Zwiększenie efektywności energetycznej systemu zasilania trakcji elektrycznej

prądu stałego

Praca wykonana w ramach dwustronnej współpracy Polska-Ukraina (Umowa między Rządem RP a Rządem Ukrainy o współpracy w dziedzinie nauki

i technologii podpisanej w Kijowie dnia 12 stycznia 1993 r.) [konkurs na lata 2018/2019 – temat „Energooszczędna, rozproszona technologia transmisji mocy do

pojazdów”]

Warszawa, 2019.04.09

Znaczenie pracyObecnie w świecie i na Ukrainie maleją zapasy surowców energetycznych. Niedostateczna ilośći stale rosnące opłaty na paliwa organiczne zachęcają do zwiększenia efektywności energetycznej naetapie wytwarzania, przekazywania i zużycia paliwa we wszystkich branżach.

Skuteczny transport jest podstawowym warunkiem zrównoważonego bogactwa i dobrobytu wEuropie i na Ukrainie. Transport jest podstawą zatrudnienia, wzrostu gospodarczego i eksportuświatowego.

Trzy główne powody skłoniły sektor kolejowy do wdrażania technologii energooszczędnych:

1. Wzrost wartości energii. Europejskie sieci kolejowe co roku wydają miliardy euro na energięi koszty energii znacznie wzrosły w ciągu ostatnich kilku lat (wi ęcej niż o 10% w skali roku).

2. Energetycznebezpieczeństwo i niezależność. Bezpieczeństwo energetycznestaje się coraz bardziej2. Energetycznebezpieczeństwo i niezależność. Bezpieczeństwo energetycznestaje się coraz bardziejistotne. Coraz więcej krajów chcą być niezależnymi od zagranicznych dostawców zasobówenergetycznych. Szczególnie to pytanie istotne dla Ukrainy. W tym sensie wzrost efektywnościenergetycznej kolei wzmacnia bezpieczeństwo energetyczne i niezależność państwa.

3. Ochrona przed zmianami klimatu. Przeciwdziałanie zmianom klimatu stało się jednym zestrategicznych zadań dla linii kolejowych w Unii Europejskiej. Konsumenty kolej owe nie mogąjednocześnie przejść na odnawialneźródła energii. Dlatego poprawa efektywności energetycznej jestniezbędna do zmniejszenia emisji CO2.

Obecnie jednym z najbardziej obiecujących środków poprawy efektywności energetycznej systemutrakcji elektrycznej pr ądu stałego jest zastosowanie systemów zasilania rozproszonego (SZR).

W nowoczesnych warunkach na kolejach Ukrainy należy wdrażać takie środki energooszczędne,które nie wymagają znacznych inwestycji, wpisują się w istniejącą infrastruktur ę trakcjielektrycznej. Dlatego temat pracy związanej z poprawą efektywności energetycznej systemów trakcjielektrycznej prądu stałegoprzy organizacji szybkiegoruchu jest aktualny.

Cel i zakres pracyPoprawa efektywności energetycznej trakcji elektrycznej prądu stałego poprzez rozkład mocy w systemie zasilania rozproszonego. Dla osiągnięcia tego celu należy rozwiązać następujące zadania naukowe:

1. Przeprowadzić badania eksperymentalne wartości napięcia i mocy w systemie trakcji elektrycznej pr ądu stałego.

2. Opracować zasady budowy energooszczędnego systemu zasilania rozproszonego dla zapewnienia zasilania trakcyjnego na liniach kolejowych o podwyższonych prędkościach jazdy.

3

prędkościach jazdy.

3. Przeprowadzić ocenę procesów energetycznych i efektywności energetycznej w proponowanym systemie zasilania rozproszonego.

4. Wybrać miejsca lokalizacji czujników w systemie rozproszonego pomiaru napięcia.

5. Wykonać techniczno-ekonomiczne porównanie klasycznego systemu zasilania scentralizowanego a proponowanego energooszczędnego systemu zasilania rozproszonego.

