mirtrМир транспортаWorld of Transport and Transportation1992-3252Russian University of Transport (RUT)10.30932/1992-3252-2023-21-2-1mirtr-2452Research ArticleНАУКА И ТЕХНИКАSCIENCE AND ENGINEERINGМоделирование кратковременных режимов работы тяговых накопителей электроэнергииSimulation of Short-Term Modes of Operation of Traction Power Storage DevicesНезевакВ. Л.NezevakV. L.

Незевак Владислав Леонидович – кандидат технических наук, доцент кафедры электроснабжения железнодорожного транспорта 

Омск

Nezevak, Vladislav L., Ph.D. (Eng), Associate Professor at the Department of Railway Power Supply

Omsk

NezevakWL@mail.ruДмитриевА. Д.DmitrievA. D.

Дмитриев Александр Дмитриевич  – аспирант кафедры электроснабжения железнодорожного транспорта

Омск

Dmitriev, Alexander D., Ph.D. student at the Department of Railway Power Supply

Omsk

alexandrorado@mail.ruСамолиновС. С.SamolinovS. S.

Самолинов Святослав Сергеевич – аспирант кафедры электроснабжения железнодорожного транспорта

Омск 

Samolinov, Svyatoslav S., Ph.D. student at the Department of Railway Power Supply

Omsk

samolinov97@mail.ruОмский государственный университет путей сообщенияРоссияOmsk State Transport UniversityRussian Federation202305112023212617Copyright © Незевак В.Л., Дмитриев А.Д., Самолинов С.С., 20232023Незевак В.Л., Дмитриев А.Д., Самолинов С.С.Nezevak V.L., Dmitriev A.D., Samolinov S.S.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://mirtr.elpub.ru/jour/article/view/2452

Концепция построения системы тягового электроснабжения с накопителями электроэнергии предусматривает их применение для решения задач повышения пропускной и провозной способности, энергетической эффективности перевозок, надёжности электроснабжения и качества электрической энергии. Реализация пилотных проектов по решению различных задач в области тягового электроснабжения как в России, так и за рубежом, показывает их техническую эффективность.Повышение надёжности электроснабжения за счёт применения устройств накопления сегодня рассматривается в основном для вариантов их использования в качестве бортовых устройств на электроподвижном составе или стационарных – на объектах системы тягового электроснабжения. Повышение надёжности электроснабжения достигается за счёт работы систем накопления при возникновении вынужденных или послеаварийных режимов работы систем тягового электроснабжения. При решении указанной задачи требуется оценивать уровень напряжения, изменение которого обусловлено разрядной характеристикой используемого накопителя электроэнергии.Целью работы является оценка изменения уровня напряжения и энергоёмкости накопителя электроэнергии, используемого в качестве бортового на электроподвижном составе или стационарного на объектах. На основе предложенных моделей в работе проведена оценка изменения напряжения накопителя электроэнергии для условий кратковременного отсутствия напряжения в контактной сети на примере трёх видов аккумуляторов и суперконденсатора. Полученные в работе результаты позволяют перейти к оценке показателей работы систем накопления электроэнергии при различных условиях формирования тяговой нагрузки и режимах работы системы тягового электроснабжения.

The concept of building a traction power supply system with power storage devices provides for their operation to solve the following problems: increasing the transit and carrying capacity, energy efficiency of transportation, reliability of power supply and quality of electric energy. The implementation of pilot projects to solve various problems in the field of traction power supply both in Russia and abroad shows their technical effectiveness.Improving reliability of power supply with the help of storage devices today is considered mainly for options for their use as on-board devices on electric rolling stock or as stationary devices at traction power supply system facilities. Increasing reliability of power supply is achieved through operation of energy storage systems in case of forced or post-emergency modes of operation of traction power supply systems. When solving this problem, it is required to evaluate the voltage level, the change of which is due to the discharge characteristic of the used energy storage device.The objective of the work is to assess the change in the voltage level and energy intensity of the energy storage device used on-board electric rolling stock or as stationary one at traction power supply facilities.Based on the proposed models, the paper assesses the change in the voltage of the energy storage device for the conditions of a short-term absence of voltage in the catenary system using the example of three types of batteries and a supercapacitor. The results obtained in the work allow proceeding to assessment of the performance of electric energy storage systems under various conditions of development of traction load and for different operating modes of the traction power supply system.

