CC BY
46
4. Гапон, Д. А. Завадостшкий метод ви1шрювання промислово! частоти i швидкост ii змiни [Текст] : матер. XX мiжн. наук.-прак. конф. / Д. А. Гапон // 1нформацшш технологи: наука, техшка, технологiя, осв^а, здоров'я. Ч. II. - Харгав : НТУ «ХП1», 2012. - С. 206.
5. Folea, S. Power quality measurement system using FPGAs [Text] / S. Folea, G. Mois, L. Miclea // 2012 13th International Conference on Optimization of Electrical and Electronic Equipment (OPTIM), 2012. - P. 1280-1285. doi: 10.1109/optim.2012.6231855.
6. Chanxia, Zhu. Design and realization of regional power quality monitoring system [Text] / Zhu Chanxia, Hu Minqiang, Wu Zaijun, Dou Xiaobo, Zhao Shanglin // 2008 Third International Conference on Electric Utility Deregulation and Restructuring and Power Technologies, 2008. - P. 2023-2027. doi: 10.1109/drpt.2008.4523740.
7. Li, P. Power Quality Monitoring of Power System Based on Spectrum Analysis [Text] / P. Li, L. Zhao, H. Bai, Y. Zhang // 2010 International Conference on E-Product E-Service and E-Entertainment, 2010. - P. 1-4. doi: 10.1109/iceee.2010.5661359.
8. Siahkali, H. Power quality indexes for continue and discrete disturbances in a distribution area [Text] / H. Siahkali // 2008 IEEE 2nd International Power and Energy Conference, 2008. - P. 678-683. doi: 10.1109/pecon.2008.4762561.
9. Rendroyoko, I., Development of power quality control procedures and standards to control the connection of non-linear loads in electric power systems [Text] / I. Rendroyoko, M. Rusli // 22nd International Conference and Exhibition on Electricity Distribution (CIRED), 2013. - P. 1-6. doi: 10.1049/cp.2013.0621.
10. Abdullah, A. R. A new vector draft method for harmonic source detection at point of common coupling [Text] / A. R. Abdullah, G. Z. Peng, S. A. Ghani, M. H. Jopri // 2014 IEEE 8th International Power Engineering and Optimization Conference (PEOCO), 2014. - P. 110-114. doi: 10.1109/peoco.2014.6814409.
11. Chung, I.-Y. Development of power quality diagnosis system for power quality improvement [Text] / I.-Y. Chung, D.-J. Won, J.-M. Kim, S.-J. Ahn, S.-I. Moon, J.-C. Seo, J.-W. // 2003 IEEE Power Engineering Society General Meeting (IEEE Cat. No.03CH37491). doi: 10.1109/pes.2003.1270509.
-□ □-
В роботi виконано експериментальне дослиджен-ня параметрiв енерги гальмування електропоiздiв в умо-вах Днтропетровського метрополтену (Украта). Встановлено, що в режимi реостатного гальмування утилiзуeться 15...50 % енерги, витраченоi на тягу поiздiв. Запропоновано та оцтено ятст показники ефективностi енерги рекупераци, що необхдно враховувати при виборi рационального заходу з тдвищення ефективностi викори-стання енерги гальмування електропоiздiв
Ключовi слова: метрополтен, електроспоживання, електричне гальмування, рекуперащя, електроенергiя,
надлишкова, показники ефективностi, енергозбереження □-□
В работе выполнено экспериментальное исследование параметров энергии торможения электропоездов в условиях Днепропетровского метрополитена (Украина). Установлено, что в режиме реостатного торможения утилизируется 15...50 % энергии, затраченной на тягу поездов. Предложены и оценены качественные показатели эффективности рекуперации энергии, что необходимо учитывать при выборе рационального мероприятия по повышению эффективности использования энергии торможения электропоездов
Ключевые слова: метрополитен, электропотребление, электрическое торможение, рекуперация, электроэнергия, избыточная, показатели эффективности, энергосбережение
-□ □-
УДК 629.423.1
| DOI: 10.15587/1729-4061.2014.30483]
ДОСЛ1ДЖЕННЯ ЕФЕКТИВНОСТ1 ПРОЦЕСУ РЕКУПЕРАЦИ ЕЛЕКТРОЕНЕРГ1Т В УМОВАХ МЕТРОПОЛ1ТЕНУ
О. I. Сабл i н
Кандидат техычних наук, доцент Кафедра електропостачання залiзниць Днтропетровський нацюнальний ушверситет залiзничного транспорту iM. ак. В. Лазаряна вул. Лазаряна, 2, м. Днтропетровськ, УкраТна, 49010 Е-mail: olegsss@i.ua
1. Вступ
В метрополитенах Укра'ни середня вщстань м1ж станщями становить близько 0,9...1,5 км, тому режими руху електропо'!зд1в пов'язаш з перюдичними при-скореннями i гальмуваннями м1ж зупинками. Данш режими руху, навгть при середнш швидкост початку
гальмування ~ 40 км/год е сприятливими для рекупераци електроенерги, що дозволяе суттево зменшити енергоемшсть метрополгтешв. При ввдсутност на ру-хомому складi системи рекуперативного гальмування 30...45 % витрат енерги на тягу втрачаеться шляхом утилiзацi'i частини кшетично'! i потенщально'! енерги по'зда перед зупинкою в гальмiвних пристроях [1].
