Научная статья на тему 'Определение энергоемкости и мощности накопителя энергии для грузового электровоза постоянного тока'

Определение энергоемкости и мощности накопителя энергии для грузового электровоза постоянного тока Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

CC BY
581
81
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
РЕКУПЕРАЦИЯ / RECOVERY / НАКОПИТЕЛЬ ЭНЕРГИИ / ENERGY STORAGE / ТЯГА ПОЕЗДОВ / TRACTION TRAINS / ЭЛЕКТРОЭНЕРГИЯ / ELECTRICAL ENERGY

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Авилов Валерий Дмитриевич, Москалев Юрий Владимирович, Писаренко Сергей Александрович

Одним из способов повышения эффективности рекуперативного торможения является использование накопителя энергии на борту электровоза для поглощения избыточной электроэнергии рекуперации. В статье рассмотрен подход к определению необходимой энергоемкости и мощности накопителя энергии для грузового электровоза постоянного тока с учетом передачи части энергии рекуперации в тяговую сеть.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Авилов Валерий Дмитриевич, Москалев Юрий Владимирович, Писаренко Сергей Александрович

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

AN ENERGY STORAGE DEVICE PARAMETERS DETERMINATIONFOR ELECTRICAL LOCOMOTIVES OF DC RAILWAY

There is the way for increasing efficiency of recuperative braking, using an energy storage device on electrical locomotives of DC railway. This device must store a part of recuperative energy. In the article the approach was considered, which allows to find parameters of an energy storage device, this device must be placed on electrical locomotives of DC railway, a part of recuperative energy can be returned to electrical network.

Текст научной работы на тему «Определение энергоемкости и мощности накопителя энергии для грузового электровоза постоянного тока»

Если расчет оставшегося ресурса после вторичной диагностики Д2 покажет, что выход из строя следует ожидать при пробеге менее чем M2 - 3S, то это показатель нарушения в функционировании процесса ремонта [4] и он не обеспечивает требуемой надежности буксовых узлов. В этом случае необходимо принимать корректирующие действия, которые заключаются в анализе факторов, влияющих на процесс ремонта, таких как материал - проверить выполнение режима смазывания при эксплуатации; персонал и оборудование - проверить выполнение процесса замены подшипника на рабочем месте и выполнение условий хранения запасных деталей; поставщик - проверить, не было ли обнаружено заводских браков у деталей данного поставщика ранее.

В итоге получим методику проведения ремонта по фактическому состоянию с применением технической диагностики и аналитических средств, предоставим выполнение процесса мониторинга технического состояния буксовых узлов при ремонте по фактическому состоянию в виде алгоритма на рисунке 2.

Преимущества такого подхода технической диагностики и ремонта: учитывается не усредненное значение скорости износа для группы однотипных узлов, а скорость каждого. При назначении диагностики рассчитывается момент ожидания наступления третьего периода или поломки, что позволяет получить данные об изменении скорости износа и возможность снижения времени простоя. Применяемые аналитические средства для мониторинга процесса ремонта позволяют быстро реагировать на отклонения в процессе ремонта.

Рассмотренный подход построен с точки зрения рационального использования технической диагностики и планирования ремонта по фактическому состоянию, целью которого является снижение простоев вагона, связанного с диагностированием и ремонтом, снижение вероятности появления ошибок технической диагностики первого и второго рода [1, 3] и затрат при проведении ремонта.

Список литературы

1. Биргер, И. А. Техническая диагностика [Текст] / И. А. Биргер. - М.: Машиностроение, 1978. - 240 с.

2. Генкин, М. Д. Виброакустическая диагностика машин и механизмов [Текст] / М. Д. Генкин, А. Г. Соколова. - М.: Машиностроение, 1987. - 288 с.

3. Проников, А.С. Параметрическая надежность машин [Текст] / А. С. Проников / Московский гос. техн. ун-т им. Н. Э. Баумана. - М., 2002. - 560 с.

4. Ребрин, Ю. И. Управление качеством [Текст] / Ю. И. Ребрин / Таганрогский гос. радиотехнический ун-т. - Таганрог, 2004. - 174 с.

5. Русов, В. А. Спектральная вибродиагностика [Текст] / В. А. Русов. - Пермь, 1996. -235 с.