железные дорогисистема тягового электроснабженияэлектроподвижной составимитационная модельпрограммный комплекс Matlabаккумуляторная батареясуперконденсаторуровень напряженияэнергоёмкостьrailwaystraction power supply systemelectric rolling stocksimulation modelMatlab software packagestorage batterysupercapacitorvoltage levelenergy intensityИсследование выполнено за счёт гранта Российского научного фонда № 22–29–00002, https://rscf.ru/ project/22–29–00002.The study was supported by the Russian Science Foundation grant No. 22–29–00002, https://rscf.ru/ project/22-29-00002/.ReferencesJiaxin Yuan, Ke Cheng, Kai Qu. Optimal dispatching of high-speed railway power system based on hybrid energy storage system. Energy Reports, 2022, Vol. 8, Supplement 13, pp. 433–442. DOI: 10.1016/j.egyr.2022.08.039.Jiaxin Yuan, Ke Cheng, Kai Qu. Optimal dispatching of high-speed railway power system based on hybrid energy storage system. Energy Reports, 2022, Vol. 8, Supplement 13, pp. 433–442. DOI: 10.1016/j.egyr.2022.08.039.Vilberger, M., Arestova, A., Matrenin, P., Domakhin, E. Analysis of rectification techniques and autonomous hybrid power plants potential for railway power supply systems. Energy Reports, 2022, Vol. 8, Supplement 13, pp. 957–966. DOI: 10.1016/j.egyr.2022.08.046.Vilberger, M., Arestova, A., Matrenin, P., Domakhin, E. Analysis of rectification techniques and autonomous hybrid power plants potential for railway power supply systems. Energy Reports, 2022, Vol. 8, Supplement 13, pp. 957–966. DOI: 10.1016/j.egyr.2022.08.046.Tretyakov, E., Istomin, S., Avdienko, E., Denisov, I. Development of the system of coordinated control of traction power supply equipment and electric rolling stock. Transportation Research Procedia, 2022, Vol. 63, pp. 1970–1978. DOI:10.1016/j.trpro.2022.06.218.Tretyakov, E., Istomin, S., Avdienko, E., Denisov, I. Development of the system of coordinated control of traction power supply equipment and electric rolling stock. Transportation Research Procedia, 2022, Vol. 63. pp. 1970–1978. DOI: 10.1016/j.trpro.2022.06.218.Alnuman, H. H., Gladwin, D. T., Foster, M. P., Ahmed, E. M. Enhancing energy management of a stationary energy storage system in a DC electric railway using fuzzy logic control. International Journal of Electrical Power & Energy Systems, 2022, Vol. 142, Part B, 108345. DOI: 10.1016/j.ijepes.2022.108345.Alnuman, H. H., Gladwin, D. T., Foster, M. P., Ahmed, E.M. Enhancing energy management of a stationary energy storage system in a DC electric railway using fuzzy logic control. International Journal of Electrical Power & Energy Systems, 2022, Vol. 142, Part B, 108345. DOI: 10.1016/j.ijepes.2022.108345.Zhiming Zhong, Yongxin Zhang, Hong Shen, Xingmei Li. Optimal planning of distributed photovoltaic generation for the traction power supply system of high-speed railway. Journal of Cleaner Production, 2020, Vol. 263, 121394. DOI: 10.1016/j.jclepro.2020.121394.Zhiming Zhong, Yongxin Zhang, Hong Shen, Xingmei Li. Optimal planning of distributed photovoltaic generation for the traction power supply system of high-speed railway. Journal of Cleaner Production, 2020, Vol. 263, 121394. DOI: 10.1016/j.jclepro.2020.121394.Shanpeng Zhao, Qiang Feng, Hongwei Yang, Youpeng Zhang. Control strategy of hybrid energy storage in regenerative braking energy of high-speed railway. Energy Reports, 2022, Vol. 8, Supplement 1, pp. 1330–1338. DOI: https://doi.org/10.1016/j.egyr.2021.11.230.Shanpeng Zhao, Qiang Feng, Hongwei Yang, Youpeng Zhang. Control strategy of hybrid energy storage in regenerative braking energy of high-speed railway. Energy Reports, 2022, Vol. 8, Supplement 1, pp. 1330–1338. DOI: https://doi.org/10.1016/j.egyr.2021.11.230.Незевак В.