CC BY
9
УДК 620.97; 621.331; 629.433; 629.085 DOI: 10.24412/2071-6168-2023-4-542-560
ВЛИЯНИЕ БУФЕРНЫХ НАКОПИТЕЛЕЙ БОРТОВОГО И СТАЦИОНАРНОГО ТИПА НА ЭНЕРГОПОТРЕБЛЕНИЕ ТЯГОВЫХ ПОДСТАНЦИЙ В ГОРЭЛЕКТРОТРАНСПОРТЕ
А.В. Кацай, М.В. Шевлюгин
В исследовании рассмотрено как влияет использование бортовых и стационарных накопителей энергии на энергопотребление от тяговых подстанций на выполнение транспортной работы в электротранспорте. Разработана модель трамвайной системы с вагонами, оснащёнными тяговыми транзисторными частотными приводами, энергопотребление которой взято в качестве основы для расчёта изменений в потреблении сетевой энергии при использовании буферных накопителей. В базовой модели энергия рекуперации полезно утилизируется только при межпоездных потоках выдаваемой в контактную сеть рекуперации, а избыточная энергия рекуперации рассеивается в атмосфере с тормозных резисторов. На основе базового варианта модели построены её варианты: с применением бортовых накопителей на всех вагонах и с применением стационарных накопителей на всех тяговых подстанциях. Выявлено, что при использовании бортовых накопителей исключаются межпоездные перетоки рекуперации, а вся энергия рекуперации опосредствуется накопителем для последующей выдачи только на тяговый привод своего вагона. При этом абсолютные потери энергии рекуперации в бортовых накопителях больше, чем в базовой модели суммарные потери энергии рекуперации в контактной сети при межпоездных перетоках и избыточной рекуперации на тормозных резисторах. Т.е. применение бортовых накопителей приводит к увеличению потерь рекуперации и повышению оплачиваемого энергопотребления от тяговых подстанций, снижая энергоэффективность вагона до уровня применения реостатно-контакторных систем управления тягой. Также выявлено, что при использовании на тяговых подстанциях стационарных накопителей сохраняются все перетоки полезной рекуперации в контактной сети, а кроме того - бывшая избыточной в базовой модели энергия рекуперации перенаправляется по контактной сети в направлении стационарного накопителя и при этом одна её часть потребляется при зарядке накопителя на выполнение полезной транспортной работы в системе (эффект КБК), а другая - заряжает накопитель. Применение стационарных накопителей обеспечивает дополнительную экономию потребления энергии от тяговых подстанций в сравнении с базовой моделью. Для экспериментальной проверки выведенной теоретической модели была проведена длительная эксплуатация в КС трамвая стационарного буферного накопителя энергии маховикового типа НКЭ-3Г. Помимо этого, были проанализированы и интерпретированы в рамках разработанной теоретической модели данные из публикаций о результатах проведённых в России испытаний бортовых суперконденсаторных накопителей для трамваев. В результате экспериментальной проверки стационарного и бортовых накопителей положения теоретической модели были подтверждены. Результаты исследования могут использоваться службами энергохозяйств предприятий электротранспорта и производителями электроподвижного состава для определения экономического эффекта при планировании применения буферных накопителей различных типов.
Ключевые слова: энергия рекуперации, тяговое и нетяговое энергопотребление, стационарные и бортовые накопители, подвижной состав, эффект КБК, экономия сетевого энергопотребления, потери энергии рекуперации.
Введение. Широкое применение на электроподвижном составе тяговых частотных преобразователей реализовало возможность при торможении вагонов перенаправлять рекуперативную энергию с рассеивания теплом в атмосферу тормозными бортовыми резисторами на выдачу её в контактную сеть для прямого потребления одновременно с этим торможением подключённой полезной сетевой нагрузкой. Перетоки выданной в сеть части рекуперации между поездами в ходе торможения одного из них и тяговой работы другого позволяют в это время замещать потребление от тяговой подстанции энергии, тем самым обеспечивая снижение энергопотребления из высоковольтных линий и, как следствие, экономию на эксплуатационных затратах транспортного предприятия. Однако стохастичность одновременного присутствия в КС рекуперативно тормозящих вагонов и близкой по мощности полезной сетевой нагрузки (тяговой и нетяговой) не позволяет направлять весь объём энергии рекуперации на полезное использование при выполнении транспортной работы. Часть энергии рекуперации в силу одновременного отсутствия в КС достаточной по мощности полезной нагрузки рассеивается на тормозных резисторах становясь избыточной по мощности для полезной работы. Для полного использования энергии рекуперации за счёт возврата на полезную работу избыточной её части в последние годы проводятся изыскания в области применения буферных накопителей энергии. Они позволяют во время недостатка в сети мощности нагрузки добавлять эту мощность за счёт управляемого присоединения к цепи накопительных элементов для их зарядки избыточной энергией рекуперации, либо полностью забирать в себя всю энергию рекуперации - и полезную, и избыточную, хранить эту запасённую энергию и выдавать ранее запасённую часть на сетевую нагрузку в периоды появления её в цепи. В настоящее время ведутся исследования буферных накопителей энергии для ГЭТ с различными типами накопительных элементов (суперконденсаторных и
маховичных), а также применяются различные структурные схемы установки таких накопителей - бортовые (БНЭ - на подвижном составе) и стационарные (СНЭ - присоединяемые к контактной сети).
Исследователи, разрабатывающие тематику применения накопителей на электротранспорте, активно изучают вопросы эффективности экономии энергии с применением различных типов накопителей и различных структурных схем их установки в сети энергоснабжения горэлектротранспорта [1-6]. Однако они упускают из виду эффект питания сетевой полезной нагрузки в ходе зарядки стационарных накопителей (эффект КБК [7]), т.е. учитывают не полностью экономию энергии. Кроме того, практически не анализируется полный баланс энергии в КС ГЭТ с учётом тяговой и нетяговой нагрузки и не изучаются в комплексе потоки рекуперации на все типы нагрузки (тяговой и нетяговой) в разных структурных схемах установки накопителей и в разные сезоны. В задачи настоящего исследования входит выведение теоретических основ определения полных объёмов экономии сетевой энергии при использовании бортовых суперконденсаторных и стационарных маховичных накопителей энергии в электротранспорте, а также экспериментальная проверка полученной теоретической модели.
Модель электротранспортной системы для изучения эффективности применения буферных накопителей. Рассмотрим отличия влияния работы стационарных и бортовых накопителей на энергосистему электротранспортного предприятия. В качестве модели возьмём систему ГЭТ, в которой у всех 100 единиц ЭПС имеются транзисторно-инверторные тяговые преобразователи (ТрСУ), а контактная сеть длиной 120 км в однопутном исчислении питается десятью тяговыми подстанциями (ТП). Все вагоны - однотипные, т.е. у подвижных единиц (ПЕ) одинаковы по типу и мощности энергопотребления как электрооборудование тяги, так и нетяговых нужд.
О, О
О о
Вагонные счётчики
Тяговая подстанция
Сборная шина
Контактная сеть
Стационарные потребители (светофоры, освещение, стрелки...}
Фидерные счётчики
■ Фидерные кабели
Бортовые накопители
ГЗГП гтт
у ~
ЕШ
и О
Стационарные потребители (светофоры, освещение, стрелки...)
Рис. 1. Элементарная клетка энергетической системы рассматриваемой модели Основные параметры этой базовой модели системы трамвая приведены в табл. 1.
Таблица 1
Параметры базового варианта модели ГЭТ без накопителей (модель №1)_
Параметр Значение
п - кол-во ЭПС на линии, шт. 100
т - кол-во ТП, шт. 10
Кол-во изолированных участков питания ТП (фидеров), шт. 40
Длина КС в однопутном исчислении, км 120
Пробег одного вагона в день, км 230,8
Распределение сетевого энергопотребления системы*, %,
на нетяговую нагрузку, 1Енетяги 37,37
на тяговую нагрузку, Е тяги 62,63
■цКС - средний КПД тяговой сети [8] 0,93
*данные распределения на тягу и нетяговые нужды взяты по результатам длительных наблюдений в исследуемой системе трамвая, в которой также были проведены испытания стационарного маховичного накопителя НКЭ-3Г. Измерение энергорасхода проводилось бортовыми и фидерными счётчиками
Пробег вагонов, пассажиропоток и погодные условия - одинаковы для всех трёх рассматриваемых вариантов модели энергосистемы: в отсутствии накопителей, с установленными на всех вагонах бортовыми накопителями, с установленными на каждой ТП стационарными накопителями. Базой для сравнения является модель без накопителей, в которой энергия, расходуемая на тягу и нетяговые нужды в ходе выполнения полезной транспортной работы, включает и те потери энергии в КС, которые про-
изойдут при передаче этой энергии от выпрямителя на потребляющую сетевую нагрузку. На рис. 1 представлена базовая «клетка» такой системы, состоящей из тяговых подстанций, участков КС, питаемых от ТП, и подвижного состава.
