Ресурсо- и энергосберегающие технологии на железнодорожном транспорте и метрополитенах, реализуемые с использованием накопителей энергии



Скачать 463.19 Kb.
страница1/3
Дата25.04.2016
Размер463.19 Kb.
  1   2   3


МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ (МИИТ)


На правах рукописи

Шевлюгин Максим Валерьевич

РЕСУРСО- И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ НА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОМ ТРАНСПОРТЕ И МЕТРОПОЛИТЕНАХ, РЕАЛИЗУЕМЫЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ НАКОПИТЕЛЕЙ ЭНЕРГИИ

Специальность 05.14.02 – Электростанции и электроэнергетические системы


АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора технических наук

Москва - 2009

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении

высшего профессионального образования «Московском государственном

университете путей сообщения» (МИИТ).


Научный консультант: доктор технических наук, профессор

Пупынин Владимир Николаевич (МИИТ)


Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Мамошин Ревмир Романович (МИИТ)


доктор технических наук, профессор

Бурков Анатолий Трофимович (ПГУПС)


доктор технических наук

Деньщиков Константин Константинович (ОИВТ РАН)

Ведущая организация: Научно-исследовательский институт железнодорожного

транспорта (ВНИИЖТ).
Защита диссертации состоится “ 7 октября 2009г. в 14 часов

на заседании диссертационного совета Д 218.005.02 при Московском

государственном университете путей сообщения (МИИТ) по адресу: 127994, ГСП-4, Москва, Образцова, 9, стр.9., ауд. 4210

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского

государственного университета путей сообщения (МИИТ).
Автореферат разослан “ 2009г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью учреждения, просим направлять по адресу совета университета.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 218.005.02

д.т.н. ст. науч. сотрудник Сидорова Н.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность работы.

Энергоресурсы во многом определяют экономическую ситуацию в современном мире. Для всех развитых стран решение проблем энергосбережения и энергоэффективности стало одним из приоритетных направлений деятельности. Для многих современных производств снижение энергоемкости и энергосоставляющей себестоимости продукции также является одним из определяющих факторов эффективного развития.

Железнодорожный транспорт – это не только потребитель продукции топливно-энергетического комплекса страны (ТЭК), но одновременно и технологическое звено в цепи производства, передачи и потребления электроэнергии. Для реализации задач энергосбережения и вопросов их финансирования Правлением ОАО «РЖД» было принято постановление «О ходе реализации Энергетической стратегии ОАО РЖД и корректировке ее параметров с учетом дальнейшего реформирования топливно-энергетического комплекса России и железнодорожного транспорта» от 6 июня 2007 года (Протокол № 18 п. 5 и 7), дополненное распоряжением ОАО РЖД «Об актуализации энергетической стратегии ОАО РЖД и программе ее реализации» № 1296р от 12 июля 2007 г. (п.8). В результате реализации указанной совокупности программ должен образоваться интегральный эффект энергосберегающей деятельности как в натуральных показателях экономии топливно-энергетических ресурсов, так и в экономии материальных средств на их приобретение, позитивно влияющий в целом на общие экономические показатели деятельности всей транспортной системы.

Основную часть энергетических расходов электрифицированных железных дорог составляют расходы на тягу поездов. Ввиду этого ресурсо- и энергосберегающие технологии необходимо внедрять именно в системах тягового электроснабжения (СТЭ). Одним из наиболее эффективных методов энергосбережения является локальная буферизация электроэнергии на различных стадиях ее доставки до потребителя. В настоящей работе изложены основные возможности ресурсо- и энергосбережения на ж.д. транспорте и метрополитенах с использованием различных типов накопителей энергии (НЭ).

В соответствии с описанными выше программами ОАО «РЖД» и многочисленными постановлениями Правительства Москвы на первый план поставлена острейшая проблема экономии электроэнергии. Одним из основных направлений снижения энергопотребления на транспорте – это введение в электроэнергетическую систему (ЭЭС) транспорта накопителей энергии, способных снизить капитальные вложения на основное тяговое электротехническое оборудование и сэкономить до 30% электроэнергии, идущей на тягу поездов.