©
Враховуючи, що енергоeмнiсть перевiзного процесу в метрополиенах сьогоднi складае близько 80...90 % вщ загального енергоспоживання галуз^ аналiз ефектив-ностi процесу рекуперацп i факторiв що впливають на нього е актуальним напрямом дослвджень.
2. Огляд лiтератури i постановка проблеми
Особливштю метрополiтенiв е велика нерiвномiр-нiсть тягового електроспоживання i можливiсть вiдновлення значно! частини витрачено! на тягу енергii шляхом И рекуперацп при гальмуваннях перед зупинками. Зважаючи на коротю вiдстанi мiж зупинками у електропоiздiв метрополiтену практично вщсутш усталенi режими електроспоживання, а тривалост окремих режимiв руху поiздiв (тяга, вибiг, гальмування) i дiапазон змiни потужностей в режимах тяги i рекуперацii являють собою випад-ковi величини.
Для здшснення корисно! роботи по перемiщенню за час Т вагонами електропо!зда з контактно! мережi споживаеться електроенергiя
А = т] U(t)I(t)dt,
(1)
де U(t) - напруга на струмоприймачi вагона; I(t) - тяго-вий струм вагона; т- кiлькiсть вагошв в електропоiздi.
Рiвняння енергетичного балансу за час руху елек-тропоiзда в загальному випадку мае вигляд
А = Ап + AW + АТ + АА + АСН - АРЕК,
(2)
де АП - втрати енергп в пускових пристроях електро-поiзда; Аw - витрата енергп вщповщно на подолання основного опору руху поiзда, опору в кривих i на ухи-лах; АТ - втрати енергii при гальмуванш i пригальмо-вуваннi поiзда; А А - втрати енергп в силовому колi та обладнанш поiзда; Асн - витрата енергп на живлення юл власних потреб поiзда; АРЕК - електроенергiя рекуперативного гальмування.
На сучасному електротранспортi з плавним ре-гулюванням потужностi втрати Ап = 0 , а використан-ня режиму рекуперативного гальмування дозволяе практично виключити з енергетичного балансу скла-дову втрат енергп в гальмах електропоiзда Ат, оскiльки на такому рухомому складi iснуе можливiсть здiйснен-ня рекуперативного гальмування майже до зупинки транспортного засобу (Арек ^ Ат).
Юльюсть електроенергii, яка може бути згенерована електропоiздом при гальмуваннi для зупинки, знижен-ня або стабiлiзацii швидкосп, визначаеться зменшен-ням його кшетично! i потенцiйноi енергiй i дорiвнюе [2]:
АрЕк = (0,01073(1 + 7>а(уП-уК)-2,725а(ш0 ±1екв)8)пРЕК,(3)
де Q - вага по!зда; (1 + у)- коефiцiент шерцп оберто-вих мас по!зда; VП, VК - швидкiсть вiдповiдно на початку i в кiнцi гальмування; w0 - основний питомий отр руху по!зда при середнш швидкостi на дiлянцi гальмування; ^,кв - еквiвалентнiй ухил на д^янщ гальмування; 8 - довжина гальмiвного шляху; прек -ККД електропо!зду в режимi рекуперацп.
