CC BY
204
УДК 621.311: 621.331 Закарюкин Василий Пантелеймонович,
д. т. н., профессор, Иркутский государственный университет путей сообщениия, e-mail: zakar49@mail.ru
Крюков Андрей Васильевич,
д. т. н., профессор, Иркутский государственный университет путей сообщениия, e-mail: and_kryukov@mail.ru
Черепанов Александр Валерьевич, аспирант, Иркутский государственный университет путей сообщениия, e-mail: santela89@mail.ru
ПРИМЕНЕНИЕ НАКОПИТЕЛЕЙ ЭНЕРГИИ В СИСТЕМАХ ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
V. P. Zakaryukin, A. V. Kryukov, A. V. Cherepanov
USE OF ENERGY STORES IN TRACTION POWER SUPPLY SYSTEMS OF ALTERNATING CURRENT RAILROADS
Аннотация. Современный этап развития электроэнергетики характеризуется переходом на новую технологическую платформу, основанную на использовании технологий интеллектуальных электрических сетей (smart grid). Эти технологии можно эффективно применять и в системах электроснабжения железных дорог переменного тока. Одним из элементов интеллектуальных электрических сетей являются накопители электроэнергии, позволяющие наиболее полно использовать энергию рекуперации и выравнивать графики электропотребления на тяговых подстанциях.
В системах электроснабжения железных дорог могут применяться емкостные, инерционные и индуктивные накопители энергии. В статье представлены результаты исследований, направленных на разработку методов моделирования систем электроснабжения, оснащенных накопителями энергии. Сформулирована задача оптимального размещения этих устройств в системах тягового электроснабжения. Предложен эвристический алгоритм ее решения, основанный на имитационном моделировании в фазных координатах.
Разработана методика имитационного моделирования систем тягового электроснабжения с накопителями энергии. На основе компьютерного моделирования показано, что за счет применения накопителей энергии возможно выравнивание графиков нагрузки тяговых подстанций. В расчетном примере коэффициент максимума снижается на 10 %, коэффициент неравномерности уменьшается на 24 %, а коэффициент формы - на 0,4 %.
На основе совместного применения накопителей энергии и устройств FACTS возможна стабилизация уровней напряжения на токоприемниках электроподвижного состава; в расчетном примере дисперсия напряжений снижается втрое.
Ключевые слова: электроэнергетические системы, системы тягового электроснабжения железных дорог, накопители электроэнергии.
Abstract. The present stage of power industry development is characterized by transition to the new technological platform based on use of technologies of intellectual electric networks (smart grid). These technologies can be applied effectively in power supply systems of alternating current railroads. One of intellectual electric networks elements is the electric power stores allowing most fully using energy and leveling power consumption on traction substations.
In power supply systems of the railroads capacitor, inertial and inductive energy stores can be applied. Results of the researches directed on development of power supply system's modeling with energy stores are presented in article. The problem of optimum placement of these devices in systems of traction power supply is formulated. The heuristic algorithm of its decision based on imitating modeling in phase coordinates is offered.
The technique of traction power systems' imitating modeling with energy stores is developed. On the basis of computer modeling it is shown that due to use of energy stores alignment of traction substations' loads is possible; in a settlement example the coefficient of a maximum decreases by 10 %; the coefficient of unevenness decreases by 24 %, and form coefficient - by 0,4 %.
On the basis ofjoint use of energy stores and FACTS devices locomotive voltage stabilization is possible.
Keywords: electrical power systems, systems of railroad traction power supply, electric power stores.
Введение
Затраты на электроэнергию, потребляемую на тягу поездов, составляют существенную долю в общих эксплуатационных расходах железных дорог. Одним из путей их снижения является возврат электроэнергии в сеть при рекуперативном торможении поездов. Для того, чтобы полностью использовать энергию рекуперации и достигать более высокого экономического эффекта, необходи-
мо применять элементы smart grid [1], такие как накопители энергии (НЭ). Исследования, описанные в работах [2, 3], показали, что в системах электроснабжения железных дорог (СЭЖД) наиболее эффективны емкостные, инерционные и индуктивные накопители энергии. Возможные места установки накопителей электроэнергии в СЭЖД показаны на рис. 1.
