Исследование эффективности применения сверхпроводникового индуктивного накопителя энергии на тяговой подстанции постоянного тока

Актуальность темы

В последние годы приняла особое значение проблема сокращения энергопотребления и экономии топливно-энергетических ресурсов. Система тягового электроснабжения является одним из наиболее энергоемких потребителей. Ее специфической особенностью является значительная неравномерность потребления электроэнергии на движение поездов и существенные потери в системе электроснабжения.

В соответствии с Постановлением Правительства Российской федерации от 2 ноября 1995 г. № 1087 «О неотложных мерах по энергосбережению», Постановлением коллегии МПС РФ № 35 от 21 декабря 1994 г., Указанием МПС от 12 января 1995 г. №Н-100у, Указанием МПС от 9 декабря 1995 г. №А-938у, Указанием МПС №А-478у от 30 апреля 1996 г. «Об отраслевой программе по сбережению топливно-энергетических ресурсов» на первое место выдвигаются ресурсосберегающие технологии. Поэтому необходимы новые технические решения, направленные на экономию электрической энергии в СТЭ. Работы, проводимые в этом направлении, сегодня являются наиболее актуальными.

Следует особо отметить вновь проявленный в последнее время в нашей стране и за рубежом интерес к различного рода накопителям энергии с целью повышения технико-экономических показателей электрической тяги [1−3]. Особый интерес среди них представляют — сверхпроводниковые индуктивные накопители энергии (СПИН) с возможностью длительного срока ее хранения [4], которым несомненно принадлежит будущее в различных областях электроэнергетики. Явление сверхпроводимости известно уже более 90 лет. Значительный вклад в фундаментальные исследования в области сверхпроводимости и прикладной сверхпроводимости внесли такие ученые как.

B.JI. Гинзбург, Н. А. Черноплеков, И. А. Глебов, Ю. А. Осипьян, Г. И. Марчук,.

C.В. Гапонов, В. Б Зенкевич, В. В. Сычев, В. А. Лабунцов, И. В. Якимец, Ш. И.

Лутидзе, А.Г. Тер-Газарян, Д. А. Бут, Б. Л. Алиевский, С. Р. Мизюрин, В. А. Веников, Ю. Н. Астахов, а также другие ученые. Проблемы применения накопителей энергии в системах тягового электроснабжения исследовались в работах А. С. Бочева, Е. П. Фигурнова, В. Д. Карминского, В. П. Феоктистова, В. Н. Пупынина, А. Л. Быкадорова, А. Д. Петрушина, М. Павелчика и других.

Учитывая накопленные знания и опыт в области сверхпроводимости, следует ожидать, что в первое десятилетие XXI в. начнется промышленное производство и освоение нового поколения сверхпроводникового электротехнического оборудования. Сегодня в индустриально развитых странах существуют специальные, финансируемые правительством программы по развитию и применению сверхпроводниковых технологий в различных областях деятельности. Такие программы есть в США, Японии и в странах Европы.

Например, в США существует программа «Сверхпроводимость для электроэнергетики 1996;2010 гг.» [5]. Официальная цель этой программы сформулирована следующим образом: «к 2010 г., периоду наиболее активной замены электроэнергетического оборудования, отработавшего свой ресурс во многих энергосистемах мира, электромашиностроительные фирмы США должны завоевать большую часть мирового рынка, предъявив ему дешевое и компактное сверхпроводниковое оборудование, превышающее по эффективности и надежности оборудование традиционного (резистивного) исполнения. Включение сверхпроводниковых компонентов в коммерческое электротехническое оборудование призвано обеспечить глобальное стратегическое преимущество промышленности США в XXI веке».

Сверхпроводниковые технологии нового поколения превосходят по всем параметрам традиционные и обеспечивают повышение эффективности оборудования, соблюдение режима энергои ресурсосбережения при минимальной нагрузке на окружающую среду. Сегодня на основе этих технологий активно ведутся работы по созданию сверхпроводниковых генераторов, трансформаторов, двигателей и других устройств энергетического назначения.

В России решением проблем сверхпроводниковых технологий и разработкой соответствующего оборудования занимаются такие крупнейшие научные центры как Институт сверхпроводимости и физики твердого тела РНЦ «Курчатовский институт», Научно-исследовательский институт электрофизической аппаратуры (НИИЭФА) им. Д. В. Ефремова, ГНЦ РФ «Всероссийский электротехнический институт», Московский государственный инженерно-физический институт (МИФИ) и другие.