В умовах реально! експлуатацп на величину енергп рекуперацп ^м параметрiв, що входять до (3), суттево впливае режим напруги на струмоприймачах електро-по!зда, що визначаеться рiвнем тягового електроспоживання шших по'!здiв в зонi рекуперацп [3], тому найчасть ше при гальмуванш реалiзуеться енергiя А/ек < Арек, а !! нереалiзована частина ААрек = Арек - А^ек утилiзуеться в гальмiвних реостатах. Надлишкова енергiя рекуперацп ААрек при шнуючих розмiрах i графiках руху в метро-полiтенах може сягати 30...100 % [4, 5].
Для розв'язання проблеми надлишково! енергп рекуперацп в метрополитенах розроблеш принципи !! локально! буферiзацii накопичувачами [6-8], передачi енергii ААрек до системи зовшшнього електропоста-чання iнверторами тдстанцш [4], або локалiзацii в тяговш мережi метрополiтену за рахунок розширення зони рекуперацii при регулюваннi напруги на шинах сумiжних тягових тдстанцш [9]. Розглянут пiдходи мають як сво! переваги так i недолжи i вимагають пев-них каттальних витрат на модернiзацiю метрополiтену.
3. Мета i задачi дослiдження
Метою роботи е експериментальне дослiдження юльюсних i якiсних показникiв процесу рекуперацп електроенергп в умовах метрополiтену, що необхщно враховувати при виборi рацюнального заходу з тдви-щення ефективност використання енергп гальмування електропоiздiв.
Для досягнення поставлено! мети необхвдно провести вимiрювання параметрiв електроенергп, що генеруеться електропо!здами при електричному гальмуванш в умовах реально! експлуатацп, обгрунтувати та виконати чисельну оцшку показниюв ефективностi процесу рекуперацп електроенергп в умовах метрополiтенy
4. Аналiз заходiв з пiдвищення ефективност використання рекуперацп! енерги в метрополкенах
В метрополiтенах Укра!ни на даний час переве-зення пасажирiв забезпечуеться переважно вагонами з колекторними двигунами, контактним регулю-ванням потужност i реостатним гальмуванням, що характеризуються великими питомими витратами електроенергii на одиницю перевiзноi роботи. Вщсут-шсть системи рекуперативного гальмування на вагонах призводить до суттевого зб^ьшення загально! кiлькостi споживано! енергii на тягу метрополгтешв за рахунок значних втрат енергп в пуско-гальмiвних реостатах, тому шнуе потреба у закупiвлi нових ва-гонiв для метрополгтешв Укра!ни або модернiзацiя iснуючих системою рекуперацп.
Для повного використання рекуперативно! енергГ! електропо!здами на тягу в системi метрополiтену графiки руху електропоiздiв повиннi передбачати од-ночасне прибуття i вiдправлення електропоiздiв на ва станцп, при яких забезпечуеться збп в часi споживання i рекуперацп електроенергп. Але при суттевих рiзни-цях вiдстаней мiж станщями побудова таких графiкiв буде вимагати нерiвномiрноi швидкостi руху поiздiв по перегонах, що призведе до зб^ьшення питомо! витрати енергii на рух.
Передача надлишково! рекуперативно! енергп з системи тягового електропостачання метрополиену (825 В) до мшько! електромережi 6 (10) кВ вимагае наявностi на тягових тдстанщях метрополiтенiв ш-верторiв електроенергп. 1мпульсний короткочасний характер генерацп енергп гальмування поiздiв до системи зовшшнього електропостачання пов'язаний з рядом негативних впливiв на живлення нетягових споживачiв, що приеднанi в загальному вузлi з тяго-вими тдстанщями метрополiтену. Крiм того, ефек-тившсть реверсу надлишково! рекуперацп до системи зовшшнього електропостачання суттево залежить вщ графжв ii завантаження, та мае ще ряд суттевих недолiкiв [10]. В такому випадку на перший план ви-ходять питання розробки ефективних методiв локаль зацii надлишково! рекуперативно! енергп в енергоси-стемi метрополiтену [6-9].
