Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Резервы повышения эффективности работы системы тягового электроснабжения постоянного тока
1.1Постановка задачи 12
1.2. Строительство промежуточных тяговых подстанций 12
1.3. Увеличение сечения проводов контактной сети 13
1.4. Поперечные соединения на многопутных участках 13
1.5. Рекуперация энергии 15
1.5.1. Особенности режимов работы при рекуперации энергии 15
1.5.2. Требования к системе тягового электроснабжения при рекуперации 18
1.6. Применение накопителя энергии 20
1.6 . Обзор существующих накопителей энергии и выбор рекомендуемого типа для электрифицированных железных дорог постоянного тока 22
Выводы 31
Глава 2 Разработка схемы подключения спин к тяговой подстанции постоянного тока и исследование режимов его работы
2.1. Постановка задачи 33
2.2. Обоснование требований к функциям СПИН в тяговых сетях постоянного тока 34
23. Предлагаемая схема подключения СПИЛ к тяговой подстанции через промежуточный блок передачи энергии 38
2.4. Компьютерная модель ТП постоянного тока со СПИН 41
2.4Л. Разряд емкости С^ на емкость С 45
2.4.2. Переходные процессы в неразветвленной цепи при разряде онденсатора С на индуктивность Ьсіш 48
2.5. Режим выравнивания нагрузки подстанции . 52
2.6. Режим длительного хранения энергии 56
2-7. Режим приема избыточной энергии рекуперации 56
2.8. Режим возврата энергии накопителя в тяговую сеть 64
2.9, Элементная база 72
Выводы 73
Глава 3 Имитационное моделирование работы системы тягового электроснабжения при рекуперации со спин
3.L Постановка задачи 74
3.2. Общий алгоритм функционирования имитационной модели двухпутного участка 75
33. Структура входного информационного файла 79
З.4 Учет токовых нагрузок поездов на отрезках пути 81
3.5. Формирование графика движения поездов 82
3.6. Разработка методики расчета мгновенных схем при рекуперации с НЭ 89
3.6.1. Постановка задачи 89
3.6.2- Методика расчета мгновенных схем при рекуперации с накопителем энергии 90
3.7. Моделирование графиков нагрузки ТП 97
3.7.1, Моделирование графика нагрузки ТП с НЭ на участке без рекуперации 97
37.2. Моделирование графика нагрузки ТП с НЭ на участке с рекуперацией 1 0J
Выводы 104
Глава 4 Энергетические процессы в системе тягового электроснабжения со спин
4.1 Постановка задачи 105
4.2 Расчет энергоемкости СПИН 105
4.3 КПД установки со СПИН 108
4.3.1. Особенности КПД системы, содержащей конденсатор 109
4.3.2. КПД установки при разряде СПИН на нагрузку 117
4.3.3. КПД установки при заряде СПИН от ТП 125
4.3.4. КПД установки со СПИН 125
Выводы 132
Глава 5 Технико-экономическая эффективность применения спин
5.1 Постановка задачи 133
5.2 Конструктивные особенности СПИН 134
5.2.1. Определение параметров катушки Брукса 134
5.2.2. Конструктивные параметры односекционного тороидального СПИН 136
5.2.3. Секционирование обмотки СПИН 13С
5.3. Технико-экономическая эффективность применения СПИН 148
5.4. Анализ влияния расчетов за электроэнергию по дифференцированным тарифам на эффективность применения СПИН 153
Выводы 160
Заключение 161
- Увеличение сечения проводов контактной сети
- Предлагаемая схема подключения СПИЛ к тяговой подстанции через промежуточный блок передачи энергии
- Учет токовых нагрузок поездов на отрезках пути
- Расчет энергоемкости СПИН
Введение к работе
Актуальность темы. В последние годы приняла особое значение проблема сокращения энергопотребления и экономии топливно-энергетических ресурсов. Система тягового электроснабжения является одним из наиболее энергоемких потребителей- Ее специфической особенностью является значительная неравномерность потребления электроэнергии на двшкенис поездов и существенные потери в системе электроснабжения,
В соответствии с Постановлением Правительства Российской федерации от 2 ноября 1995г. №1087 «О неотложных мерах во энергосбережению», Постановлением коллегии МПС РФ №35 от 21 декабря 1994г., Указанием МПС от 12 января 1995г. №Н-100у? Указанием МПС от 9 декабря 1995г. №А-938у5 Указанием МПС №А~478у от 30 апреля 1996 г. «Об отраслевое! программе по сбережению топливно-энергетических ресурсов» на первое место выдвигаются ресурсосберегающие технологии. Поэтому необходимы новые технические решения, направленные на экономию электрической энергии в СТЭ- Работы, проводимые в этом направлении, сегодня являются наиболее актуальными.
