О сравнении энергетических параметров систем накопления электроэнергии для систем тягового электроснабжения постоянного и переменного тока

Введение. В статье рассматриваются энергетические параметры систем накопления электроэнергии для систем тягового электроснабжения постоянного и переменного тока. Целью исследования является оценка энергетических параметров систем накопления электроэнергии при их размещении в границах межподстанционной зоны системы тягового электроснабжения переменного тока напряжением 25 кВ.

Материалы и методы. В исследовании использованы методы имитационного моделирования, статистики и обработки результатов эксперимента. Оценка параметров системы накопления выполнена на основе тяговых расчетов для электроподвижного состава переменного тока применительно к межподстанционной зоне одного из участков Среднесибирского хода с системой тягового электроснабжения переменного тока. Расчеты по определению энергетических показателей работы системы тягового электроснабжения выполнены для двух вариантов: при отсутствии и при наличии системы накопления электроэнергии. При расчете взаимодействия электроподвижного состава и системы тягового электроснабжения моделирование работы системы накопления электроэнергии выполнено для источника напряжения, подключенного к шинам поста секционирования.

Результаты. На основе имитационного моделирования получены графики активной и реактивной мощности по плечам межподстанционной зоны в условиях работы активного поста секционирования для расчета параметров систем накопления электроэнергии. Рассчитан график ожидаемой степени заряженности, оценена глубина разряда для номинальной энергоемкости и представлена требуемая зарядная характеристика, обеспечивающая восстановление степени заряженности системы накопления до начального уровня.

Обсуждение и заключение. Дана сравнительная оценка параметров систем накопления для систем тягового электроснабжения постоянного тока напряжением 3 кВ и переменного тока напряжением 25 кВ. Проведенное исследование показало возможность снижения номинальных параметров систем накопления.

1. A Load Flow Analysis for AC/DC Hybrid Distribution Network Incorporated with Distributed Energy Resources for Different Grid Scenarios / O. Khan [et al.] // Energies. 2018. Vol. 11, issue 2. P. 1–15. https://doi.org/10.3390/en11020367.

2. Wind power fluctuation compensation by variable speed pumped storage plant in a grid integrated system: Frequency spectrum analysis / Minxiao Han [et al.] // CSEE Journal of Power and Energy Systems. 2019. Vol. 7, issue 2. P. 381–395. https://doi.org/10.17775/cseejpes.2018.00580.

3. Service restoration strategy of AC/DC hybrid distribution networks / Lou Chengwei [et al.] // The Journal of Engineering. 2019. Jan. P. 1–6. https://doi.org/10.1049/joe.2018.8508.

4. Optimal Sizing and Energy Management of Microgrids with VehicletoGrid Technology: A Critical Review and Future Trends / O. Ouramdane [et al.] // Energies. 2021. Vol. 14 (14). P. 1–45. https://doi.org/10.3390/en14144166.

5. 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. https://doi.org/10.3103/S1068371220090114.

6. 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. https://doi.org/10.3103/S1068371220100119.

7. Незевак В. Л. Расчет параметров и показателей работы системы накопления электроэнергии на участках с рекуперативным торможением электроподвижного состава // Вестник Ростовского государственного университета путей сообщения. 2021. № 1 (81). С. 149–160. https://doi.org/10.46973/0201727X_2021_1_149.

8. Railway Static Power Conditioners for Highspeed Train Traction Power Supply Systems Using Threephase V/V Transformers / An Luo [et al.] // IEEE Transactions on Power Electronics. 2011. Vol. 26 (10). P. 2844–2856. https://doi.org/10.1109/tpel.2011.2128888.

9. Electric railway smart microgrid system with integration of multiple energy systems and powerquality improvement / Chen Feng [et al.] // Electric Power Systems Research. 2021. Vol. 199. P. 1–13. https://doi.org/10.1016/j.epsr.2021.107459.