Современные технологии. Транспорт. Энергетика. Строительство. _Экономика и управление_
Задача выбора оптимального размещения НЭ в СЭЖД может быть сформулирована так:
m
найти min^[Pck (t)-Pcz (*)]
k=1
при ограничениях:
Pcl(t)
Pc2 (t) i i i
Pc3 (t)
Опорная
ВЛ 110- 220 кВ
ш
(1)
Ft [X, Y(t )]= 0;
pmr< pj$ )< pma; i=1..1;
t
J Pi(t )dt < Wi,
0
где Pck (t) - мощности, поступающие в СЭЖД из ЭЭС, рис. 2; Pczk(t) - потребляемые мощности, определяемые желательным графиком электропотребления (в идеальном случае Pa!c(t) = const); X - «-мерный вектор параметров, характеризующих режим СЭЖД; F - «-мерная нелинейная вектор-функция, структура которой в общем случае зависит от времени; Y(t) - га-мерный вектор нагрузок; Psi (t) - мощность /-го накопителя энер-
D min г> max
гии; P si , P si - ограничения по мощности для /го накопителя энергии; W^. - энергоемкость /-го накопителя энергии.
Рис. 1. Возможные места установки накопителей энергии
Оценка требуемой мощности накопителей энергии в СЭЖД проведена в работах [2-3]. Расчёты, результаты которых приведены в этих работах, показали, что для ТП постоянного тока достаточная энергоёмкость сверхпроводникового индуктивного накопителя (СПИН) лежит в пределах 4000-20000 МДж (1-5,5 МВт-ч), а переменного тока - 20000-80000 МДж (5,5-22 МВт-ч) на подстанцию. Параметры перспективных СПИН представлены в табл. 1. На рис. 3 представлена перспектива развития накопителей энергии для электроэнергетики по данным ГНЦ
Pc4 (t)
Pc5 (t)
V 1Г U
Pc6 (t)
Опорная
Транзитная Транзитная Транзитная Транзитная Транзитная
Рис. 2. Типовая схема СЭЖД
10"1 1 10 Энергоёмкость, МВТ.час
Рис. 3. Параметры перспективных НЭ
Т а б л и ц а 1
Основные технические характеристики перспективных СПИН для стационарного использования [14___17]
Параметр Единица измерения Значение
Энергоемкость кВт ч (МДж) 1000 (3600)
Максимальная мощность МВт 300
Число секторов тороида штук 48
Внешний диаметр обмотки (при номинальном поле 5 Тл) м 6
Высота обмотки м 6
Диаметр криостата м 7,5
Высота криостата м 10
«Холодная» масса обмотки т 250
РФ ТРИНИТИ.
Решение сформулированной задачи на современном этапе не представляется возможным ввиду значительного числа методических и алгоритмических затруднений. Поэтому ниже предлагается эвристический алгоритм, основанный на имитационном моделировании СЭЖД в фазных координатах [4-20].
Моделирование осуществляется применительно к модели СЭЖД в следующем порядке:
• на вводах 27,5 кВ опорных ТП устанавливаются ЯЬ--элементы для фиксации активных и реактивных потоков мощности;
• рассчитывается базовая совокупность режимов при движении поездов, отвечающая ситуации «Хранение энергии»;
• на вводах ТП или в середине межподстан-ционных зон (МПЗ), на постах секционирования, устанавливается активная генерация, величина которой подбирается на основе предыдущего расчета из условия «среза» пиков активного электропотребления; этот расчет отвечает режимам «Разряд»;
• в тех же точках устанавливаются активные нагрузки, подбираемые на основе предыдущего расчета с учетом потерь мощности в преобразовательных устройствах НЭ; этот расчет отвечает режимам «Заряд»;
• путем задания в точках подключения НЭ балансирующих узлов по реактивной мощности возможно моделирование комплексных устройств, представляющих собой накопитель энергии
и управляемый источник реактивной мощности (ИРМ), выполненный, например, по технологиям FACTS. FACTS (flexible alternative current transmission systems) представляет собой комплекс технических и информационных средств автоматического управления режимами ЭЭС.
Моделирование СЭЖД с накопителями электроэнергии
В качестве примера рассматривается СЭЖД с накопителями энергии, схема которой показана на рис. 4.