Следует особо отметить вновь проявленный в последнее время в нашей стране и за рубежом интерес к различного рода накопителям энергии с целью повышения технико-экономических показателей электрической тяги [1-3]. Особый интерес среди них представляют - сверхпроводниковые индуктивные накопители энергии (СПИН) с возможностью длительного срока ее хранения [4], которьтм несомненно принадлежит будущее в различных областях электроэнергетики. Явление сверхпроводимости известно уже более 90 лет. Значительный вклад в фундаментальные исследования в области сверхпроводимости и прикладной сверхпроводимости внесли такие ученые как B.JL Гинзбург, КА. Черноплекое, И.А. Глебов, Ю.А. Осипьян, ПИ- Марчук, СВ. Гапонов, В,Б Зенкевич, В.В. Сычев, В.А, Лабунцов, И.В. Якимец, Ш.И
Лутидзе, AT. Тер-Газарян, Д.А. Бут, Б. Л Алиевский, СР. Мизюрин, ВЛ. Веников, Ю.Н. Астахов а также другие ученые. Проблемы применения накопителей энергии в системах тягового электроснабжения исследовались в работах А.С. Бочева, Е.П. Фигурнова, В,Д. Карминского, ВИ Феоктистова, В.Н. Пупынина, АЛ Быкадорова, АД. Петрушина, М. Павелчика и других.
Учитывая накопленные знания и опыт в области сверхпроводимости, следует ожидать, что в первое десятилетие XXI в. начнется промышленное производство и освоение нового поколения сверхпроводникового электротехнического оборудования. Сегодня в индустриально развитых странах существуют специальные, финансируемые правительством программы по развитию и применению сверхпроводниковых технологий в различных областях деятельности. Такие программы есть в США, Японии и в странах Европы.
Например, в США существует программа «Сверхпроводимость для электроэнергетики 1996-2010 гг.» [5]. Официальная цель этой программы сформулирована следующим образом: «к 2010 г., периоду наиболее активной замены электроэнергетического оборудования, отработавшего свой ресурс во многих энергосистемах мира, электромашиностроительные фирмы США должны завоевать большую часть мирового рынка, предъявив ему дешевое и компактное сверхпроводниковое оборудование, превышающее по эффективности и надежности оборудование традиционного (резистивного) исполнения. Включение сверхпроводниковых компонентов в коммерческое электротехническое оборудование призвано обеспечить глобальное стратегическое преимущество промышленности США в XXI веке».
Сверхпроводниковые технологии нового поколения превосходят по всем параметрам традиционные и обеспечивают повышение эффективности оборудования, соблюдение режима энерго- и ресурсосбережения при минимальной нагрузке на окружающую среду. Сегодня на основе этих технологий активно ведутся работы по созданию сверхпроводниковых
генераторов, трансформаторов, двигателей и других устройств энергетического назначения.
В России решением проблем сверхпроводниковых технологий и
разработкой соответствующего оборудования занимаются такие крупнейшие
научные центры как Институт сверхпроводимости и физики твердого тела РНЦ
«Курчатовский институт», Научно-исследовательский институт
электрофизической аппаратуры (НИИЭФА) им. ДБ. Ефремова, ГНЦ РФ «Всероссийский электротехнический институт», Московский государственный инженерно-физический институт (МИФИ) и другие.