Koszty energii Dynamika cen energii elektrycznej

Przekazanie energii

Statystyczne wskaźniki zużycia energii elektrycznej przez sieci kolejowe za lata 2009-2017 4

Oszczędzanie energii i pieniędzy dzięki realizacji Programu oszczędzania energii

LataEnergia elektryczna (ze stratami)

mln kWh/rok

Zużycie mln

kWh/rok

elektrycznej innym

konsumentom

mln kWh/rok

2005 10211,95 5931,39 3642,2

2006 11055,5 6219,4 3824,8

2007 11362,8 6324,4 3928,6

2008 12193,0 6225,0 4921,83

2009 11549,6 5381,3 5775,3

2010 12728,5 5739,1 6561,0

2011 13868,0 6167,1 7131,46

2012 14370,9 6156,1 7663,3

2013 14572,2 5821,5 8233,8

2014 13 581, 6 5274 6895,9

2015 13109,3 4803,0 7849,5

2016 13 399,9 4 624,6 8 343,7

2017 14 463,40 4 598,4 9383,1

a1a2

Badanie wartości napięcia i mocy w systemie trakcji elektrycznej prądu stałego

Ocena poziomu napięcia na szynach podstacji trakcyjnych

Napięcie na szynach 3,3 kV Napięcie na szynach 3,3 kV

Ocena poziomów napięcia

5

Napięcie na szynach 3,3 kV podstacji trakcyjnej 1

Napięcie na szynach 3,3 kV podstacji trakcyjnej 2

Ocena poziomów napięcia na odbierakach prądu taboru elektrycznego

Wartości prądu i napięcia przy jeździe dwóch lokomotyw na odcinku badanym: 1-napięcie

na odbiornikach prądu; 2 – pobór prądu

Napięcie na odbiornikach prądu w trybie trakcji: SHR – norma napięcia dla linii dużych

prędkości; PTE – norma napięcia zgodnie z Zasadami Eksploatacji Technicznej

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000

U, B, I, A

t, хв

1

2

2600

2700

2800

2900

3000

3100

3200

3300

3400

3500

3600

3700

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500 7000

t, хв

U, B

ШР

ПТЕ

Schemat podłączenia aparatury pomiarowej na odcinku badanym

WskaźnikSzyny 3,3 kV Odbierak

prądu EZTPSK

PT 1 PT 2M(U) 3399.38 3363.21 2906.11 3207.71Mo(U) 3427.10 3343.39 3013.00 3247.16Me(U) 3407.11 3411.31 2923.50 3237.16D(U) 2695.26 26836.09 12712.14864 9394.24s(U) 51.92 163.82 112.7482 96.92

As(U) -0.62 -1.71 -0.70 -1.77Ex(U) 0.87 3.94 0.10 3.95min(U) 3113.52 2550.97 2516.00 2656.44max(U) 3700.35 3857.84 3134.00 3515.74U(0,95) 3485.24 3530.52 3056.84 3193.28

Charakterystyki liczbowe trybu napięciaa3

Napięcie na PSK Wysznewećke

Moc w systemie trakcji na badanym odcinku.

Podstacja Moc ustalona Średni pobór Współczynnik obciążenia К ,

Wyniki badań obciążenia podstacji trakcyjnych.

Średnia zmiana zużycia mocy na kilometr podczas jazdy na odcinku ND Wuzoł – Piatychatky w kierunku parzystym i nieparzystym: WDM – górna granica ; NDM – dolna granica

Nazwa Ustalona moc, MW Długość strefy

międzypodstancyjnej, km

Odległości do PSK, km Szacowana moc jednostkowa MPZ, MW/km

Kierunek doniecki

Piatychatky 37,3 20,9 10,2/10,7 1,95

Erastiwka 44,4 23,4 9,8/13,6 1,89

Werchowcewo 44,4 17,3 7,6/9,7 2,0

Werchniodnieprowsk 24,9 22,7 8,6/14,1 1,48

6

Podstacja trakcyjna

Moc ustalona РВ, kW

Średni pobór mocy РС, kW

obciążenia КЗ, %

PT 1 (Werch)

20800 2868 13,7

PT 2 (Er) 20800 1080 5,2

PT 3 (Warw)

19800 956 4,8

PT 4 (Sam)

