Научная статья на тему 'ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОТЫ УСТРОЙСТВ НАКОПЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ В ПОСЛЕАВАРИЙНЫХ И ВЫНУЖДЕННЫХ РЕЖИМАХ РАБОТЫ СИСТЕМЫ ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ'

ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОТЫ УСТРОЙСТВ НАКОПЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ В ПОСЛЕАВАРИЙНЫХ И ВЫНУЖДЕННЫХ РЕЖИМАХ РАБОТЫ СИСТЕМЫ ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

CC BY
36
8
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
СИСТЕМА ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ / ЭЛЕКТРОПОДВИЖНОЙ СОСТАВ / УСТРОЙСТВО НАКОПЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ / ПОСЛЕАВАРИЙНЫЙ И ВЫНУЖДЕННЫЙ РЕЖИМЫ / ПОСТ СЕКЦИОНИРОВАНИЯ / МИНИМАЛЬНОЕ НАПРЯЖЕНИЕ / ЭНЕРГОЕМКОСТЬ / ИМИТАЦИОННАЯ МОДЕЛЬ

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Незевак Владислав Леонидович, Дмитриев Александр Дмитриевич, Тарута Павел Викторович

Одним из свойств надежности электроснабжения электроподвижного состава железных дорог является безотказная работа системы тягового электроснабжения в различных режимах ее работы. Для послеаварийных и вынужденных режимов работы системы тягового электроснабжения характерно снижение показателей нагрузочной способности. С целью обеспечения пропускной и провозной способности участка железной дороги по устройствам тягового электроснабжения предлагается рассмотреть применение устройств накопления электроэнергии на электроподвижном составе и в системе тягового электроснабжения. Исследования, проводимые отечественными и зарубежными учеными, позволяют оценить эффективность альтернативных решений по повышению надежности электроснабжения, к которым относятся различные варианты применения устройств накопления электроэнергии на электроподвижном составе и в системе тягового электроснабжения. В настоящей статье представлены результаты обзора указанных решений, предложена имитационная модель системы тягового электроснабжения и электроподвижного состава с устройствами накопления электроэнергии на базе различных аккумуляторов и суперконденсаторов. Моделирование изменения режимов работы системы тягового электроснабжения выполнено с учетом управления состоянием коммутационных аппаратов. Результаты расчетов позволяют оценить падение напряжения на выходе накопителей электроэнергии, в том числе с учетом экспоненциальной зоны разрядной характеристики аккумуляторов, оценить изменение напряжения для заданной электротяговой нагрузки в зависимости от энергоемкости накопителя, выполненного на основе наиболее распространенных типов аккумуляторов и суперконденсатора.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Незевак Владислав Леонидович, Дмитриев Александр Дмитриевич, Тарута Павел Викторович

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

SIMULATION MODELING OF THE OPERATION OF ELECTRICITY STORAGE DEVICES IN POST-ACCIDENT AND FORCED OPERATING MODES OF THE TRACTION POWER SUPPLY SYSTEM

One of the properties of the reliability of the power supply of electric rolling stock of railways is the trouble-free operation of the traction power supply system in various modes of its operation. For post-emergency and forced modes of operation of the traction power supply system, a decrease in load capacity is characteristic. In order to ensure the throughput and carrying capacity of the railway section by traction power supply devices, it is proposed to consider the use of electric power storage devices on electric rolling stock and in the traction power supply system. Studies conducted by domestic and foreign researchers allow us to evaluate the effectiveness of alternative solutions to improve the reliability of power supply, which include various options for the use of electric power storage devices on electric rolling stock and in the traction power supply system. This article presents the results of a review of these solutions, a simulation model of a traction power supply system and an electric rolling stock with power storage devices based on various batteries and a supercapacitor is proposed. Modeling of changes in the modes of operation of the traction power supply system is carried out taking into account the state control of switching devices. The calculation results allow us to estimate the voltage drop at the output of electric power storage devices, including taking into account the exponential zone of the discharge characteristics of batteries, to estimate the voltage change for a given electric traction load depending on the energy intensity of the storage device, made on the basis of the most common types of batteries and a supercapacitor.

Текст научной работы на тему «ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОТЫ УСТРОЙСТВ НАКОПЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ В ПОСЛЕАВАРИЙНЫХ И ВЫНУЖДЕННЫХ РЕЖИМАХ РАБОТЫ СИСТЕМЫ ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ»

17. Polyakov B.O. Development of a methodology for studying the aerodynamic features of the undercar space as part of a high-speed EMU train. Vserossiyskaya nauchno-tekhnicheskoy konferentsiya studentov, aspirantov i molodykh uchenykh. [All-Russian scientific and technical conference of students, graduate students and young scientists]. St. Petersburg, 2020, pp. 47-50 (In Russian).

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ

Гребнев Иван Алексеевич

Российский университет транспорта (РУТ (МИИТ)).

Образцова ул., д. 9, стр. 9, г. Москва, 127994, Российская Федерация.

Аспирант кафедры «Электропоезда и локомотивы», РУТ (МИИТ).

Тел.: +7 (980) 388-24-19.