За рубежом уже имеется опыт применения сверхпроводникового индуктивного накопителя энергии на железнодорожном транспорте. Так, в Германии в Мюнхене на тяговой подстанций переменного тока Пассинг, работающей при напряжении 15 кВ и частоте 16 2/3 Гц [3], использован СПИН для выравнивания нагрузки.
Учитывая вышесказанное, можно сделать вывод о том, что для успешного развития отечественной промышленности в XXI веке, требуется ускоренное развитие и использование сверхпроводниковых технологий как в электроэнергетике, так и в других отраслях. Дальнейшие работы по усовершенствованию эффективности системы тягового электроснабжения постоянного тока могут быть выполнены на основе сверхпроводниковых технологий.
Полигон железных дорог, электрифицированных на постоянном токе в России, сегодня составляет приблизительно 20000 км. Создание электроподвижного состава постоянного тока нового поколения [6], в котором используются асинхронные двигатели и прямые преобразователи на базе биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT), подключаемые непосредственно к контактной сети позволяют вновь ставить вопрос о том, что модернизация железных дорог постоянного тока является актуальной.
Цель работы. Целью диссертационной работы является исследование принципиальной возможности применения СПИН в тяговых сетях постоянного тока для уменьшения потерь энергии и теоретическое обоснование стационарных и переходных режимов работы и схемотехнических решений СПИН в тяговом электроснабжении.
Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:
разработаны требования к СПИН, установленному на тяговой подстанции (ТП) постоянного тока;
разработан способ и схема дозированного двустороннего обмена энергией СПИН с системой тягового электроснабжения;
исследована работа СПИН в стационарных режимах;
исследованы переходные процессы при работе СПИН в различных режимах;
исследована возможность применения СПИН в качестве приемника избыточной энергии рекуперации;
разработана методика расчета энергоемкости СПИН;
исследовано влияние конструкции СПИН на параметры коммутационных аппаратов;
исследована технико-экономическая эффективность применения СПИН в тяговых сетях постоянного тока;
исследована эффективность применения СПИН в условиях применения дифференцированных тарифов.
Методика выполнения исследований- Для решения поставленных задач принят комплексный метод исследований, включающий в себя анализ и обобщение данных научно-технической литературы, теоретические и экспериментальные исследования, которые базируются на использовании современных методов компьютерного моделирования и соответствующих пакетов прикладных программ для схемотехнического моделирования. В работе также использованы методы математического моделирования, высшей
алгебры, теории вероятностей, методологические принципы исследования операций и математические методы обработки научных результатов.
Научная новизна. В диссертации впервые решен ряд теоретических задач, посвященных проблемам использования СПИН в СТЭ железных дорог постоянного тока 3?3 кВ, б том числе;
предложен способ и разработана схема дозированного двухстороннего обмена энергией СПИН с системой тягового электроснабжения;
разработана математическая модель СПИН, подключенного к системе тягового электроснабжения;
разработана методика исследования стационарных режимов, включая режим рекуперации, и переходных процессов в СТЭ при использовании СПИН;
создана имитационная модель СТЭ, в которой впервые учтен СПИН в качестве приемника избыточной энергии рекуперации;
разработана методика расчета энергоемкости СПИН;
разработана методика расчета индуктивности многосекционного тороидального СПИН для ТП;
предложена методика технико-экономической оценки эффективности применения СПИН в тяговых сетях постоянного тока при расчетах за электроэнергию по одноставочному или дифференцированному тарифам.
Практическая ценность работы. Выполнен большой объем теоретических исследований, на базе которых разработаны принципиальные схемные решения и методики, позволяющие обоснованно подходить к расчетам и практической реализации внедрения СПИН на электрических железных дорогах.