Базовый вариант №1 модели системы не имеет накопителей энергии: ни бортовых, ни стационарных. В ходе электродинамического торможения вагонов при одновременном наличии в сети тяговой
нагрузки часть энергии рекуперации выдаётся тяговым преобразователем в контактную сеть (1ЕМПО -
цифровой индекс означает здесь принадлежность показателя к рассматриваемой модели, в данном случае - к модели №1), по которой она направляется на эту тяговую нагрузку, мощность которой, как правило, равна или превышает мощность работающих в генераторном режиме тяговых электромашин тормозящего вагона. Перенаправленная в этом случае энергия рекуперации от тяговых приводов тормозящего вагона в КС называется полезно утилизируемой по межпоездным перетокам энергией рекуперации
(1ЕМПО). Часть выданного тяговым инвертором потока энергии, идущего от рекуперирующего вагона к
вагону на тяге, поступает одновременно и на нетяговую сетевую нагрузку, как минимум, на нетяговую нагрузку принимающего рекуперацию вагона на тяге и на таковую самого рекуперирующего вагона. Доля выданной в сеть полезной энергии рекуперации в системе без накопителей, по результатам упомянутых исследований трамвайной системы в 2021 г., составила порядка 0,277 от потреблённой тяговыми
1 77 привод , ч
приводами вагонов энергии на тягу ЕтЯги (точка учёта - на входе в тяговый привод):
1Е - 0 277* 1Епривод (1)
^МПО-^'^11 тяги ^
В варианте №1 вся энергия на вход тягового инвертора поступает из КС, т.е. имеет потери на транспортировку. Поступающая из источников (от ТП и от рекуперирующих приводов тормозящих вагонов) энергия на тягу, с учётом потерь, т.е. приведённая к сборной шине тяговой подстанции энергия
тяги (1Етяги), первично измеренная на входе тягового привода вагона (1Етривиод), будет равна:
1 77привод
_ тяги _1 г\п с о * 177 привод
Етяги --- 1,0753 Е тяги (2)
1
Для унификации дальнейших расчётов, а также для определения эффекта работы накопителей по изменению объёмов оплачиваемого отпуска энергии от тяговых подстанций, будем, где это требуется, долю полезной рекуперации и её производных значений отсчитывать от этого приведённого к сборной шине ТП значения. Исходя из этого (1) примет вид:
0 277
Е *1е - 0 2576* Е (3)
^МПО ~ 1 0753 тяги-^т^'^ ^тяги (3)
Межпоездные обмены энергией рекуперации в системах с интенсивным движением подвижного состава могут достигать трети и более от сетевого энергопотребления на тягу, в особенности в зимнее время [20]. При отсутствии в сети тяговой нагрузки мощность сетевой нетяговой нагрузки имеет существенно меньшее значение, чем мощность рекуперации. в этом случае мгновенный баланс мощности в сети не соблюдается, рекуперативная энергия становится избыточной по мощности для имеющейся сетевой нагрузки. В результате небаланса мощности повышается напряжение на выходе тягового инвертора тормозящего вагона. Его значение может достичь отсечки (уставки) переключения тормозного прерывателя данного инвертора, который при наступлении этого события подключает к цепи тормозные резисторы. Энергия рекуперации превращается на тормозных резисторах в тепло и рассеивается в атмосфере.
Эта часть энергии рекуперации называется избыточной для сетевой нагрузки (Еиб). Полный объём энергии рекуперации вагонов 1Е1ре0кт равен сумме выданной и избыточной энергий:
1Ерек - 1 Е , 1Ерек (4)
^полн ^МПО^ ^изб У*)
В исследованной трамвайной системе значение полной энергии рекуперации составило 0,3757
от 1Е .
тяги
Особенность варианта модели №2 заключается в применении в той же системе №1 бортовых накопителей на всех ста подвижных единицах. В схеме цепи с бортовыми накопителями вся энергия рекуперации поступает от рекуперирующих тяговых приводов на вход бортового накопителя энергии, запасается им и, после хранения её во время стоянки вагона, эта энергия за вычетом потерь на всех этапах зарядки, хранения и выдачи перенаправляется обратно на тяговый привод для потребления им при разгоне. При этом отсутствуют межпоездные перетоки полезной энергии рекуперации в силу отсутствия в это время связи бортового накопителя с контактной сетью (канал перетоков рекуперативной энергии по КС в этом варианте не реализуется).
Энергия, требуемая для тяги подвижного состава, прямо пропорциональна массе вагона, которая складывается из массы тары и массы перевозимых пассажиров [9, с. 27]. В нашей теоретической модели все используемые вагоны одинаковы, в т.ч. и по массе; также равны и пассажиропотоки во всех трёх вариантах. Однако в случае установки накопителей на борту вагонов масса тары вагона увеличива-
ется на массу этого устройства и дополнительных оснастки и материалов. У стандартного четырёхосного вагона трамвая масса в среднем близка 22 тоннам (см., например, характеристики наиболее массовых современных вагонов типа 71-623, 71-628, 71-911, 71-412 и др.). Для такого вагона, в среднем, масса бортового накопителя со всеми системами и оснасткой равна ~1,5-2,5 тоннам. Т.е., в соответствии с методикой в [9], на тягу вагонов с бортовыми накопителями расход энергии на тягу 2Етяги увеличивается на 7
процентов относительно энергии 1Етяги в модели, в которой подвижные единицы не имеют такого дополнительного бортового оборудования.
В базовой модели №1 (без накопителей) объём энергии, потребляемой вагонами на тягу, принят за единицу (1Етяги = 1). Следовательно, для модели №2 с бортовыми накопителями расход энергии
на тягу подвижного состава 2Етяги составляет 1,07 от базового значения 1Ета„и. Увеличение тягового
^ тяги ' тяги
энергопотребления при размещении на борту вагонов дополнительного оборудования с сохранением объёмов пассажироперевозок и маршрутных скоростей вагонов определяет также и увеличение на эту же долю 1,07 абсолютного объёма полной энергии рекуперации, выдаваемой при торможении тяговым приводом вагонов на вход бортового накопителя энергии. Поскольку межпоездные перетоки энергии рекуперации в модели №2 отсутствуют, а избыточной энергии рекуперации тоже нет, то полный объём рекуперации поступает на вход бортового накопителя энергии:
2 ЕРек _ 2 ЕРек _ 2 Ебнэ _ 1 07* 1-ЕРек (5)
полн выдачи заряд ? полн ' '
где 2Е^д - это энергия рекуперации вагона, поступившая на входные клеммы бортовых накопителей
энергии; она равна всей выработанной электроэнергии при рекуперативном торможении вагона, поскольку по КС она не транспортируется, то не имеет составляющей транспортных потерь в сети, а также
не имеет избыточной энергии рекуперации, рассеиваемой на тормозных резисторах (2 Ер^ — 0).
Вариант модели №3 состоит в оснащении всех десяти тяговых подстанций стационарными накопителями, которые «обслуживают» все ПЕ, не имеющие бортовых накопителей. Стационарные накопители подключены к сборным шинам ТП. Такая реализация подключения накопителя обеспечивает все случаи межпоездных перетоков рекуперации между одновременно рекуперирующими и потребляющими на тягу вагонами (как в варианте №1), которые происходят без активного участия стационарных накопителей энергии в отличие от варианта №2, когда бортовые накопители ликвидируют межпоездные перетоки рекуперации.
В отличии от модели №1, наличие здесь в сети стационарных накопителей, которые при повышении напряжения в ходе вышеописанной избыточной рекуперации выступают в качестве подключаемой к цепи управляемой нагрузки, делает возможным перенаправить избыточную часть энергии рекуперации в КС в направлении накопителя вместо её утилизации на тормозных резисторах. Из этой перенаправленной в сеть избыточной части энергии рекуперации одна доля поступает на питание нетяговой бортовой и стационарной сетевой нагрузки (эффект КБК [7]) во время зарядки стационарного накопителя, а другая заряжает накопитель. При испытании стационарного накопителя НКЭ-3Г доля полученной
стационарным накопителем энергии (ЪЕ'ССр>ряд) составила порядка 6,76 процента от (3Ети°д) потребления вагонами на тягу (измерено счётчиком, установленным на входе от КС в накопитель НКЭ-3Г), а потреблённая нетяговой сетевой нагрузкой энергия в период зарядки накопителя (3ЕКБК) - до 5,94 процента от энергопотребления привода на тягу [там же].
По данным различных источников, в зависимости от параметров системы электротранспорта и режимов движения ПЕ, полный объём энергии рекуперации [10] может достигать половины от потреблённой вагонами на тягу энергии. В исследуемой трамвайной сети, где проводились испытания стационарных накопителей, отношение (Кр^ ) полного объёма рекуперативной энергии 1Ерекн к энергии на
~ 1 Е привод
тягу вагонов, измеренную на входе тяговых преобразователей Етяги , было установлено в размере
0,404. С учётом (2) относительно сетевого энергопотребления на тягу этот коэффициент равен 0,3757 и был принят нами и для рассматриваемой теоретической модели в вариантах №1 и №3 (табл. 2), а для варианта №2 - это значение далее было ещё приведено к энергопотокам на сборной шине ТП с учётом
1К рек п<
КС
V
сетевого потребления на тягу на сборных шинах ТП (а не значения этой энергии на входе в тяговый привод) будет един для всех трёх рассматриваемых вариантов модели, что обосновано необходимостью корректного рассмотрения полного эффективного энергобаланса системы тягового энергоснабжения транспортной работы для определения изменения в сетевом потреблении от тяговых подстанций.
Отличие вышеописанных способов перенаправления энергии рекуперации без и при работе накопителей обоих типов заключено в структуре (направлении) и объёмах потоков энергии рекуперации.
, 2 тг рек 1 ^ полн \ -т-г ~
потерь в сети ( К^лн — —). Принцип приведения показателя доли полной рекуперации к значению
Так, при работе бортовых накопителей она не покидает цепь, связывающую бортовой накопитель и тяговый частотный привод. А в системе со стационарными накопителями энергия рекуперации распределяется по КС по нескольким направлениям:
- по межфидерным и внутрифидерным перетокам между поездами - прямой межпоездной обмен ЪЕМПО ,
- между рекуперирующей ПЕ и накопителем - когда тяговая нагрузка отсутствует одновремен-
/ 3 77снэ 3 77 ч
но с рекуперативным торможением ( Е д и ЕКБК),
" / 3 77 снэ ч
- между накопителем и сетевой нагрузкой ( Евыдачи), когда накопитель энергии выдаёт на неё ранее запасённую энергию избыточной рекуперации.