E-mail: lokomotiv197309@gmail.com

Пудовиков Олег Евгеньевич

Российский университет транспорта (РУТ (МИИТ)).

Образцова ул., д. 9, стр. 9, г. Москва, 127994, Российская Федерация.

Доктор технических наук, профессор кафедры «Электропоезда и локомотивы», РУТ (МИИТ).

Тел.: +7 (495) 684-22-15.

E-mail: olegep@mail.ru

БИБЛИОГРАФИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ СТАТЬИ

Гребнев, И. А. К оценке влияния ветровой нагрузки на грузовой поезд / И. А. Гребнев, О. Е. Пудовиков. - Текст : непосредственный // Известия Транссиба. - 2022. - № 4 (52). - С. 13 - 22.

УДК 621.311

INFORMATION ABOUT THE AUTHORS

Grebnev Ivan Alekseevich

Russian University of Transport (MIIT).

9, b. 9, Obrazcova st., Moscow, 127994, the Russian Federation.

Postgraduate student of the department «EMU and locomotives», RUT (MIIT).

Phone: +7 (980) 388-24-19.

E-mail: lokomotiv197309@gmail. com

Pudovikov Oleg Evgenievich

Russian University of Transport (MIIT).

9, b. 9, Obrazcova st., Moscow, 127994, the Russian Federation.

Doctor of Sciences in Engineering, professor of the department «EMU and locomotives», RUT (MIIT).

Phone: +7 (495) 684-22-15.

E-mail: olegep@mail.ru

BIBLIOGRAPHIC DESCRIPTION

Grebnev I.A., Pudovikov O.E. On the estimation of the influence of wind load on a freight train. Journal of Transsib Railway Studies, 2022, no. 4 (52), pp. 13-22 (In Russian).

В. Л. Незевак1, А. Д. Дмитриев1, П. В. Тарута2

Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС), г. Омск, Российская Федерация;

2Западно-Сибирская дирекция по энергообеспечению ОАО «РЖД», г. Новосибирск, Российская Федерация

ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОТЫ УСТРОЙСТВ НАКОПЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ В ПОСЛЕАВАРИЙНЫХ И ВЫНУЖДЕННЫХ РЕЖИМАХ РАБОТЫ СИСТЕМЫ ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

Аннотация. Одним из свойств надежности электроснабжения электроподвижного состава железных дорог является безотказная работа системы тягового электроснабжения в различных режимах ее работы. Для послеаварийных и вынужденных режимов работы системы тягового электроснабжения характерно снижение показателей нагрузочной способности. С целью обеспечения пропускной и провозной способности участка железной дороги по устройствам тягового электроснабжения предлагается рассмотреть применение устройств накопления электроэнергии на электроподвижном составе и в системе тягового электроснабжения.

Исследования, проводимые отечественными и зарубежными учеными, позволяют оценить эффективность альтернативных решений по повышению надежности электроснабжения, к которым относятся различные варианты применения устройств накопления электроэнергии на электроподвижном составе и в системе тягового электроснабжения.

В настоящей статье представлены результаты обзора указанных решений, предложена имитационная модель системы тягового электроснабжения и электроподвижного состава с устройствами накопления

электроэнергии на базе различных аккумуляторов и суперконденсаторов. Моделирование изменения режимов работы системы тягового электроснабжения выполнено с учетом управления состоянием коммутационных аппаратов. Результаты расчетов позволяют оценить падение напряжения на выходе накопителей электроэнергии, в том числе с учетом экспоненциальной зоны разрядной характеристики аккумуляторов, оценить изменение напряжения для заданной электротяговой нагрузки в зависимости от энергоемкости накопителя, выполненного на основе наиболее распространенных типов аккумуляторов и суперконденсатора.

Ключевые слова: система тягового электроснабжения, электроподвижной состав, устройство накопления электроэнергии, послеаварийный и вынужденный режимы, пост секционирования, минимальное напряжение, энергоемкость, имитационная модель.

Vladislav L. Nezevak1, Alexander D. Dmitriev1, Pavel V. Taruta2

!Omsk State Transport University (OSTU), Omsk, the Russian Federation; 2West Siberian Directorate for Energy Supply of JSC «Russian Railways», Novosibirsk, the Russian Federation

SIMULATION MODELING OF THE OPERATION OF ELECTRICITY STORAGE DEVICES IN POST-ACCIDENT AND FORCED OPERATING MODES OF THE

TRACTION POWER SUPPLY SYSTEM

Abstract. One of the properties of the reliability of the power supply of electric rolling stock of railways is the trouble-free operation of the traction power supply system in various modes of its operation. For post-emergency and forced modes of operation of the traction power supply system, a decrease in load capacity is characteristic. In order to ensure the throughput and carrying capacity of the railway section by traction power supply devices, it is proposed to consider the use of electric power storage devices on electric rolling stock and in the traction power supply system.

Studies conducted by domestic andforeign researchers allow us to evaluate the effectiveness of alternative solutions to improve the reliability ofpower supply, which include various options for the use of electric power storage devices on electric rolling stock and in the traction power supply system.