Апробация работы. Основные положения, изложенные в диссертации, докладывались и были одобрены на: между народ ной научно-практической конференции «Проблемы и перспективы развития железнодорожного
транспорта» (г.Роетов-на-Дону, 28 октября 1999 г.); на 59-й отраслевой научно-теоретической конференции профессорско-преподавательского состава «Транспорт - 2000»; на второй отраслевой научно-технической конференции «Актуальные проблемы развития желез иод оро лен ого транспорта и роль молодых ученых в их решении» (г. Ростов-на-Дону, 23-24 ноября 2001 г.); на 60-ой отраслевой научно-теоретической конференции профессорско-преподавательского состава «Транспорт - 2001»; на 61-ой отраслевой научно-теоретической конференции профессорско-преподавательского состава «Транспорт - 2002»; на 62-ой отраслевой научно-теоретической конференции профессорско-преподавательского состава «Транспорт - 2003».
Публикации. По материалам диссертации опубликовано S печатных работ.
Объем работы- Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературных источников и приложений. Она содержит 171 страницу основного текста, в том числе 83 рисунка и 8 таблиц, список литературных источников содержащий 93 наименования и 6 приложений на 24 страницах.
Увеличение сечения проводов контактной сети
Одной из мер повышения эффективности работы системы электроснабжения является строительство промежуточных тяговых подстанций. При этом примерно посередине между существующими подстанциями сооружается еще одна дополнительная. Сокращение фидерной зоны приводит к повышению напряжения на участке, снижению потерь мощности, уменьшению сечения проводов контактной сети. Эта мера позволяет значительно увеличить пропускную способность участка. Надежность всей системы тягового электроснабжения участка при этом возрастает- Однако сооружение дополнительных тяговых подстанций требует значительных капиталовложений. Поэтому этот способ не всегда приемлем и может быть использован только на участках с большими объемами движения, где это будет экономически целесообразно,
Увеличение сечения проводов контактной сети снижает потери напряжения и энергии в тяговой сети, приводит к некоторому увеличению эффективности рекуперации- Этот способ реализуется увеличением сечения непосредственно самой контактной подвески, введением второго (дополнительного) контактного провода, устройством дополнительных усиливающих проводов, подвешиваемых на опоры контактной сети с полевой стороны. Увеличение сечения в свою очередь приводит к удорожанию контактной подвески. К тому же число усиливающих проводов ограничено конструктивными особенностями опор (ограничения по механическим нагрузкам на опору).
На двухпутных или многопутных участках контактные подвески отдельных путей могут питаться отдельно (схема раздельного питания) или они могут быть соединены между собой специальными поперечными соединителями в одной точке (узловая схема), либо в нескольких точках (схема параллельного соединения путей).
Применение поперечных соединений проводов контактной сети приводит к выравниванию нагрузок в проводах. Это выравнивание позволяет уменьшить потери энергии и потери напряжения в сети, уменьшить сечение проводов контактной сети. Кроме того, поперечные соединения проводов контактной сети улучшают условия рекуперации энергии, так как облегчают передачу энергии от рекуперирующего локомотива к локомотиву, следующему Б тяговом режиме по другому пути.
Влияние соединения проводов отдельных путей двухпутного участка на потери энергии в сети и потери напряжения от подстанции до поезда поясняется рис. 1.1. При построении изображенных на этом рисунке кривых принято, что в рассматриваемой зоне движется только один поезд по одному пути. Потеря мощности и потеря напряжения при полном параллельном соединении проводов путей при расположении нагрузки в середине фидерной зоны обозначены через ДР0 и AU0. Потери напряжения при других схемах и в других точках даны в виде отношения этих величин к ДР0 и AU0 при неизменном сечении проводов. Длина фидерной зоны принята равной единице. По оси абсцисс отложена длина в долях этой единицы. Как видно из рис. Ы, поперечное соединение проводов различных путей в рассматриваемом случае дает заметное уменьшение потерь энергии и потерь напряжения в проводах контактной сети.
Увеличение числа нагрузок на обоих путях уменьшает степень выгоды от таких соединений, однако она остается все же столь ощутимой, что, как правило, во всех проектах предусматриваются такие поперечные соединения.
В реальных условиях соединение проводов контактной сеш двухпутного участка в одной точке (в середине) дает уменьшение потерь энергии на 11-15% (при неизменном сечении проводов). Если поперечные соединения расположены равномерно по длине фидерной зоны в трех точках, то экономия в потерях энергии достигает 21-24%.