Цель диссертационной работы. Целью диссертационной работы является исследование возможности эффективного использования НЭ на разных уровнях ЭЭС ж.д., а также разработка устройств и методов для его практической реализации.

Объект исследования: система тягового электроснабжения ж.д. и метрополитенов, в которую входят тяговые подстанции (ТП) и тяговая сеть (ТС), электроподвижной состав (ЭПС) и различного рода НЭ, работающие в совокупности с описанными выше структурными единицами.

Предмет исследования: методы, модели и критерии оценки показателей работы тягового электропотребления на участках ж.д. и метрополитенов с использованием НЭ.

Методы исследования. При решении поставленных в диссертации задач принят комплексный метод исследований, включающий в себя анализ и обобщение данных научно-технической литературы, методы математического анализа и имитационного моделирования, математическая статистика, методы синтеза моделей и построения алгоритмов, теоретические и экспериментальные исследования, причем последнее реализуется с помощью имитационного моделирования при широком использовании методов теории электрических цепей, теории вероятности и матричного исчисления, а также натурными экспериментами и замерами.

Научная новизна заключается в решении ряда комплексных теоретических и практических задач, посвященных проблемам использования различных типов НЭ в СТЭ ж.д. и метрополитенов, в том числе:

- исследованы процессы в СТЭ ж.д., метрополитена, а также и в ЭПС при использовании НЭ;

- разработаны алгоритмы режимов работы основных типов НЭ в различных точках подключения СТЭ;

- созданы имитационные модели позволяющие оценивать эффективность использования НЭ на основе реально замеренных показателей работы СТЭ и ЭПС;

- описаны методики оценки технико-экономического эффекта от использования НЭ;

- разработаны методы локального усиления ТП и ТС с помощью НЭ, при одновременном снижении установленной мощности ТП;

- показано, что использование НЭ в СТЭ повышает качество электроэнергии по напряжению и общую надежность СТЭ;

- определены полигоны и условия наиболее эффективного использования НЭ на ж.д. транспорте и метрополитене.



Практическая ценность. Разработаны методы и сформирован ряд мероприятий по снижению потребления электроэнергии на тягу поездов, расширению полигона рекуперативного торможения и определению других энергосберегающих эффектов на ж.д. транспорте и метрополитене с использованием НЭ. На базе проведенных исследований были разработаны прикладные имитационные модели, а также программный модуль, интегрированный в общую структуру программно-измерительного комплекса по расчету СТЭ ж.д. и метрополитенов с возможностью использования различных типов НЭ как в СТЭ, так и на ЭПС.

Степень разработанности проблемы. Проблемы энергосбережения в ЭЭС ж.д. и метрополитенов, в том числе и с использованием НЭ различных типов, начали решать еще в 90-х годах ХХ века. Особое внимание уделялось расчетам максимальной пропускной способности, снижению потерь энергии в ТС и возможности использования энергии рекуперации. Однако, более интенсивнее продолжение работы получили уже в начале ХХI века, когда на качественно новый уровень развития вышли цифровые ЭВМ, а стало быть и математические имитационные модели, системы диагностики и измерений, но и главное – непосредственно сами НЭ.

Данными направлениями занимались многие отраслевые научные школы страны: СамГУПС, ПГУПС, ВНИИЖТ, ИрГУПС, МИИТ, ОмГУПС, РГОТУПС, РГУПС, ДВГУПС, ОИВТ РАН, РНЦ «Курчатовский институт», НТЦ «Синтез» НИИЭФА и др. Большой вклад в исследование данной области внесли ученые: Ю.М. Астахов, М.П. Бадер, А.С. Бочев, А.Т. Бурков, Д.А. Бут, А.Л. Быкадоров, В.А. Винокуров, Н.В. Гулиа, В.Л. Григорьев, К.К. Деньщиков, В.Т. Доманский, Б.Е. Дынькин, А.М. Иванов, Ю.М. Иньков, В.Е. Кейлин, В.А. Кисляков, Е.Ю. Клименко, Б.И. Косарев, А.В. Котельников, Р.Р. Мамошин, Г.Г. Марквардт, К.Г. Марквардт, В.А. Матюшин, В.В. Менухов, В.Н. Пупынин, Г.Г. Рябцев, А.Н. Савоськин, Э.В. Тер-Оганов, В.П. Феоктистов, Е.П. Фигурнов, В.Т. Черемисин, Н.А. Черноплеков и другие.



