CC BY
135
Крюков А.В., Закарюкин В.П., Арсентьев М.О.
УДК 621.311
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЙ РАСПРЕДЕЛЕННОЙ ГЕНЕРАЦИИ НА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОМ ТРАНСПОРТЕ
В последние годы разработан целый ряд эффективных энерготехнологий, которые позволяют потребителям электроэнергии (ЭЭ) создавать собственные экономичные установки, конкурирующие с централизованным производством ЭЭ [1...6]. При этом электростанции потребителей обеспечивают не только собственные потребности в ЭЭ, но и выступают конкурентами на энергетическом рынке [1].
Под распределенной генерацией (РГ)1 понимается совокупность потребительских энергоустановок как индивидуального использования, так и объединенных в микроэнергосистемы. Создание установок РГ диктуются необходимостью адаптации к условиям рынка, а также ужесточением требований экологии, стимулирующих использование нетрадиционных возобновляемых источников энергии.
Современная преобразовательная техника [7] позволяет присоединять установки РГ к электроэнергетической системе (ЭЭС) через вставки постоянного тока. Подобная концепция ограничивает мощность короткого замыкания на шинах источников РГ, обеспечивает высокое качество электроэнергии и придает электроснабжению потребителей характер гарантированного питания [1]. Источники РГ, объединенные в микроэнергосистемы (кластеры), обеспечивают не только повышенную надежность электроснабжения, но и открывают широкие возможности для оптимизации режимов и повышения экономичности производства и распределения ЭЭ. Таким образом, применение технологий РГ позволяет получить целый ряд положительных эффектов, главные из которых состоят в снижении затрат на энергообеспечение, повышении надежности электроснабжения ответственных потребителей, а также в уменьшении техно-
на
окружающую
генного воздействия природную среду.
Имеющийся отечественный и зарубежный опыт показывает применимость технологий РГ в промышленности, коммунально-бытовом секторе, сельском хозяйстве и на транспорте. В настоящей работе рассматриваются технические аспекты применения установок распределенной генерации в системах электроснабжения железнодорожного транспорта.
Вопросы использования технологий РГ на железнодорожном транспорте нашли отражение в нормативных документах, определяющих перспективы развития отрасли, в частности, в энергетической стратегии ОАО «РЖД» на период до 2010 года и на перспективу до 2020 года [8] и в стратегических направлениях научно-технического развития ОАО «Российские железные дороги». В этих документах отмечается, что на железнодорожном транспорте предусматривается широкое применение высокоэнергоэффективных нетрадиционных технических средств и технологий, основанных на достижениях фундаментальных наук. На их основе будут формироваться перспективные инновационные приоритеты отрасли в области энергосбережения, к которым относятся следующие:
• применение энергоемких накопителей энергии в основных технологических процессах энергопотребления и генерации энергии;
• широкое внедрение тепловых насосов, топливных элементов, электрохимических генераторов, водородной энергетики, биогазогенераторных установок утилизации отходов жизнедеятельности транспорта;
• использование ветровой, солнечной и геотермальной энергии для нужд автономных потребителей железных дорог.
Иногда используется термин «рассредоточенная энергетика».
иркутский государственный университет путей сообщения
В регионах, где внешнее электроснабжение железных дорог является неустойчивым, предполагается создавать принадлежащие ОАО «РЖД» источники ЭЭ для обеспечения тяги поездов и нужд нетяговых железнодорожных потребителей. Так, например, в ближайшие годы на Свердловской железной дороге появится собственная электростанция мощностью 12 МВт, на которой будут установлены газовые турбины.
Для того, чтобы избежать зависимости от многочисленных сетевых компаний, предполагается в ряде случаев использовать построение системы тягового электроснабжения (СТЭ), при котором в зоне крупной электростанции ЭЭС сооружается опорная железнодорожная подстанция, питающая по собственной линии 65, 90 или 110 кВ, проложенной по опорам контактной сети промежуточные тяговые подстанции. Одновременно обеспечивается повышение качества электроэнергии, симметрирование нагрузки, снижение электромагнитного влияния тяговой сети на смежные линии [9...12]. Такое построение СТЭ создает особо благоприятные условия для внедрения установок распределенной генерации.