Рекуперативное торможение является эффективным средством, применяемым как для поддержания постоянной скорости движения на спусках, так и для снижения скорости перед остановками или участками с ограниченной скоростью движения.
При рекуперативном торможении электрическая энергия, вырабатываемая тяговыми двигателями, передается через тяговую сеть потребителям: локомотивам, работающим в тяговом режиме или при их недостаточном количестве - приемникам избыточной энергии.
Для работы в режиме рекуперации машинист электровоза переходит на схему рекуперативного торможения и увеличивает напряжение на электровозе до уровня, при когором устанавливается ток рекуперации, отвечающий требуемому тормозному эффекту. При этом необходимо, чтобы процесс установления тока рекуперации имел устойчивый характер, т.е. повышение напряжения на электровозе должно сопровождаться ростом тока и наоборот. Тогда, меняя напряжение, машинист будет иметь возможность свободно регулировать ток рекуперации, а следовательно, и тормозную силу.
В настоящее время в качестве приемников избыточной энергии рекуперации на тяговых подстанциях (ТП) применяются: инверторы и поглощающие устройства (балластные сопротивления).
Предлагаемая схема подключения СПИЛ к тяговой подстанции через промежуточный блок передачи энергии
При разработке схемы подключения СПИН к тяговой подстанции была поставлена задача внесения минимальных изменений в существующую схему подстанции.
В качестве базовой схемы подстанции, подлежащей модернизации, была выбрана типовая схема тяговой подстанции постоянного тока, на которой предусмотрена установка понижающего трансформатора, выпрямителъно -инверторных преобразователей, сглаживающего фильтра, содержащего: реактор Lp=5 мГн и емкость Сф=400 мкФ [47].
Рассматриваемая схема ТП была дополнена СПИН, который включает в себя: сверхпроводниковую катушку индуктивности - СКИ, промежуточный блок передачи энергии, состоящий из полупроводниковых управляемых ключей - запираемые тиристоры, блока конденсаторов и криотронов. При этом
На рис. 2.5 представлена предлагаемая схема подключения СПИН на Ш, где показан: силовой іраї інформатор Т, выпрямитель тяговой подстанции В? сверхпроводншшвый индуктивный накопитель энергии СПИН, сглаживающий фильтр, состоящий из конденсатора Сф и реактора Lp. блок конденсаторов С, криотроны К1-кК4, находящиеся в холодной зоне, полупроводниковые управляемые ключи ШСІ ІЖб, блок управления БУ система датчиков тока ДТ, направления тока ДНТ и напряжения ДНа электроподвижной состав ЭПС, контактная сеть КС, рельс Р.
Предлагаемая схема НЭ является реверсивной и позволяет как отбирать энергию из СШЩ так и закачивать энергию в него [48].
Энергия от СПИН в тяговую сеть постоянного тока и обратно поступает порциями с промежуточным запасом ее в блоке конденсаторов, который выполняет функцию «буферного» накопителя энергии. Сам процесс перераспределения энергии между СКИ, блоком конденсаторов и тяговой сетью выполняется с помощью полупроводниковых ключей, находящихся вне охлаждаемой зоны и криотронов (криотрон - управляемый сверхпроводящий ключ, который в зависимости от управляющего сигнала принимает одно из двух стабильных состояний - сверхпроводящее или резистивное). Таким образом, наличие блока конденсаторов позволяет сделать процесс управляемым, т-к. непосредственная коммутация СКИ на тяговую сеть связана с разрывом больших токов, что приводит к аварийным режимам (см. пл.2.2). Блок конденсаторов, получая порцию энергии на кратковременное хранение порядка единиц миллисекунд, позволяет перевести СКИ Б режим хранения энергии, когда СКИ замкнута на себя, и в этот период отключить ее от тяговой сети.
