CC BY
125
УДК 621.331:621.311
М. М. Никифоров, А. Л. Каштанов, В. А. Кандаев
МЕТОДИКА ОЦЕНКИ ПОТЕНЦИАЛА ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИМЕНЕНИЯ РЕКУПЕРАТИВНОГО ТОРМОЖЕНИЯ
Рекуперативное торможение является одним из эффективных способов обеспечения безопасности поездов и снижения удельного расхода электроэнергии на тягу поездов. Расширение полигонов применения рекуперативного торможение требует вложения значительных капитальных затрат. Для подготовки технико-экономического обоснования внедрения рекуперативного торможения на участках железных дорог предложена методика (щепки потенциала энергоэффективности применения рекуперативного торможения.
Согласно программе «Энергетическая стратегия железнодорожного транспорта на период до 2010 года и на перспективу до 2030 года» для тяговой энергетики к наиболее действенным мероприятиям в области ресурсосберегающих технологий относится повышение эффективности использования электрической энергии, рекуперируемой электроподвижным составом (ЭПС) в систему тягового электроснабжения.
Торможение наряду с тягой и выбегом является одним из трех основных режимов движения поезда и применяется, как известно, для поддержания скорости движения на спусках не выше допустимой для снижения скорости перед участками с ограниченной скоростью движения, а также для остановки поезда. Система рекуперативного торможения (тип электрического тормоза) предназначена прежде всего для обеспечения безопасности движения поездов и является составляющей технологического процесса ведения поезда.
В грузовых поездах, особенно повышенной массы и длины, при пневматическом торможении возникают значительные продольно-динамические силы, способные вызвать обрыв автосцепных устройств и выдавливание вагонов. В пассажирских поездах, особенно повышенной длины, при пневматическом торможении также возникают большие продольно-динамические силы, превышающие допустимые значения по условиям комфортности пассажиров. В этой связи повышается актуальность электрического, прежде всего рекуперативного, торможения электровозов.
Рекуперативное торможение является одним из важнейших источников экономии электроэнергии на электрифицированных участках железных дорог. В связи с этим расширение применения данного вида торможения и повышение эффективности использования энергии рекуперации являются одними из основных направлений технических мероприятий по выполнению норм удельного расхода топливно-энергетических ресурсов.
Эффективность применения рекуперативного торможения и использования энергии рекуперации зависит от большого количества факторов. Так, к примеру, на участках постоянного тока при загруженном графике движения поездов межпоездной интервал незначителен и большая часть электроэнергии, рекуперируемой в контактную сеть, потребляют поезда, находящиеся в тяговом режиме, а меньшая передается на тяговые подстанции, оснащенные инверторными агрегатами или поглощающими сопротивлениями. Поэтому при таком графике движения поездов лишь незначительная доля рекуперированной электрической энергии используется неэффективно. В свою очередь доля избыточной энергии рекуперации возрастает при снижении интенсивности движения поездов.
Объем рекуперируемой электрической энергии зависит от таких факторов, как профиль пути, вес и количество поездов, неравномерность тонно-километровой работы в четном и нечетном направлениях, количество погрузочно-разгрузочных станций и разветвленность сети магистральных путей. Важным фактором, влияющим на эффективность рекуперативного торможения и использования энергии рекуперации, является наличие и исправность ин-верторных преобразователей (либо поглощающих устройств) на тяговых подстанциях постоянного тока и блоков рекуперации на ЭПС.
06301360
Несмотря на действия, предпринимаемые техническими службами по повышению эффективности применения рекуперативного торможения, ОАО «РЖД» серьезно отстает от объемов рекуперации, достигнутых в советское время (по некоторым железным дорогам в 2010 г. объем рекуперации почти в три раза меньше чем в 1988 г.), и объемов рекуперации ЭПС в развитых странах мира. Это говорит о достаточно высокой потенциальной возможности увеличения объемов рекуперации.
