Энергосбережение
Моделирование тяговой сети и экономия энергии В тяговых сетях постоянного тока метрополитена, трамвая и городских железных дорог бесполезно пропадает большое количество энергии, высвобождающейся при торможении. Возможные мероприятия по ее полезному использованию можно исследовать с помощью динамического моделирования тяговой сети. Теме экономии энергии транс‑ портные предприятия всегда уде‑ ляют большое внимание как по экономическим, так и по экологи‑ ческим соображениям. При раз‑ работке методов экономии энер‑ гии учитывают разные факторы, влияющие на расход энергии как положительно, так и отрицатель‑ но. В связи со сложностью пробле‑ мы бывает трудно с достаточной точностью количественно оценить эффективность того или иного ме‑ роприятия без детализированного анализа, выполняемого, например, в форме моделирования.
Перед компаниями, которые эксплуатируют линии, электри‑ фицированные на постоянном то‑ ке, все острее встает вопрос о том, достаточно ли эффективно они ис‑ пользуют энергию, выделяемую подвижным составом при тормо‑ жении. Поскольку рассматривае‑ мые линии получают тяговую мощ‑ ность от выпрямительных подстан‑ ций, то здесь невозможна прямая передача энергии, выделившейся при электрическом торможении, в сеть первичного электроснабжения переменного тока. В связи с этим часть энергии, которую не смогли
E, МВт·ч 6 5 4
потребить другие поезда, тормо‑ зящий поезд гасит на тормозных резисторах. Чтобы решить проблему потреб‑ ления этой остаточной энергии, транспортные предприятия должны выяснить следующее: • количество энергии, поступаю‑ щей в контактную сеть, не исполь‑ зуемой полезно и тем самым со‑ здающей максимально возможный потенциал экономии; • возможные пути экономически эффективного использования этой энергии. С такими же и подобными во‑ просами сталкиваются специали‑ сты при перспективных разработ‑ ках. Так, представляет интерес из‑ менение ситуации с экономией энергии при изменении условий эксплуатации, поступлении нового подвижного состава, вводе нового графика движения. Например, при уплотнении существующего такто‑ вого графика движения на линии становится больше поездов, кото‑ рые потребляют выделившуюся энергию торможения. В то же вре‑ мя при электрическом торможении они сами становятся источником дополнительной тормозной энер‑ гии. Такое изменение ситуации мо‑ жет оказать как положительное, так и отрицательное влияние на баланс энергии в сети и имеет решающее значение для принятия решения об экологической и экономической це‑ лесообразности вложения инвести‑ ций в этот проект.
3
Возможности моделирования
2 1 0
T1
T2
T3
T4
t
До проведения мероприятий
Стационарный накопитель в точке В
Накопитель энергии на подвижном составе
Инвертор, установленный в точке А
Стационарный накопитель энергии, установленный в точке А
Инвертор в точке В
Рис. 1. Результаты моделирования энергопотребления на городской железной дороге для разных дней недели в разные времена года: E — суточное энергопотребление; t — периоды измерений; T1 — весной, с понедельника по пятницу; Т2 — зимой, с понедельника по пятницу; Т3 — весной, в субботу, воскресенье; Т4 — зимой, в субботу, воскресенье
С помощью моделирования как инструмента расчетов можно оце‑ нить величину энергопотребления как при существующем, так и при перспективных сценариях эксплуа‑ тации. Компания ENOTRAC при‑ меняет для этого собственный па‑ кет программ FABEL, развивая и до‑ полняя его уже в течение 20 лет. С его помощью можно для реально существующих эксплуатационных
74 ЖЕЛЕЗНЫЕ ДОРОГИ МИРА — 2014, № 11
Энергосбережение
условий выполнить динамические электротехнические расчеты пото‑ ков мощности в функции времени. При этом будут созданы следующие детализированные модели: • путь — уклоны, радиусы кривых, максимальная скорость на участ‑ ках, расположение остановочных пунктов, сигналов и стрелочных переводов; • тяговое электроснабжение — пи‑ тающие и обратные провода, пунк‑ ты подключения питания (тяговые подстанции, посты секционирова‑ ния), расположение трансформато‑ ров, выпрямителей, преобразовате‑ лей, накопителей энергии; • т яговый подвижной состав — длина, масса, тяговая характери‑ стика, ограничения по мощности/ по величине тока; • эксплуатационные характери‑ стики — предельные значения уско‑ рения и замедления, метод ведения поезда, график движения, форми‑ рование поезда, размеры пассажи‑ ропотока по ходу поезда. Целью исследований тяговой сети на