Таблица 2
Распределение потоков энергии рекуперации от рекуперирующего тягового привода при различных конфигурациях применения накопителей в принятой модели трамвайной системы, доля
от тягового энергопотребления 1Етяги , %
Потоки рекуперации № 1 (без накопителя) №2 (бортовые накопители) №3 (стационарные накопители)
Межпоездной обмен полезной рекуперации ЕМПО на тягу и на сетевую нетяговую нагрузку 25,76* отсутствует 25,76*
Перенаправленная избыточная рекуперация на входные клеммы накопителя Е заряд отсутствует 43 23**** 6,29**
Перенаправленная на сетевую нетяговую нагрузку при зарядке накопителя избыточная рекуперация ЕКБК отсутствует отсутствует ***** 5 52***
Избыточная энергия рекуперации Е^б 11,81 отсутствует отсутствует
Полная приведённая к ТП энергия рекуперации Ерек поля 37,57 43,44 37,57
*по итогам 2021 г. в исследуемой трамвайной системе измерено бортовыми двунаправленными счётчиками, установленными на входе тяговых инверторов трамваев;
**по результатам измерений счётчиком, установленным на входе в стационарный накопитель энергии НКЭ-3Г, испытывавшийся в КС исследуемой трамвайной системы;
***рассчитано на основании * и ** по методике расчёта эффекта КБК [7];
****на основании данных, приведённых в описании результатов испытаний бортового суперконденсаторного накопителя на трамвае [11]. *****см. рис. 2.
Межпоездные перетоки ( ЕМПО ) действуют без активного участия стационарных накопителей
энергии, т.е. возможны как при их подключении к сети (модель №3), так и в системах без них (модель №1 ). В случае бортового размещения буферных накопителей, которые принимают всю энергию рекуперативного торможения (модель №2), межпоездные перетоки полезной энергии рекуперации невозможны.
Объём финансовых затрат предприятия ГЭТ на электропитание выполнения транспортной работы определяется объёмом потреблённой от тяговых подстанций энергии, к которой относится как тяговое, так и нетяговое сетевое энергопотребление. Повторно участвующая в транспортной работе полезная часть энергии рекуперации замещает сетевое энергопотребление от ТП и является для предприятия собственным неоплачиваемым вторичным ресурсом. При внедрении накопителей изменяется как структура баланса энергии в сети, так и объёмы её. Главным критерием экономической эффективности от применения накопителей является изменение объёмов энергопотребления от тяговых подстанций, т.е. оплачиваемого отпуска энергии от ТП в КС, в сравнении с вариантом системы, когда накопители энергии не применялись. Ниже выведен способ определения объёмов потребления от ТП для вариантов полностью оснащённой модельной системы ГЭТ один раз - бортовыми, а другой - стационарными накопителями в сравнении с системой без накопителей.
Потребление энергии на транспортную работу от тяговой подстанции. Модель №1 - без накопителей энергии. Уравнение баланса энергии источников и потребления в системе по варианту №1 модели записывается в виде:
Е + ЕМПО - Етяги + Енетяги , (6)
где 1ЕТП - выдача энергии тяговой подстанцией (определяется по показателям фидерных счётчиков), 1 ЕМПО - межпоездные перетоки полезной рекуперации (определяется как обратная энергия по бортовым счётчикам вагонов на входе тягового привода), 1 Етяги - тяговое энергопотребление ПЕ (определяется по (2) как прямая энергия по бортовому счётчику на входе тягового привода 1 Етпряигивод , делённая на КПД
КС); 1Енетяги - нетяговое энергопотребление системы, рассчитывается по известным на основе счётчиков
(см. рис. 1) трём показателям в (6).
Для сравнения в табл. 3 приведены расчётные показатели баланса энергии для этой же контактной сети, в которой ходят вагоны с реостатно-контакторной системой управления тяги (РКСУ), не обладающие возможностью выдачи энергии рекуперации в КС для повторного использования на транспортную работу (модель №0). Для варианта «модели №0» выбраны вагоны с РКСУ типа 71-619К, у которых хотя и имеется большая пассажировместимость в сравнении с современными вагонами, например, типа 71-628 (184 против 166, соответственно), но они имеют меньшую массу тары (19,5 тонн против 22 тонн, соответственно) и, при этом, большее удельное энергопотребление на тягу (100 кВтч/1000 ткм против 75 кВтч/1000 ткм, соответственно [10]). Удельное нетяговое энергопотребление у таких вагонов несколько ниже, чем у более современных.
Таблица 3
Показатели баланса энергии источников и потребителей в моделях №1 и №0_
Показатель Значение (доля от 1Е ) 4 тяги '
Модель №1, вагоны с ТрСУ, без НЭ Модель №0, вагоны с РКСУ, без НЭ
ЕТП 1,3391 1,6818
Е ^МПО 0,2576 0
Етяги 1 1,1818
Енетяги 0,5968 0,5
Ерек-изб 0,1181 0,444
Для первого варианта рассматриваемой теоретической модели избыточная энергия рекуперации 1ЕиРб, равная 0,1181 от 1Етяги, утилизируется на тормозных резисторах вагонов и является, по-сути,
потерянной с точки зрения выполнения полезной транспортной работы. Для «нулевого» варианта (с трамваями с реостатно-контакторной системой тяги и без выдачи рекуперации в сеть) вся энергия электродинамического торможения рассеивается на тормозных резисторах, т.е. источником электропитания транспортной работы являются только тяговые подстанции. В силу этого объём оплачиваемого энергопотребления от ТП на выполнение транспортной работы превышает в этом случае на четверть объём затрат на потребление сетевой энергии в первом варианте, когда часть энергии рекуперации полезно утилизируется на повторное использование по межпоездным перетокам рекуперации по КС. Факты такого кардинального снижения энергопотребления от тяговых подстанций при сохранении выполняемой транспортной работы отмечают те предприятия ГЭТ, которые массово внедряли тяговые частотные приводы на подвижном составе, заменяя на них системы РКСУ.
Следует также отметить, что для подвижного состава трамваев к категории вспомогательных (нетяговых) нужд трамваев относятся - «отопление пассажирского салона и кабины водителя, в том числе обогрев лобового стекла кабины, привод и обогрев песочниц, тормозные электромагниты, принудительная вентиляция, на некоторых вагонах устанавливается кондиционер в кабине водителя, освещение пассажирского салона, привод дверей, внешняя светотехника, световые и информационные табло, стеклоочистители» [9, с. 30]. Кроме того, к этой же категории относятся стационарные энергопотребители, питающиеся от контактной сети: системы освещения путей, информационные табло и освещение остановочных павильонов, переводы и обогреватели стрелок, светофоры, системы наблюдения и контроля и др. типы оборудования.
Модель №2 - система с бортовыми накопителями энергии. Уравнение баланса энергии в КС для второй модели будет следующим:
2 ЕТП + 2 Ерек = 2Е + 2Е , (7)
полезн тяги нетяги ' 4 '
где 2Еролкезн - это объём возвращённой от бортового накопителя энергии, поступившей на клеммы тягового электропривода трамвая после всех процессов передачи, преобразований и хранения в преобразователях и накопительных элементах накопительного устройства и приведённый к значению на шинах тяговой подстанции (необходимость этого будет пояснена далее). При этом работа бортовых накопителей вносит дополнительные изменения в объёмы потребления энергии на тягу и нетяговое энергопотребление в сравнении с вариантом №1.
Как ранее было сказано, энергия рекуперации вагонов 2Еркачи в этом варианте в сеть не выходит, обращаясь внутри цепи «тяговый инвертор - накопитель» одной ПЕ. Это подтверждается показателями токов, зарегистрированных датчиками тока на входе в цепь «инвертор тяговый - инвертор бортового накопителя» (рис. 2). Здесь при повышенном напряжении на участке рекуперативного торможения отсутствует выдача тяговым приводом токов рекуперации в КС. В этот период вся энергия рекуперации поступает на вход инвертора бортового накопителя на его зарядку.
-ТОК НС. А — Т0ННЭКОП.А ---ИЛ П|>. КС, В ■— Скорсаь, ,ц/сЧО— Так ПТйД, А
Рис. 2. Осциллограмма токов и напряжения звена постоянного тока на мерном участке с бортовым суперконденсаторным накопителем (разбег-выбег-торможение-стоянка)
На участке рекуперативного торможения вагона пиковая нижняя часть графика тока 1нак при
повышенном напряжении на звене постоянного тока демонстрирует зарядку накопителя. При этом нет выдачи токов рекуперации в КС. Взято из материалов Научно-технического совета МАП ГЭТ [11]. Здесь iптад - токи тягового привода вагона (отрицательные - выдача рекуперации на накопитель, положительные - потребление энергии на тягу).
Также график показывает, что на участке выбега (средний участок с напряжением на фильтре
устройства 2иКС ~640 В), когда у вагона нет ни тягового энергопотребления, ни рекуперативного торможения, накопитель энергии потребляет из сети энергию от ТП токами 21КС ~35 А. Эти токи, вероятнее всего, предназначены для поддержания рабочей готовности накопительных элементов устройства к работе вследствие ускоренного саморазряда суперконденсаторов по снижении напряжения до нижней допустимой точки. Пояснений касательного этого характерного графика тягового энергопотребления из КС при отсутствии тяги и рекуперации вагона - не дано в [11]. Продолжительность выбега вагона составляет примерно пятую часть от всего времени работы вагона на линии 2Твр^на (около 6205 час в год),
исходя из этого потребление сетевой энергии 2Е(бнэддерж от ТП на поддержку заряда бортовых суперконденсаторных накопителей всех п (в нашем случае - ста) вагонов, с учётом КПД передачи тока по КС
КС
Т составит:
2иш * _ 640*35*0,2*6205 *100
1000* ]]КС _ 1000*0,93
Отнесём этот показатель затрат энергии на поддержку бортового накопителя готовности к разряду нетягового энергопотребления.
Кроме того, питание низким напряжением 24 В устройств управления в составе систем собственных нужд всех 100 бортовых накопителей осуществляется от тяговой подстанции всё время их работы, равное времени работы вагона на линии - 2Трао, длящееся в нашем случае 6205 часов в год (на
рис. 2 низковольтное питание собственных нужд не отражено). Для инвертора бортового накопителя номинальной силовой мощности порядка 200 кВт мощность потребления собственных нужд системы
управления 2Рбунр составляет не менее 0,5 кВт. КПД контактной сети Т]КС согласно [8] составляет 0,93.
