Условия работы системы накопления электроэнергии в тяговом электроснабжении постоянного тока однопутных участков железных дорог

Рассматриваются вопросы применения системы накопления электроэнергии в тяговом электроснабжении постоянного тока однопутного участка. Приведен обзор основных направлений отечественных и зарубежных исследований в области применения этих систем для повышения пропускной способности и энергетической эффективности систем электроснабжения. Моделирование работы системы накопления электроэнергии в тяговом электроснабжении основано на расчете графиков нагрузки в границах межподстанционных зон, формируемых в зависимости от условий пропуска поездов и тяговой нагрузки на участке железной дороги. Рассмотрены основные положения метода выбора мест размещения и определения параметров системы накопления электроэнергии в тяговом электроснабжении. На примере одной из межподстанционных зон Свердловской железной дороги показано влияние мощности активного поста секционирования на повышение минимального уровня напряжения на токоприемнике электроподвижного состава. Приведены графики степени заряженности и соответствующие им частотные распределения, позволяющие оценить условия работы системы накопления электроэнергии в зависимости от условий формирования тяговой нагрузки, а также графики нагрузки системы накопления электроэнергии и соответствующие им зарядные характеристики для условий работы на посту секционирования. На примере рассматриваемого участка показана зависимость глубины разряда системы накопления электроэнергии от номинальной энергоемкости. По результатам расчетов выполнена оценка вариантов пропуска пакетов поездов в четном и нечетном направлении в сравнении с графиком исполненного движения. Получен диапазон изменения номинальных значений мощности и энергоемкости системы накопления электроэнергии. Выполнено сравнение параметров системы накопления для однопутных и двухпутных участков железных дорог, в том числе с преобладанием пассажирского движения.

1. A novel energy storage system incorporating electrically rechargeable liquid fuels as the storage medium / H. Jiang [et al.] // Science Bulletin. 2019. Vol. 64. No. 4. P. 270 – 280.

2. Reliability evaluation of power systems in the presence of energy storage system as demand management resource / H. Yang [et al.] // International Journal of Electrical Power & Energy Systems. 2019. Vol. 110. P. 1 – 10.

3. Бычкова М. П. Система накопителей электроэнергии для повышения энергоэффективности в метро // Энергосовет. 2011. № 3 (16). С. 74–76.

4. Radu P. V., Drazek Z. Analysis of wayside energy storage devices for DC heavy rail transport // MATEC Web of Conferences. 2018. Vol. 180: 13 th International Conference Modern Electrified Transport MET’2017. P. 1 – 6. DOI:10.1051/matecconf/201818004001.

5. Tesla Powerpack [Электронный ресурс]. URL: https://twitter.com/Tesla/status/1110712884286226432 (дата обращения: 29.06.2019 г.).

6. Повышение надежности электроснабжения собственных нужд тяговых подстанций метрополитена с помощью накопителей энергии / М. В. Шевлюгин [и др.] // Электротехника. 2020. № 9. С. 26–31.

7. Валинский О. С., Евстафьев А. М., Никитин В. В. Эффективность процессов энергообмена в тяговых электроприводах с бортовыми емкостными накопителями энергии // Электротехника. 2018. № 10. С. 10 – 14.

8. Fletcher D. I., Harrison R. F., Nallaper uma S. TransEnergy — a tool for energy storage optimization, peak power and energy consumption reduction in DC electric railway systems // Journal of Energy Storage. 2020. Vol. 30. Р. 1 – 10. DOI: 10.1016/j.est.2020.101425.

9. Multi-conductor model for AC railway train simulation / Y. Chen [et al.] // IET Electrical Systems in Transportation. 2016. No. 6. P. 67 – 75. DOI: 10.1049/iet-est.2013.0052.

10. Development of DC/DC Converter for Battery Energy Storage Supporting Railway DC Feeder Systems / Z. Li [et al.] // IEEE Transactions on Industry Applications. 2016. No. 52 (5). P. 4218 – 4224. DOI: 10.1109/tia.2016.2582724.

11. Lithium-Ion Battery Storage for the Grid — A Review of Stationary Battery Storage System Design Tailored for Applications in Modern Power Grids / H. C. Hesse [et al.] // Energies. 2017. No. 10. P. 2107. DOI: 10.3390/en10122107.

12. Applications of Lithium-Ion Batteries in Grid-Scale Energy Storage Systems / T. Chen [et al.] // Transactions of Tianjin University. 2020. No. 26. P. 208 – 217. DOI: 10.1007/s12209-020-00236-w.

13. Rivera-Barrera J. P., Mu oz-Galeano N., Sarmiento-Maldonado H. O. SoC Estimation for Lithium-ion Batteries: Review and Future Challenges // Electronics. 2017. No. 6. P. 102. DOI: 10.3390/electronics6040102.

14. Peak power reduction and energy efficiency improvement with the superconducting flywheel energy storage in electric railway system / H. Lee [et al.] // Physica C: Superconductivity and its Applications. 2013. Vol. 494. P. 246 – 249. DOI: 10.1016/j.physc.2013.04.033.

15. Research and analysis of a flexible integrated development model of railway system and photovoltaic in China / N. Fuwei [et al.] // Renewable Energy. 2021. Vol. 175. P. 853 – 867. DOI: 10.1016/j.renene.2021.04.119.

16. Adaptive energy management of a battery-supercapacitor energy storage system for electric vehicles based on flexible perception and neural network fitting / T. Zhu [et al.] // Applied Energy. 2021. Vol. 292. P. 261 – 271. DOI:10.1016/j.apenergy.2021.116932.

17. Energy storage sizing methodology for mass-transit direct-current wayside support: Application to French railway company case study / A. Ovalle [et al.] // Applied Energy. 2018. Vol. 230. P. 1673 – 1684. DOI: 10.1016/j.apenergy.2018.09.035.

