ИМИТАЦИОННАЯ МОДЕЛЬ СИСТЕМЫ ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ С НАКОПИТЕЛЯМИ ЭНЕРГИИ

Накопители энергии (НЭ) различных типов (гидроаккумулирующие (ГАН), инерционные (ИНЭ), емкостные (ЕНЭ), сверхпроводящие инерционные (СПИН), аккумуляторы и т.д.) получили широкое применение в электроэнергетических системах (ЭЭС) разных стран [1, с. 26-3].

Для расположения НЭ в СТЭ железных дорог постоянного тока 3,3 кВ были предложены следующие точки:

1. Шины 3,3 кВ тяговых подстанций (ТП).

2. Остановочные пункты (станции) на перегонах между ТП.

3. Тяговый электроподвижной состав (ЭПС).

То или иное расположение НЭ определяет возможные функции и технико-экономическую эффективность их использования. Так при размещении НЭ на шинах ТП последние становятся приемниками энергии рекуперации, накапливаемой в НЭ, а затем возвращаемой обратно в тяговую сеть (ТС), за счет чего снижается потребление СТЭ энергии из первичной питающей сети, сглаживаются пики нагрузки ТП, дополнительно экономится энергия потерь в первичной питающей сети понижающего и преобразовательного трансформаторов.

При размещении НЭ на остановочных пунктах общее количество НЭ и общая установочная мощность их увеличиваются, накопление и возврат энергии рекуперации поездов осуществляется вблизи остановочных пунктов, практически минуя тяговую сеть, благодаря чему дополнительно экономится энергия потерь в ТС.

Наконец при размещении НЭ непосредственно на ЭПС их общее количество и общая установленная мощность еще более увеличивается, хотя возможности такого варианта примерно равноценны варианту установки НЭ на остановочных пунктах.

Дать оценку эффективности использования НЭ при размещении их по описанным выше вариантам можно с использованием имитационной модели СТЭ с накопителями энергии, в которой математически воспроизводится картина движения поездов и все процессы, сопровождающие энергообмен между рекуперирующими единицами ЭПС, СТЭ и НЭ.Ниже дается cтруктурная схема такой имитационной модели с НЭ (ИМНЭ).

Особенность математической модели СТЭ с НЭ состоит в том, что, расположение НЭ в оговоренных выше точках меняет токораспределение и уровень напряжения в СТЭ. Объект НЭ в математической модели описывается, как своего рода ТП, но с другими характеристиками (“накопительная” ТП). Сложность состоит в том, что у обычной ТП линейная и достаточно жесткая вольтамперная характеристика (рис. 2а), не зависящая от времени (рис. 2б),а ограниченная энергоемкость “накопительной” ТП определяет ее ВАХ, как характеристику двухпараметрическую. Энергия, запасенная в НЭ, как и напряжение на шинах (если речь идет о ЕНЭ) зависит не только от тока, но и от времени его потребления, и поэтому может быть определена только в плоскости “напряжение - время” или “энергия - время” в виде соответствующих циклограмм (см. рис. 3 а и б).

При создании ИМНЭ в нее закладываются алгоритмы трех режимов работы НЭ (см. блок-схему модуля работы НЭ), которые будут определяться в зависимости от напряжения в данной точке ТС. А именно:

1. Заряд НЭ от ТП по ТС.

НЭ в этом режиме постепенно, малыми токами заряжается от ТП. Такой заряд НЭ имеет место при отсутствии ЭПС на зоне, когда напряжение ТС близко к напряжению холостого хода ТП. Заряд продолжается до частичного (мера определяется на конкретном участке) или полного заряда НЭ, или же до появления на зоне поезда, идущего в тяговом режиме. В последующем НЭ будет отдавать энергию приближающимся поездам и тем самым он сгладит провал и пик тока на ТП.

Рис. 1 Структурная схема ИМНЭ

Рис. 2 Характеристика ТП,ВАХ ТП а) и зависимость напряжения ТП от времени при различных токах б))

Рис. 3 Циклограммы работы ЕНЭ : Зависимость напряжения ЕНЭ от времени при различных токах а)  и зависимость единичного разряда (заряда) при различных токах б).

2. Заряд НЭ от рекуперирующего ЭПС.

Этот режим приходит в действие, когда на зоне или перед остановкой, вблизи НЭ, ЭПСпереходит на рекуперативное торможение и напряжение становится выше, чем напряжение холостого хода ТП.

3. Разряд НЭ на тяговую нагрузку.

При трогании ЭПС потребляет большие токи, которые ему может передать как раз НЭ, расположенный вблизи на станции, а значит обмен энергией пройдет с наименьшими потерями в ТС. Разряд НЭ будет продолжаться пока напряжение на НЭ выше напряжения ТС.  

ЕНЭ представляет интерес для СТЭ из следующих соображений:

- ЕНЭ - это накопитель непосредственно электрической энергии и поэтому имеет высокий КПД [2, с. 7-31];

ИНЭ обладает немного меньшим КПД, чем ЕНЭ (т.к. это накопитель механической энергии) и требует дорогого полупроводникового преобразователя, но зато представляет собой устройство, заряд которого происходит по той же схеме, что и разряд, а также является универсальным как для железных дорог постоянного тока, так и переменного [4, с. 51-60].

При учете соответствующих характеристик ИНЭ программный комплекс ИМНЭ способен также рассчитать параметры СТЭ с НЭ и оценить выгоду от использования ИНЭ. Наиболее удобно и просто это сделать путем сравнения двух вариантов: расчет СТЭ с использованием НЭ и расчет СТЭ с теми же параметрами, но уже без НЭ.