Повышение эффективности рекуперации путём применения систем накопления электроэнергии для собственных нужд тяговых подстанций

Применение рекуперативного торможения электроподвижным составом на железных дорогах постоянного тока позволяет повысить энергетическую эффективность перевозочного процесса. Эффективное применение рекуперативного торможения связано с созданием условий приёма получаемой в результате энергии. В этих целях в системе тягового электроснабжения в настоящее время применяются выпрямительно-инверторные преобразователи и поглощающие устройства.
Перспективной технологией, обеспечивающей повышение эффективности применения рекуперативного торможения, является хранение энергии, позволяющее использовать эту энергию в дальнейшем для покрытия графика тяговой нагрузки. Особенностью применения рекуперативного торможения на однопутных участках железных дорог постоянного тока с малой интенсивностью движения является необходимость применения преобразователей или поглощающих устройств. Одним из вариантов повышения эффективности использования энергии рекуперации является использование систем накопления электроэнергии для потребителей собственных нужд тяговых подстанций. Применение указанного технического решения целесообразно на однопутных участках с интенсивным применением рекуперативного торможения, эффективность которого связана со снижением электропотребления потребителями собственных нужд из внешней сети.
Выполненные зарубежные исследования позволяют обозначить тенденцию распространения технологии хранения электроэнергии в различных областях – от возобновляемых источников до электроэнергетических систем, в том числе систем электроснабжения транспорта. Международный опыт показывает успешность реализации пилотных проектов по внедрению систем накопления электроэнергии при решении задач повышения эффективности электрического городского и пригородного транспорта, а также метрополитена.
Целью работы является оценка энергетических показателей работы систем накопления электроэнергии при использовании энергии рекуперации для потребителей собственных нужд тяговой подстанции. В исследовании использованы методы математического и имитационного моделирования, оптимизации и математической статистики.
Рассмотрены вопросы применения систем накопления электроэнергии для обеспечения электроснабжения собственных нужд тяговых подстанций постоянного тока. На примере одной из подстанций рассмотрены основные вопросы функционирования систем накопления. Показаны особенности графика нагрузки рекуперации, которые обусловливают применение гибридных технологий для построения системы накопления. На примере рассматриваемой тяговой подстанции приведено решение задачи определения основных параметров системы накопления с учётом специфики работы электрохимических и электрических модулей.

1. Rahman, F., Rehman, S., Abdul-Majeed, M. A. Overview of energy storage systems for storing electricity from renewable energy sources in Saudi Arabia. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2012, Vol. 16 (1), pp. 274–283. DOI: 10.1016/j.rser.2011.07.153.

2. Beaudin, M., Zareipour, H., Schellenberglabe, A., Rosehart, W. Energy storage for mitigating the variability of renewable electricity sources: An updated review. Energy for Sustainable Development, 2010, Vol. 14 (4), pp. 302–314. DOI: 10.1016/j.esd.2010.09.007.

3. Qinglong, Meng; Yang, Li; Xiaoxiao, Ren; Chengyan, Xiong; Wenqiang, Wang; Jiewei, You. A demand-response method to balance electric power-grids via HVAC systems using active energy-storage: Simulation and on-site experiment. Energy Reports, 2021, Vol. 7, pp. 762–777. DOI: doi.org/10.1016/j.egyr.2021.01.083.

4. Jiang, Shaohan; Li, Yongping; Suo, Cai. IFQP-EPS: Analyzing effects of queuing and storage issues on electric power systems under dual uncertainties. Resources, Conservation and Recycling, 2019, Vol. 145, pp. 241–260. DOI: 10.1016/j.resconrec.2019.02.023.

5. Oldenbroek, V., Verhoef, L. A., van Wijk, A. J. M. Fuel cell electric vehicle as a power plant: Fully renewable integrated transport and energy system design and analysis for smart city areas. International Journal of Hydrogen Energy, 2017, Vol. 42 (12), pp. 8166–8196. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2017.01.155.

6. Calise, F., Cappiello, F. L., Cartenì, A., Dentice d’Accadia, M., Vicidomini, M. A novel paradigm for a sustainable mobility based on electric vehicles, photovoltaic panels and electric energy storage systems: Case studies for Naples and Salerno (Italy). Renewable and Sustainable Energy Reviews, 2019, pp. 111, 97–114. DOI: 10.1016/j.rser.2019.05.022.

7. Fletcher, D. I., Harrison, R. F., Nallaperuma, S. TransEnergy – a tool for energy storage optimization, peak power and energy consumption reduction in DC electric railway systems. Journal of Energy Storage, 2020, Vol. 30, 101425. DOI: 10.1016/j.est.2020.101425.

8. Ebadi, R., Yazdankhah, A. S., Mohammadi-Ivatloo, B., Kazemzadeh, R. Coordinated power and train transportation system with transportable battery-based energy storage and demand response: A multi-objective stochastic approach. Journal of Cleaner Production, 2020, 123923. DOI: 10.1016/j.jclepro.2020.123923.

9. Rebrov I., Kotelnikov A., Ermolenko D., Shevlyugin M. Electric power accumulators in system of supplying railways with traction energy by direct current 2018, TS 2018, MATEC Web of Conferences, 2018, pp. 01057.