10. An Energy Storage System for Recycling Regenerative Braking Energy in High-Speed Railway / Junyu Chen [et al.] // IEEE Transactions on Power Delivery. 2020. March. P. 1–10. https://doi.org/10.1109/tpwrd.2020.2980018.

11. Грузовой электровоз 2ЭС7 «Уральские локомотивы» [Электронный ресурс]. URL: https://ulkm.ru/produkciya/gruzovojelektrovoz2es7 (дата обращения: 15.11.2021).

12. Новый магистральный электровоз 2ЭС7 для тяжеловесного движения // Мир транспорта. 2017. № 1 (68). С. 75.

13. IGCT — появление новой технологии для сверхмощных экономически эффективных преобразователей / Р. К. Steimer [и др.] // Электротехника. 1999. № 4. С. 10–18.

14. Крюков А. В., Черепанов А. В., Шафиков А. Р. Моделирование несинусоидальных режимов в системах электроснабжения железных дорог при движении локомотивов с асинхронными тяговыми двигателями // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2018. № 4 (60). С. 99–108. https://doi.org/10.26731/18139108.2018.4(60).99108.

15. Юдина Н. Ю., Брусенцова О. Ю., Пупынин В. Н. Усиление системы тягового электроснабжения участков железных дорог, электрифицированных на постоянном токе 3,3 кВ, путем перевода на переменный ток 25 кВ с реализацией схемы распределенного питания // Электро. Электротехника, электроэнергетика, электротехническая промышленность. 2015. № 2. С. 42–45.

16. Патент № 47152 Российская Федерация, МПК H02P 13/06, H01F 29/02. Трансформаторный агрегат с регулированием напряжения для электрифицированных железных дорог переменного тока: № 2005114442/22: заявл. 11.05.2005: опубл. 10.08.2005 / Аржанников Б. А., Пышкин А. А., Григорьев В. Ф. 12 с.

17. Установки поперечной емкостной компенсации с фильтрацией и демпфированием высших гармоник в тяговых сетях переменного тока / Л. А. Герман [и др.] // Вестник Научно-исследовательского института железнодорожного транспорта (Вестник ВНИИЖТ). 2014. № 1. С. 47–54.

18. Штанг А. А., Ярославцев М. В. Контактно-аккумуляторный маневровый электровоз с накопителем энергии на основе литийионных аккумуляторов // Электроника и электрооборудование транспорта. 2016. № 1. С. 13–16.

19. Титова Т. С., Евстафь ев А. М., Никитин В. В. Применение накопителей энергии для повышения энергетической эффективности тягового подвижного состава // Электротехника. 2018. № 10. С. 21–25.

20. Незевак В. Л. Сравнение вариантов применения накопителей электроэнергии в системе тягового электроснабжения и на электроподвижном составе // Транспорт: наука, техника, управление. Научный информационный сборник. 2020. № 9. С. 17–23. https://doi.org/10.36535/023619142020094.

21. Шапшал А. С., Зак В. В., Некрасов Е. В. Определение расхода электроэнергии на тягу грузовых поездов в условиях сложного профиля пути // Инновации, перспективы развития локомотиво- и вагоностроения: сб. тр. молодых ученых, докторантов и аспирантов; под ред. И. С. Морозкина. Ростов н/Д: Ростовский гос. унт путей сообщения, 2008. С. 28–32.

22. Гвоздик Е. А. Исследование влияния профиля пути на расход энергии в метрополитене // Вопросы развития мировых научных процессов: Междунар. Научн-практ. конф. (Кемерово, 15 марта 2019 г.). Кемерово: Западно-Сибирский научный центр, 2019. С. 55–57.

23. Ушаков С. Ю., Вильгельм А. С., Никифоров М. М. Оценка эффективности использования электроэнергии на тягу поездов в границах полигона Московского Центрального кольца // Вестник транспорта Поволжья. 2019. № 5 (77). С. 40–49.