This article presents the results of a review of these solutions, a simulation model of a traction power supply system and an electric rolling stock with power storage devices based on various batteries and a supercapacitor is proposed. Modeling of changes in the modes of operation of the traction power supply system is carried out taking into account the state control of switching devices. The calculation results allow us to estimate the voltage drop at the output of electric power storage devices, including taking into account the exponential zone of the discharge characteristics of batteries, to estimate the voltage change for a given electric traction load depending on the energy intensity of the storage device, made on the basis of the most common types of batteries and a supercapacitor.

Keywords: traction power supply system, electric rolling stock, electric power storage device, emergency and forced mode, post-partitioning, minimum voltage, energy intensity, simulation model.

Нормальные режимы питания межподстанционных зон на железных дорогах России, как правило, являются двухсторонними, что совместно с выполняемым секционированием позволяет обеспечить требующийся уровень надежности электроснабжения электроподвижного состава. В ряде случаев отказы устройств электроснабжения приводят к снятию напряжения с поврежденной секции контактной сети и соответствующим задержкам в графике движения поездов.

Одним из решений задачи по сокращению задержек поездов в наиболее чувствительном виде движения - пассажирском - является модернизация электроподвижного состава, позволяющая обеспечить автономность хода на части пути следования, что позволяет проследовать ему до ближайшей станции с неповрежденной секцией контактной сети и следовать далее в нормальном режиме.

Применение электроподвижного состава, имеющего автономность хода, позволяет использовать его не только для повышения надежности перевозок, но и для решения задач по повышению эффективности рекуперации и энергетической эффективности перевозок и снижению экологического воздействия на окружающую среду при замене в пассажирском движении дизель-поездов на электропоезда, оснащенные бортовыми системами накопления, которые могут следовать автономно на всем пути следования или на его части.

Применение автономного подвижного состава в грузовом движении представляется нецелесообразным ввиду повышенной энергоемкости указанных перевозок и длительности тяговых режимов, приводящих к высокой стоимости бортовых систем накопления.

12 4(52) 2022

Исключением может являться маневровое движение, в котором имеются примеры реализации пилотных проектов с гибридным подвижным составом иди электроподвижным составом с бортовыми системами накопления.

Другим аспектом задачи по повышению надежности электроснабжения является работа системы тягового электроснабжения в послеаварийных и вынужденных режимах. Продолжительность указанных режимов, в ряде случаев являющихся плановыми, может существенно превышать продолжительность аварийных режимов работы.

Вынужденные режимы работы системы тягового электроснабжения связаны с изменением параметров и в ряде случаев приводят к длительному снижению пропускной и провозной способности на участке железной дороги. В данном случае требуется решать задачу обеспечения пропускной и провозной способности участка железной дороги не только для пассажирского электроподвижного состава, но и для грузовых электровозов.

Наиболее ярким примером применения систем накопления в вынужденных режимах является их применение в системе тягового электроснабжения на линейных пунктах или в местах секционирования, устройство которых связано с временным изменением схемы питания и секционирования, например, при устройстве блок-постов при капитальном ремонте пути.

Таким образом, с целью повышения надежности электроснабжения в послеаварийных режимах работы системы тягового электроснабжения для пассажирского электроподвижного состава целесообразно применять бортовые системы, для послеаварийных и вынужденных режимов - стационарные системы накопления, размещаемые в границах лимитирующих пропускную и провозную способность межподстанционных зон.

Тенденция развития автономности электроподвижного состава привела к появлению электропоездов, питание которых может быть реализовано как от контактной сети, так и от бортовых систем накопления электроэнергии. Современные образцы электропоездов оснащаются литий-ионными батареями, обеспечивающими зарядку за время около 10 мин и запасом хода до 100 км, например, как это реализовано в поездах Talent 3 Bombardier. Указанные поезда получают питание от контактной сети переменного тока напряжением 15 кВ, конструкционная скорость составляет 140 км/ч, ускорение - 1,1 м/с2 [1].

Развитие указанного технического решения в отношении пассажирских перевозок, наиболее чувствительных к задержкам поездов, привело к появлению автономных аккумуляторных поездов и подвижного состава, сочетающего возможность питания от контактной сети и бортовой системы накопления, а также к предложению специальных систем тягового электроснабжения, построенных по «островной» структуре.

Последняя содержит электрически несвязанные секции контактной сети, позволяющие обеспечить движение электроподвижного состава по непротяженным участкам и одновременную зарядку систем накопления электроэнергии на ограниченных по протяженности участках.

Одним из примеров реализации данного подхода является перевод участков с дизельной тягой на электроподвижной состав с бортовыми системами накопления. На указанных участках реализуется система тягового электроснабжения с секциями контактной сети, не связанными между собой и привязанными к центрам питания [2].

Применение указанных систем позволяет сократить капитальные затраты на сооружение и монтаж контактной подвески, но имеет ограниченную область применения, связанную с малодеятельными участками. Рост интенсивности движения, наличие смешанного движения или преобладание грузового движения существенно понижают экономическую привлекательность указанных проектов, поскольку связаны со значительным ростом требующихся мощностей системы тягового электроснабжения и энергоемкости электроподвижного состава [3].