5. Експериментальне дослщження napaMeTpiB генерацп енерги електропол'здами метрополкену при електричному гaльмувaннi
Для ощнки показникiв ефективностi проце-су рекуперацп енергii в метрополiтенi на базi КП «Дшпропетровський метрополиен» за допомогою вимiрювального комплексу cDAQ-9174 виробни-цтва National Instruments були експериментально вимiрянi параметри споживання i генерацii енергп електропо!здом 81-717(714).5М вiдповiдно в режимах тяги та електричного гальмування. Принципова схема шдключення безконтактних роз'емних давачiв напруг i струмiв LEM до силового кола вагона наведена на рис. 1.
DC/AC
LEMC/T
LEM/
LEM t/f*H-
о о
Контактна рейка + 825 В
Рейка
До N1 cDAQ-9174
А А .
033 034
031 032
ГУ
/
—(я?)-(ж)—^J)-(J)-
Рис. 2. Схема вимiрювання параметрiв генерацi! енерги в колi тягових електродвигунiв при реостатному гальмуванн вагону
На рис. 3 представлено одну з реалiзацiй вимiрю-вання параметрiв електроспоживання та генерацп електроенергii електропо!здом метрополiтену в ре-жимi тяги та електричного гальмування при руа на дшянщ Комунарiвська-Вокзальна.
Рис. 1. Принципова схема шдключення вимiрювальних приладiв до силового кола вагона електропо!зда
У зв'язку з тим, що експлуатований парк вагошв Дшпропетровського метрополiтену не обладнаний системою рекуперативного гальмування, оцшка по-казникiв ефективностi рекуперацii була виконана за генерованою енерпю електропо!здом при реостатом гальмуванш. Для режиму реостатного гальмування на електропо!здах використовуеться мостова схема з самозбудженням i перехресною схемою живлення обмоток збудження тягових двигушв. Схема при-еднання давачiв LEM для вимiрювання параметрiв генерацп енергп в режимi реостатного гальмування вагону наведена на рис. 2.
и, в
850 800 750
f~T
О 60 120 180 240 300 360 420 480 U с
0 60 120 180 240 300 360 420 480 t, с
0 60 120 180 240 300 360 420 480 t, с г
60 120 180 240 300 360 420 480 t, с
Рис. 3. Параметри режимiв електроспоживання, генераци та руху електропо!зду метропол^ену:
а — напруга на струмоприймачi и^); б — споживаний струм вагону 1^); в — напруга на груш двигужв идв(^ ; г — струм двигужв 1дв(^; д — швидкють руху електропо!зда v(t)
а
6. Показники ефективносл рекупераци електроенерги
Графжи миттево1 потужностi електропо'мду з 3 вагошв в режимi тяги i електричного гальмування визначенi за вимiряними часовими залежностями вщ-повiдно до виразу одна з яких представлена на рис. 4.
P(t) =
l3U(t)I(t), при P(t) > 0, [6Uw(t)Iw(t),np и P(t) < 0.
За юльюсний показник енергii рекупераци при-йнята величини коефiцieнта рекупераци, що е вщно-шенням витрати енерги на тягу (з урахуванням витрат на власш потреби поiзда) до генерованоi енергii при електричному гальмуванш т
J U(t)I(t)dt
k =_0
лрек T
2 J Uw(t)Iw(t)dt
0 60 120 180 240 300 360 420 480 t, с
Рис. 4. Реалiзацiя миттевоТ потужностi електропоТзда метропол^ену (рекуперацiя eHepriT при Р<0)
В результат дослiдних поiздок встановлено що в Дшпропетровському метрополiтенi iснуе значний резерв енергозбереження при використанш енергп гальмування поiздiв, що складае 14,4...51,6 % вiд витрат електроенергii на тягу.
Електричне гальмування в метрополией вико-ристовуеться переважно з метою зупинного гальмування, а електроенерНя, що при цьому генеруеться, мае короткочасний iмпульсний характер зi спадаю-чою потужнiстю (рис. 4). В такому разi електропоiзд при рекупераци являе собою специфiчне джерело нестабiльноi енергii, що рухаеться в просторi i пра-цюе паралельно з тяговими шдстанщями.