Такое подключение НЭ обеспечивает четыре режима работы. Первый режим - накопление энергии в СПИН от ТП. В этом режиме СПИН принимает энергию от рекуперирующего ЭПС или от ТП в период спада нагрузки. Второй режим - длительное хранение энергии, В этом режиме контактная сеть питается от трансформатора Т и выпрямителя В? а запасенная: энергия в СПИН хранится за счет циркуляции в нем тока без потерь. Третий режим — отдача энергии из СПИН в контактную сеть. Этот режим позволяет снизить передачу энергии от внешней энергосистемы на ТП в период пика энергопотребления, за сч т передачи энергии из СПИН в КС, т.е. за счет параллельной работы ТП и СПИН на КС. Четвертый режим - прием энергии рекуперации от ЭПС. Следует отметить, что процесс заряда СПИН от ЭПС аналогичен заряду СПИН от ТП. Имеются лишь особенности перевода СПИН в режим приемника избыточной энергии, которые рассмотрены в соответствующем разделе диссертации.
Для исследования режимов работы ТП постоянного тока со СПИН, подключенным через промежуточный блок передани энергии, была построена ее компьютерная модель, схема замещения которой представлена на рис. 2.6. ГС системе электроснабжения постоянного тока тяговые двигатели ЭПС подключены непосредственно к контактной сети. Это усиливает взаимосвязь процессов в тяговой сети и ЭПС. Кроме того, її системе постоянного тока индуктивные элементы сосредоточены на тяговой подстанции (реакторы, сглажинающие устройства). Наличие на подстанциях сглаживающих фильтров с относительно большой эквивалентной емкостью может вызывать колебательные процессы, приводящие к перенапряжениям,
В связи с непосредственной электрической связью тяговых двигателей ЭПС с контактным прошдом возможно большое разнообразие переходных процессов, как в системе электроснабжения, так и на ЭПС, Поэтому модель ЭПС постоянного тока может быть заменена эквивалентной цепью содержащей активное сопротивление КЭпс, индуктивность ЬЭпс и противо-ЭДС - Езпс [49].
Схема приведенная на рис. 2.6 использовалась для расчета переходных процессов в системе «ЭПС- Ш-СПЙН».
В схеме замещения приняты следующие обозначения: Нэпе - активное сопротивление электровоза; Ьэпс — индуктивное сопротивление электровоза; Еэпс - противо-ЭДС; RTC - активное сопротивление тяговой сети; Етп - ЭДС трансформатора ТП; Е.тп - активное сопротивление ТП; Д-диод; LP индуктивное сопротивление сглаживающего фильтра; Кф - активное сопротивление сглаживающего фильтра; Сф - емкость сглаживающеш фильтра; R - активное сопротивление блока конденсаторов: С - емкость блока конденсаторов; Lcels - индуктивность СКИ; ПК1-ПК6 - полупроводниковые управляемые ключи (IGCT); КІ-К4 -крио-фоны, находящиеся в холодной зоне. J Наибольшие трудности при реализации этой модели вызывает определение параметров схемы замещения.
Сопротивление тяговой сети зависит от многих факторов, прежде всего таких как тип контактной подвески и рельсов, нагрузка сети, проводимость земли, величина тока в рельсах и т.д. Поскольку в эксплуатации перечисленные факторы меняются в широких пределах, то в модель вводятся усредненные величины сопротивлений, приведенных в справочной литературе [49-55].
Учет токовых нагрузок поездов на отрезках пути
Как известно, наибольшее приближение к реальным значениям, токов, потребляемых поездами, на реальном профиле дает специальный тяговый расчет. Однако для оценки эффективности тех или иных устройств, применяемых в тяговой сети, допустимо использование упрощенного варианта токовых нагрузок на основе удельных расходов энергии [69]. В рассматриваемой модели применен этот вариант.
При этом величина среднего тока на отрезке Л1 определяемая на основе удельных расходов энергии на движение поезда находится по известной [69] формуле; где m - масса поезда зависит от его типа; Дії - длина отрезка (км).
При средней скорости поезда Vcp величина среднего тока на отрезке Д1, составил: где V - средняя скорость поезда, "N =60 км/ч; U - напряжение на токоприемнике.