Послеаварийный и вынужденные режимы работы систем тягового электроснабжения характеризуются изменением параметров, являющихся критическими по отношению к некоторым показателям нагрузочной способности и ограничивающих пропускную и

провозную способность участка железной дороги. Основными задачами управления системой тягового электроснабжения в данных режимах являются ограничение роста нагрузки и поддержание напряжения в контактной сети с обеспечением надежности электроснабжения [4]. В ряде случаев вынужденный режим работы связан с увеличением тяговой нагрузки выше проектной [5], когда требуются переход в интенсивный режим работы и реализация мероприятий по усилению тягового электроснабжения. Контроль показателей работы системы тягового электроснабжения в указанных режимах позволяет выполнить необходимое регулирование или обосновать применение тех или иных технических мероприятий по усилению системы тягового электроснабжения [6, 7].

Наиболее тяжелыми с точки зрения поддержания режима напряжения в контактной сети являются режимы питания тяговой сети, связанные с отключением тяговой подстанции или секции контактной сети на время проведения ремонта. Одним из технических решений, направленных на поддержание уровня напряжения на участках, лимитирующих пропускную и провозную способность, является применение устройств накопления электроэнергии.

В случае послеаварийных и вынужденных режимов работы продолжительность действия мероприятий по применению устройств накопления электроэнергии для усиления соответствует продолжительности этих режимов и по аналогии использования передвижных тяговых подстанций носит временный характер. Это позволяет использовать в концепции устройств накопления электроэнергии для тягового электроснабжения как стационарные, так и передвижные комплексы, мобильность которых позволяет использовать их в границах межподстанционных зон.

Применение бортовых устройств накопления электроэнергии возможно как в условиях традиционной системы тягового электроснабжения, так и при реализации «островной» модификации системы.

В послеаварийных и вынужденных режимах работы секционирование контактной сети позволяет сократить протяженность отключенных участков на перегонах и станциях. На перегонах локализация участков главных путей выполняется, как правило, с помощью выключателей, разъединителей и изолирующих сопряжений, на станциях локализация контактной подвески одного или нескольких путей дополнительно обеспечивается секционными изоляторами. Исходя из протяженности отключенных секций на перегонах и станциях критичным для бортовой системы накопления будет являться обесточенный участок межподстанционной зоны, на котором требуется автономность хода до ближайшей секции контактной сети, находящейся под напряжением.

Энергетические параметры для электропоезда (ЭПС) в границах межподстанционной зоны протяженностью l, ограниченной тяговыми подстанциями ТП1 и ТП2 с находящимся на ней постом секционирования, зависят от условий профиля пути, направления следования, скорости и расстояния от начала автономного следования li до секции контактной сети под напряжением.

Результаты тяговых расчетов для одной из межподстанционных зон участка Санкт-Петербург - Москва (Клин - Подсолнечная) позволяют оценить электропотребление электропоезда Velaro RUS в зависимости от скоростей движения. Для технической скорости движения 50 км/ч результаты расчета электропотребления в зависимости от расположения электропоезда на участке и направления следования приведены на рисунке. Точка пересечения графиков с абсциссой lv позволяет определить направление движения ЭПС, соответствующее следованию от абсциссы поезда до абсциссы начала следующей секции контактной сети с наименьшим электропотреблением.

Определение параметров бортовой системы накопления ЭПС должно позволять решить задачу автономности электропоезда с минимальными затратами. В данном случае на стоимость бортовых систем основное влияние оказывают их энергоемкость и мощность. Расчет указанных параметров проводится для заданной скорости движения на автономном

ходу и должен быть выполнен для диапазона скоростей, позволяющих минимизировать энергоемкость и мощность.

800 -

I

Ж

кВтч 600

500

400

300

200

100

ючетное направление

Четное направление

— ^—

« а н _ £

н ✓ е н ч о

и л * с £ _с

£ ^ - ^ ** Абсцисса /р

г- ^

МЮ^МОСОФГЛ

1Л1Л1Л1Л1Л1Л1Л1Л1Л1Л1Л1Л1Л1Л1Л1Л1Л1Л1Л1Л1Л1Л1Л1Л1Л1Л1Л

00 1Л

0

/

График изменения потребляемой электроэнергии в зависимости от направления движения

При снятии напряжения с контактной сети автоматическое повторное включение (АПВ) выполняется с выдержкой времени в диапазоне 4 - 10 с и в отдельных случаях она может быть сокращена, например, как это показано в статье [8]. В указанном случае электропоезд при снятии напряжения в контактной сети продолжает двигаться по инерции, сохраняя скорость движения. В случае неуспешного АПВ и отсутствия напряжения в контактной сети по истечении выдержки времени выполняется подача напряжения на силовые цепи электропоезда с помощью бортового устройства накопления электроэнергии.

