УДК 621.311 ОБ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИЕМНИКОВ ЭНЕРГИИ РЕКУПЕРАТИВНОГО ТОРМОЖЕНИЯ В СИСТЕМЕ ТЯГОВОГО

УДК 621.311
Незевак В. Л., ОмГУПС, г. Омск, Россия
ОБ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИЕМНИКОВ ЭНЕРГИИ
РЕКУПЕРАТИВНОГО ТОРМОЖЕНИЯ В СИСТЕМЕ ТЯГОВОГО
ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА
Применение в перспективе накопителей электрической энергии (далее
НЭЭ) на железнодорожном транспорте ориентировано на повышение энергетической эффективности и соответствует основным целям Энергетической стратегии ОАО «РЖД». В настоящее время НЭЭ нашли свое применение в различных сферах человеческой деятельности: автомобильный и электрический
транспорт городов (включая метро); системы резервирования в электроэнергетических системах; системы электроснабжения нетрадиционной энергетики;
пригородный транспорт и др. НЭЭ применяются и на железнодорожном транспорте в качестве традиционных аккумуляторных батарей для резервирования
маломощных потребителей особой группы первой категории. В системах тягового электроснабжения (далее СТЭ), а также нетяговой энергетики на отечественном железнодорожном транспорте НЭЭ не получили распространение,
несмотря на ряд положительных качеств.
В настоящее время одним из направлений повышения эффективности
применения рекуперативного торможения и поддержания напряжения в контактной сети является применение выпрямительно-инверторных преобразователей (далее ВИП) или поглощающих устройств (далее ПУ) на резистивных
элементах. Первые позволяют преобразовать энергию рекуперации в энергию
переменного тока, при этом около 90-95% данной энергии распределяется на
шинах 6(10) кВ. Вторые поглощают энергию рекуперации на шинах 3,3 кВ. Если применение ВИП сопряжено с повышением уровня потерь в преобразовательном и понижающем трансформаторах подстанции, а также отсутствием
возможности сглаживания графика электрической нагрузки на шинах 3,3 кВ
подстанции, то применение НЭЭ позволяет избежать указанных недостатков.
Возврат электрической энергии позволяет снизить энергоемкость перевозок,
определяемую по уровню электропотребления тяговых подстанций.
Уровень энергии рекуперации в 2010 г. на сети железных дорог России
превысил объем 1 млрд кВт·ч [1]. Расширяющееся применение НЭЭ различных
типов в сфере транспорта и электроэнергетики позволяет рассмотреть перспективы их распространения и на железнодорожном транспорте, в частности, для
электрической тяги на участках постоянного тока с применением рекуперативного торможения. Одними из потенциальных преимуществ НЭЭ перед ВИП и
ПУ является возврат ранее принятой энергии рекуперации в контактную сеть, а
также исключение необходимости сальдированных расчетов с энергоснабжающими организациями, связанных с возвратом энергии рекуперации с неопределенным статусом в первичную сеть [2].
Как показывают результаты измерений на Свердловской железной дороге
(рис. 1), коэффициенты заполнения суточных графиков подстанций находятся в
диапазоне (0,20÷0,25), при этом коэффициент неравномерности равен или близок к нулевому значению (с учетом рекуперации принимает отрицательные
значения). Известно, что сглаживание графика электрической нагрузки приводит к снижению себестоимости вырабатываемой электрической энергии, как
это показано, например в [3], а также повышает эффективность работы СТЭ, и,
в некоторых случаях, приводит и к ликвидации лимитирующих участков железной дороги [4, 5]. Поскольку график тяговой нагрузки подстанции определяется характеристиками графика движения поездов на участке, то условно мероприятия по выравниванию графика можно разделить на организационные,
включающие в себя регулирование интервалов движения, массы поездов и пр.,
и технические, оказывающие влияние на поддержание уровня на шинах тяговых подстанций и регулирование нагрузки, потребляемой из сети.
Рис. 1. Фрагмент суточного графика тяговой нагрузки подстанции ТПС№1
Результаты измерений на тяговых подстанциях Свердловской железной
дороги показывают, что среднее значение перетока энергии рекуперации за
один случай для тяговых подстанций составляет около 20 кВт·ч. Применение
НЭЭ с сопоставимой энергоемкостью на шинах подстанций в данном случае
позволяет уменьшить потери энергии в контактной сети. При оценке величины
возврата энергии рекуперации по шинам тяговой подстанции на уровне напряжения выше напряжения холостого хода (для рассматриваемых подстанций –
3650 В) в условиях работы БАРН-3,3 и при его отключенном состоянии, по
итогам эксперимента можно получить следующие выводы: уровень перетоков
на данном напряжении по шинам подстанции с БАРН-3,3 существенно ниже,
чем при отключенном БАРН-3,3; меньше количество случаев возврата энергии
по шинам подстанции, а также времени возврата (в соотношении ½). Полученные данные свидетельствует о нецелесообразности применения НЭЭ различных видов совместно с устройствами регулирования напряжения типа БАРН3,3 или других устройств.
