов потребления, причем примерно с такой же вероятностью могут накладываться друг на друга импульсы возврата энергии рекуперации. Неравномерность потребления электроэнергии затрудняет функционирование первичной энергосистемы; поэтому сглаживание пиков энергопотребления поощряется пониженными тарифами за электроэнергию, а ощутимая для первичной энергосистемы неравномерность вызывает штрафные санкции. Таким образом, характер потребления энергии отражается на величине соответствующих затрат и в результате влияет на себестоимость перевозок. Неравномерность энергопотребления может быть оценена в разных точках системы электрической тяги - на токоприемнике поезда, на фидерах подстанции или на первичной стороне подстанции. Для расчетов с энергосистемой важна последняя из указанных точек. Количественно неравномерность потребления энергии в этой точке может быть оценена такими показателями, как пик-фактор или коэффициент формы. Для линии с преимущественно пригородным движением пик-фактор достигает значений 10-15, а коэффициент формы 3-6. Дополнительные трудности возникают при необходимости пропуска в первичную энергосистему тока рекуперации, для чего выпрямительные тяговые подстанции необходимо оборудовать инверторными агрегатами, что ведет к росту капитальных и эксплуатационных расходов.
Решение указанных двух задач является важным условием снижения себестоимости пригородных перевозок, причем по мере совершенствования электропоездов актуальность этих задач возрастает, так как растет амплитуда энергопотребления и возврата при уменьшении их длительности. Эти задачи наиболее эффективно решаются применением накопителей энергии, которые сглаживают потребление энергии рекуперации, возвращая ее в сеть для компенсации пиков потребления. Современный уровень техники позволяет создавать накопители разных видов: маховичные, индуктивные со сверхпроводниковыми контурами, конденсаторные, электрохимические. Для целей электрической тяги накопитель может быть установлен в следующих местах: на поезде, в середине фидерной зоны, на фидерах подстанции. Технически наиболее просто реализуются накопители стационарного типа, т.е. установленные внутри фидерной зоны или на фидерах подстанции. Накопитель характеризуется следующими показателями: максимальная накопленная энергия (энергоемкость), мощность приема-отдачи, потери энергии при ее хранении, а также за цикл «прием - хранение - отдача».
Рекомендованы накопители для практического использования на линиях с интенсивным пригородным сообщением, рассчитаны их параметры, разработаны принципы управления потоками энергии, выполнено моделирование процесса энергопотребления. Рекомендованы накопители емкостью 7 кВт-ч при мощности приема - отдачи 8-10 МВт. В условиях действия многоставочного тарифа, когда тариф за электроэнергию зависит от неравномерности ее потребления, применение накопителей позволяет в 1,4 - 1,9 раз снизить расход на оплату электроэнергии.
Влияние реэюима рекуперации на неравномерность энергопотребления и на дополнительные потери
В оборудовании подстанций, т.е. на железных дорогах постоянного тока в трансформаторно-выпрямительном агрегате, также происходит наложение токов от разных поездов. Однако, здесь нужно учитывать два момента: - в агрегате подстанции суммируются нагрузки со всех примыкающих участков тяговой сети, т.е. на двухпутной линии с 4-х участков; - поскольку в большинстве случаев используют 2-стороннее питание, то токовые нагрузки на тяговую сеть от отдельных поездов распределяются между соседними подстанциями примерно обратно пропорционально расстояниям х и (1 - х) от поезда до соседних подстанций.
Как правило, в тяговой сети и особенно на подстанции, результирующая нагрузка l{t) имеет уже непрерывный характер; даже для случая при импульсном характере исходной нагрузки от электропоездов пригородного сообщения принято рассматривать эту нагрузку в зависимости от времени как стационарную эргодическую функцию, что позволяет представить ее в форме распределения /?(/). В работах проф.
Марквардта Г. Г. [77, 78] показано, что это распределение является усеченным нормальным (рис. 2.6).
Однако, для данного исследования с точки зрения применения накопителей важно не только результирующее распределение p(l), но и промежутки между экстремумами кривой l{t), что рассмотрено более детально в следующим разделе.
