Расчет предельной стоимости внедрения накопителя электрической энергии для системы тягового электроснабжения постоянного тока Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 621.311

М. М. НИКИФОРОВ Л. П. ШАТОХИН

Омский государственный университет путей сообщения, г. Омск

РАСЧЕТ ПРЕДЕЛЬНОЙ СТОИМОСТИ ВНЕДРЕНИЯ НАКОПИТЕЛЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ДЛЯ СИСТЕМЫ ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА_

В работе рассматривается вопрос оценки экономической целесообразности внедрения накопителей электрической энергии на объектах инфраструктуры железнодорожного транспорта ОАО «РЖД». Приведены основные показатели экономического эффекта, достигаемого при установке н акопителей электрической энергии. Р асчет предельной стоимости накопителя электрической энергии приведен для двух вариантов е г о установки, а именно н а участках, где нет лимитирующих межподстанционных зон и при их наличии.

Ключевые слова: экономическая эффективность, энергетическая эффективность, система тягового электроснабжения, емкостной н акопитель энергии, лимитирующая зона.

Использование накопителей электрической энергии в системе тягового электроснабжения постоянного тока для повышения эффективности использования энергии рекуперативного торможения целесообразно на тех участках железных дорог, где по результатам математического моделирования определено наличие нереализованной энергии рекуперации. Нереализованная энергия рекуперации представляет собой разность между расчетным максимальным значением энергии рекуперации, которую может выработать электроподвижной состав по своим механическим и электромеханическим характеристикам при движении по участку, и фактически реализуемым на данном участке объемом рекуперации за некоторый рассматриваемый период времени [1].

Нереализованная энергия рекуперации возникает из-за превышения напряжения в тяговой сети допустимых значений и вынужденного перехода электроподвижного состава на реостатное или пневматическое торможение, а также из-за отсутствия приемников электрической энергии (электроподвижного состава, движущегося в режиме тяги, и приемников избыточной энергии рекуперации на тяговых подстанциях).

К преимуществам использования для приема избыточной энергии рекуперации накопителей по сравнению с выпрямительно-инверторными преобразователями относятся:

1) возможность располагать накопитель не только на тяговых подстанциях, но и на постах секционирования, что позволяет, с одной стороны, приблизить накопитель к месту выработки энергии рекуперации, а с другой — повысить уровень напряжения в середине межподстанционной зоны при разряде накопителя и, следовательно, снизить потери электро-

энергии в тяговой сети, и, тем самым, увеличить пропускную способность межподстанционной зоны;

2) отсутствие необходимости согласовывать возврат рекуперированной электроэнергии в систему внешнего электроснабжения с энергоснабжающими организациями [2] и организовывать сальдированный учет электроэнергии.

Оценка экономической эффективности внедрения накопителей электрической энергии, как и любых других энергосберегающих устройств, систем и технологий в ОАО «Российские железные дороги», должная осуществляться в соответствии с требованиями, приведенными в [3].

Основными показателями технико-экономического эффекта при внедрении накопителя электрической энергии являются:

— снижение расхода электроэнергии на тягу поездов на участке, где устанавливается накопитель;

— повышение уровня напряжения и снижение потерь электроэнергии в тяговой сети;

— снижение нагрузки понижающих и преобразовательных трансформаторов тяговых подстанций;

— повышение пропускной способности участка.

Кроме того, при увеличении применения рекуперативного торможения возникают косвенные технологические эффекты: уменьшение износа тормозных колодок; уменьшение износа бандажей колесных пар; сокращение объема ремонта тормозного оборудования подвижного состава; сокращение ремонта колесных пар.

Произвести оценку экономического эффекта от сокращения износа тормозных колодок и бандажей колесных пар, а также сокращения объема ремонта тормозного оборудования и колесных пар на данный момент не представляется возможным в связи с отсутствием актуальных экспериментальных данных

для расчета, как этого требует специально разработанная методология [4].

Поэтому основными эффектами, по которым будет выполняться оценка технико-экономической эффективности внедрения накопителей электроэнергии, будут являться сокращение расхода электроэнергии на тягу поездов, сокращение потерь электроэнергии в контактной сети и повышение пропускной способности участка.

Для оценки технико-экономической эффективности применения систем накопления энергии можно воспользоваться имитационным моделированием. Ряд программных продуктов, а также разработанные имитационные модели [5 — 9], позволяют произвести оценку эффективности внедрения накопителей электрической энергии в системе тягового электроснабжения постоянного тока. В указанных имитационных моделях в качестве накопителя электрической энергии используется накопитель емкостного типа как наиболее подходящий для применения на железнодорожном транспорте в силу ряда своих характеристик [10—12].