Энергоемкость бортового устройства в этом случае будет определяться величиной электропотребления на наиболее энергозатратной межподстанционной зоне участка, где выполняется пассажирское движение. В этом случае на основе расчетов для укрупненных полигонов движения определяется требующийся уровень номинальной энергоемкости для достижения электропоездом ближайшей следующей секции контактной сети, расположенной по пути следования. Как показано выше, уровень энергоемкости для максимальной скорости 100 км/ч составляет около 1000 кВт-ч. Указанный уровень энергоемкости соответствует результатам, полученным для бортового устройства, предназначенного для решения других задач - повышения энергетической эффективности и следования на неэлектрифицированных участках [9]. Максимальная потребляемая мощность при этом не превышает 2 МВт. Указанное соотношение максимальной мощности и энергоемкости позволяет применять для бортовых систем накопления аккумуляторные батареи, большинство которых допускает разряд токами 2Сн, т. е. токами, превышающими номинальные в два раза.

Необходимо отметить, что минимальная энергоемкость бортового устройства накопления на малодеятельных участках при аварийном снятии напряжения будет определяться удаленностью электропоезда до ближайшей станции. В этом случае энергоемкость зависит от расчетной ординаты, позволяющей выбрать менее энергозатратное направление движения поезда. Указанный порядок действий при аварийном режиме позволяет обеспечить возвращение электропоезда на ближайшую станцию и одновременно с этим значительно снизить энергоемкость бортового устройства.

Послеаварийные режимы и вынужденные режимы работы характеризуются отключением секций контактной сети и соответствующего коммутационного оборудования тяговых

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

подстанций. Продолжительность существования указанных режимов, как правило, незначительна и связана с проведением аварийных работ или внеочередных ремонтов. К другой группе относятся вынужденные режимы, связанные с проведением плановых ремонтов оборудования системы тягового электроснабжения или инфраструктуры железной дороги, например, капитального ремонта пути на перегонах с устройством блок-постов, продолжительность которых может изменяться от одних до нескольких суток.

Одним из наиболее характерных примеров вынужденного режима является режим питания межподстанционной зоны с выведенной в ремонт на перегоне секцией контактной сети.

При отключении секции контактной сети движение электроподвижного состава осуществляется по вариантным графикам, предусматривающим движение поездов в неправильном направлении. Пропуск поездов с одной из отключенных секций контактной сети приводит к снижению показателей нагрузочной способности системы тягового электроснабжения, например, коэффициента загрузки силового оборудования или по уровню напряжения.

Для обеспечения пропускной и провозной способности путем поддержания показателей нагрузочной способности предлагается рассмотреть размещение устройства накопления в системе тягового электроснабжения, расположенное на тяговой подстанции или в границах межподстанционной зоны. Параметры устройства при решении данной задачи должны обеспечивать поддержание показателей нагрузочной способности. В отличие от бортового устройства рассматриваемое устройство не предлагается для аварийного питания контактной сети ввиду высоких требований к мощности и энергоемкости для обеспечения пропускной и провозной способности, а также возможного повреждения секции контактной сети.

Оценка работы устройств накопления на базе аккумуляторов и суперконденсатора применительно к бортовой системе и размещению в системе тягового электроснабжения позволяет получить информацию о режиме напряжения, степени заряженности и глубине разряда при тяговых нагрузках электропоезда или совокупности поездов в границах межподстанционной зоны в послеаварийных и вынужденных режимах.

Аккумуляторы и суперконденсаторы имеют различные разрядные характеристики. С целью оценки изменения степени заряженности и минимального напряжения при разряде в работе рассматриваются четыре вида аккумуляторов и один суперконденсатор с двойным электрическим слоем (EDLC). В качестве аккумуляторов, составляющих аккумуляторную батарею, рассматриваются никель-металлогидридные (NiMh), никель-кадмиевые (NiCd), литий-ионные (Lilon) и свинцово-кислотные (LeAc(Pb)) аккумуляторы. В качестве суперконденсаторов используются конденсаторы с двойным электрическим слоем EDLC -суперконденсатор (Electric Double Layer Capacitors) [10].

Разрядная характеристика аккумуляторов имеет так называемую экспоненциальную зону, в которой происходит соответствующее изменение напряжения на клеммах аккумулятора. При дальнейшем разряде напряжение аккумулятора стабилизируется. В отличие от аккумулятора разрядная характеристика суперконденсатора EDLC не имеет выраженной экспоненциальной зоны изменения напряжения и для проведения расчетов может рассматриваться как линейная характеристика.

Напряжение аккумулятора в аналитическом виде описывается на основе уравнений Пейкерта [11, 12], Шеферда [13] или их модификаций, а также моделей Тевенина, Зиммер-мана - Петерсона и др.

Имитационное моделирование на основе модели в Matlab позволяет получить характеристики режима напряжения для рассматриваемой нагрузки и видов накопителей электроэнергии. Полученные результаты для бортовой и стационарных систем при изменении энергоемкости накопителей в диапазоне от 30 до 300 кВт ■ ч приведены в таблицах 1 и 2 соответственно.

