Затраты на электроэнергию, потребляемую на тягу поездов, составляют ощутимую долю в общих эксплуатационных расходах железных дорог. Одним из путей их снижения является возврат электроэнергии в сеть при рекуперативном торможении. Расчеты показывают, что при таком торможении пригородный электропоезд может отдавать в сеть до 40 % потребленной им энергии. Одновременно существенно снижается механический износ тормозных устройств.

В традиционных системах тягового электроснабжения с подстанциями, оборудованными нерегулируемыми выпрямителями, принцип. возможность использования энергии рекуперации определяется, а иногда и ограничивается следующими факторами: конструктивными особенностями подвижного состава— его массой, вспомогательным оборудованием, устройствами обеспечения комфорта, КПД привода, наличием рекуперативного тормоза, максимальным напряжением на тяговом двигателе при рекуперации; наличием в зоне рекуперирующего поезда другого электроподвижного состава; максимальной скоростью поезда и параметрами пути, по которому он следует, а именно радиусами кривых, уклонами, наличием тоннелей; расстоянием м. остановочными пунктами; параметрами контактной сети, в частности, протяженностью фидерных зон, удельным (на 1 км) сопротивлением подвески, наличием пунктов параллельного соединения; разностью напряжений рекуперации и на шинах подстанции.

Исследования недельного графика расхода энергии показали, что в системах пригородного сообщения в среднем до 70 % энергии рекуперации используется другими поездами, а остальные 30 % теряются бесполезно.

Для того чтобы рекуперируемую энергию можно было использовать полностью, разработаны тяговые подстанции, оборудованные специальными статическими преобразователями. Последние способны возвращать избыток рекуперируемой энергии в трехфазную сеть первичного электроснабжения, которая готова к ее потреблению.

Однако следует помнить, что оснащение подстанций этими преобразователями требует значительных дополнительных затрат, а экономический эффект от их использования в значительной степени зависит от тарифной политики поставщиков электроэнергии.

Лучшего использования энергии рекуперации и более высокого экономического эффекта можно добиться в системах пригородного сообщения, применив накопители энергии.
Преимущества накопителей энергии

Правильно выбранные накопители способны полностью поглощать поступающую энергию рекуперации и затем снова отдавать ее в тяговую сеть. Их можно устанавливать как на тяговой подстанции, подключая параллельно питающему выпрямителю, так и в любом месте на линии.

С помощью одного накопителя в зависимости от места его расположения, и от способа заряда и разряда можно обеспечить: снижение расходов на электроэнергию, потребляемую из внешней сети; уменьшение затрат на техническое подвижного состава вследствие снижения механического износа при торможении; сокращение капитальных вложений в результате снижения установленных мощностей тяговых подстанций, увеличения расстояний м. ними или даже уменьшения их числа; оптимизацию системы тягового электроснабжения постоянного тока без значительного переоборудования ее устройств; постоянный уровень напряжения в контактной сети, особенно на участках с консольной схемой питания; аварийное питание, например, для вывода поездов с участка в случае выхода из строя всей системы тягового электроснабжения; уменьшение нагрева тоннелей.

Сокращение потребления первичной энергии, приводящее к снижению выбросов в атмосферу углекислого газа,является также важным экологическим фактором.
Потенциал экономии

На примере двухпутной городской железной дороги с режимом эксплуатации средней интенсивности рассмотрена принцип. возможность экономии, определяемой более полным использованием энергии рекуперации в результате применения накопителей энергии.

На рассматриваемой линии наибольшая нагрузка при интервале следования поездов 90 с бывает в течение 8ч, в течение 12ч при интервале следования поездов в среднем 240 с нагрузка низкая, в оставшиеся 4ч на линии перерыв в движении поездов.

В момент трогания поезд городской железной дороги потребляет ток около 4500 А при номинальном напряжении в контактной сети 780 В. Несложный расчет демонстрирует, что при среднем токе продолжительного режима 625А и напряжении 750В общее потребление энергии за год (8760ч) составляет 4ГВт·ч.

В традиционных системах тягового электроснабжения в зависимости от параметров трассы, графика движения и парка подвижного состава дополнительно может накапливаться и снова использоваться от 4 до 15 % энергии, затрачиваемой на тягу. Иными словами, применение накопителей обеспечивает именно такой размер экономичности энергии. Результаты расчета были подтверждены измерениями. в рассмотренном примере промежуточное накопление энергии позволяет экономить от 150 до 600МВт·ч в год. При ее средней стоимости от 0,08 до 0,15 нем. марок/кВт·ч это составляет экономию от 12тыс. до 90 тыс. марок
Определение параметров

Требуемые значения энергоемкости и мощности накопителя могут быть определены на конкретном примере для линии с напряжением в контактной сети 780В постоянного тока. Поезда массой 50т идут с минимальным интервалом 90с и затрачивают одинаковое время (от 10 до 30с) на разгон до максимальной скорости 50- 80 км/ч и торможение.

Для этих условий энергоемкость накопителя должна быть рассчитана на величину энергии, выделяемой в течение двух рекуперативных торможений со скорости 80 км/ч, т.е. 7кВт·ч.