В среднем любой статический преобразователь собственных нужд вагона имеет КПД ТПСН порядка 0,95. Расход энергии на питание системы управления БНЭ составит:
2 пбяэ * 2твагон * п 0 5 * 6205 *100 2 Ебнэ _ Рупр Т раб п _ 0,5 6205 I00 _ 351160 кВтч (9)
ЕупР _ ТКС *ТПСН _ 0,93*0,95 _351160 кВтч (9)
Кроме того, у накопителя имеется существенная потребность в термостатировании накопительных элементов (охлаждении для сохранения ресурса суперконденсаторов), для чего предусмотрено
2Ебнэ __КС_КС_:_раЁ.__ ^ _ 2989075 кВтч (8)
поддерж 1ППП* „КС 4 7
питание этих систем термостатирования также от бортового преобразователя собственных нужд. Так, в [11] показывается, что для этого на напряжении 24 В длительно потребляется ток 160 А, т.е. мощность
потребления на охлаждение накопительных элементов 2Р^едрмост составляет 4,48 кВт. Питание этих систем на ПЕ ГЭТ осуществляется от преобразователей собственных нужд вагона (ПСН) по напряжению 24 В. Поскольку эта энергия поступает от тяговой подстанции, то потери в сети вносят дополнительный расход на питание собственных нужд бортового накопителя. Т.е. потребление энергии от КС на питание систем термостатирования п (в нашем случае - ста) бортовых накопителей за год будет равно произведению мощности питания 2Рбтермост на время работы системы термостатирования, равное времени рабо-
2^вагон 11 Г тгтермостат
ты вагона на линии Т раб , скорректированное на коэффициент работы термостатирования Квл равный 0,4, делённому на КПД ПСН и деленному на КПД КС:
2рбнэ * 2твагон * ктермостат *п 4 98*6905*0 4*100 2е6нэ = термостат раб_екл_ = ОАУЗ И, Ч- ЩИ = 1258558 кВтч (10)
термостат ^ПСН * ^КС 0 95*0 93
Суммарно увеличение потребления энергии бортовыми накопителями на нетяговые нужды А2Е^тЭииы за счёт потребления от ТП на поддержание заряда, на собственные нужды системы управления и на термостатирование составит:
А2 е6нэ = 2 Ебнэ + 2Ебнэ +2Ебнэ = 4598793 кВтч (11)
^ нетяги ^поддерж ^ ^упр ^ ^термостат -иУО'УЭ КЕ)1Ч.
Другими словами, на один вагон увеличение нетяговго энергопотребления от ТП за счёт обслуживания бортового накопителя составит порядка 126 кВтч в день.
Исходя из известного пробега вагонов в год (см. табл. 1) и средних значений удельного энергопотребления на тягу для современных российских четырёхосных вагонов [9] указанное значение энергопотребления на поддержку заряда и на питание собственных нужд бортовых накопителей примерно равно 26,19 процентам (более четверти) от годового тягового энергопотребления этой системы 1Ет по
А2Ебнэ « 0,2619* 1Е (12)
нетяги тяги
первому варианту модели:
2 т^бнэ нетяги
Нетяговое энергопотребление, к которому относятся и собственные нужды бортового накопителя, и поддержка термостатитрования накопительных элементов, и поддержка заряда суперконденсаторов, увеличивается в модели №2 сравнительно с моделью №1 на значение А2Е^¡Эииы . Полное уравнение
нетягового энергопотребления, включая потребление для собственных нужд бортовых накопителей в модельной системе №2 с учётом (12) будет следующим:
2Е = Е + А2Ебнэ = 0,8587* 1Е (13)
нетяги нетяги нетяги нетяги
Выше уже было показано, что бортовые накопители энергии в силу увеличения массы тары вагона увеличивают потребление энергии на тягу пропорционально соотношению увеличенной массы вагона к массе обычного вагона, т.е. примерно в 1,07 раза:
2Е = 1,07* 1Е (14)
тяги тяги
Часть этого увеличения потребления энергии на тягу покрывается из возвращённой на полезную работу энергии рекуперации, а часть поступает из тяговой подстанции. Т.е. оплачиваемое потребление энергии от ТП на тягу в этом варианте также увеличивается.
В силу этих увеличений расходов на тягу и нетяговые нужды при установке бортовых накопителей энергии уравнение (7) принимает вид:
2ЕТП + 2Ебнэд д = 1,07* Е + 0,8587 * 1Е = 1,9287*!Е , (15)
выдачи-привед ' тяги ' тяги ' тяги ' 4 '
2 Ебнэ
где 2ЕвыдаЧи-п ивед = —вЬСаШ - это объём выданной бортовыми накопителями на повторное тяговое при-
вы ачи-приве ^
менение ранее запасённой энергии рекуперации вагона с учётом потерь в ходе преобразований при зарядке и разрядке, а также потерь утечки в период хранения и приведённый к значению на сборных шинах тяговой подстанции.
Поскольку полная энергия рекуперации прямо зависит от объёма тягового энергопотребления, то увеличение расхода энергии на тягу в 1,07 раза приводит к пропорциональному увеличению полного объёма энергии рекуперации (на входных клеммах тяговых инверторов):
2Ебнд = 2Ерек * 11бнд = 2Епривод * Крек * пбнд = 2Епривод *0 404*0 64 = 0 25856* 2Епривод (16)
выдачи выдачи ' действ тяги полн ' действ тяги ' ' ' тяги ^ '
где Ц^йспю - это действительный КПД бортового суперконденсаторного накопителя в составе инвертора
и накопительных элементов за один цикл работы (приём, хранение и выдача энергии) [12]; 2Еы,ачи - выданная бортовым тяговым приводом рекуперированная энергия на клеммы бортового накопителя, а
КрКн - это доля полной энергии рекуперации привода вагона от потреблённой им энергии на тягу, равная 0,404 для всех вариантов исследуемой модели.
В нашей модели соотношение объёмов тяговых энергий: сетевой в первой модели и на входе бортового инвертора во второй модели, выражается следующим уравнением 2^привод _ 1,07* 1Е * пКС _ 0,9951* 1Е . С учётом этого и формулы (16), а также поскольку энер-
тяги ' тяги I ' тяги ^ .<а
гия рекуперации в варианте №2 не выходит в КС, то, для корректного учёта этой энергии в общем ба-
/ 2 77бнэ ч 2 77бнэ
лансе энергии в КС ( Евыдачи_приведён), следует показатель полезной рекуперированной энергии Евыдачи, выданной накопителем на тяговый привод, привести к значению на шинах ТП, т.е. разделить на Т]КС :
Е
2 Е&нэ 2 ^привод * к рек * jV^
выдачи _ тяги_полн 'действ
выдачи-приведён КС КС
V V (17)
1,07 * 1Е * пКС*Крек * V
_ * тяги ' полн 'действ _С\ 7 ^ 1J7
КС тяги
V
Показатели эксплуатации бортовых суперконденсаторных накопителей. По данным производителей систем хранения энергии бортового исполнения Sitras®HES (группа компаний Siemens, ФРГ), этот накопитель позволяет экономить «до 30% от потребляемой энергии» [13]. Исходя из представленных схем подключения устройства речь идёт, скорее всего, о снижении потребления сетевой энергии на тягу до установки бортового накопителя на энергию от бортового накопителя, т.е. без учёта увеличения тягового энергопотребления из-за роста массы тары вагона. При этом не приводятся данные о повышении массы вагона при этой установке, т.е. о повышении затрат энергии на тягу вагона. Также нет данных о повышении нетягового энергопотребления бортовым накопителем.
Другой производитель подвижного состава трамваев фирма Bombardier Transportation заявила в отношении своего бортового суперконденсаторного накопителя марки «MITRAC Energy Saver» (Швейцария), что он позволяет достигать экономии «до 30% энергии тяги без учета энергопотребления вспомогательных преобразователей [нетяговых нужд вагона]. Это соответствует снижению общей потребности [вагона - тяговых и нетяговых нужд] в энергии более чем на 20%» [14]. Хотя в технических данных приводятся сведения о массе конденсаторного блока (400 кг каждый из двух модулей), однако не приводятся сведения о полном повышении массы вагона (преобразователи накопителей, оснастка, устройства собственных нужд и т.д.), а также не сообщается увеличение энергопотребления на тягу вагона в связи с этим ростом массы тары и не приводятся данные, какая доля от нетягового энергопотребления, также увеличенного, приходится теперь на этот бортовой накопитель.
Ещё одна зарубежная компания-производитель современных бортовых систем суперконденсаторного накопления энергии рекуперативного торможения трамваев - испанская CAF Power & Automation - приводит данные, что их система позволяет экономить «до 20%» энергии, не поясняя, правда, что имеется в виду - только тяговые энергозатраты вагона или суммарно затраты тяговых и нетяговых нужд вагона [15].
Также ни один из трёх перечисленных зарубежных производителей бортовых суперконденсаторных накопителей не предоставил данные о действительном КПД своих устройств vlllcme.
В России были проведены несколько серий опытной эксплуатации бортовых управляемых суперконденсаторных накопителей энергии [11; 16-17]. По их результатам компании-разработчики заявили для своих устройств показатели эффективности возврата энергии рекуперации, т.е. указали какой-то из четырёх структурных значений КПД таких накопителей. Поскольку бортовые накопители имеют четыре типа КПД (см. [12]), обусловленных учётом или неучётом отдельных видов потерь энергии в накопителе, то, исходя из описаний этих испытаний в [11; 16-17], можно понять, что разработчики заявили данные о
действительном КПД (VdTücme) этих устройств с суперконденсаторными накопительными элементами, который учитывает только эффективность преобразований обоих трансформаций силовых потоков энергии (при заряде и при разряде) и потери при хранении, но не учитывает затраты энергии на перевозку бортовых накопителей как балластного груза и на потребление энергии от ТП на питание собственных нужд этих устройств. Так, в [11] по результатам испытаний на трамвае в СПб было заявлено о достижении vVeücme в диапазоне 0,68-0,6, т.е. в среднем - 0,64 от 2Ер^ . В [16] заявлено о достижении экономии энергии «до 30%». Т.е. здесь имеется в виду, что 2Еыд = 0,3 * 2Етяги.