Jo 4(52) 2022

Таблица 1 - Минимальные напряжения при применении бортовой системы

Энергоемкость, кВт ■ ч Минимальное напряжение, В

№МЬ №Сё ЬПоп ЬеАс(РЪ) EDLC

30 2386 2317 2352 2352 2937

60 2852 2773 2780 2780 2967

90 3050 2966 2971 2971 2978

120 3159 3072 3080 3080 2983

150 3229 3139 3152 3152 2986

180 3277 3186 3203 3203 2988

210 3312 3219 3241 3241 2989

240 3339 3245 3271 3271 2991

270 3360 3266 3294 3294 2991

300 3377 3282 3313 3313 2992

Если для бортовых систем с рассматриваемой нагрузкой достаточно уровня энергоемкости 90 кВт ■ ч для аккумуляторов и 30 кВт ■ ч для суперконденсатора, то при размещении системы на посту секционирования требующаяся энергоемкость должна быть увеличена в соответствии с нагрузкой не в два раза, а следующим образом: для аккумуляторов NiMh - в 1,33 раза (энергоемкость составит 120 кВтч), для NiCd и LiIon - в 1,67 раза (150 кВт ■ ч), для LeAc(Pb) - более чем в три раза (превысит 300 кВт ■ ч), а для суперконденсаторов - в два раза (60 кВт ■ ч).

Таблица 2 - Минимальные напряжения при применении стационарной системы

Энергоемкость, кВт ■ ч Минимальное напряжение, В

№МЬ мса LiIon LeAc(Pb) EDLC

30 1880 1820 1891 1311 2885

60 2460 2389 2418 1873 2940

90 2739 2663 2674 2165 2959

120 2903 2824 2829 2343 2968

150 3012 2929 2933 2463 2974

180 3089 3004 3009 2549 2977

210 3146 3059 3067 2613 2980

240 3190 3102 3113 2664 2982

270 3226 3136 3149 2704 2984

300 3255 3164 3180 2737 2985

Следует отметить, что тяговая нагрузка электроподвижного состава требует увеличения указанной энергоемкости для условий размещения устройств накопления электроэнергии в системах тягового электроснабжения постоянного и переменного тока, например, как это показано для постов секционирования, до значений около 1,5 и 12,0 МВт ■ ч соответственно [14, 15].

Различие разрядных характеристик, определяющее падение напряжение на шинах батарей аккумуляторов и суперконденсаторов, обусловливает различие в выборе энергоемкости для различных видов накопителей для бортовых и стационарных систем в тяговом электроснабжении, в том числе гибридных устройств и устройств с регулированием напряжения.

Апробация работы модели выполнена для двух вариантов размещения устройств накопления, в каждом из которых используется накопитель, построенный на базе одной из

№ 4(52)

четырех рассмотренных аккумуляторных батарей (NiMh, NiCd, Lilon, LeAc(Pb)) и суперконденсатора (EDLC).

Результаты моделирования позволяют оценить для заданной электротяговой нагрузки характер изменения напряжения и степени заряженности накопителя, зарядная и разрядная характеристики которых заданы аналитически, а также диапазоны энергоемкости для различных режимов работы и используемых видов накопителей.

Дальнейшая работа по исследованию процессов работы устройств накопления на основе имитационного моделирования связана с совершенствованием модели в части дополнения блоками, учитывающими изменение тяговой нагрузки, ее ординаты, различные алгоритмы регулирования устройств накопления электроэнергии в системе тягового электроснабжения.

«Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 22-29-00002, https://rscf.ru/project/22-29-00002/».

Список литературы

1. Realize your vision with Bombardier TALENT 3 BEMU / Bombardier. APTA 2019 Rail Conference. - 2019. - Текст : электронный. - URL: https://www.apta.com/wp-con-tent/uploads/Realize-your-vision-with-Bombardier-TALENT-3-BEMU_Yves_Lappierre.pdf (дата обращения: 23.06.2022).

2. Deutsche Bahn baut erstmals Oberleitungsinseln für Regionalverkehr mit Akku-Zügen / Deutsche Bahn. - Текст : электронный. - URL: https://www.deutschebahn.com/de/presse / pressestart_zentrales_uebersicht/Deutsche-Bahn-baut-erstmals-Oberleitungsinseln-fuer-Regionalver kehr-mit-Akku-Zuegen-7343070.

3. Незевак, В. Л. Сравнение вариантов применения накопителей электроэнергии в системе тягового электроснабжения и на электроподвижном составе / В. Л. Незевак. - Текст : непосредственный // Транспорт: наука, техника, управление. Научный информационный сборник. - 2020. - № 9. - С. 17-23.

4. Закарюкин, В. П. Управление режимами систем тягового электроснабжения /

B. П. Закарюкин, А. В. Крюков, С. М. Асташин. - Иркутск : Иркутский государственный университет путей сообщения, 2009. - 104 с. - Текст : непосредственный.

5. Марский, В. E. Режимы работы системы тягового электроснабжения на линии Санкт-Петербург - Москва при пропуске сдвоенных поездов «Сапсан» / В. Е. Марский. - Текст : непосредственный // Железнодорожный транспорт на современном этапе : 70 лет аспирантуре ОАО «ВНИИЖТ»: сборник трудов ученых ОАО «ВНИИЖТ». - Москва : ВМГ-Принт, 2014. -

C. 111-120.

6. Анализ показателей работы силового оборудования системы тягового электроснабжения ОАО «РЖД» на основе мониторинга тяговых подстанций в режиме реального времени / М. П. Бадер, В. А. Гречишников, М. В. Шевлюгин, Ю. Н. Король. - Текст : непосредственный // Электроника и электрооборудование транспорта. - 2011. - № 5-6. - С. 5-8.