Технической базой для расчета энергии рекуперации является имитационное моделирование с использованием программного комплекса «КОРТЭС» (ВНИИЖТ), утвержденного Техническим указанием Департамента электрификации и электроснабжения ОАО «РЖД» № К-108/04 от 24.02.2004. Расчетным периодом для оценки потенциала является суточный интервал.
Тяговый и электрический расчеты представляют собой цикл, включающий в себя предварительный расчет с целью получения предварительных показателей системы тягового электроснабжения и окончательный расчет по итогам корректировки показателей, полученных в результате предварительного моделирования.
Процесс рекуперативного торможения сопровождается возвратом рекуперирующим электровозом электрической энергии в контактную сеть. При этом энергия рекуперации потребляется электровозами, находящимися с ним на одном участке и работающими в тяговом режиме, либо возвращается в питающую энергосистему, либо распределяется по присоединениям, получающим питание с шин тяговых подстанций. На дорогах постоянного тока возврат электроэнергии из тяговой сети возможен лишь в случае наличия установленных на тяговых подстанциях выпрямительно-инверторных преобразователей.
При выполнении оценки эффективности применения рекуперативного торможения используются следующие понятия:
абсолютная энергия рекуперации - максимальное значение энергии, возвращенной ЭПС в тяговую сеть в режиме рекуперации, полученное по результатам тягового расчета. Фактически абсолютная энергия рекуперации представляет собой энергию, которую может выработать ЭПС по своим механическим и электромеханическим характеристикам в процессе движения по участку;
избыточная энергия рекуперации - часть энергии рекуперации, не поступающая к электровозам в режиме тяги, а преобразуемая или поглощаемая специальными приемниками;
реализованная энергия рекуперации - расчетное значение энергии, которая может быть отдана в тяговую сеть электровозами в режиме рекуперативного торможения при условии ее потребления в полном объеме поездами в режиме тяги и приемниками избыточной энергии рекуперации, полученное по результатам электрического расчета;
нереализованная энергия рекуперации - разность значений абсолютной и реализованной энергии рекуперации, полученных соответственно по результатам тягового и электрического расчета;
потенциал рекуперации - разность между расчетным значением реализованной энергии рекуперации и фактическим значением возврата электроэнергии по счетчикам ЭПС, полученным по отчетным данным, в границах рассматриваемого поездоучастка.
В случае, если значение энергии рекуперации превышает величину, которую можно реализовать на ЭПС, находящемся в режиме тяги, возникает избыточная энергия рекуперации, т. е. энергия, не поступающая к ЭПС, находящемуся в режиме тяги, а преобразуемая выпря-мительно-инверторными преобразователями или принимаемая поглощающими установками.
На электрифицированных участках с очень интенсивным движением, как правило, почти вся рекуперируемая энергия потребляется электровозами или электропоездами, работающими в режиме тяги. При критичном заполнении графика движения поездов (выше 90 %) рекуперация становится абсолютно необходимой по условиям обеспечения перевозок. Таким образом, эффективность рекуперации зависит от регулирования графика движения поездов.
В случае нахождения на межподстанционной зоне двух электровозов, работающих соответственно в тяговом режиме и в режиме рекуперации, величина рекуперируемой мощности описывается выражением:
Р=и*° , (1)
р , р.э
гс-1
где ир.э - максимально допустимое значение напряжения на токоприемниках рекуперирующего ЭПС, В;
17и,э - напряжение на токоприемниках ЭПС, потребляющего энергию, В;
1 - расстояние между локомотивами, км;
гс - удельное сопротивление тяговой сети, Ом/км.
При наличии ЭПС в режиме тяги с напряжением ип.Э1 и ип.Э2 по обе стороны от рекуперирующего электровоза на расстоянии // и Ь мощность рекуперации увеличивается до значения, рассчитываемого по выражению:
Р Г,
| Цу,-ип, I (2)
К к
Величина реализуемой мощности рекуперации на участках переменного тока или на участках постоянного тока при наличии на тяговой энергии выпрямительно-инверторного преобразователя (либо поглощающего устройства) с напряжением на его зажимах ипр рассчитывается по выражению:
и -и И1!
