Использование накопителей энергии в системах тягового электроснабжения железных дорог и метрополитенов

Развитие транспортной инфраструктуры и пассажиропотоков на железных дорогах и в метрополитене требуют надежного электроснабжения электропоездов, повышения качества электрической энергии в тяговой сети и обеспечения безопасности движения поездов.

Рост интенсивности движения поездов приводит к увеличению динамики их разгона и торможения, что в свою очередь способствует росту числа экстремальных режимов в работе всего электрооборудования, а так же отрицательно сказывающегося на его ресурсе и сроке службы.

Так, например, далеко не вся энергия при электродинaмическом (рекуперaтивном) торможении поезда распределяется между остальными составами, а выделяется на его бортовых резистивных элементах в виде дополнительного тепла и оказывает существенное влияние на нагрев воздуха кaк в туннелях, так и на станциях метро. Для сравнения: при каждой остановке поезда выделяется столько же энергии, сколько необходимо для поддержания нормальной температуры в небольшой квартире зимой в течение суток. Впоследствии, необходимо дополнительно тратить энергию и нести расходы на технические средства обеспечивая необходимую вентиляцию и кондиционирование для поддержания необходимой температуры в подземной части метрополитена.

Снижение энергоемкости перевозочного процесса и повышение пропускной способности рельсового транспорта являются важнейшими задачами, комплексным решением которых является использование накопителей энергии в системе тягового электроснабжения.

В качестве основных задач, решаемых накопителями электроэнергии на транспорте, выделяют следующие [1,2,3,4,5]: обеспечение требуемого уровня напряжения при аварийном или технологическом отключении; стабилизация уровня напряжения в месте присоединения; повышение эффективности применения рекуперативного торможения; повышение энергетической эффективности перевозок и качества тягового электроснабжения железных дорог (подразумевается, что НЭ также позволит решить проблему рекуперации энергии с возвратом её, если это необходимо, в первичную энергосистему).

Существует несколько основных типов НЭ, которые возможно использовать на электрифицированной железной дороге и метрополитене:

1) сверхпроводниковые индуктивные накопители (СПИН);

2) кинетические (инерционные) (ИНЭ);

3) аккумуляторы (АБ);

4) суперконденсаторы (емкостной накопитель энергии (ЕНЭ)).

Помимо классификации НЭ по типу аккумулирующего элемента их так же подразделяют на накопители управляемого и неуправляемого типов. Накопителями энергии неуправляемого типа принято называть те НЭ, аккумулирующий элемент которых, подключается непосредственно напрямую к шинам тяговой подстанции (ТП), а режимы заряда или разряда НЭ определяются условиями циркулирующей энергии в тяговой сети [6,7]. Накопителями энергии управляемого типа принято называть те НЭ, аккумулирующий элемент которых, подключается к шинам ТП через преобразовательный агрегат, задающий режимы работы накопителя в соответствие с выбранным алгоритмом [8]. Выбор типа и функциональных возможностей НЭ определяется исходя из конкретных условий на конкретной линии метрополитена или желехнодорожных магистралей. Примеры НЭ управляемого и неуправляемого типов представлены на рисунках 1 и 2.

Рисунок 1. Принципиальная схема емкостного НЭ на ТП управляемого типа

Основные элементы НЭ, показанного на рисунке 1, это:

- батарея молекулярных конденсаторов (БК);

- преобразователь постоянного тока П (на максимальный ток рекуперации) для связи БК с шинами ТП или тяговой сетью;

- система датчиков контроля тока (ДТ1, ДТ2) и напряжения (ДН1 и ДН2) совместно с системой регулирования (СР), формирующей команды на управление работой ЕНЭ;

- быстродействующий выключатель (БВ) для физического подключения ЕНЭ и защиты его оборудования от токов короткого замыкания.

НЭ, установленный на ТП, должен выполнять следующие функции: стабилизировать напряжение как для тяговой нагрузки, подающееся в КС, так и для собственных нужд ТП и сторонних потребителей [9,10]; стабилизировать мощность, потребляемую из системы внешнего электроснабжения; обеспечивать аккумулирование электроэнергии, полученной от электроподвижного состава (ЭПС) при рекуперативном торможении; обеспечить автономное электроснабжение ЭПС при аварии в системе первичного электроснабжения при эвакуации пассажиров из тоннеля метро [14].

С точки зрения оптимального энергообмена при рекуперации НЭ необходимо располагать непосредственно на ЭПС в бортовом исполнении. В этом случае дополнительно экономятся потери энергии в тяговой сети при обеспечении межпоездного обмена, так как ЭПС, рекуперируя, отдает энергию торможения самому себе с последующим ее использованием для собственного режима тяги [13].

Систематизируя изложенную информацию, можно выявить соответствие типа накопителя решаемой проблеме, обеспечивающее ее оптимальное решение (рисунок 3).

Анализ возможных мест расположение НЭ в электроэнергетической системе рельсового транспорта в зависимости от типа и функционала показал следующее (рисунок 4 и таблица 1).

Рисунок 2. Принципиальная схема НЭ неуправляемого типа на основе суперконденсаторов, расположенного на тяговой подстанции Т-23 Московского метрополитена [11,12]

Рисунок 3. Систематизация соответствия типа накопителя электрической энергии решаемой проблеме для получения наибольших эффектов

Рисунок 4. Структурная схема питания железных дорог с НЭ на различных этапах

Таблица 1.

Анализ возможных мест расположение НЭ в электроэнергетической системе рельсового транспорта в зависимости от типа и функционала

В статье выявлены проблемы, которые могут эффективно решаться путём применения накопителей электрической энергии, и дана их характеристика. Проведённый анализ принципа действия и особенностей каждого из типов накопителей позволил систематизировать соответствие типа накопителя решаемой проблеме, обеспечивающее наибольший эффект от ее решения. Проведенный анализ различных накопителей энергии позволил оценить энергоемкости аккумулирующих элементов и функционал НЭ в зависимости от их размещения в различных точках электроэнергетической системы рельсового транспорта.