7. Черемисин, В. Т. Организация контроля предельных режимов работы тяговой сети в условиях скоростного и тяжеловесного движения / В. Т. Черемисин, А. Л. Каштанов, В. Л. Незевак. - Текст : непосредственный // Известия Транссиба. - 2017. - № 1 (29). - С. 83-90.

8. Обоснование необходимости применения быстродействующего АПВ фидеров контактной сети переменного тока / Л. А. Герман, Е. В. Новиков, З. А. Фомина, Л. Г. Ручкина. -Текст : непосредственный // Наука и техника транспорта. - 2015. - № 1. - С. 105-108.

9. Гибридный поезд. Как будет работать российский локомотив на аккумуляторах // gudok.ru : сайт. - Текст : электронный. - URL: https://gudok.ru/content/science_education/ 1598983/ (дата обращения: 01.04.2022).

10. Shiraishi S. (2003). Electric Double Layer Capacitors. Carbon Alloys, 447-457. doi: 10.1016/b978-008044163-4/50027-9.

11. Dongen van L. A. M., Graaf van der R., Visscher W. H. M. Theoretical prediction of electric vehicle energy consumption and battery state-of-charge during arbitrary driving cycles. EVC symposium VIproceedings, 1981, pp. 1-13.

J° 4(52) 2022

12. Shepherd C.M. Design of primary and secondary cell. J. Electroche, SOC, 1965, vol. 112, 657 p.

13. Stern O. Zur Theorie der Elektrolytischen Doppelschicht. Zeitschrift für Elektrochemie, 1924, no. 30, pp. 508-516, doi:10.1002/bbpc.192400182.

14. Незевак, В. Л. Условия работы системы накопления электроэнергии в тяговом электроснабжении постоянного тока однопутных участков железных дорог / В. Л. Незевак. -Текст : непосредственный // Вестник Научно-исследовательского института железнодорожного транспорта. - 2021. - Т. 80. - № 4. - С. 216-224. - DOI: 10.21780/2223-9731-2021-80-4-216-224.

15. Незевак, В. Л. О сравнении энергетических параметров систем накопления электроэнергии для систем тягового электроснабжения постоянного и переменного тока / В. Л. Незевак. - Текст : непосредственный // Вестник Научно-исследовательского института железнодорожного транспорта. - 2022. - Т. 81. - № 1. - С. 38-52. - DOI: 10.21780/2223-97312022-81-1-38-52.

References

1. Realize your vision with Bombardier TALENT 3 BEMU / Bombardier. APTA 2019 Rail Conference. - 2019. Available at: https://www.apta.com/wp-content/uploads/Realize-your-vision-with-Bombardier-TALENT-3-BEMU_Yves_Lappierre.pdf (accessed 23.06.2022).

2. Deutsche Bahn baut erstmals Oberleitungsinseln für Regionalverkehr mit Akku-Zügen / Deutsche Bahn. Available at: https://www.deutschebahn.com/de/presse/pressestart_ zentrales_uebersicht/Deutsche-Bahn-baut-erstmals-Oberleitungsinseln-fuer-Regionalverkehr-mit-Akku-Zuegen-7343070 (accessed 23.06.2022).

3. Nezevak V.L. Comparison of application options for electric power storage devices in the traction power supply system and on electric rolling stock. Transport: nauka, tekhnika, upravlenie. Nauchnyi informatsionnyi sbornik - Transport: science, equipment, management. Scientific Information Collection, 2020, no. 9, pp. 17-23 (In Russian).

4. Zakaryukin V.P., Kryukov A.V., Astashin S.M. Upravlenie rezhimami sistem tyagovogo elektrosnabzheniya [Management of traction power supply system modes]. Irkutsk: Irkutsk State Transport University Publ., 2009, 104 p. (In Russian).

5. Marskij V.E. [Operating modes of the traction power supply system on the St. Petersburg -Moscow line]. Zheleznodorozhnyi transport na sovremennom etape : 70 let aspiranture OAO «VNIIZhT»: sbornik trudov uchenykh OAO «VNIIZhT» [Railway transport at the present stage : 70 years of postgraduate study of JSC «VNIIZhT»: collection of works of scientists of JSC «VNIIZhT»]. Moscow, VMG-Print Publ., 2014, pp. 111-120 (In Russian).

6. Bader M.P., Grechishnikov V.A., Shevlyugin M.V., Korol Y.N. Performance analysis of power system equipment of power supply system of traction jsc russian railways, based on monitoring of traction substations in real time. Elektronika i elektrooborudovanie transporta - Electronics and electrical equipment of transport, 2011, no. 5-6, pp. 5-8 (In Russian).

7. Cheremisin V.T., Kashtanov A.L., Nezevak V.L. Organization of control limit operation mode traction network in the speed and heavy movement. Izvestiia Transsiba - Journal of Transsib Railway Studies, 2017, no. 1(29), pp. 83-90 (In Russian).