На основе вычислений по формулам 3.1-3.3 формируется 3 одномерных массива величины среднего тока на отрезке Alt. Это обусловлено тем, что \ю фидерной зоне в рассматриваемой модели принято движение трех типов поездов: грузовых, порожних и пассажирских.
Вероятностное моделирование графика движения состоит из нескольких укрупненных операций: - определение очередности следования типов поездов; - определение межпоездпых интервалов между каждой парой поездов; - организация продвижения поездов по участку с шагом моделирования AL
Все операции выполняются независимо для каждого пути. Для определения очередности типов поездов необходимо в соответствии с заданным количеством поездов каждого типа разбить числовую ось от 0 до 1 ла доли, пропорциональные количеству поездов каждого типа. Пусть например, количество поездов в сутки в одном из направлений составляет: грузовых Nir=60; порожних Мшо=25; пассажирских Nmc=15. При этом суммарное число поездов Nlz: относительные значения числа поездов каждого типа N r, N\nQi N y! . будут:
Для определения очередности следования типов поездов независимыми датчиками случайных чисел вырабатываются последовательности случайных чисел {р]г}и {(/ 2І), для каждого из направлений соответстнешю.
Для каждого ри на нечетном пути проверяются неравенства: какой интервал числовой оси 0-1 попадает значение { ?,,}, назначается соответствующий тип поезда. Аналогично на основе { p2l} назначают типы поездов на нечетом пути.
В результате получают массив, содержащий информацию о типах поездов и порядке их выпуска па фидерную зону.
Определение интервалов между поездами в данной модели производится в соответствии с интегральным законом распределения интервалов, представляющим экспоненту со сдвигом [71,74]: Значения F{T) лежат в интервале О-П. Поставим в соответствие значениям F(r) случайные числа {#?,}? тогда:
В таблице 3.1 приведены фрагменты результатов формирования межпоездных интервалов для нечетного и четного направлений. В результате формируется массив, содержащий информацию о меяшоездных интервалах.
В соответствии с рассмотренным выше алгоритмом формировался график движения поездов, фрагмент которого представлен на рис. 3.4.
В результате, прове, (.епных расчетов в п. ЗА оформ ировано 3 одномерных массива CurentsliqkK для каждой категории поездов с токами, потребляемыми ими при движении по фидерной зоне в зависимости от уклона.
На рис. 3.5 для В 1 (грузовой поезд) приведен пример массива токов. Чтобы из этих массивов выделить те значения токов, которые соответствуют местам расположения и чипам поездов, выпущенных на участок, формируется 3 массива координат для каждой категории поездов: Coordinates_K3 где К -признак юс типа (1 - грузовой, 2 - порожний, 3 - пассажирский),
Число элементов каждого из этих массивов равно числу узлов схемы, в которые заносятся поезда, выпущенные на участок. Критерием
Расчет энергоемкости СПИН
Для определения энергоемкости СІ ШН необходимо рассмотреть график изменения нагрузки подстанции Н с включенным СПИН. При этом ЫЭ будет накапливать энергию от системы внешнего электроснабжения во время спада тяговой нагрузки или от рекуперирующего поезда и отдавать ее в тяговую сеть при увеличении тяговой нагрузки. Очевидно, что энергоемкость СПИН будет зависеть от условий выравнивания графика На каждом шаге времени tj пока 1тп 1мр энергия, поступающая в СПИН при заряде, рассчитывается по формуле: Фрагмент графика изменения энергии СПИН приведен на рис. 4 Л. На имитационной модели был получен график изменения энергии СПИН за сутки при 13ар = 900 А, Іраз 1600 А. Результаты моделирования представлены на рис. 4,2. Для определения энергоемкости СПИН необходимо выбрать участок с наибольшим перепадом при разряде. На рис. 4.2 это участок 1. Максимальное значение энергии запасенной в СПИН на этом участке достигает значения 4076 кВтл, а минимальное значение -1776 кВт.