19800 422 2,1

Wyniki badań obciążenia podstacji trakcyjnych

Werchniodnieprowsk 24,9 22,7 8,6/14,1 1,48

Baglej 18,6 14,7 - 1,27

Suchacziwka 18,7 13,1 - 2,14

Goriajinowo 37,4 16,1 - 2,7

ND Wuzoł 39 6,9 - 4,34

Igreń 16 11,2 - 2,25

Iłarionowo 44,4 21,6 11,1/10,5 2,18

Synelnykowo 50,0 17,3 8,5/8,8 2,21

Rozdory 26,52 17,8 9/8,8 1,59

Pysmenna 30,28 20,08 10,4/10,4 1,36

Ulaniwka 30,28 18,6 9/9,6 1,67

Czaplino 31,28 22,4 7,1/6,7/8,6 1,03

Demurino 15,0 22,4 - -

Kierunek Pokrowski

Baliwka 12,6 30,9 14,4/16,5 0,61

Nowomoskowsk 25,2 27 14,9/12,1 0,7

Mineralna 12,6 24,4 13,0/11,4 1,03

Pawłograd-1 37,8 24,2 11,5/12,7 1,04

Bogusławskyj 12,6 21,6 10,6/11,0 0,87

Mykołaiwka 25,2 29,2 12,3/16,9 0,75

Słowianka 18,9 17,2 8,3/8,9 1,28

Rozjizd nr 5 25,2 23,8 10,1/13,7 -

a4

Badanie poboru mocy na odcinku Charków - Połtawa7

Pobór mocy z sieci trakcyjnej przez lokomotywę elektrycznąŠkoda

Pobór prądu przez lokomotywę elektryczną Škoda

Napięcie na odbieraku lokomotywy elektrycznej Škoda

Prędkość lokomotywy elektrycznej Škoda

Sposoby poprawy efektywności energetycznej rozproszonego systemu trakcji elektrycznej

Kanały energetyczne dla linii trakcyjnych prądu przemiennego

Zasilanie WDP z linii wysokiego napięcia prądu przemiennego.

Kanały energetyczne dla linii trakcyjnych prądu stałego

Schemat struktury zdecentralizowanego (rozproszonej) trakcji

8

Zasilanie WDP z linii wysokiego napięcia prądu przemiennego. Schemat struktury zdecentralizowanego (rozproszonej) trakcji elektrycznej prądu stałego o napięciu 6,6 kV zasilanego z linii wysokiego napięcia stałego 24 kVKanały energetyczne ze wstawk ą prądu stałego.

Struktura systemu zasilania rozproszonego

Schemat rozproszonego zasilania z generatorami słonecznymi

Ocena celowości zasilania punktów wzmocnienia napięciem 35 kV

Dopuszczalnedługości linii

Typprzewodu

Dopuszczalnadługość linii 35 kV,

[km]

Dopuszczalnadługość linii 10 kV,

[km]AS-35 38,5 3,2

AS-50 49 4

AS-70 65,5 5,4

AS-95 86,5 7

AS-120 101 8,2

AS-150 119,5 9,8

Proponowana struktura systemu zasilania

9

Straty napięcia w linii 35 kV: 1 – przewód AS-35; 2 – przewód AS-50;

3 – przewód AS-70; 4 – przewód AS-95; 5 –przewód AS-120; 6 – przewód AS-150

Straty napięcia w linii 10 kV: 1 – przewód AS-35; 2 – przewód AS-50;

3 – przewód AS-70; 4 – przewód AS-95; 5 przewódAS -120; 6 – przewód AS-150

Dopuszczalnedługości liniiProponowana struktura systemu zasilania rozproszonego

straty napięcia na odbieraka prądu EZT,znajdującego się na obliczonej MPZ, przy stałym poborzemocy

2ш ш 4 ( )

( )2 ( )

U U f x PU f x

f x

− −∆ = ⋅

funkcja rezystancji :

2

0( )x

f x r xL

= −

odległość od podstacji trakcyjnych, na którą można przekazać moc do zasilania EZT przy określonym poziomie strat napięcia w sieci trakcyjnej.( )2

0 ш 0

0

1

4 4

2 2

P r U U U LPr

PrLL

xPr

⋅ ⋅ ∆ − ∆ +

− = −

( )20 ш 0

0

2

4 4

2 2

P r U U U LPr

PrLL

xPr

⋅ ⋅ ∆ − ∆ +

+ =

Określenie dopuszczalnych odległości przekazywania mocy10

10

xPr

Dla pierwszej PT Dla drugiej PT:2

0x

Pr

Dopuszczalna odległość przekazaniamocy

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

0 5 10 15 20

P, МВт

х, км

Moc podstacji trakcyjnych w celu zapewnienia trybu poboru mocy stałej

0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

0 5 10 15 20

P, МВт

х, км

- i dodatkowego PA dla zapewnienia trybu zużycia stałej mocy przy ZR

a6

OCENA JAKO ŚCI PROCESÓW ENERGETYCZNYCH PROPONOWANEGO ROZPROSZONEGO SYSTEMU TRAKCJI ELEKTRYCZNEJ PR ĄDU STAŁEGO

Schemat obliczania odcinka zasilania centralnego

Parametry PT1 PT2 PT3

Moc, MW 12,6 25,2 18,9

Napięcie biegujałowego, V

3397 3420 3391

Sieć trakcyjna М120+2МФ100+А185+Р65

Rozkład jazdy pociągu Profil zużycia mocy przez pociąg

Obliczenia wskaźników energetycznych dla zelektryfikowanego odcinku prądu stałego, B – C Kolei Przydnieprowskiej