Реализация результатов работы. На основании разработанных конструкций НЭ, методов их управления и имитационных моделей проводились следующие расчеты и оценки:

В 2000 г. по заказу МПС был произведен расчет технико-экономической эффективности использования НЭ в проекте электрификации Малого кольца Московской ж.д.

В 2002 г. совместно с ОАО Мосгипротранс была произведена работа «Оценка и расчёт параметров системы тягового электроснабжения линии Москва – аэропорт Шереметьево». Одним из вариантов предлагаемой СТЭ было консольное питание со НЭ на станции «Шереметьево-3».

В 2007 г. результаты данной диссертации были использованы для оценки эффективности использования НЭ в ЭЭС ж.д., как источников нетрадиционного электроснабжения в работе «Научно-обоснованное видение на период до 2030 года доли энергопотребления ОАО «РЖД» во внутреннем балансе производства и потребления ТЭР России по основным видам энергоресурсов» под руководством академика В.Е. Фортова ОИВТ РАН.

В 2008г. результаты работы были использованы ОАО «Электропривод» при формировании технических требований к аккумулирующему элементу, преобразовательному агрегату и алгоритму управления режимами стационарного НЭ, предназначенному для использования в Московском метрополитене.

В 2009г. на основании натурных системных замеров и методов математического статистического анализа была произведена оценка технико-экономического эффекта от использования НЭ в СТЭ Московского метрополитена.



Апробация работы. Основные положения и результаты работы рассматривались, докладывались и обсуждались:

- в программе «Фундаментальных и поисковых научно-исследовательских работах» Отраслевого центра МИИТа по фундаментальным и научно-исследовательским проблемам транспорта 1997-2004 г.г.;

- на I, III, IV научно-практических конференциях «Ресурсосберегающие технологии на железнодорожном транспорте», М., МИИТ, 1998, 2000, 2001г.г.;

- на Всемирной электротехнической конференции, Москва, 1999 г.;

- на 1-4 Международных симпозиумах ElTrans, «Электрификация и развитие ж.д. транспорта России. Традиции, современность, перспективы», С-Петербург, 2001г., 2003г., 2005г., 2007г.;

- на Всероссийской научно-практической конференции «Ресурсоэнерго-сберегающие проекты и технологии», Международный гуманитарный фонд «Знание», М., 2001г.;

- на II-VIII Научно-практических конференциях «Безопасность движения поездов», М., МИИТ, 2002-2008 г.г.;

- на Всероссийской научной конференции РАН «Проблемы повышения эффективности функционирования и развития транспорта», М., 2002г.;

- на Международной научно-практической конференции «Транссибирская магистраль на рубеже XX-XXI веков: Пути повышения эффективности использования перевозочного потенциала», М., МИИТ, 2003г.;

- на I и II Международных научно-практических конференциях ЮНЕСКО «Использование нетрадиционных и возобновляемых видов энергии и способы ее хранения», М., 2003г., 2004г.;

- на Европейской встрече по энергосбережению, «WTTC - Werkstoffe & Technologien, Transfer & Consulting», Berlin

, 2005г.;

- на I Европейской встрече по использованию суперконденсаторов в электроэнергетических системах: «SUPERCAPS EUROPE 2005», EUROPEAN MEETING ON SUPERCAPACITORS: DEVELOPMENT AND IMPLEMENTATION IN ENERGY AND TRANSPORTATION TECHNIQUES, Berlin-Adlershof, 2005г.;

- на Европейском Форуме экспертов по энергосбережению «FOREX-2005», Centre of Excellence for Materials for Low-energy Consuming Technologies in Electrotechnics «MALET», Electrotechnical Institute, Wroclaw, 2005г.;

- на Бизнес-Конференции SIEMENS «Современные технологии электрификации на железнодорожном транспорте», М., 2006г.;

