Введение к работе
Актуальность исследования. В программе «Энергетическая стратегия железнодорожного транспорта на период до 2015 года и на перспективу до 2030 года» к одному из наиболее действенных мероприятий в области ресурсосберегающих технологий для тяговой энергетики относится повышение эффективности использования электрической энергии, рекуперируемой электроподвижным составом (ЭПС) в систему тягового электроснабжения (СТЭ).
Экономия за счет применения рекуперативного торможения в 2011 г. составила 3,2 % от расхода электроэнергии на тягу поездов. Однако несмотря на действия, предпринимаемые техническими службами по повышению эффективности применения рекуперативного торможения, потенциальный уровень рекуперации электроэнергии на сети железных дорог до настоящего времени еще не достигнут. По некоторым железным дорогам в 2010 г. значение объема рекуперации оказалось в три раз меньше, чем в 1988 г., а в 2011 г. по сети дорог объем рекуперированной энергии был ниже, чем 1988 г., на 5,8 %, что свидетельствует о недостаточной степени разработанности исследуемой темы.
Приведенные данные указывают на актуальность этого вопроса и на необходимость продолжения исследовательских работ по расширению полигонов применения рекуперативного торможения.
Цель диссертационной работы - обеспечение рационального использования энергии рекуперации для повышения энергетической эффективности СТЭ на железных дорогах постоянного тока за счет разработки методов оценки расчетного уровня потенциала рекуперативного торможения на участках и определения мероприятий по его достижению.
Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:
-
провести экспериментальные исследования потокораспределения энергии рекуперации на участках постоянного тока с применением рекуперативного торможения при наличии и отсутствии выпрямительно-инверторных преобразователей (ВИЛ) на тяговых подстанциях;
-
разработать расчетную модель СТЭ для оценки потенциала энергоэффективности рекуперативного торможения на участках постоянного тока с учетом реального профиля пути и графика движения поездов;
-
разработать способы построения энергетических диаграмм, отображающих максимально возможный расчетный уровень энергии рекуперации на
участках постоянного тока с учетом контрольных и опытных поездок и анализа данных расшифровки картриджей РПДА;
-
разработать методы определения адекватности получаемых результатов тяговых и электрических расчетов и провести апробацию расчетной модели на действующих участках железных дорог постоянного тока;
-
разработать методику выбора мест установки ВИП на участках с применением рекуперативного торможения;
-
определить экономический эффект от внедрения мероприятий по основным направлениям повышения энергоэффективности рекуперативного торможения.
Методы исследования. В работе использованы основные положения и методы теории тяги поездов, системного анализа, математического моделирования, теории линейных электрических цепей. Для проведения расчетов и анализа математических зависимостей применялись лицензионные программные продукты: программный комплекс «КОРТЭС», электронные таблицы Microsoft Excel 2007.
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем.
-
Разработана расчетная модель для оценки потенциала энергоэффективности рекуперативного торможения на участках постоянного тока, основанная на выполнении тяговых расчетов с учетом плана (профиля) пути и фактических уровней напряжения в контактной сети, включающая в себя математический аппарат проверки адекватности получаемых результатов и многовариантные расчеты режимов работы СТЭ в различных условиях организации движения поездов, с учетом наличия или отсутствия потребителей избыточной энергии рекуперации.
-
Разработана методика выбора мест установки ВИП для обеспечения эффективного приема энергии рекуперативного торможения.
-
Предложены способы построения энергетических диаграмм, отображающих оптимальный уровень расхода и возврата электроэнергии, для формирования удельных норм расхода электроэнергии на участках постоянного тока для различных типов ЭПС с поездами различной массы.
Положения, выносимые на защиту:
1) методы оценки потенциала энергоэффективности рекуперативного торможения на участках постоянного тока;
-
методика выбора мест установки ВИЛ на участках железных дорог постоянного тока с применением рекуперативного торможения;
-
алгоритм расчетной модели СТЭ, включающий в себя комплекс тяговых и электрических расчетов и проверку адекватности получаемых результатов, позволяющую учитывать основную часть исходных параметров объекта исследования с целью корректировки расчетов и повышения их адекватности.
Достоверность научных положений и результатов диссертационной работы подтверждена путем проверки статистической совместимости результатов моделирования с показателями работы реальных участков электрифицированных железных дорог, полученными в ходе экспериментальных исследований, проведения контрольных поездок и на основании анализа отчетных данных. Расчетные значения критерия Фишера для тяговых расчетов находятся в пределах от 1,96 до 3,06 и не превышают критического F^^ = 3,29 для доверительной вероятности 0,95. Расчетные значения критерия Фишера для электрических расчетов находятся в пределах от 1,60 до 2,56 и не превышают критического Frpht = 2,82 для доверительной вероятности 0,95.
Практическая ценность и реализация результатов работы:
-
методика выбора мест установки выпрямительно-инверторных преобразователей на участках с применением рекуперативного торможения принята Департаментом технической политики ОАО «РЖД» (акт внедрения от 27.09.2013 г.);
-
методика оценки потенциала рекуперативного торможения принята Департаментом технической политики ОАО «РЖД» (акт внедрения от 27.09.2013 г.);
-
выполнена оценка потенциала энергоэффективности рекуперативного торможения и построены энергетические диаграммы по всей сети постоянного тока ОАО «РЖД»;
-
разработанные мероприятия по повышению энергоэффективности рекуперативного торможения с расчетом экономической эффективности включены в программу повышения энергоэффективности тяги поездов сети железных дорог постоянного тока РФ на 2013 - 2015 гг.
Личный вклад соискателя. Автором выполнен основной объем теоретических и экспериментальных исследований, проведен анализ полученных данных, сформулированы положения диссертации, составляющие ее новизну и практическую значимость.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на Шестом международном симпозиуме транспортных университетов Ев-
ропы и Азии (Сеул, Южная Корея, 2013); международной научно-практической конференции «Проблемы и перспективы развития транспорта» (Москва, 2012); всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Эксплуатационная надежность локомотивного парка и повышение эффективности тяги поездов» (Омск, 2012); научно-практических конференциях «Инновационное развитие железнодорожного транспорта России» (Омск, 2012), «Инновационные проекты и технологии в образовании, промышленности и на транспорте» (Омск, 2013); всероссийской научной конференции «Современное техническое образование и транспортный комплекс России: состояние, проблемы и перспективы развития» (Уфа, 2013); семинаре кафедры «Теоретическая электротехника» Омского государственного университета путей сообщения (Омск, 2013); научно-техническом семинаре Омского государственного университета путей сообщения «Повышение эффективности работы железнодорожного транспорта, объектов промышленной теплоэнергетики, телекоммуникационно-информационных систем, автоматики и телемеханики» (Омск, 2013).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 14 печатных работ, из них три - в изданиях, определенных ВАК Минобрнауки России [1-3].
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, заключения, библиографического списка из 94 наименований и трех приложений. Работа изложена на 154 страницах основного текста, содержит 30 рисунков, 28 таблиц.