модели является опреде‑ ление размеров потребления энер‑ гии и величины полезно неисполь‑ зуемой тормозной энергии и отсю‑ да — оценка потенциала экономии энергии. Расход энергии и величи‑ на неиспользуемой энергии тормо‑ жения в большой степени зависят от частоты следования поездов в графике движения, а также от раз‑ личных экологических и погодных факторов, особенно от температу‑ ры воздуха. Последняя определя‑ ет затраты энергии на отопление и охлаждение пассажирских салонов в поездах. Расход энергии и величи‑ на неиспользуемой энергии колеб‑ лются в течение суток из‑за утрен‑ них и вечерних пиков. Кроме того, они зависят от дня недели и време‑ ни года. Для того чтобы учесть в расчетах эту неравномерность, с помощью методов моделирования для каж‑ дого времени года определяют ти‑ пичное среднее значение суточного
К, % 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0
T1
T2
T3
T4
t
Рис. 2. Полученные на модели значения доли полезно используемой энергии торможения К. Обозначение остальных позиций, как на рис. 1
энергопотребления в обычный день и в выходной (рис. 1). При этом учитывается общий суточный гра‑ фик движения, включая техниче‑ ские поездки. С помощью этих типичных су‑ точных значений можно с доста‑ точной точностью определить годо‑ вой расход энергии для выбранно‑ го сценария эксплуатации. В начале исследований проводят указанное моделирование сети до реализа‑ ции каких‑либо мероприятий (ис‑ ходной ситуации). Его результа‑ ты в дальнейшем используют для сравнения с данными реальной си‑ туации при разных эксплуатацион‑ ных сценариях. Это сравнение по‑ зволяет соответствующим образом менять значения элементов моде‑ ли с целью получения оптимально‑ го результата. Наиболее значимой неизвестной величиной при моделировании яв‑ ляется среднее значение энергии, затрачиваемой на охлаждение и отопление пассажирских салонов. Моделирование исходной ситуа‑ ции позволяет с достаточной точ‑ ностью определить реальную сте‑ пень использования энергии тор‑ можения (рис. 2). В приведенном примере потен‑ циал экономии невелик, и поэто‑ му исследование можно было бы завершить. Однако в случае зна‑ чительного потенциала проводят дальнейшее моделирование с целью
поиска возможностей лучшего ис‑ пользования тормозной энергии. Получаемые результаты позволя‑ ют дать количественную оценку эффективности предлагаемых ме‑ роприятий и вместе с тем рассчи‑ тать параметры устройств, необхо‑ димых для повышения степени ис‑ пользования тормозной энергии, или определить оптимальное раз‑ мещение стационарных установок.
Возможные технические решения В любой системе тягового элек‑ троснабжения возможны разные пути экономии энергии. Наиболь‑ ший интерес представляют следую‑ щие мероприятия, позволяющие в большей степени полезно исполь‑ зовать энергию торможения: • установка на тяговом подвиж‑ ном составе накопителей энергии торможения, которая используется при разгоне. Для их изготовления используют двухслойные конденса‑ торы, получившие название супер‑ конденсаторов, в сочетании с акку‑ муляторами, позволяющими более длительное хранение накопленной энергии; • устройство стационарных на‑ копителей энергии, которые обыч‑ но монтируют в помещениях тя‑ говых выпрямительных подстан‑ ций. В этих накопителях может быть использована одна из двух
ЖЕЛЕЗНЫЕ ДОРОГИ МИРА — 2014, № 11 75
Энергосбережение
технологий накопления — обыч‑ ные электрические аккумуляторы или вращающиеся маховики; • использование инверторов, ко‑ торые подключаются на тяговых подстанциях параллельно выпря‑ мителям. Такая схема позволяет возвращать в сеть первичного элек‑ троснабжения переменного тока энергию торможения. В таблице дано сравнение всех трех систем, приведены наиболее важные с точки зрения полезного использования тормозной энергии преимущества и недостатки. На выбор и реализацию меро‑ приятий по повышению степени
использования энергии торможения в большой степени влияют местные условия. Так, стационарные накопи‑ тели и инверторы характеризуются относительно небольшой примени‑ мостью, обусловленной простран‑ ственным фактором. Хотя в круп‑ ных тяговых сетях бесполезно тра‑ тится большое количество тормоз‑ ной энергии, тем не менее полностью использовать ее достаточно сложно, так как она вырабатывается в точках, находящихся друг от друга на боль‑ шом удалении. Для более эффектив‑ ного использования этой энергии не‑ обходимо строительство дополни‑ тельных стационарных пунктов.
