CC BY
14
ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЕ КОМПЛЕКСЫ И СИСТЕМЫ
УДК 620.97; 621.331; 629.433; 629.085 DOI: 10.24412/2071-6168-2022-7-476-488
АКТИВНАЯ ЗАГРУЗКА И ПОЛЕЗНАЯ УТИЛИЗАЦИЯ РЕКУПЕРАТИВНОЙ ЭНЕРГИИ БОРТОВЫХ И СТАЦИОНАРНЫХ НАКОПИТЕЛЕЙ В ГОРЭЛЕКТРОТРАНСПОРТЕ
А.В.Кацай, М.В.Шевлюгин
Исследованы базовые параметры работы бортовых и стационарных накопителей энергии различных типов в контактной сети ГЭТ. На основании опытной эксплуатации стационарных и технических характеристик бортовых накопителей построена упрощённая модель для определения времени активной работы и объёмов полезной утилизации энергии рекуперации. Установлено, что бортовые и стационарные накопители сопоставимы по ключевым характеристикам энергоёмкости и мощности. Для системы ГЭТ требуется бортовых накопителей на порядок больше, чем стационарных. При этом бортовые накопители избыточно расходуют энергию из КС на перевозку и собственные нужды.
Ключевые слова: бортовой накопитель, стационарный накопитель, контактная сеть, электроподвижной состав, маховик, суперконденсатор, активная работа накопителя, полезная утилизация энергии рекуперации.
Более четверти века в стране широко внедряются на подвижном составе наземного горэлектротранспорта транзисторные системы управления тягой (ТрСУ), которые обеспечили возможность рекуперации энергии линейного торможения в электроэнергию с выдачей её в контактную сеть (КС) при одновременном наличии в ней соответствующей по мощности нагрузки [1]. При отсутствии такой нагрузки рекуперативная энергия становится избыточной и приводит к повышению напряжения в КС, а сама она рассеивается на тормозных резисторах вагонов. Для повышения доли полезного использования энергии рекуперации за счёт вовлечения в повторную работу избыточной её части, для стабилизации напряжения в КС, для снижения проходящих от выпрямителей тяговой подстанции (ТП) по контактным проводам токов общепризнано положительное влияние буферных систем накопления энергии (СНЭ). Такие накопительные системы в последнее время активно разрабатываются в мире и в России для трамваев, троллейбусов и метрополитенов. Для решения указанных проблем применяют различные устройства с отличием, главным образом, по типам применяемых накопительных элементов (суперконденсаторы, маховики, литиевые аккумуляторы) и по способу их размещения в системе энергоснабжения транспортной работы (стационарные и бортовые). В настоящем исследовании сравниваются разные типы накопителей в стационарном и бортовом применении.
Особенности бортовых накопителей. Литиевые накопители. Системы удлинённого автономного ходя троллейбусов (УАХ) на основе применения литиевых тяговых аккумуляторных батарей (ЛИАБ) в качестве вторичных источников энергии ошибочно принимают за буферные накопители энергии для режимов работы горэлектротранспорта, поскольку такие аккумуляторы выполняют совсем другие функции в силу особенностей их физико-технических характеристик и назначения использования. Главным образом их назначение - единственный (хотя и - вторичный) источник энергии для тяги и бортовой нетяговой нагрузки на автономных участках хода. В режиме заряда чисто от контактной сети они увеличивают в ней токи и глубину просадок напряжения, причём - существенно, тем самым усугубляя проблемы высоких токов, резко переменных режимов токопотребления и пережогов контактного провода, особенно в моменты одновременного разгона ЭПС без ЛИАБ и заряжающих от сети аккумуляторы ЭПС
с ЛИАБ на изолированном участке КС. При зарядке от рекуперативных токов своего вагона ЛИАБ испытывают нестационарные для себя режимы (многочисленные короткие мощные токовые «удары»), снижающие ресурс батарей, что повышает объёмы расходов предприятий ГЭТ на частую замену ЛИАБ. В режиме наличия нагрузки в КС при одновременном торможении вагона с УАХ и разгона другого вагона, когда сеть могла бы напрямую (т.е. без опосредующего влияния буферного накопителя) получать энергию рекуперации от тормозящего вагона по межпоездным перетокам, эта энергия направляется не на тягового потребителя через контактный провод (КП), а на ЛИАБ у тормозящего вагона с получением последней из только что описанных проблем и сохранением высоких токов с фидера тяговой подстанции; т.е. сохраняя риск пережогов контактного провода. В режиме автономного хода ЛИАБ никак не влияют на протекающие в КС процессы. Масса ЛИАБ составляет, обычно 1,5-2,5 тонны, что значительно увеличивает вес тары вагона, и на её транспортировку (в среднем 200 км за смену) требуются существенные дополнительные затраты энергии от фидера ТП. Кроме того, для поддержания узкого диапазона климатических условий нормальной работы ЛИАБ требуются постоянные затраты энергии на охлаждение их в тёплое время года и подогрев в холодное. Для этого применяются воздушные или жидкостные системы климат-контроля, в течение дня постоянно потребляющие энергию из КС. Также ресурс циклирования ЛИАБ весьма низок и, для полных циклов, не превышает 3000-4000 за срок службы до достижения приемлемого уровня деградации литиевых ячеек; в среднем, литиевые тяговые аккумуляторы работают на троллейбусе с УАХ не более трёх лет, а в трамвае или метропоезде не применяются вообще. Высокая цена аккумуляторных буферных накопителей энергии приводит к повышенным затратам предприятий и государственных бюджетов при их закупке, эксплуатации и замене. Например, по ценам середины 2022 г. стоимость комплекта оборудования с батареями для УАХ на автономный ход до 20 км можно оценить в сумму более 9 млн. рублей [2], что сопоставимо с половиной стоимости современного классического троллейбуса. Т.е., по совокупности последствий, применение аккумуляторных накопительных систем УАХ скорее вредны для КС и экономики предприятия ГЭТ в части участия в работе системы энергоснабжения, чем приносят пользу ей. В силу вышесказанного в дальнейшем исследовании использование ЛИАБ в качестве буферных накопителей энергии для КС мы не рассматриваем.