УДК 629.423; 621.355

В. Д. Авилов, Ю. В. Москалев, С. А. Писаренко

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭНЕРГОЕМКОСТИ И МОЩНОСТИ НАКОПИТЕЛЯ ЭНЕРГИИ ДЛЯ ГРУЗОВОГО ЭЛЕКТРОВОЗА ПОСТОЯННОГО ТОКА

Одним из способов повышения эффективности рекуперативного торможения является использование накопителя энергии на борту электровоза для поглощения избыточной электроэнергии рекуперации. В статье рассмотрен подход к определению необходимой энергоемкости и мощности накопителя энергии для грузового электровоза постоянного тока с учетом передачи части энергии рекуперации в тяговую сеть.

На тягу поездов расходуется около 85 % электроэнергии, потребляемой ОАО «РЖД» [1], поэтому выявление даже небольшого резерва снижения расхода электроэнергии на тягу поездов, при обеспечении безопасности и надежности перевозочного процесса, позволяет получить значительный экономический эффект.

Одним из возможных способов снижения расхода электроэнергии на тягу поездов является использование накопителей энергии (НЭ) в системе тягового электроснабжения постоянного тока. При этом может быть несколько вариантов размещения НЭ: на тяговых подстанциях и (или) на межподстанционной зоне, на борту подвижного состава; различные сочетания этих вариантов.

Накопитель должен запасать избыточную энергию рекуперации, т. е. обеспечивать напряжение в контактной сети ниже максимально допустимого по ПТЭ и стандартам. Это позволит уменьшить количество случаев отключения рекуперирующих электровозов и электровозов в режиме тяги (при срабатывании защиты от повышенного напряжения на ЭПС).

Существенные преимущества накопителя в сравнении с инвертором появляются при возврате запасенной энергии в тяговую сеть. Разряд НЭ в интервалы времени со значительной тяговой нагрузкой обеспечит напряжение в контактной сети выше минимально допустимого по ПТЭ и стандартам, что позволит увеличить скорость движения поездов, снизить потребление энергии на тягу и потери электроэнергии в контактной сети.

В настоящее время существует несколько проектов по использованию НЭ на транспорте [2, 3]. Недостаточно рассмотренным можно считать вопрос определения энергоемкости и мощности НЭ, размещенного на борту ЭПС железнодорожного транспорта, это связано с отсутствием возможности в специальных пакетах прикладных программ моделировать работу системы тягового электроснабжения и ЭПС с учетом НЭ.

На борту электровозов и электропоездов должна быть запасена только избыточная энергия рекуперации, так как часть энергии рекуперации может быть возвращена в контактную сеть. В этом случае энергоемкость и мощность НЭ для ЭПС будут иметь меньшую стоимость и массогабаритные показатели.

Основным показателем наличия избыточной энергии рекуперации в тяговой сети является превышение напряжения в контактной сети выше заданного значения. В соответствии с ГОСТ 6962-75 на участках, где применяют рекуперативное торможение, наибольшее напряжение на токоприемнике ЭПС не должно превышать 4000 В [4], поэтому при расчете основных параметров НЭ его заряд на борту электровоза осуществляется при выполнении двух условий: электровоз находится в режиме рекуперативного торможения и напряжение на токоприемнике ЭПС выше 4 кВ.

Для определения энергоемкости и мощности НЭ для электровоза постоянного тока выполнено моделирование двухпутного участка, состоящего из шести тяговых подстанций (рисунок 1).

Длина участка составляет 95 километров, участок электрифицирован по системе постоянного тока с напряжением 3 кВ, тип контактной подвески - М-95+2МФ-100+2А-185 (схема питания контактной сети двухсторонняя с ПС и ППС), тип рельса - Р65.

Для математического описания электрического состояния тяговой сети постоянного тока с учетом тяговых нагрузок был использован метод узловых потенциалов. Имитация перемещения поездов на расчетном участке выполнялась с применением мгновенных схем [5].

Рисунок 1 - Схема расчетного участка

При моделировании системы тягового электроснабжения приняты следующие допущения: элементы системы электроснабжения линейные; схема питания контактной сети двухсторонняя; для использования мгновенных схем тяговая сеть разделена на участки с длиной 1 км (см. рисунок 1); напряжение холостого хода тяговых подстанций принято равным 3600 В; на ТП2 и ТП4 установлены инверторы с напряжением включения 3800 В; блуждающие токи отсутствуют.

Основными элементами системы тягового электроснабжения постоянного тока со значительной нелинейностью характеристик являются полупроводниковые компоненты, входящие в схемы выпрямления и инвертирования на тяговых подстанциях. При моделировании системы тягового электроснабжения источники электроэнергии (тяговые подстанции) были заменены линейными активными двухполюсниками с определенными значениями линейных внутренних сопротивлений ^ТП и ЭДС холостого хода ЕТП (рисунок 2), это позволяет учитывать падающую внешнюю характеристику подстанций без существенного усложнения модели.