По результатам испытаний суперконденсаторного бортового накопителя энергии ещё одного производителя - компании ТЭЭМП - заявлено о том, что «от энергии тяги на пике мы собирали 47%. Но мы говорим — 40%, чтобы точно не ошибиться» [17]. Другими словами, здесь говорится о том, что на маршруте имеются отдельные участки движения, где на небольших расстояниях вагон набирает большую скорость и полный объём энергии рекуперации вагона 2ЕЫачи при торможении на таком участке в этом случае может достигать 47% от потреблённой тяговым приводом энергии 2Етят. Однако, при этом
имеется достаточное количество других участков движения, где доля выданной тяговым приводом энергии рекуперации гораздо ниже и среднее значение этой энергии за период испытаний составляет 40% от тяги. Этот показатель хорошо согласуется с данными о полном объёме энергии рекуперации вагонов, как было указано выше об упоминаемом в настоящей статье нашем собственном исследовании, а также в [10; 18-19]. После всех преобразований этой выданной тяговым приводом вагона в накопитель энергии рекуперации последний выдаёт её обратно на тяговый привод. Исходя из приведённых этим производителем данных объём выданной накопителем на тяговый привод ранее запасённой энергии рекуперации
составил в этих испытаниях ^^¡ачи = 0 256* 2Етяги .
Показатели полезной работы бортовых суперконденсаторных накопителей энергии, которые были даны в публикациях [11; 13-17], без данных о затратах и потерях энергии, сведены в табл. 3. Значение КПД для всех шести однотипных устройств принято равным 0,64. Значение энергии берётся в относительных единицах от 2Етяги .
тяги
Таблица4
Расчётные характеристики суперконденсаторных накопителей энергии для трамваев согласно данным производителей из [11; 13-17]. Значение энергии берётся в относительных единицах
от 2 Е
Параметры Чергос ТПС ТЭЭМП Битая М1ТКЛС СЛ^
2 Е тяги 1 1 1 1 1 1
2 Ерек выдачи 0.404 0.404 0.4-0,47* 0.404 0.404 0.404
2 Е' бнэ выдачи 0.25856 <0,3* 0.256-0,3008 <0,3* <0,3* 0,2**
*заявлено в публикациях [11; 13-17]
*вероятнее всего - от полного потребления вагона, а не от Ет
Выданная бортовым накопителем ранее запасённая энергия рекуперации вагонов, с учётом действительного КПД полного цикла этого устройства (зарядка, хранение, выдача) составляет, по дан-
пбнд
ным [11], ~ 0,64 от полученной им от тягового привода энергии рекуперации ( 'действ - отношение выданной накопителем энергии к поданной на него с тягового преобразователя энергии рекуперации). С
учётом
полный объём выданной накопителем компании ТЭЭМП обратно на тяговый привод
пбнд
действ
2 Е^нд
энергии выдачи составляет уже 25,6-30,08 процента от затраченной вагоном энергии на тягу, что довольно близко к результатам, заявленным компанией ТПС [16] «до 30-ти процентов» возврата рекуперации накопителем от тяговых затрат вагона.
Поэтому можно с уверенностью признать правильным принятое выше значение действитель-
пбнд
ного КПД 1действ суперконденсаторных накопителей в размере 0,64, которое из трёх производителей более развёрнуто представила компания «Чергос» и при теоретической проверке также хорошо подтверждает конечные результаты возврата накопителем части энергии рекуперации (за вычетом потерь при
2 ЕбИд
преобразованиях в бортовом накопителе) на повторное использование выдачи , представленные компаниями ТПС и ТЭЭМП.
Потребление энергии от тяговой подстанции в варианте №2 рассматриваемой теоретической модели с учётом (7), (15) и (17) принимает вид:
2Етп = 2Е + 2Е - 2Ебнд д. = 1Е * (1,07 + 0,8587 - 0,2767) = 1,652*Е . (18)
тяги нетяги выдачи-приведен тяги V > > > / ' тяги '
Сравнение оплачиваемого энергопоставщикам потребления энергии от тяговой подстанции в базовом варианте без накопителей и с бортовыми накопителями (1ЕТП = 1,3391* 1Етяги (табл. 3) и 2ЕТП = 1,652* Е (18)) показывает, что применение суперконденсаторных накопителей энергии на
борту ЭПС приводит к увеличению потребления энергии от тяговой подстанции на 0,3129 * 1Етяги или
на 23,37 процента от оплачиваемого сетевого энергопотребления в базовой модели №1. Более того, в части затрат на потребление энергии для транспортной работы применение бортовых суперконденсаторных накопителей практически отбрасывает развитие электротранспорта в области энергоэффективности на два шага назад к уровню высоких энергозатрат для времён применения в подвижном составе реостат-но-контакторных систем управления тягой. Так, выше уже было сказано, что аналогичная трамвайная система с вагонами с РКСУ (71-619К) потребляет от ТП на ту же транспортную работу
0ЕТП = 1,6818* 1Етяги, в то время как «современные» вагоны с бортовыми суперконденсаторными
накопителями потребляют от ТП энергии 2ЕТП = 1,652 * 1Етяги, т.е. практически столько же. При этом
потери рекуперации и дополнительные затраты на её оборот у вагонов с бортовыми накопителями на 11% превышают объём всей энергии рекуперации у вагонов с РКСУ, которая вся рассеивается на тормозных резисторах, и более чем в четыре раза превышает объём избыточной рекуперации в системе с ТрСУ без накопителей.
Другими словами, в случае применения бортовых накопителей энергии, несмотря на вовлечение в полезный оборот больших объёмов энергии рекуперации внутри вагонной силовой цепи, из-за одновременной ликвидации близких по объёму межпоездных перетоков энергии через контактную сеть и из-за значительного увеличения тягового и нетягового энергопотребления, а также по причине более высокого КПД межпоездных перетоков в сравнении с действительным КПД полного цикла работы бортовых накопителей [12], который в модели №2 действует на весь объём рекуперации, потребление энергии от тяговой подстанции увеличивается на более чем пятую часть сетевого оплачиваемого потребления в сравнении с вариантом №1, когда бортовые накопители энергии не применяются. Если учесть, что помимо этого увеличения ежегодного потребления оплачиваемой энергии от тяговой подстанции на такую значительную величину требуется привлечение существенных капитальных затрат на закупку 100 бортовых суперконденсаторных накопителей, а также постоянно тратить значительные средства на ТО и ремонт этих устройств, то следует сделать вывод, что их использование представляет для предприятия ГЭТ чистый нарастающий убыток значительного размера, причём увеличивающийся ежегодно по мере роста тарифа на электроэнергию.
Модель №3 - Система со стационарными накопителями энергии. Баланс энергии для третьего варианта модели со стационарным накопителем на каждой из десяти подстанций определяется формулой:
3 ЕТП +3 Ерек = 3 Е + 3 Е . (19)
полезн тяги нетяги у '
Поскольку вагоны в модели №3 не изменяются, расписание и пассажиропоток - те же самые, то энергия, затраченная на тягу равна таковой в модели №1:
3 Е = 1Е . (20)
тяги тяги
Это означает, что для стационарных накопителей, в отличие от бортовых, затраты энергии тяги на их перевозку равны нулю.
Оплачиваемое нетяговое энергопотребление в этом варианте в сравнении с вариантом №1 увеличивается в период выбега накопителя за счёт потребления энергии из КС от ТП устройствами управления накопителем и системой вентиляции, а также за счёт поддержания агрегата в это время в готовности действием токов обмоток статора для подмагничивания ротора. Период выбега - это режим ожидания накопительным агрегатом событий в КС (событий наличия избыточной рекуперации тормозящего вагона или сетевой нагрузки, требующей питания от источников энергии). Продолжительность периода выбега маховичного накопителя составляет, согласно полученным в ходе испытаний устройства
НКЭ-3Г в КС трамвая - порядка 0,188 от полного времени 3Тсрнсб его работы, длящегося в год 6205 часов.
Мощность систем управления накопителем 3Ру™ одинакова с таковой для бортовых накопителей 2 Р^р
- 0,5 кВт. Потребление энергии на питание устройств управления СНЭ в период приёма избыточной энергии рекуперации осуществляется за счёт этой принимаемой энергии рекуперации. В период выдачи энергии в КС - за счёт ранее накопленной накопителем избыточной энергии рекуперации. А в период
выбега накопителя - от тяговой подстанции 3Еу1"пр1-ТП.
Накопитель НКЭ-3Г имеет управляемую систему вентиляции и электромашины, и контейнера, которые работают по уставкам температуры. Суммарная номинальная мощность систем вентиляции
ЪР°вент составляет 0,6 кВт, коэффициент загрузки 3Кс<ннт_^(г^р в среднем по году - не более 0,4. Потребление энергии от ТП на нужды вентиляции идёт только в период выбега агрегата.
В периоды приёма энергии избыточной рекуперации питание обмоток статора для подмагни-чивания ротора с целью обеспечения готовности электромашины к немедленному генераторному режиму - не имеет места. В периоды выдачи энергии накопителем в КС потребления из КС на подмагничива-ние нет, т.к. запасённая энергия в накопителе расходуется и на питание для подмагничивания. И только в период выбега питание обмоток статора осуществляется от ТП. Мощность подмагничивания определяется как произведение заданных токов подмагничивания и напряжения в КС в период выбега агрегата. То-
3 Т снд Л ~ .
ки подмагничивания 1 подмагн устанавливаются при наладке агрегата на уровне 12А, среднее напряжение
в КС 3иЦббег - от 630 до 650 В (средний диапазон напряжения в зоне выбега накопителя).
Расход энергии от ТП на нетяговые нужды управления, вентиляции и подмагничивания накопителя энергии НКЭ-3Г, с учётом количества СНЭ по числу т тяговых подстанций, рассчитывается по формуле:
ъг^снэ * зкснэ * т
д 3еснэ _ 3еснэ + 3еснэ + 3еснэ _ раб выбег *(3 рснэ + 3 рснэ * 3кснэ + 3 рснэ ) _
нетяги упр-ТП вент подмагн КС ^ упр вент вент-загрузки подмагн ' -г-. ^ \
Г кВтч, (21)
6205*0 188*10
ц,юо 1» *(0,5 + 0,6*0,4 + 640*12/1000) _ 105615,77
0,93
Эта энергия составляет, примерно, 0,006* 1Етяги.