8. German L.A., Novikov E.V., Fomina Z.A., Ruchkina L.G. Substantiation of the need for fast-acting APV feeders of the alternating current contact network. Nauka i tekhnika transporta - Science and Technology of Transportation, 2015, no. 1, pp. 105-108 (In Russian).

9. Gibridnyj poezd. Kak budet rabotat' rossijskij lokomotiv na akkumulyatorah [Hybrid train. How the Russian battery-powered locomotive will work]. Available at: https://gudok.ru/content/science_education/ 1598983. (accessed 01.04.2022).

10. Shiraishi, S. (2003). Electric Double Layer Capacitors. Carbon Alloys, 447-457. doi: 10.1016/b978-008044163-4/50027-9.

11. Dongen van L. A. M., Graaf van der R., Visscher W. H. M. Theoretical prediction of electric vehicle energy consumption and battery state-of-charge during arbitrary driving cycles. EVC symposium VIproceedings, 1981, pp. 1-13.

12. Shepherd C.M. Design of primary and secondary cell. J. Electroche, SOC, 1965, vol. 112, 657 p.

13. Stern O. Zur Theorie der Elektrolytischen Doppelschicht. Zeitschrift für Elektrochemie, 1924, no. 30, pp. 508-516, doi:10.1002/bbpc.192400182.

14. Nezevak V.L. Operating conditions of electric energy storage system in DC traction power supply for single-track sections of railways. Vestnik Nauchno-issledovatel'skogo instituta zheleznodorozhnogo transporta - Russian railway science journal, 2021, vol. 80, no. 4, pp. 216-224, DOI: 10.21780/2223-9731-2021-80-4-216-224 (In Russian).

15. Nezevak V.L. Comparison of energy parameters of electric storage systems for DC and AC traction power supply systems. Vestnik Nauchno-issledovatel'skogo instituta zheleznodorozhnogo transporta - Russian railway science journal, 2022, vol. 81, no. 1, pp. 38-52, DOI: 10.21780/22239731-2021-80-4-216-224 (In Russian).

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ

Незевак Владислав Леонидович

Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС).

Маркса пр., д. 35, г. Омск, 644046, Российская Федерация.

Кандидат технических наук, доцент кафедры «Электроснабжение железнодорожного транспорта», ОмГУПС.

Тел.: +7 (3812) 44-39-23.

E-mail: nezevakwl@mail.ru

Дмитриев Александр Дмитриевич

Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС).

Маркса пр., д. 35, г. Омск, 644046, Российская Федерация.

Аспирант кафедры «Электроснабжение железнодорожного транспорта», ОмГУПС.

Тел.: +7 (908) 117-96-71.

E-mail: alexandrorado@mail.ru

Тарута Павел Викторович

Трансэнерго - Филиал ОАО «РЖД», ЗападноСибирская дирекция по энергообеспечению, Новосибирская дистанция электроснабжения, Дорожная электротехническая лаборатория.

Спартака, д. 5 а, г. Новосибирск, 6330007, Российская Федерация.

Кандидат технических наук, начальник Дорожной электротехнической лаборатории.

Тел.: +7 (3832) 29-42-76.

E-mail: TarutaPV@wsr.ru

INFORMATION ABOUT THE AUTHORS

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Nezevak Vladislav Leonidovich

Omsk State Transport University (OSTU).

35, Marx av., Omsk, 644046, the Russian Federation.

Ph. D. in Engineering, associate professor of the department «Power supply of railway transport», OSTU.

Phone: +7 (3812) 44-39-23.

E-mail: nezevakwl@mail.ru

Dmitriev Alexander Dmitrievich

Omsk State Transport University (OSTU).

35, Marx av., Omsk, 644046, the Russian Federation.

Postgraduate student of the department «Power supply of railway transport», OSTU.

Phone: +7 (908) 117-96-71.

E-mail: alexandrorado@mail.ru

Taruta Pavel Viktorovich

Branch of Russian Railways, Transenergo, West-Siberian Directorate for Energy Supply, Novosibirsk Power Supply Distance, Road Electrotechnical Laboratory

5a, Spartak str., Novosibirsk, 6330007, the Russian Federation.

Ph. D. in Engineering, head of the Road Electrotechnical Laboratory.

Phone: +7 (3832) 29-42-76.

E-mail: TarutaPV@wsr.ru

БИБЛИОГРАФИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ СТАТЬИ BIBLIOGRAPHIC DESCRIPTION

Незевак, В. Л. Имитационное моделирование работы устройств накопления электроэнергии в послеаварийных и вынужденных режимах работы системы тягового электроснабжения / В. Л. Незевак, А. Д. Дмитриев, П. В. Тарута. - Текст : непосредственный // Известия Транссиба. - 2022. -№ 4 (52). - С. 22 - 31.

Nezevak V.L., Dmitriev A.D., Taruta P.V. Simulation modeling of the operation of electricity storage devices in post-accident and forced operating modes of the traction power supply system. Journal of Transsib Railway Studies, 2022, no. 4 (52), pp. 22-31 (In Russian).

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.