Рисунок 2 - Фрагмент схемы замещения расчетного участка

Электрические параметры элементов системы тягового электроснабжения представлены в таблицах 1 и 2.

Таблица 1- Электрические параметры элементов системы тягового электроснабжения [5]

Марка провода, тип рельса М-95 МФ-100 А-185 Р-65

Электрическе сопротивление 1 км провода (рельса) при 20°С, Ом/км 0,2 0,177 0,17 0,0155 (одного пути)

Таким образом, сопротивление одного километра контактной подвески (Ккс) принято равным 0,0356 Ом, рельсовой цепи (Кр) одного пути - 0,0155 Ом, сопротивление постов секционирования, пунктов параллельного соединения - 0,002 Ом.

Таблица 2 - Внутреннее сопротивление тяговых подстанций

Условное обозначение на рисунке 2 ТП 1 ТП 2 ТП 3 ТП 4 ТП 5 ТП 6

Внутреннее сопротивление ТП (Лтп), Ом 0,073 0,045 0,048 0,037 0,039 0,079

Фрагмент схемы замещения расчетного участка представлен на рисунке 2.

Графики изменения тока на участке (рисунок 3) для поездов с различной массой получены в результате тяговых расчетов. Расчет выполнен для поездов с различной массой при условии применения максимального рекуперативного торможения ЭПС.

Рисунок 3 - Расчетные графики изменения тока ЭПС (верхний - нечетные поезда, нижний - четные)

На схеме замещения (см. рисунок 2) ЭПС заданы источниками тока /ЭПС. Значения тока электровоза изменяется в зависимости от положения электровоза в соответствии с рисунком 3. Знак источника тока /ЭПС зависит от режима ЭПС: при положительном значении - тяговый режим, при отрицательном - рекуперация.

Как известно, для движения грузовых поездов на участке невозможно составить однозначный суточный график движения, графики даже смежных суток заметно отличаются друг от друга [5].

При моделировании графиков движения приняты следующие допущения: поезда перемещаются без остановок с постоянной скоростью 75 км/ч; на участке только грузовые поезда; заданный размер движения составляет 76 пар поездов в сутки; максимальное число ниток за время 76 минут равно 18 (нити на рисунке 4 показаны пунктиром).

Рисунок 4 - График движения поездов для расчетного участка

Каждая нить графика движения представлена выражением:

£ ( ) = а + Ь, (1)

параметры а, Ь приведены в таблице 3.

Таблица 3 - Параметры модели для нитей графика движения поездов

Параметр 1 2 3 4 5 6 7 8 9

а -1,25 1,25 -1,25 1,25 -1,25 1,25 -1,25 1,25 -1,25

Ь 1689 1744 1707,75 1725,25 1726,5 1706,5 1745,25 1687,75 1764

Параметр 10 11 12 13 14 15 16 17 18

а 1,25 -1,25 1,25 -1,25 1,25 -1,25 1,25 -1,25 1,25

Ь 1669 1782,75 1650,25 1801,5 1631,5 1820,25 1612,75 1839 1594

Формирование различных графиков движения поездов осуществлялось следующим образом: для всех графиков 1-я нить занята поездом массой 4184 т; 2-я - поездом массой 3184 т; 9-я и 10-я нити заняты поездами с массой 6276 т; 17-я - поездом массой 3884 т; 18-я - поездом массой 6276 т; нити 3, 5, 7 могут занимать только два поезда массой 4184 и 3884 т; нити 4, 6, 8 могут занимать только два поезда массой 6276 и 3884 т; нити 11, 13, 15 могут занимать только два поезда массой 6276 и 3184 т; нити 12, 14, 16 могут занимать только два поезда массой 6276 и 3384 т.

Общее количество графиков движения составляет 1296, так как размещение двух поездов по трем нитям дает шесть возможных сочетаний, всего в нечетном направлении 36 возможных сочетаний, аналогично для четного направления 36 возможных сочетаний. На каждом из 1296 графиков движения находятся 14 поездов (семь в четном и семь в нечетном направлении).

На рисунке 4 показан один из 1296 графиков движения поездов на участке (серые линии), на рисунке 1 показано размещение поездов для момента времени I = 24, т. е. для 24-й мгновенной схемы.