ч. На основании изложенного можно предложить следующий порядок определения энергоемкости НЭ: на имитационной модели для заданных размеров движения и параметров участка моделируется график нагрузки ТП без НЭ; задаются уставкой тока заряда НЭ, равной среднему току подстанции и рядом значений токов разряда (см. Таблицу 4.1); на им итационной модели для этих условий работы НЭ рассчитывается график тока подстанции; на основе графика тока подстанции с НЭ и без аеїчз рассчитывается суточный график энергии НЭ; по наибольшей величине разряда НЭ находится его энергоемкость. 4,3. КПД установки со СПИН Определение КПД установки со СПИН имеет существенное значение для оценки ее технико-экономической эффективности. Определешїе КПД основано на подсчете баланса энергии поступающей от источника к приемнику с учетом потерь. При этом необходимо учитывать, что и рассматриваемой схеме подстанции со СПШІ роль источников и приемника зависит от режима работы системы. Как было показано в гл. 2.5 и гл. 2.7 СПИН в режиме заряда работает как приемник, а источником служит либо подстанция, либо рекуперирующие поезда. СПИН в режиме разряда является источником энергии, а приемником служит тяговая нагрузка. Особое место в вопросе баланса энергии занимает учет особенностей потерь энергии в конденсаторах, которые как следует из принципа работы устройства сопряжения С11ИН с нодстаншей. играют роль передающего звена. Подробно этот вопрос рассматривается в гл.23.
Рассмотрим заряд конденсатора от источника постоянного напряжения. Схема представлена на рис, 4.3. постоянная времени. Из этого следует что: во-первых, при заряде незаряженного конденсатора до напряжения близкого к напряжению источника, КПД этого процесса теоретически составляет 50%; во-вторых, сопротивление R цепи не нлияет на баланс энергии, как видно из выражения (4.8).
Во многих случаях представляет интерес КПД процесса дополнительного заряда предварительно заряженного конденсатора. Для исследования этого процесса примем следующие параметры схемы, изображенной на рис, 4.3: U=4000 В, R=G,36 Ом? С=5 мФ. Расчет на компьютерной модели токов и напряжений источника и конденсатора производился для следующих случаев: конденсатор первоначалвио не заряжен; предварительный заряд конденсатора изменяется от 1000 до 3750 В. Первый случай рассмотрен для того, 4TOGFJ расчетом на модели подтвердить справедливость выражения (4.8). Обозначим энергию предварительно заряженного конденсатора Wn3. Конденсатор во всех случаях заряжается до 4000 В. Энергия конденсатора, заряженного до 4000 В, при этом составит WV=40000 кДж. Энергия, передаваемая от источника постоянного тока Е на заряд конденсатора С, определяется по формуле: Как видно из Таблицы 4.2, КПД конденсатора увеличивается, если он имеет предварительный заряд. Рассмотрим теперь случай, когда один конденсатор Сф разряжается на другой конденсатор С (см. рис. 2.7.6) и определим КПД такой схемы. Количество теплоты, выделенное конденсаторами вследствие соединения их одноименных обкладок (рис. 2,7 б), вычисляется по известной формуле [75,76]: Из Таблицы 4.3 видно, что КПД при перераспределении заряда в данной системе увеличивается по мере увеличения предварительного заряда конденсатора С. В данном случае в качестве источника энергии выступает СПИН, а основным потребителем является ЭПС. При этом часть энергии теряется на промежуточных звеньях схемы: полупроводниковых ключах и блоках конденсаторов (рис. 2.2). Путем компьютерного моделирования посредством программы OrCAD процесса передачи энергии от СПИН на нагрузку, были получены графики ТОКОБ и напряжений на СКИ и конденсаторах С и Сф. Моделировался период работы устройства передачи энергии Т, равный 41,7 10" ч, то есть промежуток времени, в течение которого один раз происходят переключения тиристоров ПК2, ПК1. Осциллограммы токов и напряжений соответствующих элементов схемы приведены на рис. 4.8 - рис. 4.11 и представляют собой сложные геометрические фигуры. Используя эти графики, можно определить энергию, передаваемую от СКИ на блок конденсаторов С, Для этого необходимо квантовать графики с