10. Буйносов А. П., Дурандин М. Г., Тутынин О. И. Перспективы использования накопителей электрической энергии на моторвагонном подвижном составе // Вестник Уральского государственного университета путей сообщения. – 2020. – № 4 (48). – С. 35–45. [Электронный ресурс]: https://elibrary.ru/item.asp?id=44543617. Доступ 27.04.2021.

11. Валинский О. С., Евстафьев А. М., Никитин В. В. Эффективность процессов энергообмена в тяговых электроприводах с бортовыми ёмкостными накопителями энергии // Электротехника. – 2018. – № 10. – С. 10–14. [Электронный ресурс]: https://elibrary.ru/item.asp?id=35671043. Доступ 27.04.2021.

12. Черемисин В. Т., Кондратьев Ю. В., Привалов С. Я. и др. Анализ возможности применения сальдированного учёта электроэнергии на тягу поездов // Известия ПГУПС. – 2008. – № 8. – С. 219–232. [Электронный ресурс]: https://elibrary.ru/item.asp?id=11913819. Доступ 27.04.2021.

13. Незевак В. Л., Самолинов С. С., Хусаинов Е. К. Оценка эффективности применения систем накопления электроэнергии для обеспечения собственных нужд тяговых подстанций постоянного тока // Материалы IV международной научно-практической конференции в рамках Научно-образовательного форума. – Омск. – 2020. – С.49–56. [Электронный ресурс]: https://elibrary.ru/item.asp?id=45736176. Доступ 27.04.2021.

14. Незевак В. Л. Влияние пороговых напряжений системы накопления электроэнергии на энергетические показатели тягового электроснабжения // Вестник транспорта Поволжья. – 2020. – № 4 (82). – С.28–37. [Электронный ресурс]: https://elibrary.ru/item.asp?id=44249610.Доступ 27.04.2021.

15. Незевак В. Л. Определение мощности и энергоёмкости систем накопления электроэнергии для улучшения эксплуатационных показателей тягового электроснабжения // Известия Транссиба. – 2020. – № 2 (42). – С.9–25. [Электронный ресурс]: https://cyberleninka.ru/article/n/opredelenie-moschnosti-i-energoemkosti-sistem-nakopleniya-elektroenergii-dlya-uluchsheniya-kspluatatsionnyhpokazateley-tyagovogo/pdf. Доступ 27.04.2021.

16. Шевлюгин М. В., Голицына А. Е., Белов М. Н. и др. Повышение надежности электроснабжения собственных нужд тяговых подстанций метрополитена с помощью накопителей энергии // Электротехника. – 2020. – № 9. – С.26–31. [Электронный ресурс]: https://elibrary.ru/item.asp?id=44000555. Доступ 27.04.2021.

17. Незевак В. Л., Шатохин А. П. Характеристика тяговой нагрузки для определения параметров накопителя электрической энергии // Мир транспорта. – 2018. – № 2 (75). – С.84–94. [Электронный ресурс]: https://mirtr.elpub.ru/jour/article/view/1436. Доступ 27.04.2021.

18. Черемисин В. Т., Незевак, В. Л. Перспективы применения систем накопления электроэнергии на Московском центральном кольце // Бюллетень результатов научных исследований. – 2020. – № 2. – С.33–44. [Электронный ресурс]: https://cyberleninka.ru/article/n/perspektivy-primeneniya-sistem-nakopleniya-elektroenergiina-moskovskom-tsentralnom-koltse. Доступ 27.04.2021.

19. Nezevak, V., Cheremisin, V., Shatokhin, A. Operating modes of electric energy storage systems on the Moscow Central Ring. E3S Web of Conferences, 2019, Vol. 135, No. 01063. DOI: 10.1051/e3sconf/201913501063.

20. Доманов К. И., Незевак В. Л., Шатохин А. П. Исследование режимов работы системы тягового электроснабжения в целях установки накопителя электрической энергии // Известия Транссиба. – 2018. – № 2 (34). – С.65–75. [Электронный ресурс]: https://cyberleninka.ru/article/n/issledovanie-rezhimov-raboty-sistemy-tyagovogoelektrosnabzheniya-v-tselyah-ustanovkinakopitelyaelektricheskoy-energii/pdf. Доступ 27.04.2021.

21. Nezevak, V., Cheremisin, V., Shatokhin, A. Electric energy storage units applicability assessment of different kinds in the conditions of Moscow central ring. 8th International Scientific Siberian Transport Forum. Advances in Intelligent Systems and Computing, 2020, Vol. 1115, pp. 42–51. DOI: 10.1007/978-3-030-37916-2.

22. Nezevak, V., Cheremisin, V. Determination of electric energy storage units parameters of direct current traction power supply in conditions of goods traffic dominance. FarEastCon, 2020, Article number 9271611, Category number CFP20M35-ART. Code 165655. DOI: 10.1109/FarEastCon50210.2020.9271611.

23. Nezevak, V., Cheremisin, V., Shatokhin, A. Assessment of energy intensity of the drive for traction power supply system. Advances in Intelligent Systems and Computing, 2020, Vol. 982, pp. 524–538. DOI: 10.1007/978-3-030-19756-8_50.