Поскольку двунаправленный счётчик электроэнергии размещается на вводных от КС клеммах устройства, то все затраты энергии на накопление в накопительном элементе НКЭ-3Г и на перечисленные собственные нужды учитываются в фактическом КПД агрегата [12]. Т.е. этот показатель фактического КПД маховиковых накопителей, равный в среднем по году 0,63, уже включает в себя как потери энергии при преобразовании избыточной рекуперации, так и затраты энергии от КС на перечисленные
нужды. Однако не будем приводить этот полный показатель Г^т стационарного накопителя к промежуточному значению Гсднеэйств, поскольку повышение КПД от фактического к действительному в силу
малости затрат Д3ЕсСеэтяги от ТП на собственные нужды стационарного накопителя будет незначительным. И, хоть и в ущерб для оценки эффективности стационарного накопителя, важным отношением значений разных видов КПД любого типа накопителей (возможного, действительного, реального и фактического КПД - Гвозм > Гдейств > Греальн > Гфактич [12]) можЕЮ пренебречь Но будем иметь в виДУ, что в
конечной формуле потерь энергии СНЭ статья затрат Д3ЕсСеэтяги дважды учитывает этот показатель дополнительных нетяговых затрат в балансе.
Таким образом, общий объём потребления энергии на нетяговые нужды в варианте №3, как и в (13), будет равен сумме нетягового энергопотребления в варианте №1 и добавочного нетягового энергопотребления Д (21), вызванного приёмом от тяговой подстанции накопителем энергии на эти нужды:
3Е _ Е +Д3Еснэ _ 1Е *(0,5968 + 0,006) _ 0,6028* Е . (22)
нетяги нетяги нетяги тяги тяги
Объём полезной энергии рекуперации в системах со стационарными накопителями энергии, рассчитывается следующим образом. Применение стационарного накопителя энергии сохраняет межпоездные перетоки рекуперации, которые имеют место в системах без накопителей (модель №1). Кроме того, в ходе зарядки накопителя перенаправленную энергию избыточной рекуперации потребляет не только накопитель, но и напрямую - сетевая нетяговая нагрузка, т.е. без нахождения энергии в накопителе (эффект КБК) [7]. Без работы стационарного накопителя энергии, как в случае моделей №1 и №2, этот эффект реализоваться не может, поскольку избыточная энергия рекуперации в первом варианте рассеивается на тормозных резисторах, а во втором варианте таковой нет вообще и перетоки энергии происходят только в контуре между тяговым преобразователем и бортовым накопителем тормозящего вагона. Третьим каналом полезной реализации энергии рекуперации при применении стационарных накопителей является выдача самим накопителем ранее запасённой в него части избыточной энергии рекуперативного
торможения вагонов ЪЕ°ыдачи. Соответственно, весь объём энергии рекуперации, потреблённой сетевой
полезной нагрузкой при работе стационарного накопителя энергии, реализуется на три потока:
3Ерек _ 3е + 3Е + 3Еснэ (23)
полезн ^МПО^ КБК ^выдачи ■
При этом, как мы уже сказали, межпоездные перетоки как в варианте 1 полностью сохраняются и, с учётом (1), равны
3Емпо _ 1Емпо _ 0,2576*^ . (24)
Значение энергии избыточной рекуперации, поступившей из КС на входные клеммы стационарного накопителя при зарядке 3Езаряд , фиксируется входным счётчиком его (как, например, в накопителе НКЭ-3Г). Значение потребляемой полезной сетевой нагрузкой части перенаправленной в направлении стационарного накопителя энергии избыточной рекуперации вагона 3ЕКБК составляет 0,8787 от
ЪЕзаряд, как было определено в ходе проведения исследований в трамвайной системе с установленным накопителем НКЭ-3Г [7]. С учётом показателя заряда стационарного накопителя, ранее инструментально замеренного в ходе испытаний стационарного накопителя (ЪЕ'а>ряд _ 0,0676 * 1Етяги), а также с учётом приведения к сборной шине ТП, объём энергии по эффекту КБК равен
3Е _ Еш _ 0,8787 *%аРяд _ 0,8787*0,0676*^ _ 0 0639*Е (25)
^КБК-приведён КС КС п пп ^тяги
Г Г 0,93
Для этого показателя (25) с точки зрения приведения к значению на сборной шине ТП характерна такая же структурная ситуация, как и в случае с определением приведённого значения для выданной бортовым накопителем энергии рекуперации на тяговый привод вагона (см. (17)). Поскольку значение 3Екбк рассчитывается на входе нетяговой нагрузки сети, то для приведения этого значения к шинам
ТП необходимо полученное значение разделить на КПД КС.
Опосредствующая работа накопителя производится при выдаче им ранее накопленной части
ЪЕзаряд избыточной энергии рекуперации вагона ЪЕсЫЫ'дачи. Как и в модели №2 должны быть учтены потери этой энергии в самом стационарном накопителе в ходе преобразований энергии рекуперации. У СНЭ, также как и у БНЭ, таких этапов преобразований - пять: четыре активных (по два раза в преобразователе и в накопительном элементе) и один - пассивный (хранение). По итогам испытаний [12] фактический КПД стационарного маховичного накопителя НКЭ-3Г оказался практически равен действительному КПД бортового суперконденсаторного накопителя ^дшсте =~0,64. Абсолютное значение
выданной накопителем ранее запасённой энергии избыточной рекуперации тормозящих вагонов в варианте №3 равно:
3Е а = 3Е д = 0,0402*1Е . (26)
выдачи заряд 'факт > тяги у '
С учётом найденных в (24), (25) и (26) значений для всех трёх каналов повторного использования энергии рекуперации в варианте №3 полный объём её будет равен, в соответствии с (23):
3Ер:езн = 1Етяги * (0,2576 + 0,0639 + 0,0402) = 0,3617* 1Етяги. (27)
Теперь на основании (20), (22) и (27) мы можем получить объём оплачиваемой энергии, потребляемой в варианте №3 на тяговые и нетяговые нужды от тяговой подстанции исходя из (19):
3ЕТП = 1Етяги *(1 + 0,6028 - 0,3617) = 1,2411* 1Етяги. (28)
Т.о. применение стационарных накопителей энергии снижает по выпрямленной стороне энергопотребление от тяговой подстанции на выполнение транспортной работы, с учётом всех потерь, на 7,32 процента от оплачиваемого энергопотребления от ТП в рамках модели №1, когда накопители энергии не используются.
Сводные результаты работы по трём вариантам модели. Для понимания преимущества структурного решения в модели №3 цепи со стационарными накопителями на ТП в сравнении с применением бортовых накопителей в модели №2 нужно иметь в виду, что КПД межпоездных перетоков рекуперации по контактной сети существенно выше, чем действительный КПД любого накопителя 1НнЭействит (93% и 64% соответственно). Потери при сетевых перетоках энергии происходят
только из-за омического сопротивления медного контактно провода большого сечения на участке перетока (иногда добавляются потери в фидерных кабелях, если перетоки рекуперации между поездами происходят не в пределах только «своего» участка КС, а между двумя фидерами одной ТП). При работе любого типа накопителя энергии помимо транспортных потерь в проводах и кабелях имеются ещё пять последовательных этапов дополнительных потерь: при преобразовании энергии в инверторе в ходе зарядки, при зарядке накопительного элемента, при хранении в накопительном элементе, при разрядке накопительного элемента, при преобразовании энергии в инверторе в ходе выдачи ранее запасённой энергии на полезную нагрузку. Т.е. в любом типе накопителей энергии имеются пять этапов потерь -четыре активных в процессах преобразования энергии и один пассивный при хранении, а при перетоках рекуперации по КС имеются только омические потери в медном проводе большого диаметра. Потери энергии при преобразованиях в накопителе составляют ~36% [11] от поступившей в них энергии рекуперации вагонов, а потери в КС при передаче энергии рекуперации по КС в ходе межпоездного обмена составляют ~7% от её объёма [8]. Другими словами, на одном и том же объёме энергии рекуперации потери её в накопителях более чем в 5 раз превышают потери при перетоках её по КС. Поэтому правильная стратегия применения накопителей энергии для повышения экономического эффекта от повторного использования рекуперации состоит в том, чтобы применять их для полного избавления от избыточной рекуперации вагонов таким образом, чтобы при этом сами накопители опосредствовали собой потоки рекуперации в минимальной степени. Этой стратегии более соответствуют стационарные накопители, поскольку они полностью сохраняют межпоездной обмен рекуперации по сети, а также ещё добавляют к нему сетевые перетоки по эффекту КБК; при этом собственное запасание рекуперации накопителями - минимально и, следовательно, потери в накопителе - минимальны. Бортовой же накопитель полностью запрещает сетевые перетоки рекуперации и, в силу этого, имеет существенно большие абсолютные потери в преобразованиях энергии. Вдобавок бортовой накопитель требует затрат сетевой энергии на его перевозку и увеличенных затрат на собственные нужды, включающие и термостатирова-ние.
В табл. 5 сведены основные показатели работы всех трёх моделей, приведённые к показателю потребления энергии на тягу 1Е в модели №1.