На рис. 7 представлена расчетная схема, реализованная средствами комплекса имитационного моделирования СЭЖД «Fazonord-Качество» [4]. График движения грузовых поездов массой 5000 тонн приведен на рис. 6. Рассматривались сверхпроводящие индуктивные накопители энергии с энергоемкостью 1 МВт-ч, табл. 1. В режиме заряда потребляемая мощность НЭ принималась на уровне 1 ,1 МВт, а в режиме разряда генерируемая мощность задавалась равной 1 МВт.
5030 5840 5850 5060
Рис. 5. Токовый профиль
50 АС-240
50 АС-240
/ 25кВ 1 / / 1 25кВ / / 25кВ 1 / / J 25кВ
JL W ' у JL Т х х W JL
ЭПС Ф п П (НЭ) Й П ф о пФ П п ф п
Рельс Т й vVv Т vVy й т й т vV, й Т й
Рис. 4. Исходная схема
АС-240
Современные технологии. Транспорт. Энергетика. Строительство. _Экономика и управление_
ш
Рис. 6. График движения поездов
Токовый профиль поезда массой 5000 тонн представлен на рис. 5. Результаты моделирования приведены на рис. 8...13 и в табл. 2 и 3. На рис. 12, 13 и в табл. 3 представлены результаты моделирования при совместной установке НЭ и регулируемых ИРМ (FACTS) в СЭЖД.
Заключение
На основании изложенного можно сформулировать следующее заключение.
1. Разработана методика имитационного моделирования СЭЖД с накопителями энергии, позволяющая решать задачи размещения НЭ в ЭЭС, питающих тяговые подстанции железных дорог переменного тока.
О 50 100 1Í0 200 250 300 350
Рис. 8. График электропотребления по фазам при отключенных накопителях
100 150 200 250 300 350 Рис. 9. Графики суммарного электропотребления в различных режимах работы накопителей
о 100 200 Время, мин 300
Рис. 10. Временная диаграмма режимов работы накопителей
100 soso-
706050 4030-
-Pz МВт 1 На кс пители от ключеиы
л h Л к А ЛАА
Л11 i ЛД| V * л и. . Ivt м IIA уЛ i \ А
Д 1
\ЛлГ ^
\ Накопите ли работа FOT
В pe mí , мин
0 50 100 150 200 250 300 350
Рис. 11. Графики суммарного электропотребления при наличии и отсутствии накопителей
Т а б л и ц а 2
Статистические характеристики результирующего графика энергопотребления
Параметр Накопители отключены Накопители включены Различие, %
pmax , МВТ 92,79 82,65 10,9
pmid , МВт 69,79 69,29 0,72
pmin , МВТ 44,95 49,87 -10,95
pck , МВт 70,39 69,6 -1,13
kR, о.е. 0,48 0,6 10,29
kMAX , ое 1,33 1,19 -24,59
kF, о.е. 1,008 1,004 0,41
Примечания: Ршх - максимальная мощность; Ршп - средняя мощность; Рмш - минимальная мощность;
P
ck
среднеквадратичная мощность;
k = P / P
kr 1 max ' 1 min
коэффициент неравномерности;
кшх = Ршх / Pmd - коэффициент максимума; kF = Рск / Ршо - коэффициент формы.
Т а б л и ц а 3
Статистические характеристики напряжений на токоприемнике ЭПС
Параметр ИРМ отключены ИРМ включены Различие
Mid, кВ 27,12 26,99 -0,47
Max, кВ 28,13 27,82 -1,13
Min, кВ 24,98 26,45 5,54
О 50 100 150 200
Рис. 12. Графики изменения напряжений на токоприемнике локомотива первого поезда
Рис. 13. Графики напряжений на токоприемнике локомотива первого поезда
2. За счет применения накопителей энергии возможно выравнивание графиков нагрузки тяговых подстанций; в расчетном примере коэффициент максимума снижается на 10 %; коэффициент неравномерности уменьшается на 24 %, а коэффициент формы - на 0,4 %.
3. На основе совместного применения НЭ и FACTS возможна стабилизация уровней напряжения на токоприемниках электроподвижного состава.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Оперативное управление в системах электроснабжения железных дорог / В.П. Закарюкин Иркутск : Изд-во ИрГУПС, 2012. 129 с.