Моделирование выполнялось для периода времени 76 минут, который разделен на интервалы по 0,8 минуты, всего 76 мгновенных схем для каждого различного расположения поездов. Например, для четного поезда, который перемещается от ТП 1 до ТП 6, каждое новое положение соответствует одной из ветвей от 662 до 850 на рисунке 2. По заданным графикам токов ЭПС (см. рисунок 3) задаются значения тока (см. рисунок 2), соответствующие положению ЭПС, для каждой мгновенной схемы определяются значения тока ветвей и напряжения узлов схемы замещения.

Определение тока заряда НЭ для поглощения избыточной энергии рекуперации на борту электровоза выполняется с использованием ветвей с ЭДС ЕНЭ, параллельно подключенных с источниками тока /Эпс (см. рисунок 2). Для момента времени, при котором на «токоприемнике» ЭПС напряжение выше 4 кВ и ток ЭПС отрицательный, определялось значение ЕНЭ, для которого напряжение на «токоприемнике» ЭПС равно 4 кВ. В этом случае ветвь с ЭДС ЕНЭ находится в режиме приемника электроэнергии, по известным значениям с ЭДС ЕНЭ и тока заряда может быть определена мощность НЭ, а также энергоемкость по известному времени прохождения одного километра.

На основании моделирования был определен объем избыточной энергии рекуперации для поезда массой 6276 т (нить 9 на рисунке 4). Результат расчета для всех рассмотренных графиков движения приведен на рисунке 5, где N - расчетное значение появления избыточной энергии рекуперации различного объема на токоприемнике ЭПС для 1296 различных графиков движения. Необходимо отметить, что при появлении избыточной энергии рекуперации для нескольких моментов времени (мгновенных схем), следующих друг за другом, объем избыточной энергии рекуперации определялся как сумма объемов энергии каждого момента времени.

Для накопления избыточной энергии рекуперации в полном объеме на ЭПС (с учетом возврата части электроэнергии в тяговую сеть) необходим НЭ с энергоемкостью 280 кВтч.

№ 4(16) ЛЛИ О ИЗВЕСТИЯ Транссиба 55

2013 ■

В результате расчета изменения напряжения на токоприемнике ЭПС нечетного поезда массой 6276 т (нить 9 на рисунке 4) получены следующие результаты: для каждого графика движения из 76 мгновенных схем в среднем в семи схемах наблюдалось превышение допустимого напряжения 4000 В на токоприемнике ЭПС в режиме рекуперативного торможения.

6001-1-1-1-1-1-1-1-1-!-1-г

изб.эн.рек

Рисунок 5 - Гистограмма распределения объемов избыточной энергии рекуперации

для поезда массой 6276 т

Объем избыточной энергии рекуперации зависит от параметров системы тягового электроснабжения, т. е. от наличия приемников энергии рекуперации и возможности осуществления передачи энергии к удаленным ЭПС в режиме тяги. Существенными факторами, влияющими на объем избыточной энергии рекуперации в тяговой сети постоянного тока, являются график движения поездов на участке, масса поезда и режим ведения поезда.

В дополнение к нормам ГОСТ 6962-75 существуют документы, ограничивающие максимально допустимый уровень напряжения в контактной сети или уровень напряжения ограничивается системами защиты на электровозах новых серий [6], поэтому объем избыточной энергии рекуперации во многом зависит от принятого в расчете максимально допустимого значения напряжения на токоприемнике ЭПС.

На рисунке 6 представлены графики изменения тока ЭПС и напряжения на «токоприемнике» рассматриваемого поезда для графика движения (см. рисунок 4). При расчете принято, что разряд накопителя осуществляется, если ЭПС находится в режиме тяги и напряжение на токоприемнике ниже 3100 В. Значение напряжения разряда НЭ должно быть обосновано техническим расчетом, уставка по напряжению должна обеспечить полный разряд НЭ до начала следующего цикла заряда-разряда.

Как видно из рисунка 6, б, для двух мгновенных схем напряжение превышает 4 кВ, в этих случаях НЭ на борту ЭПС не запасает избыточную энергию (или запасает только ее часть), так как эта энергия генерируется другими электровозами на участке. На рисунке 6, в значения мощности имеют отрицательный знак в режиме заряда НЭ (ток направлен встречно ЭДС ветвей соответствующих НЭ на рисунке 2) и положительный знак в режиме разряда НЭ.

Предложенный подход позволяет определять необходимую энергоемкость и мощность НЭ на борту ЭПС в зависимости от объема избыточной энергии рекуперации ЭПС с учетом

56 ИЗВЕСТИЯ Транссиба _№ 4(16) 2013

=

различных схем питания контактной сети, токораспределения между рельсовыми цепями двух путей, инвертирования части электроэнергии в систему внешнего электроснабжения, а также с учетом графиков движения поездов на участке.