За допомогою вимiряних параметрiв для метро-полиену була оцiнена ефективнiсть процесу генера-цii електроенергii при електричному гальмуванш. Для цього було використано ряд специфiчних енер-гетичних показникiв [6], що можуть ощнити якiсний рiвень електроенергii, що генеруеться електропо'и-дами метрополиену при електричному гальмуваннi (табл. 1), яю необхiдно враховувати при аналiзi до-цiльностi повернення надлишковоi рекуперативноi енергii до системи зовшшнього електропостачання.
Треба зауважити, що таю показники, наприклад як коеф^ент форми, враховуе не ильки рiвень не-стабiльностi рекуперативноi потужностi, але й опо-середковано дозволяе судити про зб^ьшення втрат енергii рекуперацii при ii передачi по тяговiй мережi
до вiддалених електропоlздiв в режимi електроспо-живання.
Таблиця 1
Якiснi показники ефективност рекуперацiT електроенергiT
№ п/п Назва показника Анал1тичний вираз
1 Коефщент мМмуму енергп рекупераци Р = Рт,п/Ртах
2 Середньо-штегральний ко-ефщент максимуму енергii рекупераци або тк-фактор П= Pm„ = P- PcP -1jp(t)dt 1 0
3 Коефщент заповнення або густина енерги рекупераци 1 T P TFJP(t)dt у- cP - 0 Pmax Pmax
4 Тривалють максимальноi стабiльноi рекупераци т J P(t)dt tpmx-0 - YT cP IM p i
5 Д1апазон коливання потужносл рекупераци AP - PmaI - Pmin
6 Динашчна характеристика рекупераци або енергетичне прискорення P - dP(t) Pv - dt
7 Коефщент форми потужносл рекупераци
1 т P K - P - "10 Кф P 1T cp 1J P(t)dt 1 0
В приведених виразах Pmin, Pmax, Pcp, P(t) - вщповщно мМ-мальна, максимальна, середня та миттева потужност рекупе-рацй по'юда
Також одним з ефективних показниюв рекупе-ративно! енерги в метрополiтенi може служити так званий коеф^ент нестiйкостi генерованоi енерги, що фiзично характеризуе долю змшно! (нестабiльноi) складовоi енергii рекупераци в ii повнш енергii i визна-чаеться за виразом
Кнст
Jl P(t) - Pcpldt
~т .
JP(t)dt
(4)
7. Результати розрахунмв показникiв ефективностi рекупераци електроенерги в умовах метрополiтену
Результати розрахунку чисельних значень роз-глянутих коеф^енив за виразами табл. 1 та (4) наведеш в табл. 2. В якоси перiоду Т, за який ощ-нювалися показники було прийнято час руху потяга по маршруту з однiеi кiнцевоi зупинки до другое що для Днiпропетровського метрополитену становить 9...12 хв.
Таблиця 2
Дiапазон змши чисельних значень показнимв ефективностi рекуперацп енергп в метропол^еж
в П Y Tcp max, с ДР, МВт Кф Кнст
4...5 3...8 0,3...1,16 4...8 0,5...1,5 3...5 0,5...0,7
Як видно з табл. 2, енерпя, що генеруеться електро-по!здами при електричному гальмуваннi, характеризуемся значною нерiвномiрнiстю в чаи, ii показники носять iмовiрнiсний характер i залежать переважно вiд режиму руху електропо!зду. Так, величина коефь цiента вказуе на те, що енерпя рекуперацп володiе значною нестаб^ьною складовою, що знаходиться в дь апазонi 30...50 %, а значення коефвдента форми свщ-чать про можливi перевищення в 3...5 разiв втрат рекуперативно! енергii в тяговш мережi над мiнiмально можливими втратами при стаб^ьнш генерацп. Мала тривалшть максимально стабiльноi рекуперацп енергп 4...8 с може вносити iмпульснi спотворення в живлячу мережу 6 (10) кВ при використанш на тягових тдстанщях iнверторiв енергп рекуперацГ!.