Р _ п.э пр ц . ^ )
р.пр р.э
Основными техническими решениями, направленными на повышение эффективности передачи энергии рекуперации, являются следующие:
1) реализация оптимального (пакетного) графика ведения поездов;
2) установка выпрямительно-инверторных преобразователей или поглощающих устройств на тяговых подстанциях постоянного тока;
3) регулировка внешних характеристик и уставок выпрямительно-инверторных преобразователей;
4) регулировка напряжений на шинах тяговых подстанций;
5) установка на многопутных участках поста секционирования (ПС) и пункта параллельного соединения (ППС).
Основным критерием выбора участков для оценки потенциала рекуперации является профиль пути. Опыт применения на дорогах рекуперативного торможения показывает безусловную необходимость и целесообразность применения рекуперативного торможения на участках с продольным профилем пути с расчетным подъемом 7 - 12 %о с крутизной затяжных вредных спусков 5,5 %о и более.
В зоны возможного применения рекуперации включают вредные спуски спрямленного профиля любой протяженности с крутизной 3 %о, если спуски отстоят друг от друга не далее 1 км на участке сравнительно легкого профиля (площадки, спуски и подъемы - до 3 %о, а также подъемы до 7 %о не длиннее 300 м).
К участкам постоянного тока, для которых оценка потенциала рекуперации обязательна, относятся участки, где имеются выпрямительно-инверторные преобразователи.
Оставшиеся участки анализируются по трем параметрам:
- объем расхода электроэнергии на участке (отнесенный к длине участка);
- размер движения на участке (количество пар поездов в сутки);
- удельный перепад высот профиля пути (максимальный перепад высот, отнесенный к длине участка).
Совокупность возможных значений указанных параметров представляет собой трехмерное пространство (рисунок). При этом граничные критерии по каждому параметру описывают поверхность, ограничивающую некоторую область пространства. Участки со значениями параметров вне данной области должны быть смоделированы для оценки потенциала реку-
06301360
перации. Граничные критерии должны быть определены в процессе обработки всего массива исходных данных по участкам в границах железных дорог.
Удельный
перепад
высот
°'6 °'7 0,8 0,9 !
м/км
Кол-во пар поездов в сутки
кВт-ч/км 7000
6000
4000
3000
Месячный расход ?000 электроэнергии на 1 км
участка \ 000
5000
Критерии выбора участков для моделирования с целью оценки потенциала рекуперации
Оценка потенциала энергоэффективности применения рекуперативного торможения выполняется в следующей последовательности.
В начале работ выполняется ввод информации о продольном профиле и плане пути, весовых нормах поездов и действующих ограничениях скорости.
С помощью программы Тге1к проводятся тяговые расчеты (предварительный расчет). Файл тяговой нагрузки создается для базовых масс составов по каждой категории и по каждому типу используемого на участке ЭПС.
Расчеты в программе Тге1к выполняются для всех вариантов исходных данных по категориям поездов и направлениям движения. При этом на участках постоянного тока в периоды применения рекуперативного торможения напряжение в контактной сети задается в пределах 3,8 - 4,0 кВ. Данная корректировка выполняется с применением функции «Режимная карта».
Расчеты проводятся при следующих установленных показателях:
а) период усреднения тока - 1,0 и 0,5 на участках постоянного и переменного тока соответственно;
б) включенный режим оптимизации выбега;
в) включенный режим регулировочного электрического (рекуперативного) торможения при наличии соответствующих характеристик у выбранного локомотива;
г) среднее значение «максимальной позиции» соединения двигателей локомотива (например, П-ПП).
д) расчетное напряжение - 3 и 25 кВ для участков постоянного и переменного тока соответственно.
При составлении задания на расчет в разделе «Параметры движения» обязательно необходимо указать остановочные пункты и дополнительные локомотивы (в случае их наличия).