Количественная оценка неравномерности потребления мощности и эффективности сглаживания ее при помощи накопителей энергии Применение накопителей требует введения специфических количественных оценок для расчета неравномерности потребления мощности в транспортной системе. Предварительно имеет смысл рассмотреть классические оценки, обычно применяемые в электроэнергетике. Среди них наиболее простой и широко распространенной является пик-фактор (рис. 2.6, а) М М Я = —а = гтах , (2.1) м Uudt А вычисляемый как отношение максимальной мощности Мтах к средней Мср, причем последнюю вычисляют путем интегрирования кривой потребления мощности в функции времени М(і) за период усреднения Т, который в электроэнергетике обычно принимают равным суткам (Т = 24 ч). Для тягового электроснабжения усреднение целесообразно по характерным периодам графика движения
Эффект сглаживания пика энергопотребления показан на рис. 2.6, а, где исходной кривой потребляемой мощности M{t) соответствует пик-фактор П = 1,6. Если введением накопителя энергии срезать этот пик до значения М#, причем Мср Мн Мт&х, обеспечивая подпитку потребителей на интервале времени tx +t2\ когда М Мя, то пик-фактор снижается до значения
В идеальном случае желательно, чтобы было Эн ЭН , по п "max скольку это обеспечивает идеальное сглаживание и дает П = 1, но обычно такое решение нецелесообразно экономически из-за резкого повышения стоимости накопителя. Обычно необходимую емкость накопителя определяют путем проведения технико-экономического обоснования, учитывая, с одной стороны, стоимость накопителя, и, с другой стороны, обеспечиваемый им положительный эффект.
Последний сводится к следующим факторам: - ограничение предельного значения потребляемой мощности на экономически целесообразном уровне Мн Мтах, поскольку это влияет на величину тарифа по оплате электроэнергии; - снижение потерь электроэнергии в линиях электропередачи и в электрооборудовании подстанций.
В случае превалирующего действия первого фактора для оценки неравномерности энергопотребления и соответственно эффективности применения накопителей энергии целесообразно использовать пик-фактор (2.1). Если же превалирующим является фактор снижения потерь, то пик-фактор (2.1) перестает быть приемлемой оценкой и следует ориентироваться на показатели интегрального типа, например на коэффициент формы l-\M2(t)dt
Потери в системе электроснабжения можно считать пропорциональными квадрату коэффициента формы (см. глава 3). Это позволяет рассчитать зависимости показателей П и Кф от энергоемкости накопителя Эн, одновременно оценив и приведенные затраты Зп , в которых учтены как капитальные расходы на накопитель, так и экономия эксплуатационных расходов, достигаемая при его применении, (рис. 2.6,6).
Для конкретной ситуации могут быть построены графики, показывающие зависимость показателей П и Кф от энергоемкости Эн накопителя электроэнергии. Идеальный случай имеет место при Эн = ЭЯтах, но обычно в практике этот случай недостижим технически или же чаще нецелесообразен экономически ввиду больших капитальных затрат на накопители. Поэтому приходится ориентироваться на некоторое промежуточное значение энергоемкости Эн ЭЯтах, при котором, как показано на рис. 2.6, б, приведенные затраты Зпминимальны.
Конкретный вид кривых П{ЭН) и КФ(ЭН) существенно зависит от характера потребления мощности, причем в случае, когда функция M{t) может рассматриваться как случайная функция, эти кривые достаточно просто получить путем статистического моделирования на ЭВМ. Такое моделирование может быть выполнено на основе исходных вероятностных распределений, характеризующих процесс потребления тока или мощности. Распределения дают статистические характеристики отклонений от среднего значения мощности. В качестве примера на рис. 2.6, в показаны два процесса потребления мощности M\{t) и M2(t); которые характеризуются примерно одинаковыми значениями средней мощности и рассматриваемых показателей. Но с точки зрения применения накопителей процесс 1 менее благоприятен, так как требует примерно вдвое более высокого значения энергоемкости, чем процесс 2.
Если функцию M(t) считать случайной функцией, обладающей свойствами стационарности и эргодичности, то в основу статистического моделирования могут быть положены распределения вероятностей для максимумов и минимумов мощности (рис. 2.6, г), потоков приема -отдачи энергии в цепи обмена «накопитель-потребитель» (рис. 2.6, д) и длительностей приема - отдачи т (рис. 2.6, ё), а также длительностей цикла Г (рис.2.7, ж). Могут быть использованы и более детальные оценки, связанные с автокорреляционными зависимостями в кривой M(t).
Расчет электроэнергетической системы с накопителем энергии сводится к тому, что при помощи датчиков случайных чисел поочередно моделируют значения A/max,Mmin и Э(+),Э(-\т,Т и при этом для предварительно заданной энергоемкости накопителя анализируют реально принимаемые и отдаваемые потоки энергии, а также наличие энергии в накопителе, которое не должно превышать его энергоемкости. Эффект оценивают по реально получаемой кривой М (t), подсчитывая для нее показатели П и Кф.
Методика электротехнического расчета условных потерь
Для современной энергетики большое значение имеют требования, которые относятся к качественным показателям энергетических установок. В этом плане возрастает роль накопителей энергии, которые обеспечивают решение задач накопления, хранения, преобразования и экономии энергии. В электрической тяге они позволяют реализовать оптимальные по условию минимума потерь режимы работы тягового оборудования.