Таблица 5
Изменение сетевого энергопотребления при использовании бортовых и стационарных накопителей в КС ГЭТ, приведено к показателю энергии на тягу в модели №1 без накопителей (* 1Етяги )
Параметр 1.Базовый вариант - без накопителей 2.Бортовые суперконденсаторные НЭ 3.Стационарные махо-вичные НЭ
Энергия тяги, приведённая к выдаче со сборных шин ТП, Е тяги 1 1,07 1
Энергия нетяговых нужд Е нетяги 0,5968 0,8587 0,6062
Межпоездные перетоки рекуперации Е^ло 0,2576 0 0,2576
Потребление рекуперации сетевой нагрузкой при зарядке нэ ЕКБК 0 0 0,0639
Непосредственная выдача накопителем Еныдачи 0 0,2767 0,0402
Полный возврат рекуперации £рек = е + Е + Енэ возврат МПО КБК выдачи 0, 2576 0,2767 0,3617
Нетяговые затраты накопителя АЕн 1 нетяги 0 0,2619 0,006
Затраты на перевозку нэ, АЕн тяги 0 0,07 0
Полные дополнительные затраты энергии при работе НЭ Е"э =АЕ +АЕ затрат нетги тяги 0 0,3319 0,006
Энергия от ТП, Еш 1,3391 1,652 1,2411
Изменение в потреблении оплачиваемой энергии ТП АЕТП 0 +0,3129 повышение -0,0981 снижение
Дополнительные затраты на функционирование накопителя и потери рекуперации при работе бортовых накопителей превышают полезный выдаваемый ими объём энергии рекуперации в 1,76 раза. Увеличение расхода оплачиваемой энергии от ТП на нужды бортовых накопителей в сравнении с оплачиваемыми энергозатратами по варианту без накопителей составляет 23,37%.
Изменение потребления оплачиваемой сетевой энергии от тяговых подстанций происходит в силу того, что баланс источников энергии в системе складывается из энергии от ТП и из полезно утилизируемой энергии рекуперации (рис. 3). Эта диаграмма показывает, что относительно системы ГЭТ с вагонами с ТрСУ и без накопителей применение БНЭ увеличивает оплачиваемое потребление энергии от ТП на 23,36%. Применение стационарных накопителей снижает оплачиваемое потребление энергии от ТП на 7,32%.
1,8000 -1,6000 -1,4000 -1,2000 -1,0000
0,8000 ■ Етп
0,6000 —
0,4000 Ерек-полезн
0,2000 0,0000
Без НЭ С бортовым НЭ Со
стационарным НЭ
Рис. 3. Структура источников энергии в КС ГЭТ для вариантов описанной трамвайной системы: без накопителей энергии, с бортовыми накопителями энергии на всех ПЕ и со стационарными накопителями энергии на всех ТП. По оси ординат - пропорция от тягового энергопотребления
в модели №1 без накопителей (1Е )
тяги
Полезная энергия рекуперации может распределяться по следующим каналам (рис. 4): по межпоездным перетокам в КС, в случае наличия накопителя - поступать в него (в бортовой или стационарный) и выдаваться из него после хранения. В случае применения стационарного накопителя добавляется ещё канал, по которому сетевая нетяговая нагрузка напрямую потребляет перенаправленную избыточную энергию рекуперации в ходе зарядки накопителя (эффект КБК). При применении бортового накопителя каналы межпоездного обмена и реализации эффекта КБК - недоступны. При применении стационарного накопителя действуют все три канала утилизации энергии рекуперации.
0,3000 0,2500 0,2000
0,1500 Емпо
°,1000 Екбк
0,0500
0,0000
Евыдачи-нэ
Без НЭ С бортовым НЭ Со
стационарным НЭ
Рис. 4. Количественное распределение полезной энергии рекуперации по каналам утилизации. По оси ординат - пропорция от тягового энергопотребления в модели №1 без накопителей (Е )
На рис. 5 показана полная структура баланса энергии (потребления нагрузкой и выдача источниками) постатейно для рассматриваемых вариантов энергосистемы предприятия ГЭТ (без накопителей, с бортовыми и со стационарными накопителями). Применение бортовых накопителей ведёт к значительному росту как тяговой, так и нетяговой нагрузки в сравнении с системой без накопителей энергии. При реализации варианта №2 полезное потребление энергии рекуперации растёт незначительно, а оплачиваемое потребление энергии от тяговой подстанции - растёт существенно, превышая оплачиваемое энергопотребление при варианте без накопителей энергии.
В модели №3 применения стационарных накопителей в сравнении с вариантом №1 (без накопителей): тяговое энергопотребление не изменяется, нетяговое энергопотребление несущественно растёт; полезное применение энергии рекуперации резко увеличивается, а оплачиваемое потребление от тяговых подстанций - снижается.
2 1,5 1 0,5 0
-0,5 -1 -1,5
■ ■I
Без НЭ
С бортовым НЭ Со стационарным НЭ
Рис. 5. Баланс энергии источников и нагрузки для рассматриваемых вариантов трамвайной системы (без накопителей, с бортовыми и со стационарными накопителями) по статьям: нагрузка - тяговая и нетяговая, источники энергии - тяговая подстанция и полезная рекуперация.
По оси ординат - пропорция от тягового энергопотребления в модели №1 без накопителей
(Е )
Из рис. 5 видно, что полезный объём энергии рекуперации при реализации модели №2 с бортовыми накопителями в сравнении с базовым вариантом №1 без накопителей увеличивается незначительно. При реализации варианта №3 со стационарными накопителями полезный объём энергии рекуперации увеличивается более чем на треть.
Рассматриваемые как самостоятельные технические устройства и способы по возврату энергии рекуперации на полезную транспортную работу в ГЭТ (межпоездной обмен рекуперацией и применение накопителей), исследованные в настоящей статье модели в вариантах №№0-3 каждая имеет собственный полный баланс положительного эффекта и затрат/потерь рекуперации. Баланс складываются из переведённой в полезную работу рекуперации, а также из дополнительных энергозатрат на функционирование НЭ и потерь рекуперированной энергии в ходе транспортировки и преобразований её. Как видно из диаграммы на рис. 6, положительный баланс имеют только две из четырёх моделей - №1 с вагонами с ТрСУ и отсутствием накопителей энергии в системе, а также №3 - с вагонами ТрСУ и со стационарными накопителями. Причём максимальный объём возврата в полезную работу энергии рекуперации обеспечивает вариант со стационарными накопителями. Объём потерь и дополнительных затрат на возврат энергии
рекуперации на полезную работу существенно превышает объёмы возврата рекуперации в вариантах №0 (вагоны с РКСУ без возможности выдачи рекуперации в КС) и №2 (вагоны с ТрСУ, оснащённые бортовыми суперконденсаторными накопителями).
I - I
0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 -0,1 -0,2
-0,3 _
-0'4 ■ Ерек- потерь
-0,5
-0,6 ■ Енэ-допзатрат
■0 л оЭ
# * Ерек-выдачи
«г ^
^ * у
Рис. 6. Собственный баланс полезной и затраченной/потерянной энергии для способов и устройств возврата энергии рекуперации на полезную транспортную работу. По оси ординат - пропорция
от тягового энергопотребления в модели №1 без накопителей (1Етяги )
Поскольку основной экономический эффект от применения накопителей исчисляется по экономии энергии от оплачиваемого источника - тяговой подстанции, то положительный экономический эффект от применения накопителей даёт только вариант их стационарного применения. Многочисленные в мире [19] и в России исследования бортовых накопителей энергии (любых типов) для городского электротранспорта, видимо, ещё не основаны на комплексном учёте всех факторов обращения энергии рекуперации в полном балансе энергии ГЭТ, т.е. не принимаются во внимание все каналы потоков рекуперации, КПД потерь в этих каналах рекуперации, дополнительное тяговое и нетяговое энергопотребление, возникающее при внедрении накопителей. В настоящем исследовании выведены теоретические основы рассмотрения комплексного эффекта от работы стационарных и бортовых накопителей в энергосистеме ГЭТ по снижению оплачиваемого потребления энергии от тяговых подстанций с учётом: полного баланса энергии в системе; потерь и дополнительных затрат энергии, возникающих при установке таких устройств; всех каналов движения энергии рекуперации; КПД накопителей и контактной сети. Результаты теоретического вывода были апробированы в ходе опытной эксплуатации стационарного накопителя НКЭ-3Г, а также были положены в качестве основы для правильной интерпретации представленных в литературе чисто фактологических описаний испытаний бортовых суперконденсаторных накопителей отечественных и зарубежных производителей.
На основе выведенной теоретической схемы и опытной апробации разных типов накопителей, учитывая рост затрат на оплачиваемую энергию от ТП из-за увеличения её потребления при применении бортовых суперконденсаторных накопителей, а также принимая во внимание высокие капитальные затраты и стоимость их обслуживания при ограниченном сроке службы по ресурсу циклирования самих суперконденсаторов, использование этого технического решения для перенаправления энергии рекуперации на полезное использование представляется сверхубыточным и экономически нецелесообразным.
Выводы. Эффект от применения накопителей энергии есть разница между объёмом полезной выдачи энергии рекуперативного торможения вагона на повторное использование и потерь рекуперации и дополнительного энергопотребления на функционирование накопителей. Рост объёма полезного использования энергии рекуперации в варианте с бортовыми накопителями в сравнении с отсутствием накопителей составляет 7,32%. Увеличение абсолютных потерь рекуперации и дополнительных затрат энергии при применении бортовых накопителей составляет 22,36% от этого объёма в варианте №1. Этот отрицательный баланс бортовых накопителей обусловлен тем, что вся энергия рекуперации опосредствуется накопителем, КПД которого существенно ниже, чем КПД при транспортировке энергии по КС.
При использовании бортовых накопителей энергии суперконденсаторного типа энергоэффективность вагона снижается до уровня применения реостатно-контакторных систем управления тягой, когда полезное использование энергии рекуперации было невозможно.
Повышение объёма полезного использования энергии рекуперации в варианте со стационарными накопителями в сравнении с вариантом отсутствия накопителей составляет более 40 процентов.
Транспортные потери энергии рекуперации в КС (7%) при непосредственном потреблении полезной сетевой нагрузкой при межпоездном обмене ЕМПО в системах без накопителей и в системах со стационарными накопителями существенно ниже, чем комплексные потери в бортовых накопителях
(~36%). Также перетоки в КС перенаправленной энергии избыточной рекуперации при прямом потреблении полезной сетевой нагрузкой в ходе зарядки стационарного накопителя (эффект КБК) 3ЕКБК имеют те же потери от перетоков - 7%. При этом доля перетоков 3ЕМПО и 3ЕКБК составляет более четырёх
пятых от полной энергии рекуперации, т.е. запрет межпоездного обмена энергии рекуперации, имеющий место при применении бортовых накопителей, невыгоден для предприятий ГЭТ, поскольку резко увеличивает потери энергии рекуперации.