Файл предварительного тягового расчета является исходным при создании промежуточного графика движения и электрического расчета для уточнения уровней напряжения на токоприемнике локомотива в функции от пути.
В процессе моделирования используется создание случайных графиков по заданным размерам движения. Размеры движения задаются таблицей, в которую необходимо ввести информацию о массе и количество поездов для требуемых категорий.
При вводе параметров автоматически рассчитываются доли поездов каждой градации, а также статистические интервалы между поездами - минимальный, средний и максимальный, которые характеризуют закон распределения межпоездных интервалов. Полученное фактическое число поездов каждой градации отображается в последней графе таблицы.
Выполняя корректировку случайного построения, необходимо добиться полного совпадения количества смоделированного и фактического числа поездов по каждой из категорий. Для этого необходимо выполнить:
а) корректировку для совпадения общего количества пар поездов (при помощи многократного нажатия кнопки «построить»);
б) окончательную корректировку расписания движения поездов перераспределением количества пар поездов каждой категории;
в) корректировку расписания движения поездов таким образом, чтобы все графиковые нитки заданных поездов укладывались в расчетный суточный интервал.
Далее выполняется описание параметров схемы питания участка. На данном этапе выполняется ввод информации об объектах системы тягового электроснабжения (ЭЧЭ, ПС, ППС и т. д.) и ввод параметров контактной сети, тяговых подстанций и районной нагрузки. В программе предусмотрены также дополнительные функции для формирования схем с пунктами преобразования (повышения) напряжения (ППН) в межподстанционных зонах. В случае установки на тяговых подстанциях блоков автоматического регулирования напряжения на шинах (БАРНов) неоходимо выполнить корректировку входного сопротивления. Для этого во вкладке «Параметры подстанций» устанавливается Roe, равное минимально возможному значению, а именно 0,01 Ом.
На следующем шаге моделирования проводится расчет рабочих режимов (электрический расчет). В процессе создания задания для расчета необходимо привести значения напряжения (Ux.x) на шинах тяговых подстанций в соответствии с фактическими. Кроме того, выполняется проверка обеспечения пропускной способности по устройствам тягового электроснабжения при задании уровней напряжения на шинах тяговых подстанций. Электрические расчеты проводятся для суточного интервала времени (1440 мин).
Целью предварительного электрического расчета является получение значений минимального напряжения (t/mm) по каждой межподстанционной зоне рассматриваемого участка. По результатам предварительного электрического расчета и окончательного выбора уровней напряжения на шинах тяговых подстанций повторно выполняется уточненный тяговый расчет для всех категорий поездов с использованием функции «Режимная карта».
Уточнение результатов тяговых расчетов заключается в задании скорректированных уровней напряжения в тяговой сети на интервалах ведения поезда в тяговом режиме и в режиме рекуперативного торможения.
С использованием программы Trelk и полученных откорректированных тяговых режимов проводится оценка максимально возможной энергии, потребляемой w^3Ylc и возвращенной в тяговую сеть в результате рекуперативного торможения w^nc (абсолютной энергии рекуперации) всеми поездами на рассматриваемом участке.
Энергия, потребленная всеми поездами на расчетном участке, определяется по выражению:
КЭПС=Е
(
%_w эпс
ш
(4)
06301360
где q] - вес /-го поезда, т;
базовый вес поезда, т;
ЖГ ~~ энергия, потребленная /-м поездом на расчетном участке, определенная по результатам тяговых расчетов, кВт-ч.
Абсолютная энергия рекуперативного торможения (по результатам тяговых расчетов) вычисляется по выражению:
Жэпс = У
р.а
Р'
у
(5)
где и^пс - энергия, возвращенная /-м поездом на расчетном участке, определенная по результатам тяговых расчетов, кВт-ч.
Программный комплекс «КОРТЭС» автоматически приводит массу расчетного состава к базовому весу. Таким образом, в выражениях (4) и (5) отношение принимается равным единице.