При строительстве новых железнодорожных линий может стать целесообразным создание транспортно-энергетических коридоров, в которых совмещаются трассы железной и автомобильной дорог, высоковольтных ЛЭП и магистральных линий связи. При этом снижаются расходы по их строительству и эксплуатации, что дает дополнительные доходы компании. Для повышения надежности электроснабжения ответственных потребителей в таких объектах инфраструктуры также актуаль-
но использование установок распределенной генерации.
Особую сферу применения установок РГ образуют системы гарантированного электроснабжения устройств сигнализации, централизации и автоблокировки, обеспечивающие повышение безопасности движения поездов. Аналогичные установки РГ применяются для гарантированного электроснабжения технологической автоматики, сигнализации и связи в искусственных сооружениях железнодорожного транспорта.
Железнодорожный транспорт России является достаточно емким потребителем энергоресурсов. В целом по сети железных дорог ежегодно потребляется до 5.6% вырабатываемой в РФ электроэнергии и до 6% дизельного топлива (рис. 1). В натуральных показателях это составляет 40 млрд. кВт'ч электроэнергии, 3 млн. т дизельного топлива, 4,5 млн. тугля, до 1 млн. т мазута, почти 1 млрд. м3 природного газа, 170 тыс. т бензина [8]. По удельным расходам топливно-энергетических ресурсов (ТЭР) на единицу производимой работы железные дороги являются наиболее экономичным видом транспорта, на долю которого приходится подавляющее большинство перевозок грузов и до половины пассажирооборота страны. Энергоресурсы используются на перевозочный процесс, обеспечение работы железнодорожной инфраструктуры и на социальную сферу.
На тягу поездов расходуется около 80% электроэнергии и 85% дизельного топлива (рис. 2). Кроме того, до 20 млрд. кВт'ч ЭЭ дополнительно перерабатывается системами электроснабжения железных дорог на транзит и снабжение нетранспортных потребителей (рис. 3).
Рис. 1. Структура энергопотребления на железнодорожном транспорте в процентах от общероссийского производства ТЭР
Рис. 2. Отраслевая структура электропотребления по направлениям деятельности
Рис. 3. Отраслевая структура электропотребления в млрд. кВт-ч
Основным энергоносителем является электроэнергия (рис. 4), что совпадает с общей направленностью энергетики страны [8].
Анализ представленных данных позволяет сделать вывод о том, что электроэнергетика железнодорожного транспорта представляет собой обширный полигон для внедрения современных технологий распределенной генерации. В условиях непрекращающегося роста тарифов на электроэнергию применение этих технологий позволит снизить затраты на электроснабжение. Кроме того, на этой основе возможно повышение надежности электроснабжения ответственных объектов железных дорог, качества электроэнергии, электромагнитной безопасности.
На основе изучения технологических процессов на железнодорожном транспорте, особенностей построения систем электроснабжения электрической тяги и нетяговых потребителей [13... 15] можно наметить следующие сферы применения установок распределенной генерации:
• объекты железнодорожного транспорта (включая электрическую тягу поездов) в регионах с потенциально неустойчивым электроснабжением;
• для повышения надежности электроснабжения ответственных потребителей при создании транспортно-энер-гетических коридоров, совмещающих трассы железной и автомобильной дорог, высоковольтные ЛЭП и линии связи;
• на предприятиях железнодорожного транспорта, имеющих собственные теплоисточники (использование ре-
жимов совместной генерации электрической и тепловой энергии);
• в районах электроснабжения нетяговых и нетранспортных потребителей для снижения затрат на энергообеспечение и повышение качества электроэнергии (в частности, для уменьшения отклонений напряжения, вызываемых резкопеременной тяговой нагрузкой);
• для питания автономных объектов ЖД транспорта с использованием нетрадиционных возобновляемых источников энергии.
На рис. 5 представлена структурная схема энергообеспечения типичного предприятия железнодорожного транспорта.
Как правило, предприятия имеют собственные теплоисточники, многие из которых не отвечают современным требованиям и требуют реконструкции. При проведении технического перевооружения возможна реализация принципа когенерации, т.е. совместной выработки тепловой и электрической энергии. В качестве технических средств для этой цели могут использоваться паровые роторные объемные машины (ПРОМ) и паровые винтовые машины (ПВМ) [6]. В целом ряде случаев применение такого технического решения будет экономически эффективным. Ниже рассмотрены электротехнические эффекты от применения генераторов небольшой мощности в системах электроснабжения предприятий железнодорожного транспорта.