Для проведения оценки эффективности инвестиций необходимо использовать дисконтированные денежные потоки наличности, отражающие притоки и оттоки денежных средств в процессе реализации проекта. Баланс денежных средств для каждого периода корректируется с учетом коэффициента приведения.

В качестве показателя для расчета эффективности, согласно [3], принимаем чистый дисконтированный доход (ЧДД) — накопленный дисконтированный эффект за расчетный период, приведенный кначальному шагу по норме дисконта.

В связи с тем, что стоимость внедрения накопителя электрической энергии — величина неизвестная, необходимо произвести расчет предельной стоимости накопителя электрической энергии при его заданных параметрах и получаемом эффекте, а также заданном сроке окупаемости.

Для этого необходимо решить уравнение ЧДД, прировняв левую часть к нулю и оценив все притоки и оттоки денежных средств за год:

двух вариантов расчета и последующего их сравнения:

АСЭЭ = ((Ш™"1 + АШвар1) - {Ш™"2 + АШвар2))ЦЭЭ, (2)

где ШВар1 В

суточные расчетные значения

электроэнергии, потребляемой на тягу поездов по счетчикам тяговых подстанций, до и после установки накопителя энергии, кВтч; АШвар1, АШвар2 — суточные потери электроэнергии по результатам расчетов до установки накопителя энергии и после, кВтч;

Цээ — тариф на электроэнергию, руб./кВтч.

Количество сэкономленной за сутки электроэнергии напрямую будет зависеть от необходимой потребляемой и возвращаемой накопителем мощности, емкости накопителя энергии, коэффициента полезного действия зарядного/разрядного контура, количества циклов заряда/разряда за сутки, максимального и минимального тока, протекающего через аккумулирующий элемент.

Перечисленные параметры можно определить на основании имитационного моделирования, по результатам которого станет известно число случаев применения рекуперативного торможения и будет определена необходимая мощность для поглощения и последующего использования избыточной энергии рекуперации.

Тогда необходимая энергоемкость емкостного накопителя энергии:

Эц

р г

ср.з з

(3)

где — время зарядного процесса;

Рсрз — необходимая средняя потребляемая мощность

за время зарядного процесса;

П3 — КПД зарядного контура.

В свою очередь, энергия, накапливаемая конденсатором за время зарядного процесса, определяется как:

Эн = 0,5инСн

(4)

0 = 2 (АСээ + Сппс + А - Зэ - Зр) •

1

(1 + Е)'

(1)

где АСЭЭ — стоимость электроэнергии, сэкономленной на тягу поездов, руб.;

СППС — величина доходных поступлений при реализации потенциала повышения пропускной способности, руб.;

А — амортизационные отчисления за каждый год, руб.;

зэ — эксплуатационные затраты на обслуживание одного накопителя энергии, руб.; зР — расходы по операционной деятельности, связанные с освоением дополнительного объема перевозок, руб.;

Зм — затраты на строительно-монтажные и пуско-наладочные работы, руб.;

Сн — стоимость накопителя электрической энергии, руб.

Стоимость электроэнергии, сэкономленной на тягу поездов за сутки при установке емкостного накопителя энергии, с учетом сокращения потерь в контактной сети, определяется путем проведения

где ин— напряжение на накопителе; Сн — емкость накопителя.

Время зарядного процесса и необходимая средняя потребляемая мощность могут быть определены по токовым нагрузкам на фидерах в точке подключения накопителя, а КПД и напряжение на накопителе будут определяться исходя из выбранной схемы заряда/ разряда.

В случае установки накопителя электроэнергии на лимитирующей межподстанционной зоне обеспечивается повышение уровня напряжения электроэнергии в контактной сети и, как следствие, повышение пропускной способности всего участка. Это обеспечивает получение экономического эффекта от освоения дополнительного объема перевозок. Общая величина доходных поступлений при реализации потенциала повышения пропускной способности составит:

Сп

С • 5 1000 ,

(5)

где С — доходная ставка (принимается по данным о доходах от грузовых перевозок), руб.Лткм; 5 — прирост грузооборота при повышении пропускной способности участка, млн т.км.

П

'=0

Зм С

При повышении пропускной способности участка за счет установки накопителя следует также учесть текущие расходы по операционной деятельности, связанные с освоением дополнительного объема перевозок, при рентабельности перевозок г:

г ■ С

з — г сппс

1,35

(6)

При сроке службы накопителя Ь лет амортизационные отчисления за каждый год составят, тыс. руб.:

С

А - Сн Ь

(7)

где Сн — стоимость НЭЭ, тыс. руб.