8. Висновки
В результат дослщних по!здок встановлено, що в Дншропетровському метрополiтенi iснуе значний резерв енергозбереження при використанш енергп гальмування по'!зд1в, що складае 14,4...51,6 % вщ ви-трат електроенергii на тягу.
На базi експериментально визначених параметрiв генерацii енергii в режимi електричного гальмування було встановлено дiапазон змши яюсних по-казниюв ефективностi процесу рекуперацii енергii в умовах метрополитену. В режимi електричного гальмування електропо!зди метрополiтену генеру-ють енергiю Гмпульсного характеру з середньою максимально стабiльною тривалiстю 4...8 с, шк-фак-тором 3...8, коефiцiентом форми 3...5 та коефщТен-том нестшкост 0,5...0,7. Незначнi яюст показники ефективност рекуперацii електроенергii свiдчать про зб^ьшений рiвень втрат тако! енергii в тяговш мережi та необхiднiсть !х врахування при розв'я-зання проблеми використання надлишково! енергп рекуперацп в метрополиенах.
Лиература
1. Сулим, А. А. Экономия электроэнергии при использовании рекуперативного торможения на вагонах метрополитена [Текст] : матер. Х межд. науч.-тех. конф. / А. А. Сулим, С. Д. Сичев, В. Р. Распопин // Электромеханические и энергетические системы, методы моделирования и оптимизации. - КНУ им. М. Остроградского, 2012. - С. 344.
2. Гетьман, Г. К. Теория электрической тяги [Текст] / Г. К. Гетьман. - Д: Изд-во Маковецкий, 2011. - 456 с.
3. Саблш, О. I. Моделювання взаемодй електрорухомого складу в режим! рекуперацп електроенергп з розосередженою системою тягового електропостачання [Текст] / О. I. Саблш, В. Г. Кузнецов, О. I. Бондар, В. В. Артемчук // Електрифжащя транспорту. - 2014. - № 7. - С. 34-41.
4. Сопов, В. И. Способы повышения эффективности использования энергии электрического торможения подвижного состава [Электронный ресурс] / В. И. Сопов // Онлайн Электрик: Электроэнергетика. Новые технологии, 2012. - Режим доступа: URL:http://www.online-electric.ru/articles.php?id=43.
5. Быков, Е. И. Электроснабжение метрополитенов. Устройство, эксплуатация и проектирование [Текст] / Е. И. Быков. - М.: Транспорт, 1983. - 447 с.
6. Шевлюгин, М. В. Ресурсо- и энергосберегающие технологии на железнодорожном транспорте и метрополитенах, реализуемые с использованием накопителей энергии [Текст]: автореф. дис... д. т. н.: 05.14.02 / М. В. Шевлюгин. - МГУПС. Москва, 2014. - 49 с.
7. Сулим, А. А. Обоснование места установки емкостных накопителей энер-гии в системах тягового электроснабжения метрополитена [Текст] / А. А. Сулим. - Научно-производственный журнал «Електромехашчш и енергозбер1гаюч1 системи». -2013. - Вып. № 2/2013 (22), Ч. 2. - С. 282-285.
8. Szel^g, A. Aspekty efektywnosci i energooszcz^dnosci w procesie modernizacji ukladow zasilania trakcji tramwajowej [Text] / A. Szel^g, T. Maciolek, Z. Dr^zek, M. Patoka // Pojazdy szynowe. Kwartalnik naukowo-techniczny poswiecony zagadnieniom konstrukcji, budowy i badan taboru szynowego. - 2011. - № 3. - Р. 34-42.
9. Аржанников, Б. А. Система управляемого электроснабжения электрифицированных железных дорог постоянного тока: монография [Текст] / Б. А. Аржанников. - Екб: Изд-во УрГУПС, 2010. - 176 с.
10. Бурков, А. Т. Сберегающие технологии тягового электроснабжения с рекуперацией энергии торможения поездов [Текст] : тез. док. / А. Т. Бурков, В. М. Варенцов, А. Н. Марикин и др. // II Евроазиатская конференция по транспорту. -С-Пб: ЦНИИТ СЭТ, 2000. - С. 93.