Obliczenia poziomu napięcia przeprowadzono na podstawie modelumatematycznego, z możliwością uwzględnienia wzajemnego wpływu każdegoobciążenia na ubocznych i, w zależności od schematu zasilania, na sąsiednich torach:

( ) ( ) ( ) ( ) ( )1 1 2

ш ' , ,+

′′= − ⋅ − ∆ − ∆∑ ∑n n n

j j R k k k kU x U I x f x U x x U x x

Zmiana poziomu napięcia na szynach podstacji trakcyjnych

11

Parametry systemu centralnego zasilania

Sieć trakcyjna М120+2МФ100+А185+Р65( ) ( ) ( ) ( ) ( )

1

ш1= =

≠

∑ ∑j j R k k k kk k nk j

Napięcie na odbieraku prądu EZT: WDM – górna granica NDM – Dolna granica;– GDZ – graniczna dopuszczalna wartość; µ – wartość oczekiwana

Funkcje przedziału prądu podstacji trakcyjnych przy zasilaniu scentralizowanym

Zmiana generowanej mocy PT przy zasilaniu scentralizowanym w każdym momencie podczas jazdy przez EZT odcinek: 1 – EZT; 2 – PT1; 3 – PT2; 4 – PT3; 5 – łączna moc podstacji trakcyjnych

Schemat odcinku obliczonego zasilania rozproszonego

Parametry PT1 PSK1 PT2 PSK2 PT3

Moc, MW 10,4 5,2 10,4 5,2 10,4

Napięciebiegu 3500 3500 3500 3500 3500

Parametry systemu zasilania rozproszonego

Napięcie na odbieraku prądu EZT w systemie zasilania rozproszonego: WDM – górna granica; NDM – Dolna granica; GDZ – graniczna dopuszczalna wartość; µ – wartość oczekiwana

Obliczenia wskaźników energetycznych zasilania rozproszonego

( ) ( ) ( )( )ТП1 ТП2 ТП20

ТП ;

T

P t P t P t dt

TpL

+ +

=

∫

( )( ) ( ) ( )( ) ( )( )ТП ШТП eP x t U t x t I x tϕ= ⋅ ⋅ ( ) ( ) 1,F x S G A S B

−= ⋅ ⋅

( ( ))( ( )) ( ( )) ( ( )) ( ( ))зг кзР x t u

P x t P x t АР x t k x t

= − ⋅ − ⋅

12

biegujałowego, V

3500 3500 3500 3500 3500

Sieć trakcyjna

М120+2МФ100+А185+Р65

Zmiana poziomu napięcia na oponach podstacji trakcyjnych w rozproszonym systemie zasilania

Moc jednostkowa, pobierana przez EZT podczas jazdy odcinkiem

( ( ))( ( )) ( ( )) ( ( )) ( ( ))

100зг кз

ТП зг зг з

кз

Р x t uP x t P x t АР x t k x t

S

= − ⋅ − ⋅

mocy generowane przez podstancję trakcyjną w ramach rozproszonego systemu zasilania z uwzględnieniem rozdziału prądu na odcinku obliczeniowym

Funkcje przedziału prądu podstacji trakcyjnych przy zasilaniu rozproszonym

Zmiana generowanej mocy PT przy zasilaniu rozproszonym w każdym momencie podczas jazdy przez EZT odcinek: 1 – EZT; 2 –PT1; 3 – PT2; 4 – PT3; 5 – PT4; 6 – PT5; 7 – łączna moc podstacji trakcyjnych

Analiza wskaźników energetycznych w proponowanym systemie.