Суперконденсаторные бортовые управляемые накопители энергии. В отличие от ЛИАБ суперконденсаторные накопители (СКН) в силу меньшей инерционности процессов запасания и выдачи энергии и большего допустимого количества рабочих циклов зарядки/разрядки более подходят для применения в бортовом исполнении на ЭПС. Такие системы испытывались в различных странах, например, в Германии, Японии и др., а также в России (см., например, описания таких опытов в материалах НТС ассоциации МАП ГЭТ [3]). Исследователи отмечают ряд положительных моментов применения бортовых СКН, которые приводят к «снижению затрачиваемой энергии на разгон подвижного состава, а наличие накопителя энергии на борту позволит снизить вредное влияние работы тягового электропривода на контактную сеть за счет снижения выходного напряжения при рекуперативном торможении» [4].
К числу конструктивно обусловленных недостатков бортовых СКН следует отнести:
- большую массу, сопоставимую и, даже, превышающую массу бортового комплекта ЛИАБ аналогичной мощности, что дополнительно увеличивает массу тары и энергопотребление на её балластное транспортирование,
- низкую надёжность в силу наличия большого количества последовательных соединений первичных аккумулирующих элементов -суперконденсаторов,
- постоянное потребление энергии из сети на собственные нужды для поддержания работоспособности (контроль работоспособности элементов, климат-контроль) (см., например, [3]),
- отсутствие возможности напрямую выдавать рекуперированную энергию тягового электропривода в первичный источник силового питания - контактную сеть (в противном случае полезная энергия рекуперации не запасалась бы бортовым сурконденсатором) [там же],
- необходимость переделки электрической схемы вагона при установке такой системы
на борту.
Другими словами, неустранимые недостатки, обусловленные конструктивными особенностями СКН и ЛИАБ и их бортовым размещением, определяют основные моменты их неэффективности для применения в ГЭТ:
- повышенные затраты энергии на перевозку этих накопителей при выполнении транспортной работы ЭПС,
- ликвидацию возможности межпоездных перетоков рекуперации и, следовательно, сохранение в реальных КС больших токов и глубоких просадок напряжения при синхронной рекуперации вагонов с бортовым СНЭ и наличия нагрузки в КС, в т.ч. приводящих к пережогам КП,
- потребление дополнительных токов из КС на поддержание текущей работоспособности (для систем климат-контроля и управления),
- высокая цена комплекта оборудования бортовых накопителей с СКН, порой превышающая цену на комплект ЛИАБ аналогичной мощности в несколько раз,
- необходимость изменения электрической схемы при установке накопителя на действующем вагоне,
- малый объём времени активной работы оборудования, поскольку основную часть времени устройство находится в режиме ожидания, т.к. время переходных режимов работы вагона (разбег с выдачей энергии из накопителя и торможение с зарядкой накопителя рекуперативными токами) составляет не более 5-10% от полного времени работы вагона. При этом дополнительно следует учитывать, что рекуперация вагоном и выдача накопителем длятся не всё время торможения и разгона трамвая, а лишь определённую часть его, что связано как с ограничениями по работе в генераторном режиме у тяговых двигателей (срыв рекуперации на малых оборотах ротора тягового двигателя), так и с требуемым для разгона объёмом энергии на тягу, который превышает ёмкость бортовых накопителей.
Емкостные стационарные неуправляемые накопители. В 2012 г. на тяговых подстанциях Филёвской линии Московского метрополитена Т23 и Т24 были установлены ЕНЭ - емкостные электрохимические неуправляемые стационарные накопители энергии [5]. Аккумулирующий элемент каждого ЕНЭ состоит из электрохимических конденсаторов российской фирмы «ЭКЭ» («ЭЛТОН»). Каждый из накопителей представлял собой 14 шкафов производства ОАО «Завод конвертор» (Рис. 1). Один шкаф содержал 11 накопительных модулей, соединенных последовательно (Рис. 2). Общая ёмкость ЕНЭ составляла 187 Ф, а максимальное рабочее напряжение - 990 В.
Мониторинг эксплуатации устройства показал, что установка ЕНЭ на подстанции Т-23 позволила частично сгладить график энергопотребления ТП, снизить просадку напряжения на шинах ТП и повысить энергетическую надежность тягового электроснабжения.