Следует отметить, что применение таких генераторов в системах электроснабжения предприятий железнодорожного транспорта,
Рис. 4. Отраслевая структура энергопотребления по энергоносителям
иркутский государственный университет путей сообщения
Рис. 5. Структурная схема энергообеспечения типичного предприятия железнодорожного транспорта
обычно потребляющих мощности порядка нескольких МВА, не способно заменить электроснабжение от ЭЭС. Вместе с тем питание таких предприятий осуществляется, как правило, от тяговых подстанций с пониженным качеством электроэнергии. При этом имеют место значительные отклонения напряжения, несимметрия, несинусоидальность, существенное влияние тяговой сети на линии электропередачи. Правильный выбор мощности и мест расположения установок распределенной генерации способны привести к существенному улучшению качества электрической энергии в системах электроснабжения предприятий железнодорожного транспорта и других объектов, получающих электроэнергию от этих систем.
В наибольшей мере влияние электрической тяги на качество электрической энергии сказывается при наиболее распространенном виде тягового электроснабжения переменного тока 1х25 кВ ввиду наличия однофазных несинусоидальных тяговых нагрузок и значительного электропотребления тяговыми подстанциями, от которых получают питание и нетяговые потребители. В наиболее неблагоприятной ситуации оказываются электрически уда-
ленные нетяговые потребители, где наблюдаются самые большие отклонения напряжения вместе с существенными несимметрией и несинусоидальностью. Оценить воздействие установок распределенной генерации на улучшение качества электроэнергии, определить область их влияния и места наилучшего расположения можно с применением методики и программного комплекса имитационного моделирования, разработанного в ИрГУПСе [16, 17].
Метод моделирования в фазных координатах многопроводных систем [16] основан на использовании решетчатых схем замещения воздушных и кабельных линий, трансформаторов и автотрансформаторов. Конкретной реализацией метода является созданный в ИрГУПСе комплекс программ <^а70поМ-Качество — расчеты показателей качества электроэнергии в системах электроснабжения в фазных координатах с учетом движения поездов» [17], предназначенный для расчетов режимов СТЭ переменного тока совместно с питающей ЭЭС и районами электроснабжения нетяговых и нетранспортных потребителей. Комплекс позволяет проводить имитационное моделирование режимов СТЭ переменноготока (1х25 кВ, 2х25 кВ и новых типов) с одновременным расчетом высших гармоник, генерируемых электровозами и другими источниками несинусоидальности. Рассчитываемая система может включать в свой состав воздушные линии и контактные сети любой конфигурации, трехфазные и однофазные трансформаторы с любым приемлемым на практике соединением обмоток, источники тока и ЭДС, балансирующие узлы, нагрузки в узлах сети и между ними. Токи гармоник электровоза при эффективном токе 150 А являются исходными данными при расчетах. Расчеты проводятся с использованием визуальных компонент из набора элементов.
Методика анализа влияния распределенной генерации на качество электроэнергии предприятия железнодорожного транспорта проиллюстрирована на примере системы электроснабжения локомотивного депо, получающего основное питание от обмотки 10 кВ
Рис. 6. Расчетная схема системы электроснабжения депо
тягового трансформатора. Часть расчетной схемы питания депо, сформированная средствами комплекса Fazonord, показана на рис. 6.
Девять трансформаторных подстанций депо получают питание по радиальным схемам со стороны ТП-44, которая через ЛЭП, выполненную проводами АС-120 длиной 7.5 км, подключена к шинам 10 кВ тяговой подстанции. Опорная тяговая подстанция с фазировкой III типа получает питание от двухцепной ЛЭП 110 кВ. Мощность короткого замыкания в точке подключения ТП составляет 770 МВА. На тяговых шинах в узлах 68, 70 подключены устройства параллельной компенсации с установленной мощностью 7200 квар и полезной мощностью 4000 квар.
Небольшая мощность короткого замыкания в точке подключения питающей ТП к ЭЭС приводит к сильному влиянию однофазных тяговых нагрузок. На рис. 7 черной линией показано расчетное изменение напряжения фазы С шин 0.4 кВ (узел 376) электрически наиболее удаленной трансформаторной подстанции КТП-24 в режиме без дополнительного генератора. Фаза С соответствует наиболее загруженной фазе тягового трансформатора с наибольшими отклонениями напряжения. При прохождении вблизи подстанции поездов массой
6300 т напряжение снижается до недопустимо низких значений.