2. Шевлюгин М.В. Снижение расхода энергии и рабочей мощности основного силового оборудования тяговых подстанций электрических железных дорог с помощью накопителей энергии. М. : Изд-во МГУПС (МИИТ), 2007.
3. Носков В.Н. К вопросу использования сверхпроводниковых индуктивных накопителей энергии в железнодорожной тяге // Вестник РГУПС. № 3. 2008. С. 54-59.
4. Закарюкин В.П., Крюков А.В. Сложнонесим-метричные режимы электрических систем. Иркутск : Изд-во Иркут. унта. 2005. 273 с.
5. Закарюкин В.П., Крюков А.В. Методы совместного моделирования систем тягового и внешнего электроснабжения железных дорог переменного тока. Иркутск : изд-во Иркут. гос. ун-та путей сообщения. 2011. 160 с.
6. Закарюкин В.П., Крюков А.В. Моделирование многообмоточных трансформаторов в фазных координатах // Электротехника. 2008. № 5. С. 56-60.
7. Закарюкин В.П., Крюков А.В. Моделирование несинусоидальных режимов в системах электроснабжения железных дорог // Вестник Ростов. гос. ун-та путей сообщения. 2008. № 3. С. 93-99.
8. Закарюкин В.П., Крюков А.В. Расчеты режимов электрических систем при сложных видах несимметрии. Иркутск, 2004. 197 с. Деп. в ВИНИТИ. 30.09.2004, № 1546-В2004.
9. Закарюкин В.П., Крюков А.В., Абрамов Н.А. Построение упрощенных моделей электроэнергетических систем для целей оперативного управления // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2007. № 16. С. 66-71.
10. Закарюкин В.П., Крюков А.В., Крюков Е.А. Моделирование предельных режимов электроэнергетических систем с учетом продольной и поперечной несимметрии. Иркутск, 2007. 138 с. Деп. ВИНИТИ 03.08.2006, № 1036-В2006.
11. Закарюкин В.П., Крюков А.В., Раевский Н.В., Яковлев Д.А. Моделирование и прогнозирование процессов электропотребления на железнодорожном транспорте. Иркутск, 2007. 114 с. Деп. ВИНИТИ. 11.01.2007, № 19-В2007.
12. Закарюкин В.П., Крюков А.В., Соколов В.Ю. Системный подход к моделированию многоамперных шинопроводов // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2008. № 4. С. 68-72.
13. Закарюкин В.П., Крюков А.В., Шульгин М.С. Параметрическая идентификация линий электропередачи и трансформаторов Иркутск, 2012. 96 с.
14. Крюков А.В., Закарюкин В.П., Арсентьев М.О. Использование технологий распределенной генерации на железнодорожном транспорте // Современные технологии. Системный анализ.
Моделирование. 2008. № 3. С. 81-87.
15. Крюков А.В., Закарюкин В.П., Буякова Н.В. Моделирование электромагнитной обстановки на железных дорогах переменного тока // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2010. № 2. С. 169-175.
16. Крюков А.В., Закарюкин В.П., Буякова Н.В. Расчет электромагнитных полей, создаваемых тяговыми сетями электрофицированных железных дорог // Вестник Иркут. гос. техн. ун-та. 2011. Т. 48. № 1. С. 148-152.
17. Крюков А.В., Закарюкин В.П., Иванов А.Н. Моделирование электромагнитных полей, создаваемых многопроводными линиями электропередачи // Проблемы энергетики. 2007. № 7-8. С. 37-43.
18. Крюков А.В., Закарюкин В.П., Кобычев Д.С. Моделирование электромагнитных влияний контактной сети железных дорог на смежные линии электропередачи // Электротехнические комплексы и системы управления. 2009. № 1. С. 2-7.
19. Крюков А.В., Закарюкин В.П., Кобычев Д.С. Определение наведенных напряжений с учетом несинусоидальности токов контактной сети железных дорог переменного тока // Науч. проблемы трансп. Сибири и Дальнего Востока. 2009. № 2. С. 315-319.
20.Шульгин М.С., Крюков А.В., Закарюкин В.П. Параметрическая идентификация линий электропередачи на основе фазных координат // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2011. № 1. С. 140-147.