Л. Сравнение вариантов применения накопителей электроэнергии в системе тягового электроснабжения и на электроподвижном составе // Транспорт: наука, техника, управление. Научный информационный сборник. – 2020. – № 9. – С.17–23. DOI: 10.36535/023619142020094.Nezevak, V.L. Comparison of options for the use of energy storage devices in the traction power supply system and on electric rolling stock [Sravnenie variantov primeneniya nakopitelei elektroenergii v sisteme tyagovogo elektrosnabzheniya i na elektropodvizhnom sostave]. Transport: nauka, tekhnika, upravlenie. Scientific information collection, 2020, Iss. 9, pp.17–23. DOI: 10.36535/023619142020094.Закарюкин В. П., Крюков А. В., Асташин С.М. Управление режимами систем тягового электроснабжения: монография. – Иркутск: Иркутский государственный университет путей сообщения, 2009. – 104 с. ISBN 978-5-98710-103-2.Zakaryukin, V. P., Kryukov, A. V., Astashin, S. M. Control of modes of traction power supply systems: Monograph [Upravlenie rezhimami sistem tyagovogo elektrosnabzheniya: monografiya]. Irkutsk, Irkutsk State Transport University, 2009, 104 p. ISBN 978-5-98710-103-2.Марский В.Е. Режимы работы системы тягового электроснабжения на линии Санкт-Петербург– Москва при пропуске сдвоенных поездов «Сапсан» // Железнодорожный транспорт на современном этапе: 70 лет аспирантуре ОАО «ВНИИЖТ»: сб. трудов ученых ОАО «ВНИИЖТ». – М.: ВМГ-Принт, 2014. – С. 111–120.Marsky, V.E. Modes of operation of the traction power supply system on St. Petersburg–Moscow line during transit of double Sapsan trains [Rezhimy raboty sistemy tyagovogo elektrosnabzheniya na linii Sankt-Peterburg – Moskva pri propuske sdvoennykh poezdov «Sapsan»]. Railway transport at the present stage: 70 years of Ph.D. studies at JSC VNIIZhT: collection of works of scientists of JSC «VNIIZhT». Moscow, VMG-Print publ., 2014, pp. 111–120.Бадер М. П., Гречишников В. А., Шевлюгин М. В., Король Ю. Н. Анализ показателей работы силового оборудования системы тягового электроснабжения ОАО «РЖД» на основе мониторинга тяговых подстанций в режиме реального времени // Электроника и электрооборудование транспорта. – 2011. – № 5–6.– С.5–8.Bader, M. P., Gretchishnikov, V. A., Shevlyugin, M. V., Korol, Yu. N. Performance analysis of power system equipment of power supply system of traction of JSC Russian Railways, based on monitoring of traction substations in real time. Elektronika i elektrooborudovanie transporta, 2011, Iss. 5–6, pp. 5–8.Черемисин В. Т., Каштанов А. Л., Незевак В.Л. Организация контроля предельных режимов работы тяговой сети в условиях скоростного и тяжеловесного движения // Известия Транссиба. – 2017. – № 1 (29). – С.83–90.Cheremisin, V. T., Kashtanov, A. L., Nezevak, V.L. Organisation of control of limit operation mode of the traction network in the speed and heavy movement. Izvestiya Transsiba, 2017, Iss. 1 (29), pp. 83–90.Герман Л. А., Новиков Е. В., Фомина З. А., Ручкина Л.Г. Обоснование необходимости применения быстродействующего АПВ фидеров контактной сети переменного тока // Наука и техника транспорта. – 2015. – № 1.– С.105–108. [Электронный ресурс]: https://elibrary.ru/item.asp?id=23146329. Доступ 16.04.2023.German, L. A., Novikov, E. V., Fomina, Z. A., Ruchkina, L. G. Justification of the need to use high-speed automatic reclosure of feeders of the catenary system of alternating current [Obosnovanie neobkhodimosti primeneniya bystrodeistvuyushchego APV fiderov kontaktnoi seti peremennogo toka]. Nauka i tekhnika transporta, 2015, Iss. 1, pp. 105–108. [Electronic resource]: https://elibrary.ru/item.asp?id=23146329. Last accessed 16.04.2023.Shiraishi, S. Electric Double Layer Capacitors. In: Carbon Alloys. Novel Concepts to Develop Carbon Science and Technology, 