Возможные технические решения в рамках мероприятий по улучшению использования энергии торможения
Техническое решение
Возможные преимущества
Энергия накаплива‑ Накопитель, установ‑ ленный на тяговом по‑ ется и используется на самом поезде (ло‑ движном составе комотиве), поэтому отсутствуют потери при передаче
Возможные недостатки Повышенный расход энергии, так как накопитель, имеющий значи‑ тельную массу, нужно перевозить
В зависимости от ис‑ Оснащение существующего подвиж‑ полнения поезд мо‑ ного состава накопителями теоре‑ жет некоторое время тически возможно, но требует зна‑ чительных затрат самостоятельно дви‑ гаться по участку без Каждая единица подвижного соста‑ контактной сети ва должна быть оборудована от‑ дельным накопителем Стационарный нако‑ питель энергии
Инвертор
Может эксплуатиро‑ ваться в сети как ав‑ тономная единица, по возможности уста‑ навливаемая в поме‑ щении выпрямитель‑ ной подстанции
Количество накапливаемой энергии ограниченно
Вся неиспользован‑ ная энергия тормо‑ жения, за исключени‑ ем потерь на ее пере‑ дачу, может быть возвращена в первич‑ ную сеть перемен ного тока
Стоимость возвращаемой в сеть энергии не всегда ниже, чем потреб‑ ляемой из сети
Значительные собственные потери, особенно в накопителях с вращаю‑ щимся маховиком Относительно короткий срок служ‑ бы, особенно в варианте с аккуму‑ ляторными батареями
Во избежание возникновения урав‑ нительных токов требуется сложная система регулирования, реализуе‑ мая, например, с помощью IGBT-технологий Дооборудование существующих установок часто довольно дорогое, особенно если требуется замена трансформатора
На рис. 3 и 4 показаны резуль‑ таты моделирования тяговой систе‑ мы, позволившие оценить степень загруженности соответственно пе‑ редвижной и стационарной накопи‑ тельных установок. Исследования, проведенные методом моделирования компани‑ ей ENOTRAC для разных тяговых систем постоянного тока, показали, что достаточно часто определен‑ ное количество тормозной энер‑ гии теряется, т. е. с экологической и экономической точек зрения об‑ разуется определенный потенци‑ ал использования энергии. Целе‑ сообразен ли тот или иной вид ме‑ роприятий для повышения степени использования энергии торможе‑ ния и отвечает ли он поставленным экономическим требованиям — за‑ висит от разных условий. Решаю‑ щими факторами в этом выборе яв‑ ляются стоимость сэкономленной энергии и объем инвестиций, необ‑ ходимых для реализации выбран‑ ного мероприятия. Выбранное мероприятие можно считать экономически целесооб‑ разным, если с его помощью удает‑ ся освоить значительную часть не‑ используемой энергии. В качестве примера рассмотрены ситуации для тяговых систем трамвая, городской железной дороги (S-Bahn) и метро‑ политена. Так, для системы трам‑ вая при торможении состава массой 50 т со скорости 40 км/ч до полной остановки гасится кинетическая энергия, равная 0,85 кВт·ч. Если тормозит со скорости 100 км/ч по‑ езд городской железной дороги или метрополитена массой 100 т, то вы‑ деляющаяся кинетическая энергия равна 6,8 кВт·ч. Естественно, полез‑ но может быть использована лишь часть этой энергии, если к тому же учесть неизбежные потери в меди и железе. Расчеты на модели одного из вариантов мероприятий показа‑ ли, что ежегодно по всей системе ве‑ личина неиспользованной тормоз‑ ной энергии составляет 330 МВт·ч, т. е. ежесуточно 900 кВт·ч. Если
76 ЖЕЛЕЗНЫЕ ДОРОГИ МИРА — 2014, № 11
Энергосбережение