За рубежом уже имеется опыт применения сверхпроводникового индуктивного накопителя энергии на железнодорожном транспорте. Так, в Германии в Мюнхене на тяговой подстанций переменного тока Пассинг, работающей при напряжении 15 кВ и частоте 16 2/3 Гц [3], использован СПИН для выравнивания нагрузки.

Учитывая вышесказанное, можно сделать вывод о том, что для успешного развития отечественной промышленности в XXI веке, требуется ускоренное развитие и использование сверхпроводниковых технологий как в электроэнергетике, так и в других отраслях. Дальнейшие работы по усовершенствованию эффективности системы тягового электроснабжения постоянного тока могут быть выполнены на основе сверхпроводниковых технологий.

Полигон железных дорог, электрифицированных на постоянном токе в России, сегодня составляет приблизительно 20 000 км. Создание электроподвижного состава постоянного тока нового поколения [6], в котором используются асинхронные двигатели и прямые преобразователи на базе биполярных транзисторов с изолированным затвором (IGBT), подключаемые непосредственно к контактной сети позволяют вновь ставить вопрос о том, что модернизация железных дорог постоянного тока является актуальной.

Цель работы. Целью диссертационной работы является исследование принципиальной возможности применения СПИН в тяговых сетях постоянного тока для уменьшения потерь энергии и теоретическое обоснование стационарных и переходных режимов работы и схемотехнических решений СПИН в тяговом электроснабжении.

Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:

— разработаны требования к СПИН, установленному на тяговой подстанции (ТП) постоянного тока;

— разработан способ и схема дозированного двустороннего обмена энергией СПИН с системой тягового электроснабжения;

— исследована работа СПИН в стационарных режимах;

— исследованы переходные процессы при работе СПИН в различных режимах;

— исследована возможность применения СПИН в качестве приемника избыточной энергии рекуперации;

— разработана методика расчета энергоемкости СПИН;

— исследовано влияние конструкции СПИН на параметры коммутационных аппаратов;

— исследована технико-экономическая эффективность применения СПИН в тяговых сетях постоянного тока;

— исследована эффективность применения СПИН в условиях применения дифференцированных тарифов.

Методика выполнения исследований. Для решения поставленных задач принят комплексный метод исследований, включающий в себя анализ и обобщение данных научно-технической литературы, теоретические и экспериментальные исследования, которые базируются на использовании современных методов компьютерного моделирования и соответствующих пакетов прикладных программ для схемотехнического моделирования. В работе также использованы методы математического моделирования, высшей алгебры, теории вероятностей, методологические принципы исследования операций и математические методы обработки научных результатов.

Научная новизна. В диссертации впервые решен ряд теоретических задач, посвященных проблемам использования СПИН в СТЭ железных дорог постоянного тока 3,3 кВ, в том числе:

— предложен способ и разработана схема дозированного двухстороннего обмена энергией СПИН с системой тягового электроснабжения;

— разработана математическая модель СПИН, подключенного к системе тягового электроснабжения;

— разработана методика исследования стационарных режимов, включая режим рекуперации, и переходных процессов в СТЭ при использовании СПИН;

— создана имитационная модель СТЭ, в которой впервые учтен СПИН в качестве приемника избыточной энергии рекуперации;

— разработана методика расчета энергоемкости СПИН;

— разработана методика расчета индуктивности многосекционного тороидального СПИН для ТП;

— предложена методика технико-экономической оценки эффективности применения СПИН в тяговых сетях постоянного тока при расчетах за электроэнергию по одноставочному или дифференцированному тарифам.

Практическая ценность работы. Выполнен большой объем теоретических исследований, на базе которых разработаны принципиальные схемные решения и методики, позволяющие обоснованно подходить к расчетам и практической реализации внедрения СПИН на электрических железных дорогах.

Апробация работы. Основные положения, изложенные в диссертации, докладывались и были одобрены на: международной научно-практической конференции «Проблемы и перспективы развития железнодорожного транспорта» (г.Ростов-на-Дону, 28 октября 1999 г.) — на 59-й отраслевой научно-теоретической конференции профессорско-преподавательского состава «Транспорт — 2000" — на второй отраслевой научно-технической конференции «Актуальные проблемы развития железнодорожного транспорта и роль молодых ученых в их решении» (г. Ростов-на-Дону, 23−24 ноября 2001 г.) — на 60-ой отраслевой научно-теоретической конференции профессорско-преподавательского состава «Транспорт — 2001" — на 61-ой отраслевой научно-теоретической конференции профессорско-преподавательского состава «Транспорт — 2002" — на 62-ой отраслевой научно-теоретической конференции профессорско-преподавательского состава «Транспорт — 2003».