2003, pp. 447–457. DOI: 10.1016/b978-008044163-4/50027-9 [ограниченный доступ].Shiraishi, S. Electric Double Layer Capacitors. In: Carbon Alloys. Novel Concepts to Develop Carbon Science and Technology, 2003, pp. 447–457. DOI: 10.1016/b978-008044163-4/50027-9 [limited access].Dongen, van, L. A. M., Graaf, van der, R., Visscher, W. H. M. Theoretical prediction of electric vehicle energy consumption and battery state-of-charge during arbitrary driving cycles. In: Andrews, L. (Ed.), EVC symposium VI proceedings: Baltimore, Maryland, October 21–23, 1981, Electric Vehicle Council, pp. 1–13. [Электронный ресурс]: https://pure.tue.nl/ws/files/4381208/604417.pdf. Доступ 16.04.2023.Dongen, van, L. A. M., Graaf, van der, R., Visscher, W. H. M. Theoretical prediction of electric vehicle energy consumption and battery state-of-charge during arbitrary driving cycles. In: Andrews, L. (Ed.), EVC symposium VI proceedings: Baltimore, Maryland, October 21–23, 1981, Electric Vehicle Council, pp. 1–13. [Electronic resource]: https://pure.tue.nl/ws/files/4381208/604417.pdf. Last accessed 16.04.2023.Shepherd, C.M. Design of Primary and Secondary Cells: II. An Equation Describing Battery Discharge. Journal of Electrochemical Society, 1965, Vol. 112, No. 7, pp. 657–664. DOI 10.1149/1.2423659.Shepherd, C.M. Design of Primary and Secondary Cells: II. An Equation Describing Battery Discharge. Journal of Electrochemical Society, 1965, Vol. 112, No. 7, pp. 657–664. DOI 10.1149/1.2423659.Stern, O. Zur Theorie der Elektrolytischen Doppelschicht. Zeitschrift für Elektrochemie und angewandte physikalische Chemie, 1924, Vol. 30, Iss. 21–22, pp. 508–516. DOI: https://doi.org/10.1002/bbpc.192400182 [ограниченный доступ].Stern, O. Zur Theorie der Elektrolytischen Doppelschicht. Zeitschrift für Elektrochemie und angewandte physikalische Chemie, 1924, Vol. 30, Iss. 21–22, pp. 508–516. DOI: https://doi.org/10.1002/bbpc.192400182 [limited access].Незевак В. Л. Условия работы системы накопления электроэнергии в тяговом электроснабжении постоянного тока однопутных участков железных дорог // Вестник Научно-исследовательского института железнодорожного транспорта. – 2021. – Т.80. – № 4. – С.216–224. DOI: 10.21780/2223-9731-2021-80-4-216-224.Nezevak, V.L. Operating conditions of electric energy storage system in DC traction power supply for single-track sections of railways. Russian Railway Science Journal, 2021, Vol. 80, Iss. 4, pp. 216–224. DOI: 10.21780/2223-9731-2021-80-4-216-224.Nezevak, V. L., Cheremisin, V. T. Determination of Electric Energy Storage Units Parameters of Direct Current Traction Power Supply in Conditions of Goods Traffic Dominance. International Multi-Conference on Industrial Engineering and Modern Technologies (FarEastCon), 2020. DOI: https://doi.org/10.1109/fareastcon50210.2020.9271611.Nezevak, V. L., Cheremisin, V.T. Determination of Electric Energy Storage Units Parameters of Direct Current Traction Power Supply in Conditions of Goods Traffic Dominance. International Multi-Conference on Industrial Engineering and Modern Technologies (FarEastCon), 2020. DOI: https://doi.org/10.1109/fareastcon50210.2020.9271611.Незевак В. Л. О сравнении энергетических параметров систем накопления электроэнергии для систем тягового электроснабжения постоянного и переменного тока // Вестник Научно-исследовательского института железнодорожного транспорта. – 2022. – Т.81. – № 1.– С.38–52. DOI: 10.21780/2223-9731-2022-81-1-38-52.Nezevak, V.L. Comparison of energy parameters of electric storage systems for DC and AC traction power supply systems. Russian Railway Science Journal, 2022, Vol. 81, Iss. 1, pp. 38–52. DOI 10.21780/2223-9731-2022-81-1-38-52.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.