Проделав ряд несложных математических действий над уравнением (1) получим его следующий вид:

ЗМ + СН -

Сн

- 2 (АСЭЭ + СППС + - ЗЭ - ЗР) • .. ,

,-0 Ь (1 + Е)

(8)

Так как в уравнении (8) есть коэффициент приведения а,, а расчет должен производиться методом

итерации вследствие наличия

2,

то после ряда

математических преобразований, а также используя формулу суммирования геометрических прогрессий

ЬД1 - дт+1) 1 - д

можно получить коэффициент вида:

к -

а также уравнение:

(1 + Е )т+1 - 1 Е(1 + Е )т '

Сн

(9)

ЗМ + СН - КАСЭЭ + КСППС + К-^ - КЗЭ - КЗР . (10)

После соответствующих математических преобразований получим окончательное уравнение для расчета предельной стоимость накопителя электрической энергии установленных параметров, при которых он будет окупаться в заданный срок:

Сь

к( АСэ

1 - к

Ь

(11)

рекуперативного торможения // Известия Транссиба. 2012. № 1 (9). С. 72-78.

2. Никифоров М. М., Уразаева В. Н. Причины отказа энергоснабжающих организаций от применения сальдированного учета электроэнергии на тягу поездов // Наука, инновации, образование: актуальные проблемы развития транспортного комплекса России: материалы Междунар. науч.-техн. конф. Екатеринбург, 2006. С. 216-217.

3. Методические рекомендации по расчёту экономической эффективности новой техники и технологии, объектов интеллектуальной собственности и рационализаторских предложений, утвержденные распоряжением ОАО «РЖД» 28.11.2008. № 2538р.

4. Тихонов К. К. Технико-экономические расчеты в эксплуатации железных дорог. М.: Трансжелдориздат, 1962. 252 с.

5. Шатохин А. П. Оценка эффективности использования энергии рекуперации путем имитационного моделирования системы тягового электроснабжения в среде МЛТЬЛБ // Инновационные проекты и технологии в образовании, промышленности и на транспорте: материалы науч. конф. / Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2015. С. 406-412.

6. Черемисин В. Т., Незевак В. Л., Шатохин А. П. Повышение эффективности системы тягового электроснабжения в условиях работы постов секционирования с накопителями электрической энергии // Известия ТПУ. 2015. Т. 326. № 10. С. 54-64.

7. Вильгельм А. С., Каштанов А. Л., Никифоров М. М. Принципы построения энергетических диаграмм для оценки эффективности применения рекуперативного торможения // Известия Транссиба. 2012. № 2 (10). С. 63-68.

8. Вильгельм А. С., Гутников В. И., Никифоров М. М. Апробация расчетной модели системы тягового электроснабжения железных дорог постоянного тока для оценки потенциала энергоэффективности рекуперативного торможения // Известия Транссиба. 2014. № 1 (17). С. 50-57.

9. Черемисин В. Т., Никифоров М. М., Вильгельм А. С. Методология оценки энергетической эффективности применения рекуперативного торможения и использования энергии рекуперации // Известия Транссиба. 2016. № 1 (25). С. 60-70.

10. Бут А. Д., Алиевский Б. Л., Мизюрин С. Р., Васюке-вич П. В. Накопители энергии / под ред. А. Д. Бута. М.: Энерго-атомиздат, 1991. 400 с.

11.Шевлюгин М. В., Бродский Ю. А., Подаруев А. И., Пупынин В. Н. Стационарная система аккумулирования энергии рекуперации электроподвижного состава метрополитена на базе емкостных накопителей энергии // Электротехника. 2008. № 7. С. 38-41.

12. Незевак В. Л., Шатохин А. П. Сравнение вариантов применения накопителей электрической энергии на участках постоянного тока железных дорог // От проектного инжиниринга к строительному: материалы IV Науч.-техн. конф. молодых специалистов ОАО «ОМСКНЕФТЕХИМПРОЕКТ». -Омск, 2013. С. 90-92.

Стоит отметить, что эффект от повышения пропускной способности участка при внедрении одного накопителя электрической энергии на участке может быть достигнут только при его размещении в границах лимитирующей межподстанционной зоны, что может дать порядка 3% прироста пар поездов. В случае отсутствия лимитирующих участков повышение пропускной способности возможно только при установке группы накопителей энергии на участке, что повлечет дополнительные расходы.

Библиографический список

НИКИФОРОВ Михаил Михайлович, кандидат технических наук, начальник научно-производственной лаборатории «Энергосберегающие технологии и электромагнитная совместимость». Адрес для переписки: п1к1£огоушш@гашЪ1ег.ги ШАТОХИН Андрей Петрович, преподаватель кафедры подвижного состава электрических железных дорог.

Адрес для переписки: 8Ьа1оЫп_ар@таД.ги

1. Никифоров М. М., Каштанов А. Л., Кандаев В. А. Методика оценки потенциала энергоэффективности применения

Статья поступила в редакцию 08.11.2016 г. © М. М. Никифоров, А. П. Шатохин

,-0

э

р

м