Рис. 1. Накопительные шкафы НЭ на Т-23
При этом снижение установленной мощности ТП23 Филёвской линии Московского метрополитена составило около 13,4%. Потери в тяговых агрегатах ТП23 снизились на 15%.
К положительным характеристикам стационарных неуправляемых электрохимических накопителей энергии следует отнести [6]:
- выравнивание графика энергопотребления, что приводит к уменьшению токовых нагрузок и провалов нагрузки ТП;
- повышение качества электроэнергии по уровню напряжения;
- улучшение режима работы тягового оборудования, т.е. снижение температуры полупроводниковых агрегатов и трансформаторов, что благоприятно отражается на сроке их службы;
- повышение и стабилизация уровня напряжения в тяговой сети и на токоприёмниках метровагонов, что напрямую связано со скоростью движения поездов, выполнением графиков движения и КПД ЭПС;
- обеспечение необходимых условий для режима рекуперативного торможения и экономия до 30-40% от тяговой энергии;
- уменьшение потерь энергии на ТП, в КС и ЭПС;
- возможность аварийного вывода ЭПС из туннеля метро при выходе из строя питающих пунктов;
- экономия расходов на электроэнергию;
- возможность снижения тарифа оплаты за электроэнергию ввиду снижения заявленной установленной мощности;
- улучшение качества энергии по высшим гармоническим составляющим и повышение надёжности работы систем связи и безопасности;
- снижение кратковременных скачков и провалов напряжения в СТЭ, которые могут привести к выходу из строя электротехнического оборудования ЭПС.
Рис. 2. Накопительные модули внутри шкафа
В отличии от бортовых накопителей энергии любого типа стационарные накопители энергии любого типа имеют то преимущество, что они не нуждаются в затратах энергии на перевозку. Также стационарные накопители полностью сохраняют возможность межпоездных перетоков полезной энергии рекуперации без их опосредования накопительными устройствами и возвращают в КС только избыточную энергию рекуперации. Кроме того, стационарные накопители не требуют переделки электрических схем вагонов.
Стационарные маховичные накопители энергии НКЭ-3Г. Стационарные буферные накопители энергии типа НКЭ-3Г (рис. 3) испытывались в контактных сетях трамвая в трёх городах страны. Агрегат смонтирован в стандартном транспортном контейнере габарита 20 футов. Полная энергоёмкость - 7,2 МДж, мощность входная - до 180 кВт, выходная - до 110 кВт. Присоединение осуществляется напрямую к КС ГЭТ в точке установки - рис. 4. Место размещения выбирается предварительными исследованиями режимов работы КС на участках наибольшей интенсивности движения вагонов. В КС ГЭТ, в среднем, за рабочий день имеется до 3000-4000 событий появления в сети избыточной рекуперации (в зависимости от интенсивности движения и погодных условий). В силу этого время активной работы оборудования у стационарных накопителей энергии, которые обслуживают практически всю контактную сеть данной тяговой подстанции, на порядок больше, чем у бортовых накопителей энергии, т.к. у единицы подвижного состава число собственных событий рекуперативного торможения и разгона в сутки не превышает 300-400 раз.
В противоположность бортовым накопителям стационарные могут выдавать запасённую энергию избыточной рекуперации не только на тяговые нужды, но и на потребление нетягового назначения для всех вагонов, находящихся в КС тяговой подстанции, а также на стационарную сетевую нагрузку, тем самым комплексно снижая потребление энергии от сети. В среднем по году в системах ГЭТ объём нетягового энергопотребления примерно равен объёму потребления энергии на тягу.
Рис. 4. Подключение накопителя НКЭ-3Г к КС трамвая
К положительным характеристикам буферных маховичных накопителей энергии можно отнести следующие:
- отсутствие затрат энергии на перевозку накопителя,
- сохранение прямых межпоездных перетоков энергии полезной рекуперации между одновременно рекуперирующим и потребляющим вагонами в КС,
- обслуживание одним накопительным агрегатом всех вагонов на участках тяговой подстанции, на которой он установлен,
- отсутствие деградации накопительного элемента системы за весь срок службы,
- более длительный (как минимум вдвое) срок службы в сравнении с суперконденсаторными накопителями,
- существенно более низкая цена за 1 кВт установленной мощности,
- существенно более длительное время активной работы оборудования, и, что обусловлено этим, значительная доля потребления энергии на работу вспомогательных систем собственных нужд агрегата осуществляется пропорционально из энергии только лишь избыточной рекуперации. Для собственных нужд бортовых накопителей, которые работают вхолостую более 90% всего времени, потребление на собственные нужды идёт только из контактной сети от тяговой подстанции,
- простота планового технического обслуживания, доступного специалистам стандартного депо предприятия ГЭТ.
К недостаткам такого агрегата следует отнести необходимость выделения земли под размещение контейнера вблизи КС ГЭТ площадью 6*2,4 м2. При распределённом размещении маховичного накопителя в помещении тяговой подстанции площадь под агрегатом равна 2*1,1 м2.