24. Cheremi s in V. T., Nikiforov M. M., Ushakov S. Y. Assessment of Train Traction Electric Energy Losses // 2018 International MultiConference on Industrial Engineering and Modern Technologies, FarEastCon 2018, Vladivostok, 3–4 October 2018. Vladivostok: Institute of Electrical and Electronics Engineers Inc., 2018. P. 8602528. https://doi.org/10.1109/FarEastCon.2018.8602528.

25. Tr et yakov E. A., Cher emi s in V. T., Golovnev G. E. Reconfiguration of intelligent electrical distribution networks of railways // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering: Vol. 760: International Conference on Transport and Infrastructure of the Siberian Region (SibTrans2019), Moscow, 12–15 November 2019. Moscow: IOP Publishing Ltd, 2020. P. 012059. https://doi.org/10.1088/1757899X/760/1/012059.

26. Незевак В. Л. Условия работы системы накопления электроэнергии в тяговом электроснабжении постоянного тока однопутных участков железных дорог // Вестник Научно-исследовательского института железнодорожного транспорта (Вестник ВНИИЖТ). 2021. Т. 80, № 4. С. 216–224. https://doi.org/10.21780/222397312021804216224.

27. Совершенствование основных требований к системе и устройствам тягового электроснабжения постоянного тока / Б. А. Аржанников [и др.] // Электротехника. 2016. № 9. С. 51–57.

28. Влияние интервала движения на вероятность межпоездного обмена энергией рекуперации в метрополитене / К. И. Куликов [и др.] // Доклады Академии наук высшей школы Российской Федерации. 2017. № 2 (35). С. 53–60. https://doi.org/10.17212/17272769201725360.

29. Модель совмещенной тяговой подстанции метрополитена с учетом тяговой нагрузки и потребителей собственных нужд / Л. М. Клячко [и др.] // Электротехника. 2021. № 9. С. 22–25.

30. Erhan K., Özdemi r E. Prototype production and comparative analysis of highspeed flywheel energy storage systems during regenerative braking in hybrid and electric vehicles // Journal of Energy Storage. 2021. Vol. 43. P. 103237. https://doi.org/10.1016/j.est.2021.103237.

31. Battery degradation minimization oriented energy management strategy for plugin hybrid electric bus with multienergy storage system / Jiuyu Du [et al.] // Energy. 2018. Vol. 165. P. 153–163. https://doi.org/10.1016/j.energy.2018.09.084.

32. Марский В. Е. Определение пропускной способности железнодорожных участков по устройствам тягового электроснабжения // Вестник Научно-исследовательского института железнодорожного транспорта (Вестник ВНИИЖТ). 2014. № 1. С. 40–46.

33. Черемисин В. Т., Никонов А. В. Оценка энергоэффективности статического генератора реактивной мощности // Вестник Ростовского государственного университета путей сообщения. 2016. № 2 (62). С. 128–134.

34. Черемисин В. Т., Никонов А. В. Сравнение энергетических показателей регулируемых устройств поперечной компенсации реактивной мощности в условиях эксплуатации на постах секционирования // Транспорт Урала. 2018. № 1 (56). С. 30–34.

35. Переключаемая фильтрокомпенсирующая установка на посту секционирования контактной сети / Л. А. Герман [и др.] // Интеллектуальная электротехника. 2021. № 3 (15). С. 23–36. https://doi.org/10.46960/26586754_2021_3_23.

36. Кондратьев Ю. В., Тарасенко А. В. Выбор мощности и места размещения устройств поперечной компенсации реактивной мощности // Известия Транссиба. 2015. № 2 (22). С. 79–87.

37. Герман Л. А. Эффективность регулируемых малоступенчатых фильтрокомпенсирующих установок в тяговой сети переменного тока // Вестник Научно-исследовательского института железнодорожного транспорта (Вестник ВНИИЖТ). 2018. Т. 77, № 5. С. 288–294. https://doi.org/10.21780/222397312018775288294.