Под накопителем энергии понимается [20] устройство, позволяющее накапливать в нем энергию любого вида в течение периода заряда t3, а затем, в течение периода разряда tp, передавать существенную часть этой энергии нагрузке. Взаимосвязь параметров накопителя при заряде и разряде определяется законом сохранения энергии, выражаемым соотношением энергобаланса
Значения t3 и tp, а также энергетические показатели rj3 и r\p при заряде и разряде могут сильно различаться и поэтому существует несколько главных направлений использования накопителей. Их основная роль может сводиться к аккумулированию избыточной энергии при отключении значительной части потребителей и последующему использованию накопленной энергии в периоды интенсивного энергопотреб ления. В таком случае t3 и tp имеют примерно одинаковый порядок, а энергетические показатели при заряде и разряде близки. Примером такого типа накопителя является гидроаккумулирующая электростанция, в которой в ночные часы избыточная электроэнергия направляется в гидротурбины, которые реализуют накопление потенциальной энергии воды, поднятой на необходимую высоту помощью электродвигателей, вращающих турбоагрегаты и исполняющие роль насосов, подающих воду в верхний резервуар. В часы пик потребления вода из верхнего резервуара опускается в нижний резервуар, обеспечивая вращение турбоагрегатов в генераторном режиме для получения дополнительной электроэнергии на покрытие пиков.
Накопители могут использоваться для улучшения показателей энергосистем при кратковременном включении потребителей повышенной мощности, компенсировать пиковые нагрузки и улучшать устойчивость работы энергоустановок и систем электропитания. В таком случае они являются демпфирующими элементами между генерирующими установками в первичной сети и потребителями, работающими в нестационарных режимах (для электрической тяги такими потребителями являются поезда, потребляющие электроэнергию из тяговой сети).
Другое назначение накопителей - преобразование энергии. Такого типа накопителем является энергоустановка космического аппарата с электрохимическим генератором, который в режиме накопления энергии преобразует электрическую энергию от солнечных батарей в химическую за счет разложения рабочего вещества на соответствующие компоненты, а на стадии вывода энергии реакция взаимодействия этих компонентов создает электрическую энергию.
Есть также накопители, которые в соответствующих режимах обеспечивают преобразование определенных показателей определенного вида энергии. Если в накопителе tp « t3 то из (4.1) следует, что Мр » М3 т.е. мощность, отдаваемая накопителем, превышает мощность, потреб-" ляемую им при заряде от первичного источника энергии - накопитель действует как трансформатор мощности. Накопителем такого типа является емкостный накопитель, позволяющий выводить в нагрузку токи значительно большие, чем при его заряде. В индуктивном накопителе за счет ЭДС самоиндукции получаются напряжения, значительно превышающие напряжения источника питания. Механические накопители энергии допускают взаимное преобразование кинетической и потенциальной энергии.
Некоторые типы накопителей могут работать в режиме относительно длительного хранения энергии (химические, механические и др.). Каждый из этих типов имеет свои специфические особенности, поэтому их проектирование и использование является весьма разнородной задачей.
Для топливных элементов (электрохимических генераторов) и аккумуляторных батарей главные технические проблемы - это обеспечение оптимальных физико-химических реакций, а также решение технологических и материаловедческих задач.
Индуктивные накопители рассматривается с учетом электромагнитных процессов, геометрии катушек, прочностных характеристик, тепловых режимов.
Употребление емкостных накопителей - это необходимость решения проблем оптимальных режимов заряда конденсаторов и согласования характеристик систем с накопителями в динамических режимах. При изучении накопителей магнитной и электрической энергии особое значение приобретают вопросы коммутации цепей при больших токах и напряжениях, которая не может обеспечиваться типовой аппаратурой и необходимая разработка специальных замыкателей и размыкателей. Анализ механических накопителей связан с вопросами динамики механических процессов и прочности, а для электромеханических и электродинамических накопителей не меньшее значение отводится электрическим переходным процессам и тепловым режимам.
Математическая модель электрохимического накопителя энергии
Для поезда, состоящего из 6-ти вагонов, энергия эта будет соответственно равна 68,4 МДж, значит для двух поездов, одновременно отдающих энергию вблизи остановки - 136,6 МДж. В соответствии с работой [27] эффективность рекуперации для вагонов серии И при скорости начала торможения, равной 20 м/с, составляет около 55%, это означает, что в контактную сеть может быть возвращена энергия, равная примерно 73,8 МДж. Принимая во внимание, что в рассматриваемой двухсторонней системе питания, энергию из контактной сети могут отбирать не менее двух соседних накопительных подстанций, то можно оценивать необходимую энергоёмкость накопителя энергии примерно в 60 МДж.