Установка фиксированной генерации 80 + ]60 кВ-А в узлах 347, 348, 349 приводит к подъему минимального напряжения фазы С всего на 4 В, а в среднем напряжение повышается на 3 В. Если генератор имеет устройства автоматического регулирования возбуждения (АРВ), то ситуация улучшается более существенно: минимальное напряжение повышается на 23 В, а среднее значение напряжения — на 24 В (рис. 7, тонкая серая линия). Таким образом, можно обеспечить приемлемые отклонения напряжения на шинах наиболее удаленной трансформаторной подстанции предприятия.
Большие отклонения напряжения, вызванные однофазными тяговыми нагрузками, приводят к большой несимметрии напряжения стороны 0.4 кВ КТП-24. На рис. 8 показана динамика изменения коэффициента несимметрии по обратной последовательности при наличии и отсутствии собственного генератора депо. В последнем случае коэффициент несимметрии достигает 21% (без учета симметрирующего эффекта асинхронной нагрузки) с превышением предельно допустимого уровня большую часть времени. При наличии генератора с АРВ наблюдается снижение максимального значения коэффициента несимметрии на 7%.
Создаваемая тяговыми нагрузками несинусоидальность напряжения на шинах 0.4 кВ КТП-24 из-за большой электрической удаленности и фильтрации гармоник, кратных трем, существенно снижается по сравнению с несинусоидальностью на шинах тяговой подстан-
Рис. 7. Изменение напряжения фазы С КТП-24 при движении поездов
иркутским государственный университет путей сообщения
Рис. 8. Коэффициент несимметрии напряжения на шинах 0.4 кВ КТП-24
Рис. 9. Коэффициент несинусоидальности напряжения на шинах 0.4 кВ КТП-24
• в районах электроснабжения нетяговых и нетранспортных потребителей для снижения затрат на энергообеспечение и повышение качества электроэнергии (в частности, для уменьшения отклонений напряжения, вызываемых резко-переменной тяговой нагрузкой);
• для питания автономных объектов ЖД транспорта с использованием нетрадиционных возобновляемых источников энергии.
2. Для анализа возможностей применения установок распределенной генерации в системах электроснабжения железнодорожного транспорта могут быть применены методика и программные средства имитационного моделирования систем электроснабжения в фазных координатах.
3. Установки распределенной генерации могут быть применены для снижения отклонений и несимметрии напряжения в системах электроснабжения предприятий железнодорожного транспорта.
БИБЛИОГРАФИЯ
ции. На рис. 9 показана динамика изменения коэффициента искажения кривой синусоидальности напряжения. Наблюдается существенное — до двукратного — снижение коэффициента несинусоидальности при наличии собственного генератора депо.
Выводы
1. Сферами применения установок распределенной генерации на железнодорожном транспорте являются следующие направления:
• объекты железнодорожного транспорта (включая электрическую тягу поездов) в регионах с потенциально неустойчивым электроснабжением;
• для повышения надежности электроснабжения ответственных потребителей при создании транспортно-энергетических коридоров, совмещающих трассы железной и автомобильной дорог, высоковольтные ЛЭП и линии связи;
• на предприятиях железнодорожного транспорта, имеющих собственные теплоисточники (использование режимов совместной генерации электрической и тепловой энергии);
Фотин, В.П. Рассредоточенная энергетика [Электронный ресурс] / В.П. Фотин. — http://www.vei.ru/public/public2.htm. Фотин, В.П. Технологическая стратегия электроэнергетической системы России [Текст] / В.П. Фотин, В.Г., Аракелян // Электричество. - № 9. - 2001. - С. 12-20. Фотин, В.П. Энергетика и экономика России: виртуальное настоящее и реальное будущее [Электронный ресурс] /В.П. Фотин.
- http://www.vei.ru/public/public2.htm. Агроскин, В. Распределённая генерация, перспективы и проблемы [Электронный ресурс] / В. Агроскин // ЭСКО. - № 7(19).
- 2003. -http://esco-ecosys.narod.ru/journal/journal 19.htm.