сравнить последнюю цифру с вели‑ чиной 0,85 кВт·ч, полученной для трамвая, то можно увидеть, что та‑ ких торможений в масштабе рас‑ сматриваемой системы должно быть произведено за день больше тысячи, чтобы величина выделен‑ ной энергии достигла 900 кВт·ч. На количество выделяемой ки‑ нетической энергии влияют сле‑ дующие три фактора: • к инетическая энергия. По‑ скольку кинетическая энергия про‑ порциональна квадрату скорости, ее величина, высвобождающаяся при торможении, будет тем боль‑ ше, чем выше скорость в начале торможения; • межпоездной интервал по вре‑ мени/плотность графика. Чем длиннее пауза между поездами, тем меньше вероятность потребле‑ ния выделившейся при торможении энергии другим поездом, т. е. увели‑ чивается доля неиспользованной энергии торможения; • характеристики пути. Сети или линии с большими перепадами вы‑ сот в продольном профиле обла‑ дают большим запасом потенци‑ альной энергии. Наиболее эффек‑ тивное ее использование было бы возможно в том случае, если одно‑ временно с тормозящим на укло‑ не поездом на этом же отрезке пути шел на подъем другой поезд. В системе трамвая параметры «скорость» и «интервал попутного следования поездов» являются ско‑ рее негативными в отношении по‑ тенциала неиспользованной энер‑ гии. Вагоны трамвая обращаются сравнительно с небольшой скоро‑ стью и чаще всего с короткими ин‑ тервалами. Крутые уклоны в горо‑ де также встречаются относительно редко. Тем не менее нельзя катего‑ рически утверждать, что в трамвай‑ ных тяговых сетях энергия тормо‑ жения полностью используется. И наоборот, если речь идет о город‑ ской железной дороге или метро‑ политене, не следует автоматиче‑ ски делать вывод, что благодаря
E, МВт·ч 2 1,75 1,5 1,25 1 0,75 0,5 0,25 0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
l, км
Рис. 3. Степень загруженности накопительной установки, смонтированной на подвижном составе, в функции межпоездных интервалов: Е — накопленная энергия; l — расстояние между поездами попутного следования
E, МВт·ч 6
5,5 5 4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1 17:00 17:10 17:20 17:30 17:40 17:50 18:00 18:10 18:20 18:30 18:40 t
Рис. 4. Степень загруженности стационарной накопительной установки: Е — накопленная энергия в течение двухчасовой поездки поезда городской железной дороги; t — время хода
высокой скорости движения поез‑ дов выделяется достаточно энер‑ гии торможения, чтобы реализо‑ вать мероприятия по увеличению степени ее использования. Результаты моделирования по‑ казывают, что в трамвайной сети средней мощности при относитель‑ но большом числе поездок в день тем не менее не используется до‑ вольно большое количество тор‑ мозной энергии. С экологической точки зрения здесь целесообразно реализовать мероприятия по по‑ вышению степени использования
энергии торможения. В конкретных же случаях реальное количество не‑ использованной энергии оказыва‑ лось слишком небольшим, чтобы указанные мероприятия можно бы‑ ло признать рентабельными. Система метрополитена харак‑ теризуется короткими межпоезд‑ ными интервалами (в диапазоне нескольких минут) и относительно высокой скоростью движения поез‑ дов, например 80 км/ч. Хотя за счет более высокой скорости здесь выде‑ ляется существенно больше тормоз‑ ной энергии, чем в системе трамвая,
ЖЕЛЕЗНЫЕ ДОРОГИ МИРА — 2014, № 11 77
Энергосбережение
тем не менее при такой же частоте движения поездов, как в системе трамвая, тормозная энергия интен‑ сивно потребляется другими поез‑ дами. Таким образом, нельзя при‑ знать состоятельным утверждение о том, что в системе метрополите‑ на потенциал неиспользуемой энер‑ гии торможения выше, чем в систе‑ ме трамвая. На городских железных доро‑ гах межпоездные интервалы неве‑ лики, но все же лежат в диапазоне 15 – 30 мин, т. е. значительно боль‑ ше, чем у трамвая и метрополите‑ на. В сетях S-Bahn, линии которых проходят в черте города и особен‑ но по его центральной