18. Energy storage systems to exploit regenerative braking in DC railway systems: Different approaches to improve efficiency of modern high-speed trains / M. Ceraolo [et al.] // Journal of Energy Storage. 2018. Vol. 16. P. 269 – 279. DOI: 10.1016/j.est.2018.01.017.

19. Modelling and simulation of electric urban transportation systems with energy storage / A. Capasso [et al.] // 2016 IEEE 16 th International Conference on Environment and Electrical Engineering (EEEIC), Florence, June 7–10, 2016. [S. l.], 2016. P. 425 – 437. DOI: 10.1109/eeeic.2016.7555480.

20. Lepszy S. Analysis of the storage capacity and charging and discharging power in energy storage systems based on historical data on the day-ahead energy market in Poland // Energy. 2020. Vol. 213. P. 189–198. DOI: 10.1016/j.energy.2020.118815.

21. Mehrjerdi H., Hemmati R. Modeling and Optimal Scheduling of Battery Energy Storage Systems in Electric Power Distribution Networks // Journal of Cleaner Production. 2019. Vol. 316. P. 355 – 367. DOI: 10.1016/j.jclepro.2019.06.195.

22. The influence of electric vehicle charging strategies on the sizing of electrical energy storage systems in charging hub microgrids / L. Haupt [et al.] // Applied Energy. 2020. Vol. 273. P. 201–212. DOI: 10.1016/j.apenergy.2020.115231.

23. Energy transfer and utilization efficiency of regenerative braking with hybrid energy storage system / W. Zhao [et al.] // Journal of Power Sources. 2019. Vol. 427. P. 174 – 183.

24. Barrero R., Tackoen X., Mierlo J. Stationary or onboard energy storage systems for energy consumption reduction in a metro network // Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers. Part F: Journal of Rail and Rapid Transit. 2010. Vol. 224 (3). P. 207 – 225.

25. Techno-economic evaluation of transportable battery energy storage in robust day-ahead scheduling of integrated power and railway transportation networks / R. Ebadi [et al.] // International Journal of Electrical Power & Energy Systems. 2021. Vol. 126. P. 251–263. DOI: 10.1016/j.ijepes.2020.106606.

26. Determining the optimum installation of energy storage systems in railway electrical infrastructures by means of swarm and evolutionary optimization algorithms / D. Roch-Dupré [et al.] // International Journal of Electrical Power & Energy Systems. 2021. Vol. 124. P. 311–319. DOI: 10.1016/j.ijepes.2020.106295.

27. Евстафьев А. М. Оценка энергоемкости бортового накопителя энергии для тягового подвижного состава [Электронный ресурс] // Бюллетень результатов научных исследований / ПГУПС. 2018. № 2. С. 7 – 15. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/otsenka-energoemkosti-bortovogo-nakopitelya-energii-dlya-tyagovogo-podvizhnogo-sostava (дата обращения: 02.10.2019 г.).

28. Шевлюгин М. В., Ермоленко Д. В., Стадников А. Н. Опыт пуска электроподвижного состава при помощи «накопительных» тяговых подстанций на московском метрополитене // Электротехника. 2017. № 11. С. 75 – 80.

29. Рябцев Г. Г., Желтов К. С. Показатели эффективности конденсаторных накопителей энергии для вагонов метрополитена // Электротехника. 2014. № 8. С. 47 – 50.

30. Modeling Onboard Energy Storage Systems for Hybrid Traction Drives / O. S. Valinsky [et al.] // Russian Electrical Engineering. 2020. Vol. 91. No. 10. P. 604 – 608. DOI: 10.3103/S1068371220100119.

31. Буйносов А. П., Дурандин М. Г., Тутынин О. И. Перспективы использования накопителей электрической энергии на моторвагонном подвижном составе // Вестник Уральского государственного университета путей сообщения. 2020. № 4 (48). С. 35 – 45.

32. Increasing Power Supply Reliability for Auxiliaries of Subway Traction Substations Using Energy Storage Devices / M. V. Shevlyugin [et al.] // Russian Electrical Engineering. 2020. Vol. 91. No. 9. P. 552–556. DOI: 10.3103/S1068371220090114.

33. Titova T. S., Evstaf'ev A. M. Energy efficiency increase of locomotives with energy storage units // Proceedings of Saint Petersburg State Transport University. 2017. Vol. 14. No. 2. P. 200 – 210.

34. Electric Stock Digital Twin in a Subway Traction Power System / M. V. Shevlyugin [et al.] // Russian Electrical Engineering. 2019. Vol. 90. No. 9. P. 647 – 652. DOI:10.3103/S1068371219090098.

35. Системы накопления энергии: российский и зарубежный опыт / В. М. Зырянов [и др.] // Энергетическая политика. 2020. № 6 (148). С. 76 – 87.

36. Незевак В. Л. Имитационная модель системы тягового электроснабжения для определения энергетических показателей в условиях работы систем накопления электроэнергии // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2020. № 3 (67). С. 70 – 80. DOI: 10.26731/1813-9108.2020.3(67).70-80.

37. Nezevak V., Shatokhin A. Interaction's Simulation Modeling of Electric Rolling Stock and Electric Traction System // 2019 International Ural Conference on Electrical Power Engineering (UralCon): coll. of works. [S. l.], 2019. P. 410–416. DOI: 10.1109/URALCON.2019.8877672.

38. Nezevak V., Cheremisin V., Shatokhin A. Electric energy storage units applicability assessment of different kinds in the conditions of Moscow central ring // Advances in Intelligent Systems and Computing. 2020. Vol. 1115. P. 42 – 51. DOI: 10.1007/978-3-030-37916-2-5.