Время активной работы накопителя энергии в сети энергоснабжения ГЭТ. Для оценки эффективности загрузки (времени активной работы) накопителя энергии в КС ГЭТ удобно использовать отношение времени активной (полезной) работы устройства (Тар) к общему времени его подключения к сети (То) - Коэффициент времени активной работы (Квар):
Квар = Ц- (1)
о
Время активной работы накопителя энергии складывается из времени приёма энергии рекуперации (Тзап) и периода выдачи ранее запасённой энергии рекуперации (Твыд):
Т = Т + Т (2)
ар зап выд V /
Общее время работы накопителя То, фактически, совпадает со временем движения вагонов; ночью горэлектротранспорт не ходит и, следовательно, работа накопителя не нужна.
В обобщённом случае для всех типов накопителей энергии Твыд за рассматриваемый
промежуток времени равно сумме периодов выдачи запасённой энергии на тягу (Твыд-тяги) и на
нетяговые нуЖдЫ сетевой нагрузки ( Твъ1д-нетяги ):
Т = Т + Т (3)
выд выд-тяги выд-нетяги V /
Время зарядки бортового накопителя Т3аП прямо зависит от выработки подвижным составом энергии рекуперации (Ерек_вг) и усреднённой за период мощности этой выработки
( < Р > рек-ваг ):
< Р >
гр __рек-ваг .-.ч
зап е
рек-ваг
Время разрядки накопителя (т.е. выдачи энергии на потребителя или работы в качестве генератора) прямо зависит от усреднённой мощности нагрузки в его цепи (< Р >выд) и от
ранее запасённой энергии рекуперации (Езап):
< Р >
у7 __выд
1 выд ~ Е
зап
Поскольку запасённая бортовым накопителем энергия расходуется только на работу тягового привода вагона, то выражение (3) для этого случая есть показатель времени выдачи энергии рекуперации на тягу: в этом случае Твыд = Твыд-тяги, а значение времени выдачи запасённой накопителем энергии рекперации на нетяговые нужды Твыд-нетяги равно нулю. С учётом этого для бортовых накопителей (БН) вычисление значения коэффициента времени активной работы Квар (1) принимает вид:
грБН гг1 БН
туБН _ зап выд-тяги {¿Л
К вар =-Т- ' (6)
о
Для стационарных накопителей энергии (СН) формула (1) с учётом (3) и того факта, что при работе стационарных накопителей энергии межпоездные перетоки рекуперации сохраняются, а накопитель работает только с избыточной энергией рекуперации, принимает вид
т ТСН + ТСН Тсн + Тсн + Тсн
КСН _ X 1 зап_выд _ X 1 зап_выд-тяги_выд-нетяги (7)
вар / ' гр / I гр V /
где Т зап - время работы стационарного накопителя в режиме запасания энергии избыточной рекуперации; Ты - время выдачи стационарным накопителем ранее запасённой энергии избыточной рекуперации как на тяговую нагрузку ( ТсНд-тяги X так и на нетяговую ( ^д-нетяги ^ ^ ~ означает сумму соответствующих процессов запасания и выдачи энергии на системы тяги и
481
нетягового потребления всех вагонов, ходящих по участкам подстанции в течение рабочего дня, к которым через КС подключён стационарный накопитель, а также стационарной инфраструктурной нагрузки сети.
Поскольку стационарный накопитель энергии электрически связан через контактную сеть с частотными приводами всех вагонов, двигающихся по участкам данной ТП, то это позволяет ему запасать энергию избыточной рекуперации от всех этих вагонов. Другими словами, частота и продолжительность работы в режиме запасания энергии избыточной рекуперации будет у него во столько раз больше, чем у бортового накопителя энергии, во сколько раз больше вагонов ходит по участку КС этой ТП. Выдача энергии от стационарного накопителя производится: на тяговую нагрузку вагонов, на нетяговую нагрузку вагонов и на нетяговую нагрузку стационарной инфраструктуры. С учётом этого формула (7) принимает вид:
ТСН + ТСН + ТСН + ТСН
тгсн зап выд-тяги выд-нетяги-ваг выд-нетяги -инфр ,-0ч
К вар _-Т--(8)
о
Анализ осциллограмм напряжения и токов накопителя НКЭ-3Г показывает, что в тёплое время года, когда объём избыточной рекуперации существенно выше, чем в холодную погоду, количество событий запасания избыточной рекуперации на участках одной ТП доходит до 3500-4000 раз за рабочий день ГЭТ. Близкие результаты были получены и на неуправляемом емкостном накопителе ЕНЭ в московском метро [6]. То же касается и количества полуциклов выдачи энергии. При этом, стационарный управляемый накопитель энергии питает не только тяговые приводы вагонов в сети ТП, но и нетяговую нагрузку вагонов и стационарной инфраструктуры, которая при отсутствии накопителя во время избыточной рекуперации тормозящих вагонов питается от выпрямительного агрегата тяговой подстанции. Таким образом, время активной работы стационарного накопителя существенно выше, чем время активной работы бортового накопителя энергии:
кс:р» к%, (9)
Полнота использования энергии рекуперации вагона
В системах ГЭТ без накопителей энергии полная энергия рекуперации вагона (Ерек-ваг) состоит из двух частей: из полезной энергии рекуперации (Ерек-полезн), которая по межпоездному обмену напрямую перетекает на потребляющую нагрузку по контактной сети, и из избыточной энергии рекуперации (Ерек-избыт), которая при отсутствии потребляющей
нагрузки в сети утилизируется на тормозных резисторах тормозящих в этот момент вагонов и рассеивается в атмосферу в виде тепла:
Е - Е + Е б (10)
рек-ваг рек-полезн рек-избыт V '
В стационарный накопитель энергии поступает только избыточная рекуперация, но -от всех вагонов, движущихся по участкам КС данной подстанции. В бортовой накопитель поступает вся энергия рекуперации от тяговой системы своего вагона когда он рекуперативно тормозит - и полезная рекуперация, которая и без накопителя была бы утилизирована напрямую через КС потребляющей нагрузкой, и избыточная рекуперация. Т.о., КС недополучает от вагона с бортовым накопителем энергию, которая без него напрямую ушла бы потребителю.