Перевозка бортовых накопителей требует потребления дополнительной оплачиваемой сетевой энергии на тягу в объёме, пропорциональном увеличению массы стандартного вагона при оснащении его бортовым накопителем.
Объём циклирования энергии через стационарные накопители транспортной системы за период примерно в пять раз меньше, чем циклирование энергии в бортовых накопителях. В силу этого при равном действительном КПД стационарных и бортовых накопителей абсолютные объёмы потерь рекуперированной энергии при работе стационарных накопителей в пять раз ниже, чем при работе бортовых накопителей.
Суммарный возврат на полезную транспортную работу энергии рекуперации при работе стационарных накопителей (3ЕМПО , 3ЕКБК и 3Евыдачи) существенно превышает возврат энергии рекуперации бортовыми накопителями (2Евыдачи) на полезную тяговую работу ЭПС.
Согласно данным настоящего исследования, при работе бортовых накопителей их потребление оплачиваемой от ТП энергии на собственные нужды систем управления и контроля больше в 35 раз этого же показателя при работе стационарных накопителей, что обусловлено необходимостью перевозки бортовых НЭ и на порядок большим их числом, чем стационарных НЭ.
Исходя из результатов, проведённых в России и за рубежом исследований накопителей энергии для ГЭТ разных типов, принимая во внимание выведенные в настоящем исследовании особенности структур и объёмов потоков перенаправленной энергии рекуперации, представляется экономически нецелесообразным (сверхубыточным) применение бортовых накопителей любого типа.
Выведенная модель расчёта эффекта от применения различных типов накопителей энергии в сетях энергоснабжения работы электротранспорта может быть использована руководством и службами энергохозяйства предприятий электротранспорта, производителями подвижного состава и организациями-концессионерами ГЭТ для поиска наилучших применений накопительных технологий в целях максимизации экономии энергии электротранспортным комплексом на выполнение транспортной работы по пассажироперевозкам.
Список литературы
1. Khodaparastan M, Mohamed A. Flywheel vs. Supercapacitor as wayside energy storage for electric rail transit systems [J]. Inventions, 2019, 4(4): 62.
2. Hammad H. Alnuman, Daniel T. Gladwin b, Martin P. Foster b, Emad M. Ahmed. Enhancing energy management of a stationary energy storage system in a DC electric railway using fuzzy logic control. International Journal of Electrical Power and Energy Systems 142 (2022) 108345. P. 1-17.
3. Щуров Н.И., Щеглов К.В., Штанг А.А. Применение накопителей энергии в системах электрической тяги // Сборник научных трудов НГТУ. 2008. Вып. 1 (51). С. 99 - 104.
4. Сулим А.А. Расчет электроэнергии рекуперации электрифицированного городского транспорта при установке накопителя на тяговой подстанции // Энергетика. Известия высших учебных заведений и энергетических объединений СНГ. 2014. №. 4. С. 30-41. EDN: STHDQB.
5. Голицына А.Е., Стадников А.Н., Шевлюгин М.В. Опытная эксплуатация накопителей энергии неуправляемого типа на тяговых подстанциях Московского метрополитена // Электропитание. 2019. № 4. С. 51-60. EDN XHUCVC.
6. Ярославцев М.В. Влияние потребления собственных нужд на возврат энергии в тяговую сеть троллейбуса при рекуперативном торможении // Наука. Технологии. Инновации: Сборник научных трудов в 9 частях, Новосибирск, 05-09 декабря 2016 года / под ред. Е.Г. Гуровой. Новосибирск: Новосибирский государственный технический университет, 2016. С. 255-256. EDN XGPAPF.
7. Кацай А.В., Бизяев А.А., Козаревич В.А. Эффект питания полезной сетевой нагрузки избыточной энергией рекуперации в ходе зарядки стационарного накопителя // VI международная научно-техническая конференция «Энергетические системы» (ICES-2022). 2022, Том 7, № 4: С. 80-86.
8. Хвостов В.А., Воскресенский Р.В. Тяговые расчеты на городском электротранспорте: Учебное пособие. - Брянск, изд. БИТМа, 1987. С. 47.
9. Методические рекомендации по расчету экономически обоснованной стоимости перевозки пассажиров и багажа в городском и пригородном сообщении автомобильным и городским наземным электрическим транспортом общего пользования. Приложение к распоряжению Минтранса России от 18 апреля 2013 г. № НА-37-р.
10. Шаряков В.А. Двадцать лет внедрения асинхронного электропривода на городском электротранспорте // Control Engineering Россия. 2014. №3. С. 69-71.
П.Чернигов В.М. Электрооборудование трамвайного вагона с емкостным накопителем. [Электронный ресурс] URL: http://mapget.ru/wp-content/uploads/2021/12/MAPGET NTS Chergos.pdf (дата обращения: 14.03.2023).
12.Кацай А.В., Шевлюгин М.В. Коэффициенты полезного действия накопителя энергии в контактной сети горэлектротранспорта // Вестн. Самар. гос. техн. ун-та. Сер. Технические науки. 2022. Т. 30. № 4. С. 127-141.
13. Официальный сайт компании Siemens [Электронный ресурс] URL: https://assets.new.siemens.com/siemens/assets/api/uuid:aa06262d-3ebf-4bcb-9566-bd6b0db960a5/productiníbrmation-sitras-hes-e.pdf (дата обращения: 09.03.2023).
14. Информационный ресурс «Olino» [Электронный ресурс] URL: https://www.blinb.brg/blbg/nl/wp-content/uplbads/2009/03/bt-ecb4-mitrac energy saver.pdf (дата обращения: 09.03.2023).
15. EVODRIVE: energy efficiency. [Электронный ресурс] URL: https://www.cafpbwer.com/en/systems/energy-stbrage-system-greentech/evbdrive-energy-efficiency (дата обращения: 09.03.2023).
16. Суперконденсаторные системы для трамваев. ООО «Тайтэн Пауэр Солюшн». [Электронный ресурс] URL: https://titanps.ru/services/pbdvizhnby-sbstav/tramvai (даьа обращения: 24.02.2023).
17. «Зеленые» технологии: в Россию возвращается рекуперация энергии. [Электронный ресурс] URL: https://www.techinsider.ru/technblbgies/l533963-zelenye-tehnblbgii-v-rbssiyu-vbzvrashchaetsya-rekuperaciya-energii (дата обращения: 12.10.2022).
18. Hamacek S., Bartlomiejczyk M., Hrbac R., Misak S., Styskala V. Energy recovery effectiveness in trolleybus transport. Electr Power Syst Res, 2014. 112. P. 1-11.
19. Bartlomiejczyk M., Polom M. Multiaspect measurement analysis of breaking energy recovery. Energy Conversion and Management. 2016, 127. P. 35-42.
20. Кацай А.В., Бизяев А.А., Козаревич В.А. Сравнение параметров работы маховичного накопителя энергии в контактной сети трамвая в холодные и тёплые сезоны транспортной работы // Вестник МЭИ. Энергетика и электротехника. № 2. 2023. С. 37-44.
Кацай Александр Владимирович, канд. фил. наук, генеральный директор, [email protected], Россия, Москва, ООО «Кинемак»,
Шевлюгин Максим Валерьевич, д-р техн. наук, доцент, заведующий кафедрой, [email protected], Россия, Москва, РУТ (МИИТ)
THE INFLUENCE OF BUFFER STORAGES OF ON-BOARD AND WAYSIDE TYPES ON THE ENERGY CONSUMPTION OF TRACTION SUBSTATIONS IN ELECTRIC TRANSPORT
A.V. Katsay, M. V. Shevlyugin
The study examines how the use of on-board and stationary energy storage devices affects the energy consumption from traction substations for the performance of transport work in electric transport. A model of a tram system with wagons equipped with traction transistor frequency drives has been developed, the energy consumption of which is taken as the basis for calculating changes in network energy consumption when using buffer storage devices. In the basic model, the recovery energy is usefully utilized only with inter-train flows of recovery output to the contact network, and the excess recovery energy is dissipated in the atmosphere from the brake resistors. Based on the basic version of the model, its variants are built: with the use of onboard storage devices on all cars and with the use of stationary storage devices at all traction substations. It is revealed that when using on-board storage devices, inter-train recuperation flows are excluded, and all recovery energy is mediated by the storage device for subsequent issuance only to the traction drive of its car. At the same time, the absolute loss of recovery energy in on-board storage devices is greater than in the basic model, the total loss of recovery energy in the contact network during inter-train overflows and excessive recovery on brake resistors. I.e. the use of onboard storage drives leads to an increase in recovery losses and an increase in paid energy consumption from traction substations, reducing the energy efficiency of the car to the level of using rheostat-contactor traction control systems. It was also revealed that when stationary storage devices are used at traction substations, all flows of useful recovery in the contact network are preserved, and in addition, the recovery energy that was redundant in the basic model is redirected through the contact network in the direction of the stationary storage device, and at the same time one part of it is consumed when charging the storage device to perform useful transport work in the system (KBK effect), and the other is charging the drive. The use of stationary storage devices provides additional savings in energy consumption from traction substations in comparison with the basic model. For experimental verification of the derived theoretical model, a long-term operation of a stationary buffer energy storage device of the flywheel type NKE-3G was carried out in the tram's CS. In addition, data from publications on the results of tests of onboard supercapacitor storage devices for trams conducted in Russia were analyzed and interpreted within the framework of the developed theoretical model. As a result of experimental verification of stationary and onboard storage devices, the positions of the theoretical model were
confirmed. The results of the study can be used by the energy services of electric transport enterprises and manufacturers of electric rolling stock to determine the economic effect when planning the use of buffer storage devices of various types.
Key words: energy recovery, traction and non-traction energy consumption, stationary and on-board storage, rolling stock, KBK effect, saving network energy consumption, energy recovery losses.
Katsai Alexander Vladimirovich, candidate of philosophical sciences, general director, proton [email protected], Russia, Moscow, LLC «Kinemak»,
Shevlyugin Maxim Valeryevich, doctor of technical sciences, docent, head of the department, [email protected], Russia, Moscow, RUT (MIIT)