части, не‑ редко по некоторым участкам кур‑ сируют поезда разных линий. При этом, естественно, межпоездной ин‑ тервал сокращается и потребление энергии, генерируемой при тормо‑ жении поездами, идущими с высо‑ кой скоростью, становится более интенсивным. С точки зрения экологии реали‑ зация мероприятий по повышению степени использования тормоз‑ ной энергии в сетях метрополи‑ тена и городской железной доро‑ ги была бы в большинстве случа‑ ев целесообразной. Как показали исследования в тяговых сетях по‑ стоянного тока городских желез‑ ных дорог, количество неисполь‑ зуемой энергии торможения вряд ли было бы достаточным, чтобы оправдать расходы на реализа‑ цию мероприятий по увеличению ее потребления при тактовом ин‑ тервале 30 мин. Дальнейшее моде‑ лирование позволило сделать вы‑ вод о том, что при планируемом переходе на график с тактовым
интервалом 15 мин такие меро‑ приятия будут целесообразны. Учитывая результаты этих ис‑ следований, специалисты пришли к выводу, что ситуация в тяговой сети, при которой большое коли‑ чество энергии торможения не ис‑ пользуется, с экологической точки зрения нежелательна, но благопри‑ ятна для реализации улучшающих потребление мероприятий. Такая ситуация создается при следующих эксплуатационных условиях: • скорость движения поездов как можно более высокая; • м ежпоездные интервалы не слишком короткие, иначе вся энер‑ гия торможения будет потреблять‑ ся другими поездами; • м ежпоездные интервалы не слишком длинные, иначе число тор‑ можений будет небольшим; • продольный профиль пути име‑ ет значительные перепады высот.
Заключение и выводы Опыт эксплуатации показыва‑ ет, что экологический и экономи‑ ческий эффекты потребления тор‑ мозной энергии зависят от ряда условий и факторов. Математиче‑ ское моделирование тяговой си‑ стемы постоянного тока позволило определить возможный потенциал экономии энергии и выбрать необ‑ ходимые мероприятия, учитываю‑ щие все указанные условия и фак‑ торы с целью достижения наиболь‑ шей энергоэффективности в рабо‑ те системы. Энергетический рынок, а так‑ же рынок технологий накопления и преобразования энергии предлага‑ ет большое разнообразие решений.
Многие компании-изготовители разрабатывают инверторные систе‑ мы, построенные на самой совре‑ менной элементной базе и демон‑ стрирующие значительно более вы‑ сокую энергоэффективность, чем прежние тиристорные инверторы, а также более дешевые в производстве. Какое техническое решение вы‑ брать в каждом конкретном случае, зависит от местных специфических условий тяговой энергосистемы, а также от размеров и особенностей движения поездов. Так, если стои‑ мость энергии, потребляемой из се‑ ти, значительно выше рекупериро‑ ванной, то здесь наилучшим реше‑ нием будет установка инверторов на тяговых выпрямительных под‑ станциях. Однако следует иметь в виду, что использование в одной се‑ ти нескольких инверторных систем требует соответствующей осторож‑ ности. При отсутствии центрально‑ го управления и регулирования в сети могут возникнуть уравнитель‑ ные токи, в результате чего потери могут превысить выигрыш от ис‑ пользования энергии рекуперации. Стационарные накопители мо‑ гут использоваться для поддержа‑ ния уровня напряжения в сети. В этом случае одну и ту же накопи‑ тельную систему не следует одно‑ временно использовать и для под‑ питки других поездов с целью эко‑ номии энергии. Инверторы и ста‑ ционарные накопители имеют собственные потери мощности, по‑ этому их следует отключать на вре‑ мя ночных пауз в движении поездов. S. Nydegger. Elektrische Bahnen, 2012, № 8/9, S. 462 – 467; материалы компании ENOTRAC (www.enotrac.com).
78 ЖЕЛЕЗНЫЕ ДОРОГИ МИРА — 2014, № 11