Для оценки полноты использования энергии рекуперации вагонов удобно использовать коэффициент полезной утилизации энергии рекуперации (ПУЭР), который равен отношению утилизированной на выполнение транспортной работы энергии рекуперации вагона ко всей энергии рекуперации:
Е + Е
ПУЭР _ рек-полезн рек-избыт-возвр (11)
- Е
рек-ваг
где Ерек-избыт-возвр - это избыточная энергия рекуперации вагона, которая при помощи накопителя энергии (любого типа) возвращена на выполнение полезной транспортной работы.
Поскольку бортовой накопитель не позволяет полезной энергии рекуперации вагона перетекать по КС к другому вагону во время наличия в сети нагрузки, то он её опосредует в себе, теряя за оба преобразования в ходе приёма и выдачи энергии её часть (т.е. Ерек-избыт-возвр < Ерек-ваг). При этом межпоездной выдачи энергии рекуперации для вагона с
бортовым накопителем не существует (Ебрек-полезн — 0), а энергия полезной рекуперации, кото-
рая без бортового накопителя перетекала бы по КС, запасается в бортовой накопитель вместе с избыточной рекуперацией. Поэтому формула (11) для бортовых накопителей, при условии достаточности ёмкости накопителя для приёма всей энергии рекуперации вагона, принимает вид:
Ебн Е + Е
ПУЭрбн _ Рек~ваг _ рек-полезн рек-избыт (12)
~ Е ~ Е
рек-ваг рек-ваг
Оценка Квар и ПУЭР для бортовых и стационарных накопителей энергии. Для иллюстрации вышеприведённых выводов рассмотрим модель системы ГЭТ, состоящую из КС, питаемой 10-ю ТП, по которой по маршрутам ходят 100 единиц ЭПС, оснащённых тяговыми частотными приводами с двигательной номинальной мощностью по 200 кВт на один вагон, создающими возможность полезно утилизировать энергию рекуперативного торможения.
Модель 1: накопители энергии в КС и на ЭПС отсутствуют. В этой модели полезная энергия рекуперации выделяется в контактную сеть на питание тяговой и нетяговой нагрузки, действующей в КС синхронно с рекуперативным торможением. Избыточная энергия рекуперации рассеивается на тормозных резисторах. Как показывают натурные измерения в наземном ГЭТ за длительный период, годовой объём полезной рекуперации составляет порядка половины от полного объёма рекуперации вагоном:
Е «Е (13)
рек-полезн рек-избыт V /•
Для данной сети без накопителей коэффициент полезной утилизации энергии рекуперации (ПУЭР) с учётом формулы (10) составляет 0,5, т.к. избыточная рекуперация не возвращается на выполнение полезной транспортной работы. Установленная мощность накопителей энергии равняется Мнак _ 0 . Квар для этой ситуации не рассчитывается, т.к. нет накопителей.
Суммарная мощность тяговых двигателей в системе (обратимых электроустройств) равняется 20 МВт.
Модель 2: такая же, только на каждой единице подвижного состава размещён бортовой накопитель энергии, мощность рекуперации условно равна мощности тяговых двигателей ЭПС, энергоёмкость каждого накопителя достаточна для приёма всей энергии рекуперации своего вагона. В системе с бортовыми накопителями энергии межпоездные перетоки рекуперации Ерек-полезн - ОТ^СТ^т т.к. вся энергия рекуперации ( ЕреК-полезн и Ерек-избыт ) запасается в
бортовой накопитель энергии.
Для данной сети коэффициент полезной утилизации энергии рекуперации (ПУЭР) с учётом формул (12) и (13) составляет ~1. Установленная мощность накопителей энергии равняется установленной мощности тяговых электродвигателей вагонов Мнак _ Мэпс _ 20000 кВт. Суммарная мощность обратимых электроустройств в КС (т.е. без учёта нетяговой нагрузки) равна сумме мощностей ЭПС и накопителей энергии - Nгэт _ 40000 кВт.