- на кафедре «Энергоснабжение эл. ж.д.» МИИТа, 2006г.;

- на II Европейской встрече по использованию суперконденсаторов в электроэнергетических системах: «SUPERCAPS EUROPE 2006», EUROPEAN MEETING ON SUPERCAPACITORS: DEVELOPMENT AND IMPLEMENTATION IN ENERGY AND TRANSPORTATION TECHNIQUES, М., 2006г.;

- на Международной конференции по автоматизированному электро-приводу, Санкт-Петербург, 2007г.;

- на Европейском Симпозиуме COSTAction-542 (2007) по направлению “SUPERCAPACITORS FOR POWER ELECTRONICS”, Electrotechnical Institute, Gdansk-Sopot, POLAND, 2007г.;

- на секции «Энергосбережения» Московского комитета по науке и технологиям Правительства Москвы, М., 2008г.;

- на кафедре «Энергоснабжение эл. ж.д.» МИИТА, 2009г.

Публикации. Основные результаты диссертационной работы опубликованы в 73 печатных работах, в том числе: 45 статьях в сборниках научных конференций и симпозиумов, 9 патентах на различного рода интеллектуальную собственность, 1 монографии и 18 статьях в научно-технических журналах, в том числе в 12 журналах из списка, рекомендованного ВАК по тематике энергетики и транспорта.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка используемых источников и приложений. Общий объем диссертации составляет 372 страницы, включая 181 иллюстрацию, 19 таблиц, список использованных источников из 212 наименований и 4 приложений на 23 страницах.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, дана краткая характеристика диссертационной работы, ее цели, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава посвящена определению основных путей повышения энергетических показателей работы СТЭ с помощью НЭ, а также формированию критериев, определяющих целесообразность использования НЭ на ж.д. транспорте. Проведен обзор основных типов НЭ, потенциально пригодных для использования в электроэнергетической системе (ЭЭС) ж.д., их сравнительный анализ и определены наиболее подходящие для использования в СТЭ ж.д. Рассматривались следующие НЭ: гидроаккумулирующие электростанции, инерционные накопители энергии (ИНЭ), электрохимические накопители энергии, к которым относятся аккумуляторные батареи и топливные элементы, сверхпроводниковые индуктивные накопители энергии (СПИН) и емкостные накопители энергии (ЕНЭ). Сравнительный анализ типов НЭ проводился на основе сопоставления набора их параметров, позволяющих достаточно полно охарактеризовать эти устройства.


Рис. 1. Зависимость тока фидера №3 и напряжения тяговой подстанции «Фили» Московской железной дороги в течение 5-и суток.

Так было определено, что для СТЭ ж.д. наиболее эффективно использовать ИНЭ, ЕНЭ и СПИН.

Одной из основных причин повышения энергетических ущербов в СТЭ – это крайне неравномерный график электропотребления. Решить вечную проблему несогласованности в желаемых режимах работы источника и потребителя можно с помощью локальной буферизации энергии, позволяющей разделить во времени требуемые величины генерируемой и потребляемой мощности. Неравномерность энергопотребления в СТЭ обусловлена уникальными условиями ее работы. Первым фактором, влияющим на неравномерность энергопотребления, является неравномерный же график движения поездов. Вторым фактором является особый неравномерный режим энергопотребления каждой единицы электроподвижного состава (ЭПС).

Проблема неравномерности энергопотребления в СТЭ не исчезает и при использовании режимов рекуперативного торможения для частичного возврата энергии в первичную сеть при использовании инверторов на ТП. И решить весь этот комплекс проблем наиболее эффективно можно с помощью НЭ.

С помощью уникального оборудования – статического аварийного анализатора – «САА», разработанного на кафедре «Энергоснабжение электрических железных дорог» Московского университета путей сообщения (МИИТ), были проведены натурные замеры и фиксация токов и напряжения действующей ТП «Фили» Московской железной дороги. Замеры проводились с дискретностью в одну миллисекунду непрерывно в течение 11 суток. На рис.1. показан фрагмент осциллограммы натурных замеров тока и напряжения тягового фидера №3 ТП «Фили» в функции времени в течение 5 суток с шагом в 1 миллисекунду.