Так как накопитель должен быть способен отдавать энергию в любой момент времени, его минимальная энергоемкость должна быть не ниже 4кВт·ч, а максимальная- около 10 кВт·ч. При этом максимальная мощность приблизительно равна 0,6МВт. но теоретически одновременно может происходить торможение или разгон двух поездов, поэтому мощность накопителя следует увеличить до 1МВт.

К накопителю энергии в системах пригородного сообщения предъявляют следующие принципиальные требования: высокие значения КПД, удельной энергии и мощности, максимальная надежность, хорошая регулируемость, низкие капитальные и эксплуатационные затраты.

Безусловно, существенным параметром для выбора накопителя является число возможных зарядов и разрядов: например, в системе тягового электроснабжения пригородной сети может быть не менее 200 таких циклов в сутки. Если принять срок эксплуатации накопителя равным 20 годам, он должен выдерживать 107 циклов без снижения мощности.
Разновидности накопителей

Известны следующие разновидности накопителей: аккумуляторные, сверхпроводящие и инерционные.
Аккумуляторный накопитель

В качестве накопителей можно использовать батареи свинцовых и никель-кадмиевых аккумуляторов. Другие типы аккумуляторов не могут быть использованы из-за неудовлетворительных экономических показателей.

Высокую кратковременную мощность можно получить только при весьма большой емкости батареи аккумуляторов, что обусловливает большие размеры и массу накопителя. К другим недостаткам аккумуляторных батарей относятся невысокая циклическая стабильность и, следовательно, ограниченный срок службы, и наличие в них кислоты, свинца, кадмия и других экологически опасных материалов.

По этим причинам аккумуляторные батареи, вероятно, не найдут применения в качестве накопителей энергии для систем тягового электроснабжения.
Сверхпроводящий накопитель

Речь идет о современном принципе накопления энергии с помощью сверхпроводящих электромагнитов. Такие накопители используют в настоящее время только в сложной медицинской аппаратуре и в системах, где необходимо бесперебойное электроснабжение. Пригодность накопителей на сверхпроводящих катушках для работы в условиях городских и пригородных железных дорог представляется проблематичной.
Инерционный накопитель

Первые публикации о применении инерционных накопителей, или гироаккумуляторов, появились так же в 1992 г. С тех пор значительно возросла прочность материалов, из которых их изготавливают, что позволяет при большой частоте вращения накапливать значительное количество энергии в небольшой массе. На периферии маховика возникают слишком большие для традиционных материалов центробежные силы, поэтому его изготавливают из композитов с армирующим углеродным волокном.

Новые силовые полупроводниковые приборы, обладающие высоким быстродействием и низкими потерями, позволили создать статические преобразователи для привода скоростных электрических машин, работающих в чередующемся двигательно-генераторном режиме и являющихся звеном преобразования накапливаемой энергии.

Прогресс в области магнитных, и сверхпроводящих материалов для электромагнитов позволил создать магнитные подшипники без трения для быстро вращающихся масс (в данном случае ротора и маховика), не требующие технического обслуживания в течение долгого времени.

Учитывая изложенное, можно сделать вывод, что инерционные аккумуляторы энергии в наибольшей степени отвечают требованиям, предъявляемым к накопителям системой тягового электроснабжения пригородных линий.

Конструкция и регулирование инерционных накопителей

В настоящее время уже существуют такие накопители приемлемых размеров. В них применено вращающееся в вакууме маховое колесо из материала, армированного углеродным волокном. На вал маховика насажен ротор электрической машины.

У накопителя предусмотрены выводы для подключения статического преобразователя, системы водяного охлаждения и вакуумного насоса.

Электрическая синхронная машина имеет внутренний статор, размещенный в вакууме и рассчитанный на напряжение от 300 до 940 В, и наружный с возбуждением на постоянных магнитах. Маховик и ротор размещены в общем защитном корпусе.

Статический преобразователь обеспечивает прием и отдачу энергии при полном использовании полезного диапазона частоты вращения, соответствующего интервалу м. наибольшим и наименьшим значениями энергоемкости. Напряжение промежуточного звена преобразователя согласовано с уровнем напряжения в контактной сети. КПД всей системы для полного цикла энергообмена превышает 86%.

Накопители этого типа уже в течение нескольких лет используются на грузовых автомобилях. При мощности около 200 кВт и энергоемкости 2 кВт·ч они имеют приблизительно в 5 раз меньшие габариты, чем накопители для системы тягового электроснабжения.

Алгоритм регулирования циклов разряда и заряда должен выбираться с учетом цели использования накопителя энергии. Он может применяться для стабилизации уровня напряжения в контактной сети, экономичности энергии, и для покрытия пиков нагрузки. Необходимо, чтобы система регулирования динамично реагировала на ситуацию в движении поездов, например на изменение межпоездных интервалов и т. д. Оптимум достигается в том случае, когда система учитывает максимальное число параметров и гарантирует наибольшую экономию.

F. Moninger. Elektrische Bahnen , 1998, N 8, S. 257- 260.

Источник:http://www.css-mps.ru