Квар для этой ситуации рассчитывается следующим образом. Берётся суммарное число остановов и разгонов всех вагонов за период, например, за день или за год, определяется продолжительность периодов разгонов (учитывая, что время разгона вагона больше, чем время выдачи энергии бортовым накопителем Тразг > Твыд) и торможений вагонов (учитывая, что
время торможения вагона больше, чем время запасания энергии накопителем Тторм > Тзап), в которые бортовые накопители энергии активно работают, и общая продолжительность движения вагонов (То). В среднем по ГЭТ цикл движения вагона от отправления с одной остановки до завершения приёма пассажиров на следующей остановке длится порядка 100 сек. Из них время разгона Тразг составляет ~12 сек, а время торможения Тторм - порядка 5 сек. Во время
выбега и стоянки вагона бортовой накопитель энергии не работает, находится в ожидании работы. Также следует учесть, что энергии, запасённой в бортовом накопителе от предыдущего торможения вагона, недостаточно для разгона вагона до его максимальной скорости на перегоне (Ерек-ваг < Еразгон), откуда и следует, что Тразг > Твыд. Суммарное время активной работы бортового накопителя составляет менее 17 сек или <17% от времени его подключения. Т.о., К-в^р бортового накопителя меньше 0,17, т.е. полезная работа бортового накопителя длится менее одной шестой части от времени его подключения к КС, а остальное время он перевозится
как дополнительная балластная масса тары вагона, на что расходуется энергия на тягу и на собственные нужды бортового накопителя. При этом число циклов работы бортового накопителя энергии равно числу остановов вагона за время работы. Для одного вагона в среднем за день это число равно порядка 400.
Модель 3: такая же, как модель 2, только бортовые накопители энергии, размещены не на всех, а только на 10-ти вагонах из 100.
Для данной сети коэффициент полезной утилизации энергии рекуперации (ПУЭР) с учётом формул (12) и (13) составляет ~0,55. Т.е. 10 накопителей энергии (10% от количества в модели 2) обеспечивают увеличение доли полезной утилизации энергии рекуперации только на 5% сравнительно с моделью 1, где нет накопителей энергии. Такая непропорциональность происходит из-за того, что оснащение части ЭПС бортовыми накопителями приводит к ликвидации у них межпоездных перетоков полезной рекуперации. Установленная мощность накопителей энергии в этом сценарии равняется установленной мощности тяговых электродвигателей оснащённых ими вагонов Мнак — 2000 кВт. Суммарная мощность обратимых электроустройств в КС (т.е. без учёта нетяговой нагрузки) равна сумме мощностей ЭПС и накопителей энергии и, в этом случае, равна Nгэт — 22000 кВт. К6^ каждого бортового накопителя остаётся неизменным - меньше 0,17, потому, что этот показатель зависит только от режима работы своего вагона, на котором установлен СКН. Для неоснащённых бортовыми накопителями единиц ЭПС этот коэффициент не рассчитывается.
Модель 4: такая же, как первая, только на каждой тяговой подстанции установлено по одному стационарному буферному накопителю энергии, могущему принимать избыточную энергию рекуперативного торможения ЭПС, которая, как мы знаем из (13), за год примерно равна полезной энергии рекуперации. Как показал опыт эксплуатации стационарных накопителей энергии в КС ГЭТ, например, маховичного накопителя НКЭ-3Г, мощность стационарного накопителя должна быть примерно равна номинальной тяговой мощности одной единицы ЭПС. Энергоёмкость стационарного накопителя для трамвайной, троллейбусной сети и для метрополитена, достаточна в объёме порядка до 5 МДж чтобы принимать практически всю энергию избыточной рекуперации ЭПС в КС одной тяговой подстанции. В системе со стационарными накопителями энергии межпоездные перетоки рекуперации Ерек-полезн - полностью сохранены, а в стационарные накопители энергии запасается только избыточная энергия рекуперации (Ерек-избыт), для которой в момент рекуперативного торможения одного из вагонов в КС нет
сопоставимой нагрузки.
Для данной сети коэффициент полезной утилизации энергии рекуперации (ПУЭР) с учётом формул (10) и (11) составляет 1, т.е. полностью сохраняются межпоездные перетоки как в модели 1 и полностью полезно утилизируется избыточная рекуперация. Суммарная установленная мощность стационарных накопителей энергии в системе равняется (по числу тяговых подстанций) —10* Nэnc — 2000 кВт.
тгсн ~
Квар для этой модели можно не рассчитывать, а напрямую измерить по осциллограммам тока накопителя, по которым прямо считается время работы агрегата на приём энергии избыточной рекуперации (Тзап ) и на выдачу принятой энергии на нагрузку (Твыд). Например, в
ходе осциллографирования работы стационарного накопителя НКЭ-3Г 14 июня 2022 г. в трамвайной сети в течение часа в межпиковое дневное время были получены следующие результаты - табл. 1.
Таблица1
Статистические данные по работе накопителя НКЭ-3Г в КС трамвая за один час 14
июня 2022 г.
Тип режима накопителя Доля от полного времени, % Число событий Средняя продолжительность события, сек
Запасание энергии 25,75 233 3,64
Выдача энергии 56,8 452 4,14
Т.е. доля времени активной работы стационарного накопителя в межпиковое время движения ЭПС составила 82,55% от общего времени работы агрегата. В пиковые часы этот коэффициент имел более высокое значение. Поскольку, как мы ранее выяснили, что коэффициент
времени активной работы бортового накопителя не превышает 17 процентов, можно сделать вывод, что это обусловлено практически на порядок меньшим числом циклов работы у бортового накопителя, чем у стационарного. Т.о. формула (9) подтверждается на практике.