Приведенные осциллограммы ярко иллюстрируют импульсный характер работы фидеров тяговой подстанции. В данном случае броски тягового тока достигают величины порядка 2300А, при среднесуточном токе порядка 100А (линия в нижней части графика). Отрицательные выбросы тока не имеют отношения к рекуперации и свидетельствуют лишь о перетоках мощности через шины ТП.Неравномерность любого графика энергопотребления, в том числе и ТП «Фили», можно охарактеризовать несколькими интегральными показателями:



1. Коэффициент минимума. (характеризует разницу между мощностями в часы пик и в часы наименьшего энергопотребления)

; (1)

2. Средне-интегральный коэффициент минимума или «Пик-фактор». (характеризует отношение максимальной мощности Рmax к средней Рср )

; (2)

3. Коэффициент заполнения или плотность нагрузки. (характеризует долю средней за сутки электроэнергии по отношению к среднемаксимальной)

; (3)

4. Число секунд использования среднемаксимальной (наибольшей) нагрузки.

; (4)

5. Изменяемый диапазон мощностей.

Р=PmaxPmin; (5)

6. Динамическая характеристика графика энергопотребления. (характеризует скорость изменения нагрузки)

; (6)

7. Коэффициент формы тока или мощности. (характеризует отношение действующего значения мощности Рд к ее среднему значению Рср)

; (7)

где: Рmin – минимальная мощность потребления СТЭ; Рmах – максимальная мощность потребления СТЭ; Рср – средняя за сутки мощность потребления СТЭ; Т – время расчетного периода, т.е. за сутки.

Статистическая обработка результатов длительных замеров по нескольким фидерам ТП «Голицино» дала возможность оценить основные интегральные показатели нагрузки ТП (табл.1.).



Табл. 1. Интегральные показатели нагрузки СТЭ.

Β

П

Γ

Тm

Р

0,008

23

0,04

4%

8 МВт

Имитационное моделирование работы ТП «Голицино», с расположенным на ней мощного и энергоемкого СПИН, показало, что:

- коэффициент минимума увеличился в десятки раз и стал составлять величину в 0,35;

- пик-фактор улучшился в 8,5 раза и стал равен 2,7;

- коэффициент заполнения вырос в 10 раз и составил 0,41;

- число секунд использования среднемаксимальной нагрузки также выросло в 10 раз и в процентном соотношении составило 41,2%;

- Изменяемый диапазон мощностей улучшился почти в 8 раз и составил 1,035 МВт.

Таким образом, СТЭ по всем мгновенным, динамическим и интегральным показателям неравномерности энергопотребления является наиболее неблагоприятной и необходимость использования в ней НЭ очевидна.

Основными технико-экономическими ущербами в СТЭ, возникающими от неравномерности тяговой нагрузки, являются: увеличение установленной мощности ТП; увеличение старения оборудования; существенное увеличение потерь энергии в тяговой сети и в системе первичного электроснабжения (СПЭ); затруднения, а иногда и невозможность использования рекуперации и пр. Для полного или частичного снижения данных ущербов были определены основные факторы, влияющие на столь неравномерное энергопотребление, а именно: влияние графика движения поездов и режима их ведения; влияние режима рекуперативного торможения; влияние неравномерности тягового энергопотребления на электрооборудование СТЭ; влияние неравномерности тягового энергопотребления на потери в системе внешнего и тягового электроснабжения.

Величина потерь электроэнергии в СТЭ на 2-путном участке может составлять 12% от энергии, идущей на тягу. Поэтому снижению потерь в СТЭ уделяется большое внимание. В виду крайней неравномерности нагрузки, потери энергии от тягового тока необходимо определять с высокой дискретностью замеров по следующей формуле:



; (8)

где ТП i – внутреннее сопротивление i-ой ТП; IТП i – ток i-ой ТП; RТС к – сопротивление k-того элемента тяговой сети; IТП i – ток по k-тому элементу тяговой сети.

Помимо этого потери в СТЭ можно считать пропорциональными коэффициенту формы тока или мощности, который представляет собой отношение действующего значения мощности Рд к ее среднему значению Рср.