Рисунок 6 - Графики изменения тока ЭПС (а), напряжения ЭПС (б) и мощности НЭ (в)

Использование НЭ с мощностью 7 МВт и энергоемкостью 280 кВтч на электроподвижном составе грузового поезда массой 6276 т в среднем для 1296 рассмотренных графиков движения позволит:

1) снизить расход электроэнергии ЭПС с НЭ на 7,2 %;

2) снизить потери электроэнергии в тяговой сети на 12,3 %;

3) уменьшить количество случаев превышения напряжения в контактной сети допустимых значений, установленных ГОСТ 6962-75.

Целесообразность использования технического средства во многом определяется экономической эффективностью, поэтому применение энергоемкого НЭ на борту ЭПС или накопителя стационарного исполнения [7] для каждого участка требует сравнения различных вариантов с учетом технических и экономических показателей. Современные цены на НЭ серьезно ограничивают темпы их внедрения, исследования ведутся на перспективу.

Список литературы

1. Гапанович, В. А. Энергетическая стратегия и электрификация российских железных дорог [Текст] / В. А. Гапанович, С. Н. Епифанцев, В. А. Овсейчук. - М.: Эко-Пресс, 2012. - 196 с.

2. Стационарная система аккумулирования энергии рекуперации электроподвижного состава метрополитена на базе емкостных накопителей энергии [Текст] / Ю. А. Бродский, А. И. Подаруев и др. // Электротехника. - 2008. - № 7. - С. 38 - 41.

3. Охотников, Н. С. Использование накопителей энергии для повышения тяговых свойств электровозов [Текст] / Н. С. Охотников // Вестник ВНИИЖТа. - М., 2010. - № 5. -С. 33 - 36.

4. ГОСТ 6962-75. Транспорт электрифицированный с питанием от контактной сети. Ряд напряжений. - М.: Изд-во стандартов, 1976. - 3 с.

5. Марквардт, К. Г. Электроснабжение электрифицированных железных дорог [Текст] / К. Г. Марквардт. - М.: Транспорт, 1982. - 528 с.

6. Повышение эффективности применения рекуперативного торможения на железных дорогах постоянного тока в условиях эксплуатации старых и новых электровозов [Текст] / В. Т. Черемисин, А. С. Вильгельм и др. // Эксплуатационная надежность локомотивного парка и повышение эффективности тяги поездов: Материалы всерос. науч.-техн. конф. с между-нар. участием / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск, 2012. - С. 234 - 243.

7. Москалев, Ю. В. Повышение энергоэффективности системы тягового электроснабжения постоянного тока железных дорог с применением накопителей энергии [Текст] / Ю. В. Москалев, М. А. Карабанов // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. -Омск, 2013. - № 2 (14). - С. 51 - 58.

УДК 621.336

В. Д. Бардушко

ФОРМИРОВАНИЕ РАСЧЕТНЫХ ПЕРИОДОВ ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ РАБОТЫ СИСТЕМЫ ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

ВЕРОЯТНОСТНЫМ МЕТОДОМ

В статье рассматривается вопрос методологии остановки имитационного моделирования при использовании современных инструментальных средств, каковым является, например, среда ЫаЛаЬ. В частности, проанализированы факторы, определяющие длительность моделирования при заданном уровне точности искомых результатов.

Имитационное моделирование работы тягового электроснабжения позволяют решать широкий круг как технических, так и экономических задач. При решении технических задач в области систем тягового электроснабжения важными являются как интегральные, так и экстремальные значения искомых величин. Это обусловлено техническими особенностями системы тягового электроснабжения. Например, при настройке релейной защиты требуются, как правило, экстремальные значения. Некоторые технические задачи требуют интегральных оценок значений величин за ограниченный период. Таковыми являются, например, эффективные токи фидеров за двадцать минут для оценки нагревания фидеров. В то же время решение экономических задач требует вычисления интегральных, чаще всего средних, значений за длительный период. Для оценки экономической эффективности различных мероприятий, например, усиления системы, рационализации режимов ее работы и других, необходимо вычислять потери электрической энергии в устройствах тягового электроснабжения за длительный период. Если при решении задач технического характера длительность расчетного периода определяется нормативными документами (в зависимости от решаемой задачи либо наибольшие 20 минут, либо время хода или его часть по лимитирующему перегону и т. д.), то в задачах экономического характера расчетный период либо год, либо, реже, сутки.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.