По результатам исследований эксплуатации стационарных накопителей в КС трамвая и метро также подтвердилось и предположение, что число циклов приёма-выдачи энергии таких устройств за рабочие сутки достигает 3500 и более. Так, в трамвайной сети, в которой работал накопитель НКЭ-3Г, в указанный день лета за 17 часов его работы число событий запасания энергии избыточной рекуперации составило 3969. В питающей сети метрополитена, где работал стационарный емкостной накопитель ЕНЭ, «количество зарядно-разрядных циклов в сутки» составляло «свыше 3500» [6].
Сводные показатели работы накопителей разных типов в КС ГЭТ. Для комплексного обзора особенностей стационарных и бортовых накопителей энергии сведём полученные выше данные для четырёх рассмотренных моделей ГЭТ - табл. 2.
Таблица 2
Показатели работы накопителей разных типов в КС по моделям ГЭТ 1-4_
№ модели Тип НЭ для описанной модели ГЭТ Число нако-пит-ей, шт. Nэпс , кВт N , нэ кВт N , гэт кВт К , вар % ПУЭР, % Кол-во циклов нэ, раз в сутки
1 Без НЭ 0 20000 0 20000 - 50 -
2 Бортовой СКН 100 20000 20000 40000 17 100 <400
3 Бортовой СКН 10 20000 2000 22000 17 55 <400
4 Стационарный (ЕНЭ или НКЭ) 10 20000 2000 22000 80 100 >3500
Как видно из таблицы, для принятой модели системы ГЭТ при на порядок большем количестве бортовых накопителей энергии, каждый из которых по мощности и энергоёмкости практически идентичен стационарному накопителю энергии, время активной работы оборудования бортового накопителя почти в пять раз меньше, чем такой показатель для стационарного накопителя. Количество циклов работы бортового накопителя почти на порядок меньше, чем количество циклов работы стационарного накопителя энергии. Основное время работы ЭПС бортовой накопитель перевозится как дополнительная балластная масса тары, расходуя энергию на тягу и собственные нужды и не обеспечивая стабилизацию напряжения во всей КС, а только для привода своего вагона в периоды его торможений и разгонов. При этом закупленная предприятием ГЭТ суммарная мощность обратимой нагрузки в КС (системы тяги ЭПС и бортовые накопители энергии) удваивается при минимальном повышении её загрузки. Коэффициент полезной утилизации энергии рекуперации у моделей 2 и 4 не отличается - т.е. утилизируется вся энергия рекуперативного торможения ЭПС. Сравнение систем по моделям 3 и 4 показывает, что при одинаковом количестве бортовых и стационарных накопителей энергии при всех остальных равных условиях, утилизация энергии рекуперации почти вдвое больше у стационарных накопителей, чем у такого же количества бортовых - табл. 3.
С учётом того, что бортовые накопители энергии (обычно - суперконденсаторные, т.к. их срок службы в три-четыре раза выше, чем у СНЭ на основе литий-ионных накопительных элементов) достигают по стоимости четверти-трети от стоимости вагона, на оснащение суперконденсаторами всех вагонов в такой системе предприятие потратило бы такие средства, которые достаточны для обновления на треть парка ЭПС.
Таблица 3
Комплексное сравнение различных типов накопителей энергии для ГЭТ, реализованных ___в России и в странах ЕС__
Параметр ЛИАБ* МГГКАС Епе^у Saver, СКН, Вот-Ьа^ег (ЕС) Бортовой СКН*, Синара Стационарный ЕНЭ неуправл. (мосмет-ро) Стационарный НКЭ-3Г, управляемый
Энергоёмкость полная, МДж 18,1 4,2 2,3 13 7,2
Энергоёмкость рабочая, МДж 10 3,6 1,7 11 5
Деградация ёмкости, % >20 >20 >20 >20 0
Мощн. вх, кВт 300 120 1350 180
Мощн. вых, кВт 300 120 1350 110
Масса, кг 477 350 Не имеет значения Не имеет значения
Габариты, Д*Ш*В, м 1,9*0,95*0,455 1*0,4*3 Не имеет значения Не имеет значения
Окончание таблицы 3
Параметр ЛИАБ* MITRAC Energy Saver, СКН, Bombardier (ЕС) Бортовой СКН*, Синара Стационарный ЕНЭ неуправл. (мосмет- ро) Стационарный НКЭ-3Г, управляемый
Затраты ээ на перемещение в день**, кВтч 8 8 9 0 0
Затраты энергии на собств. нужды, средн., кВтч. Из них: - из сети - от избыт. рек. 5,4 4,9 0,5 5,4 4,9 0,5 5,4 4,9 0,5 5,4 0,5 4,9 5,4 0,5 4,9
Межпоездные перетоки нет нет нет да да
Кол-во СНЭ на ГЭТ из 100 ед. ЭПС, шт. 100 100 100 (1 шт. на 1 ЭПС) 10 (1 шт. на 1 ТП) 10 (1 шт. на 1 ТП)
Циклический ресурс 3000-4000 3000-4000 250 000 >100 000 >5000 000
Срок службы, лет <7 <7 до 10 при +25 °С при ином до 10 15-20
Стабилизация и в КС только св. вагон только свой вагон только свой вагон на всей КС ТП на всей КС ТП
Циклов за раб. день, раз ~200 ~200 ~200 >3000 >3000
Квар, % 5-10 5-10 5-10 >85 >85
ПУЭР, % 1 1 1 1 1
*Данные приведены в расчёте на стандартный бортовой накопитель энергии для одиночного вагона трамвая. ** Рассчитано по [7], Таблица 2.1.