Моделирование работы ТП «Голицино» с мощным НЭ, подключенным непосредственно к шинам постоянного напряжения, позволило качественно и количественно получить зависимости удельных активных потерь в ТП и коэффициента формы используемой мощности от энергоемкости НЭ, т.е. от степени неравномерности (рис.2.). Из рисунка видно, что потери энергии действительно пропорциональны коэффициенту формы потребляемой мощности. Однако, следует также заметить, что наиболее интенсивный спад потерь в ТП происходит в начальном интервале, т.е. от 0 до 500 кВтч энергоемкости НЭ. Именно в этом интервале должна находиться экономически выгодная величина энергоемкости НЭ.





Рис. 2. Зависимость коэффициента формы потребляемой мощности и внутренних потерь ТП от энергоемкости, расположенного на ней НЭ.
Частично или полностью снизить технико-экономические ущербы от специфики энергопотребления в СТЭ, с помощью НЭ можно, решив ряд электротехнических задач, по:

- спрямлению минутных и часовых графиков нагрузки, так как это приведет к уменьшению токовых нагрузок и провалов нагрузки тяговых подстанций, что будет способствовать лучшему использованию установленной мощности подстанций при увеличении размеров движения и весов поездов, и даже понижению установленной мощности ТП, а также снижению температуры полупроводниковых агрегатов и трансформаторов, что благоприятно скажется на сроке службы оборудования;

- повышению качества электроэнергии;

- повышению и стабилизация уровня напряжения в тяговой сети и на токоприемниках электровозов, идущих в тяговом режиме, что напрямую связано со скоростью поездов, выполнением графика движения и КПД электровозов;

- обеспечению необходимых условий для режима рекуперативного торможения;

- обеспечению динамической и статической устойчивости энергосистемы;

- использованию дешевой электроэнергии, запасенной ночью, для компенсации дефицита мощности в часы пик;

- лучшему использованию энергии рекуперации и уменьшению потерь энергии в тяговой сети, при отказе от возврата энергии в первичную сеть, и при одновременном безотказном стопроцентном обеспечении необходимых тормозных моментов на валу двигателей электровозов.

Для комплексной оценки эффективности использования НЭ в СТЭ ж.д. с целью выравнивания тяговой нагрузки была получена целевая функция fn, которая имеет вид:

, (9)

где рi – это показатели степени изменения неравномерности или



; (10)

где βV, γV, ПV – это показатели неравномерности уже при использовании НЭ. Значение данной функции характеризует степень эффективности использования НЭ для выравнивания графика энергопотребления. Исследования показали, что для СТЭ ж.д. fn должна быть больше 1147 (10).

В первой главе были также рассмотрены возможные варианты расположения НЭ в ЭЭС ж.д. (рис.3.), определены наиболее подходящие типы и проведена предварительная оценка их параметров. То или иное расположение НЭ в СТЭ определяет возможные функции и технико-экономическую эффективность их использования. Так например в системе первичного электроснабжения (на электростанциях и районных подстанциях) эффективней использовать гидроаккумулирующие электростанции и СПИН (НЭ1 и НЭ2 рис.3.) энергоемкостью свыше 10 ГДж.
Рис.3. Структурная схема питания ж.д. с НЭ на различных этапах.
При использовании НЭ на ТП (НЭ3) для приема избыточной энергии рекуперации его энергоемкость должна составлять порядка 100-200МДж. Такая энергоемкость технически оптимальна для ИНЭ и ЕНЭ. Энергоемкость при установке НЭ в тяговой сети (НЭ4), на постах секционирования (ПС) должна быть рассчитана для приема энергии рекуперации одного поезда и составлять до 100 МДж. В этом случае целесообразней использовать ИНЭ пониженной энергоемкости и ЕНЭ. При установке НЭ на борту электропоезда может быть использован только ЕНЭ. Главным приоритетом в работе ЕНЭ является прием энергии рекуперации. Энергоемкость его при этом должна составлять 5-6 МДж.

  1   2   3


База данных защищена авторским правом ©bezogr.ru 2016
обратиться к администрации

    Главная страница