Фотин, В.П. Электрификация теплоснабжения [Электронный ресурс] / В.П. Фотин.
- http://www.vei.ru/public/public2.htm. Пейсахович, В. Роль малой энергетики в решении проблем энергетического обеспечения потребителей [Электронный ресурс] / В. Пейсахович // Энергорынок. - № 5. -2005. - http://www.e-m.ru.
7. Куро, Ж. Современные технологии повышения качества электроэнергии при ее передаче и распределении [Электронный ресурс] / Ж. Куро. - Новости электротехники. - 2005. - № 1 (31). -http://news.elteh.ru/arh.
8. Котельников, А.В. Энергетическая стратегия железных дорог России [Электронный ресурс] / А.В. Котельников // Железные дороги мира. - № 2. - 2005. -http://www.css-mps.ru/zdm/index.html.
9. Василянский, А. М. Совершенствование системы тягового электроснабжения железных дорог, электрифицированных на переменном токе 27,5 кВ, 50 Гц [Текст] / А.М. Василянский, Р.Р. Мамошин, Г.Б. Якимов // Железные дороги мира. - 2002. -№ 8. - С. 40-46.
10. Бородулин Б. М. Симметрирование токов и напряжений на действующих тяговых подстанциях переменного тока [Текст] / Б.М. Бородулин // Вестник ВНИИЖТ. 2003. №2.
11. Бардушко, В.Д. Режимы работы системы тягового электроснабжения напряжением 94 кВ с симметрирующими трансформаторами [Текст] / В.Д. Бардушко, В.П. Закарю-кин, А.В. Крюков // Вестник ВНИИЖТ. -2005. - №3. - С. 44-47.
12. Закарюкин, В.П. Имитационное моделирование системы тягового электроснабже-
ния 94 кВ с симметрирующими трансформаторами [Текст] / В.П. Закарюкин, А.В. Крюков // Вестник ВНИИЖТ. - 2005. -№5. - С. 12-17.
13. Марквардт, К.Г. Электроснабжение электрифицированных железных дорог [Текст] /К.Г. Марквардт. - М.: Транспорт, 1982. -528 с.
14. Поплавский, А.Н. Электроэнергетика предприятий железнодорожного транспорта [Текст] / А.Н. Поплавский. - М.: Транспорт, 1981. - 264 с.
15. Поплавский, А.Н. Стационарная электроэнергетика железнодорожного узла [Текст] /. А.Н. Поплавский, Б.Д. Краснов, В.В. Не-дачин. - М.: Транспорт, 1986. - 279 с.
16. Закарюкин, В.П. Имитационное моделирование систем тягового электроснабжения [Текст] / В.П. Закарюкин, А.В. Крюков -Иркутск: ИрГУПС, 2007. - 124 с.
17. Свидет. об офиц. регистр. программы для ЭВМ №2007612771 (РФ) «Fazonord-Качес-тво - Расчеты показателей качества электроэнергии в системах электроснабжения в фазных координатах с учетом движения поездов» / Закарюкин В.П., Крюков А.В. -Федеральная служба по интеллектуальной собственности, патентам и товарным знакам. - Зарегистр. 28.06.2007.
Зоркальцев В.И., Медвежонков Д.С. УДК [51.001.57 + 519.853]:656
ТРАНСПОРТНАЯ МОДЕЛЬ C НЕЛИНЕЙНЫМИ ЗАТРАТАМИ НА ПЕРЕВОЗКУ
Введение. В статье рассматривается математическая модель транспортной системы, осуществляющей транспортировку однородной продукции из одних пунктов в другие. Особенностью модели является нелинейность зависимости между объемами перевозок и издержками.
Можно выделить два подхода к исследованию транспортных задач. Первый основан на построении оптимизационной задачи и поиске экстремального решения [2], второй - на составлении условий равновесия и определе-
нии значений показателей экономической системы, удовлетворяющих этим условиям [10,11]. Рассматриваемая модель, в некоторой степени, сочетает оба подхода. Модель описывается исходной задачей оптимизации и дополняется двойственной к ней. Рассматривается система условий, решение которой соответствует точке равновесия (оптимума) двойственных задач.
По традиции, восходящей к пионерным работам в математической экономике, транспортная задача часто рассматривается в ли-