На основе данных реального объекта - инерционного накопителя, описанного в работе [62] принято, что маховик состоит из трёх дисков с внешним диаметром 1000 мм и высотой 360 мм. Масса маховика вместе с валом, на котором закреплены диски, составляет около 2060 кг, и значит его массовый момент инерции составляет 230 кгм2. Маховик закрыт внутри корпуса, с разряженным воздухом с целью уменьшения сопротивления вращению. Скорость вращения маховика изменяется в пределах от 2400 об/мин = 251,3 рад/с до 7200 об/мин = 754 рад/с. Энергоёмкость маховика равна :
Из характеристики маховика, о котором сообщалось в подразделе 7.4.2 [62] следует, что после 30 минут от начала фазы выбега, при на 230 чальной частоте вращения, равной 7200 об/мин, частота вращения уменьшается до значения 6200 об/мин. Суммарное время выбега (уменьшения скорости вращения до нуля) составляет 365 минут. После подстановки этих значений в уравнение (7.4) получим систему из двух связанных алгебраических уравнений, определяющих величины А и В :
Хотя в дальнейшем рассуждения будут проведены для накопительных подстанций с инерционными накопителями, то решения относи 231 тельно характеристик накопительных подстанций имеют общий характер и их можно отнести к любому типу накопителя энергии. В общем случае внешнюю характеристику накопительной подстанции можно представить как зависимость тока подстанции от напряжения в контактной сети в месте подсоединения накопительной подстанции к контактной сети. Обычно значения тока откладываются на оси абсцисс, а напряжения - на оси ординат. В общем случае характеристика ток - напряжение накопителя энергии является ещё функцией степени зарядки накопителя, например, в процессе разрядки электрохимического аккумулятора напряжение на его зажимах снижается. В случае инерционного накопителя энергии маховик накопительной подстанции взаимодействует, посредством механической передачи или муфты, с ротором электрической машины. В типовых решениях используются машины постоянного тока с независимым возбуждением или машины переменного тока (асинхронные, реже синхронные) с соответствующей автоматической системой регулирования.
В случае накопительных подстанций с машиной постоянного тока с независимым возбуждением автоматическая система регулирования реагирует на изменения напряжения в контактной сети и, учитывая значение скорости вращения маховика, так регулирует значение тока возбуждения, чтобы создаваемый этим током магнитный поток возбуждения обеспечил достижение накопительной подстанцией обозначенного на характеристике подстанции режима работы. Существует при этом несколько возможностей:
Жёсткая характеристика ток - напряжение (рис. 7.2) - в этом случае система регулирования путём изменения возбуждения компенсирует падение электродвижущей силы, вызванное уменьшением скорости вращения ротора электрической машины. Если UQ означает
Внешняя характеристика накопительной подстанции с машиной постоянного тока с независимым возбуждением: а) характеристика ток - напряжение для постоянного значения магнитного потока возбуждения; б) зависимость потока возбуждения от скорости вращения маховика.
Характеристика подстанции для случая постоянного магнитного потока возбуждения (рис. 7.3) - в этом случае из уравнения (7.8) следует, что для постоянного значения магнитного потока, равного
Внешняя характеристика накопительной подстанции с машиной постоянного тока с независимым возбуждением: а) характеристика ток - напряжение для линейной зависимости потока возбуждения от скорости вращения; б) зависимость потока возбуждения от скорости вращения маховика.
Накопительные подстанции с электрической машиной переменного тока с учётом других регулировочных свойств этих машин оборудуются преобразователями, формирующими в системе возбуждения изменения тока или напряжения регулируемой амплитуды и частоты. Это позволяет получить практически любые из выше представленных внешних характеристик. Дополнительно электрическая машина переменного тока легче, дешевле, имеет простую конструкцию и допускает большую скорость вращения.
В имитационных исследованиях электрическая машина представлена как «чёрный ящик» и не объясняются в общем решения из области теории электрических машин и вопросы выбора электрической машины. Это является отдельной исследовательской задачей, которая требует отдельных определённых исследований.
С учётом большей универсальности дальнейших решений и имитационных исследований приняты подстанции с внешними характеристиками, представленными на рис. 7.2, причём дополнительно учтены возможность наличия зоны нечувствительности на характеристике (рис. 7.5) и её влияние на свойства подстанции.
Для накопительных подстанций с машинами переменного тока в состав системы управления входят управляемые выпрямители и преобразователи частоты, которые питают электрическую машину в двигательном режиме (аккумулирование энергии) электрическим током регулируемого напряжения и частоты. Переход в генераторный режим (возврат энергии в контактную сеть) реализуется путём снижения частоты питания. Путём применения соответствующего алгоритма управления можно получить практически любую внешнюю характеристику накопительной подстанции.
В накопительных подстанциях с инерционными накопителями энергии необходимо определение изменений скорости вращения маховиков, являющейся показателем мгновенного энергетического состояния - степени заряда накопителя. С этой целью необходимо рассмотрение двух случаев - заряда накопителя энергии и его разряда.