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 8 печатных работ.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературных источников и приложений. Она содержит 171 страницу основного текста, в том числе 83 рисунка и 8 таблиц, список литературных источников содержащий 93 наименования и 6 приложений на 24 страницах.

Выводы.

1. Произведен расчет параметров двух вариантов конструктивного исполнения СПИН энергоемкостью 2550 кВт. ч: тороидального и в виде катушки Брукса. Габаритные размеры катушки Брукса (высота — 1,1 м, наружный диаметр — 3,67 м) более привлекательны по сравнению с тороидальной (высота — 2,1 м, наружный диаметр 7,7 м). Однако недостатком катушки Брукса является наличие значительных магнитных полей в окружающем пространстве, что требует применения дополнительных мер по технике безопасности. Поэтому на тяговой подстанции рекомендуется устанавливать тороидальные СПИН.

2. Секционирование обмотки СПИН приводит к снижению количества и мощности коммутационных аппаратов.

3. Предложена методика расчета индуктивности многосекционного СПИН.

4. Установка СПИН на ТП постоянного тока является экономически выгодной.

5. Применение СПИН на тяговых подстанциях при условии оплаты за электропотребление по дифференцированным тарифам является экономически целесообразным.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Выполненные в диссертации исследования и разработки посвящены решению актуальной научно-технической задачи — повышению технико-экономической эффективности системы тягового электроснабжения постоянного тока. Основные научные и практические результаты диссертационной работы заключаются в следующем:

1. Проблема экономии электроэнергии сегодня весьма актуальна и должна базироваться помимо традиционных на новых, перспективных решениях, отвечающих современному уровню техники и технологий. С этой целью предлагается установить сверхпроводниковый индуктивный накопитель энергии на тяговой подстанции постоянного тока.

2. Применение СПИН на тяговых подстанциях обеспечивает сокращение потерь энергии и экономию топливно-энергетических ресурсов путем сглаживания нагрузки тяговой подстанции со стороны системы внешнего электроснабжения, повышает безопасность движения поездов в результате приема избыточной энергии рекуперации и дает дополнительную экономию энергии за счет последующего возврата ее непосредственно в тяговую сеть для питания поездов в режиме тяги. Общее снижение потерь энергии от применения СПИН колеблется от 29% до 32%.

3. Предложена и разработана схема сопряжения СПИН с тяговой подстанцией постоянного тока, позволяющая решить сложную задачу дозированного обмена энергией с накопителем.

4. Построена компьютерная модель системы электроснабжения и тяговой подстанции постоянного тока со СПИН с целью исследования переходных процессов при взаимодействии СПИН, ТП и ЭПС в различных режимах работы. Модель позволяет выполнять обоснованную разработку предложений по схемотехническим решениям устройств электроснабжения и получать количественные характеристики КПД систем электроснабжения со СПИН.

5. КПД СПИН достаточно высок и в среднем составляет 96%.

6. СПИН может служить приемником избыточной энергии рекуперации. При этом на ТП не требуется инвертор. Преимуществом СПИН является то, что он может накопленную энергию рекуперации непосредственно возвращать в тяговую сеть.

7. Разработана имитационная модель функционирования системы тягового электроснабжения, позволяющая определять энергетические показатели работы системы за длительный период в различных режимах. Показан порядок определения энергоемкости накопителя энергии на модели для участка электроснабжения с заданными параметрами и размерами движения. Алгоритм имитационной модели реализован в виде компьютерной программы, которая в диалоговом режиме настраивается на решение конкретных задач.

8. Показано, что применение многосекционных СПИН позволяет снизить количество и мощность коммутационных аппаратов и емкостей в блоке сопряжения. Предложена методика расчета индуктивности многосекционного СПИН.

9. Технико-экономический расчет оценки эффективности применения СПИН показывает, что установка СПИН на тяговых подстанциях постоянного тока отвечает современному развитию уровня техники и технологий. Срок окупаемости СПИН по современным ценам приближается к 10 годам. Развитие сверхпроводниковых технологий позволяет считать разработку СПИН перспективной.

10. Применение СПИН на тяговых подстанциях при условии оплаты электропотребления по дифференцированным тарифам позволяет снизить затраты на потребление электроэнергии на 31%.