По результатам тяговых расчетов, приведенным в таблице 2, определяется объем работы, выполненной на участке при заданном размере движения, 104ткм брутто:
Лч =(/учЕ^)/1°4' (6)
7=1
где /и, - масса /-го состава, т;
п - суточное количество пар поездов на рассматриваемом участке; /уч- длина рассматриваемого участка, км. Целью электрического расчета является оценка
объема электроэнергии и^111, расходуемой на тягу поездов, определенного по счетчикам тяговых подстанций;
технических потерь электроэнергии в тяговой сети АЖТС;
объема электроэнергии и7^, возвращенной из контактной сети (на участках переменного тока);
объема электроэнергии , возвращенной выпрямительно-инверторными преобразователями (на участках постоянного тока).
Проверка достоверности полученных в результате моделирования значений осуществляется посредствам их сравнения с фактическим расходом по тяговым подстанциям в границах расчетного участка за расчетный период.
Объем электроэнергии, отпущенной натягу поездов, определяется по выражениям: для участков постоянного тока -
жшс = жтп + 9 (7)
для участков переменного тока -
Жшс=жтп+ж +АЖ , (8)
п т возв Т.С ^ ^
где ж™ - объем электроэнергии, расходуемой на тягу поездов по счетчикам тяговых подстанций, полученный по результатам электрических расчетов, кВт-ч.
Далее рассчитывается объем электроэнергии, рекуперируемой электроподвижным составом (по счетчикам ЭПС), кВт-ч:
Жр=Жпэпс-Жтш, (9)
где жтэпс - расход электроэнергии, потребленной всеми поездами на расчетном участке, определенный по результатам тяговых расчетов, кВт-ч.
Информационные технологии, Автоматика, связь, телекоммуникации
По результатам тяговых и электрических расчетов можно оценить объем нереализованного возврата электрической энергии от рекуперативного торможения, обусловленного срывами рекуперации, кВт-ч:
Ж =жэпс-ж, (10)
р.нереал р.а р 7 ^ ^
где ЖД11С - абсолютная энергия рекуперативного торможения по результатам тяговых расчетов. Рассчитываются удельный расход электроэнергии и рекуперация на участке, кВт-ч/104ткм:
для участков постоянного тока
со = (ЖпТПС - Т¥и)/А; (11) для участков переменного тока -
со = (Жпшс-Жвозв)/А; (12)
= /А. (13) Потенциал рекуперации рассчитывается по выражению:
•100%, (14)
АР =
г Ж 1ГЭПС л
жэпс жэпс
п п.ф ^
где ЖрЭфС - фактическое значение электроэнергии, возвращенной в тяговую сеть, соответствующее отчетным данным, кВт-ч;
ЖД10 - фактический объем электроэнергии, потребленной на тягу поездов, соответствующее отчетным данным, кВт-ч.
Предложенная методика может быть использована для проведения технико-экономического обоснования целесообразности внедрения новой техники и технологий, в частности:
замены на тяговых подстанциях полигона постоянного тока выпрямительных агрегатов на выпрямительно-инверторные преобразователи;
установки систем рекуперативного торможения в ходе капитального ремонта на электровозах, для которых конструктивно не предусмотрено использование рекуперативного торможения.
УДК 621.396
С. С. Грицутенко, А. Г. Панюков
МЕТОД ЛИНЕАРИЗАЦИИ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ АЦП
В данного работе предлагается метод линеаризации характеристики преобразования аналого-цифровых преобразователей. Дается обоснование предлагаемой методики и приводится пример получения соотношений для применения описываемой методика.
Идеальный аналого-цифровой преобразователь (АЦП) имеет линейную характеристику преобразования [1]. Реальные АЦП имеют нелинейную характеристику, описываемую такими параметрами, как дифференциальная и интегральная нелинейность [1, 2]. В данной работе предлагается метод линеаризации характеристики преобразования, базирующийся на оценке спектрального состава сигнала после аналого-цифрового преобразования. Существующие методы линеаризации специфичны для конкретных типов АЦП [3,4], тогда как описываемая методика может быть применена для любых типов устройств такого рода.