Основными вариантами приема энергии рекуперации, которые могут
быть использованы для повышения эффективности использования энергии ре-
куперации помимо потребления энергии рекуперативного торможения поездами, идущими в тяге, являются следующие: прием энергии ВИП, установленными на всех ТПС участка; прием энергии ВИП, установленными только на некоторых ТПС участка с наибольшим возможным возвратом энергии; прием энергии ВИП, установленными на одной ТПС; прием энергии рекуперации НЭЭ,
установленным на ТПС; прием энергии рекуперации НЭЭ, установленным на
борту ЭПС; управление параметрами графика движения.
Рис. 3. Удельный расход электроэнергии по счетчикам ТПС
для различных вариантов расчетов
Сравнение вариантов, проведенное авторами [6] и дополненное вариантами с использованием НЭЭ, представлено на рис. 3. Следует отметить, что
имеется ряд альтернатив варианту применения ВИП или НЭЭ в СТЭ, например,
использование НЭЭ в «бесконтактной» системе электроснабжения для метрополитена, в которой НЭЭ обеспечивает движение поездов на перегонах (межподстанционных зонах), а заряд НЭЭ и разгон поезда осуществляется исключительно на станциях, на которых находятся тяговые подстанции. Следует отметить, что в условиях железнодорожного транспорта применение НЭЭ в «бес-
контактной» системе электроснабжения сопряжено с целым рядом труднопреодолимых препятствий.
Сопоставление НЭЭ как приемника энергии рекуперации с ПУ и ВИП
позволяет выделить основные преимущества и недостатки. ПУ неэффективны с
точки зрения рассеивания энергии рекуперации, но обладают бесспорными
преимуществами по стоимостным характеристикам, отсутствием потерь от передачи энергии рекуперации в преобразовательных агрегатах и трансформаторах. ВИП осуществляют передачу энергии рекуперации на шины переменного
тока подстанции, а с этим связано увеличение уровня потерь энергии. В отличие от ВИП и ПУ устройства НЭЭ позволяют повысить пропускную способность участков (при установке на ЭПС), снизить уровень потерь в преобразовательных агрегатах и трансформаторах подстанций, а также способствуют сглаживанию графика нагрузки. Из основных недостатков НЭЭ следует отметить
достаточно высокую стоимость, ограничения по приему энергии рекуперации,
связанные с ограниченной энергоемкостью, а также появление потерь энергии в
НЭЭ в режимах заряда-разряда.
Таким образом, наименьший уровень энергоемкости в перевозках достижим в перспективе при установке НЭЭ на локомотивах на участках с применением рекуперативного торможения. Использование накопителей в СТЭ и на
ЭПС позволяет сократить загрузку преобразовательных агрегатов и трансформаторов подстанции. Применение НЭЭ одновременно с устройствами регулирования напряжения, таких, как БАРН-3,3, представляется нецелесообразным
ввиду отсутствия условий для заряда НЭЭ при поддержании напряжения на
шинах 3,3 кВ тяговой подстанции.
Библиографический список.
1. Ходакевич, А. Н. Эффективнее расходовать топливно-энергетические ресурсы! [Текст] /
Ходакевич А. Н. // Локомотив. 2011. № 11. С. 2-5.
2. Незевак, В. Л. Об определении статуса энергии рекуперации на железнодорожном транспорте в условиях оптового рынка электроэнергии [Текст] / Незевак В. Л. // Актуальные во-
просы экономики и пути их решения на этапе современного развития России: материалы
Всерос. науч.-практ. конференции, 25 апреля 2013 г. В 2 т. Т. 1 / под ред. Ю.А. Тюриной. –
Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2013. – 358 с.: ил. С. 142-151.
3. Михайлов В. В Тарифы и режимы электропотребления. – 2-е изд. перераб. и доп. – М.:
Энергоатомиздат, 1986. – С. 43.
4. Черемисин, В. Т. Выбор мест установки накопителей электрической энергии на полигоне
постоянного тока железнодорожного транспорта по критерию энергоэффективности [Текст] /
Черемисин В. Т., Незевак В. Л., Никифоров М. М. // Транспорт РФ. Наука и транспорт. Модернизация железнодорожного транспорта. №2 (6). – М.: Т-Пресса. 2013. С. 14-18.
5. Незевак, В. Л. Применение накопителей электрической энергии на электроподвижном составе для повышения эффективности работы систем тягового электроснабжения на участках
постоянного тока [Текст] / Незевак В. Л., Шатохин А. П. // Транспортная инфраструктура
Сибирского региона: Материалы четвертой всероссийской научно-практической конференции с международным участием, 13-17 мая 2013 г. Иркутск: В 2 т. Том 2 - Иркутск: Изд-во
ИрГУПС, 2013. - 547 с.
6. Черемисин, В. Т. Повышение энергетической эффективности системы тягового электроснабжения в условиях рекуперации электроподвижного состава [Текст] / Черемисин В. Т.,
Незевак В. Л., Вильгельм А. С. и др. // Локомотив, № 8, 2013, С. 7-10.