Выводы:
1. Параметры энергоёмкости и мощности для единицы бортовых и стационарных накопителей энергии близки.
2. Для системы ГЭТ требуется бортовых накопителей энергии в 10 раз больше, чем стационарных.
3. Для бортовых накопителей энергии расходуется из сети энергия на их перевозку и потребление на собственные нужды.
4. Для стационарных накопителей энергия на перевозку не нужна. Значительная часть расходов энергии на собственные нужды производится от избыточной энергии рекуперации ЭПС.
5. Время активной работы бортовых накопителей не превышает 17% времени их подключения.
6. Время активной работы стационарных накопителей превышает таковое бортовых накопителей в 4-6 раз.
7. Полезная утилизация энергии рекуперации для бортовых и стационарных накопителей энергии практически не отличается.
Список литературы
1. Шаряков В.А. Двадцать лет внедрения асинхронного электропривода на городском электротранспорте // Control engineering Россия. 2014. №3 (51). С. 67-69.
2. Закупки троллейбусов и трамваев продолжаются: новое полугодие открывают Новокузнецк и Рубцовск. [Электронный ресурс] URL: https://tr.ru/news/4424-zakupki-troneybusov-i-tramvaev-prodolzhayutsya-novoe-polugodie-otkryvayut-novokuzneck-i (дата обращения: 15.07.2022).
3. Чернигов В.М. Электрооборудование трамвайного вагона с емкостным накопителем. [Электронный ресурс] URL: http://mapget.ru/wp-content/uploads/2021/12/MAPGET NTS Chergos.pdf (дата обращения: 22.07.2022).
4. Шаряков В.А., Шарякова О.Л., Агунов А.В., Третьяков А.В. Возможности рационального использования энергии торможения электрического подвижного состава // Электротехника. 2018. № 10. С. 55-59. EDN MAGDHV.
5. Шевлюгин М.В., Гречишников В.А. Эксплуатация накопителя энергии на метрополитене // Мир транспорта. 2013. Т. 11. № 5(49). С. 54-58. EDN RVRXND.
6. Баранов Л.А., Гречишников В.А., Ершов А.В., Родионов М.Д., Шевлюгин М.В. Показатели работы стационарного накопителя энергии на тяговых подстанциях московского метрополитена // Электротехника. 2014. № 8. С. 18-21. EDN SGHUSZ.
7. Методические рекомендации по расчету экономически обоснованной стоимости перевозки пассажиров и багажа в городском и пригородном сообщении автомобильным и городским наземным электрическим транспортом общего пользования. Приложение к распоряжению Минтранса России от 18 апреля 2013 г. № НА-37-р.
8. Патент на полезную модель № 201443 U1 Российская Федерация, МПК B60L 9/00. Зарядно-разрядное устройство суперконденсаторного накопителя для городского электротранспорта: № 2020126614: заявл. 06.08.2020: опубл. 15.12.2020 / В.А. Шаряков, Б.Л. Сыркин; заявитель АО НПП «ЭПРО». EDN PJOAKE.
9. Intelligent technologies applied to increase the energy efficiency of electrified direct-current rolling stock / A.A. Zaitsev, A.M. Evstaf ev, D.V. Pegov, A.V. Krylov // Russian Electrical Engineering. 2017. Vol. 88. No 10. P. 676-680. DOI 10.3103/S1068371217100169. EDN UXLEEP.
Кацай Алекксандр Владимирович, канд. философских наук, генеральный директор, proton764@mail.ru, Россия, Москва, ООО «Кинемак»,
Шевлюгин Максим Валерьевич, д-р техн наук, доцент, заведующий кафедрой, mx_sh@mail.ru, Россия, Москва, РУТ (МИИТ)
ACTIVE LOADING AND USEFUL UTILIZATION OF REGENERATIVE ENERGY OF ONBOARD AND STATIONARY ENERGY STORAGE DEVICES IN URBAN ELECTRIC TRANSPORT
A.V. Katsay, M.V. Shevlyugin
The basic parameters of the operation of on-board and stationary energy storage devices of various types in the GET contact network are investigated. Based on the experimental operation of stationary and technical characteristics of on-board storage devices, a simplified model has been built to determine the time of active operation and the amount of useful recovery energy utilization. It is established that on-board and stationary drives are comparable in terms of key characteristics of energy intensity and power. The GET system requires an order of magnitude more onboard drives than stationary ones. At the same time, on-board storage devices excessively consume energy from the CS for transportation and their own needs.
Key words: onboard storage, stationary storage, contact network, electric rolling stock, flywheel, supercapacitor, active operation of the storage, useful utilization of energy recovery.
Katsay Aleksander Vladimirovich, candidate of philosophy sciences, general director, pro-ton764@mail.ru, Rissia, Moscow, KinemakLLC,
Shevlyugin Maxim Valeryevich, doctor of technical sciences, docent, head of the department, mx_sh@mail.ru, Russia, Moscow, RUT (MIIT)