Wartośćwspółczynnikaobciążenia

PT1 PT2 PT3

Max 48,2 25,3 27,2Wartość średnia

9,5 9,2 6,4

Współczynnik obciążenia podstacji trakcyjnych (ZS)

Wartośćwspółczynnikaobciążenia

PT1 PSK1 PT2 PSK2 PT3

max 77,2 91,9 50,48 98,85 51,42Wartość średnia

8,3 20,02 8,2 19,86 7,3

Współczynnik obciążenia podstacji trakcyjnych(ZR)

System zasilania Scentralizowany Rozproszony

А18

5

А18

5

А18

5

А18

5

А18

5

А18

5

13

Typ sieci trakcyjnejМ

-120

+2МФ

-100

М-1

20+

2МФ

-100

+А18

5

М-1

20+

2МФ

-100

+2А

185

М-1

20+

2МФ

-100

+3А

185

М-1

20+

2МФ

-100

М-1

20+

2МФ

-100

+А18

5

М-1

20+

2МФ

-100

+2А

185

М-1

20+

2МФ

-100

+3А

185

Dopuszczalny prąd sieci trakcyjnej przy 15%

zużycia, A 1630

2120

2710

3290

1630

2120

2710

3290

Maksymalny prąd obliczeniowy w sieci

trakcyjnej, A2341,6 1880

Zapas obciążalności prądowej, %

-43

,7

-10

,6

13,6

28,8

-15

,3

11,3

30,6

42,8

Obciążalność sieci trakcyjnej

Czasowy wykres prądu EZT w pierwszym punkcie Rozkład widmowy prądu EZT w pierwszym punkcie

Badanie strat energii elektrycznej od wyższych harmonicznych w SZR i SZS

14

Straty mocy w sieci trakcyjnej: 1 – obliczenia klasyczne; 2 –obliczenia z uwzględnieniem strat od wyższych harmonicznych

Straty energii elektrycznej w sieci trakcyjnej: 1 –obliczenia klasyczne; 2 – obliczenia z uwzględnieniem strat od wyższych

harmonicznych

WskaźnikZasilanie

scentralizowane

Zasilanie

rozproszone

Napięcie na odbieraku prądu EZT,

V

М(U) 3130 3291

max(U) 3418 3500

min(U) 2643 2901

Wielkość przedziału 875 705

Koszty energii elektrycznej na trakcję, kWh 1495 1437

Porównanie wskaźników energetycznych systemów trakcji elektrycznej 15

Koszty energii elektrycznej na trakcję, kWh 1495 1437

Średnie straty mocy, kW

Bez uzględnienia wyższych harmonicznych 524 372

Z uzględnieniem wyższych harmonicznych 631 428

Straty energii elektrycznej, kWh

Bez uzględnienia wyższych harmonicznych 174,9 123,9

Z uzględnieniem wyższych harmonicznych 210,6 142,7

cosφ 0,77 0,79

tgφ 0,8 0,76

Sprawność 0,92 0,95

Na odcinku elektryfikowanym NDW-P w wyniku badania eksperymentalnego zostały zbudowane tymczasowe zależności dla prądu i napięcia w sieci trakcyjnej. Do tegoprzeprowadzono 12470 pomiarów z przerwami 1 sekunda.

Napięcie na odbieraku prądu U(t) Pobór prądu taboru elektrycznego I(t) Wolt-Amperowa (U–I) charakterystyka sieci trakcyjnej (daneeksperymentalne)

Budowanie modelu zależności U(I) 16

Kształt napięcia U(t) przyϵ2=0.0039 iϵ1=0.0008

CharakterystykaU–I przyϵ2=0.0039 iϵ1=0.0008

Kształ napięcia U(t) przyϵ2=0.0039 iϵ1=0.00088

Charakterystyka U–I i przy ϵ2=0.0039 iϵ1=0.00088 (kształt „chaotyczny” )

( ) ( )( ) ( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( ) ( )( ) ( )( ) ( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( ) ( )

1

22

2

,

0.0193 0.0072 0.0218

0.0057 0.000422 ,

,

0.0294 0.0145 0.8506 0.0019

0.0095 0.2380 0.0017 .

x t y t

y t x t y t z t

u t x t y t x t

z t u t

u t x t y t z t

u t x t y t x t

=

= − + −∈ +

+ −∈ +

=

= − − − −

−

+

+

&

&

&

&

Obszar stabilności dla systemu (3.20) dla nieliniowego sterowania Uinput=k1U(t) U'(t)=k1x(t)y(t) i Iinput=k2U(t) U'(t)=k2x(t)y(t)

Obszar stabilności dla systemu (3.20) dla liniowego sterowania Uinput=k1I(t)=k1z(t) i Iinput=k2I(t)=k2z(t)

Ocena stabilności funkcjonowania proponowanego systemuObszar stabilności zależy

od warunków∆1(k1, k2)>0,∆2(k1, k2)>0,∆3(k1, k2)>0,∆4(k1, k2)>0.

Wielomiany Hurwitza∆1 (k1, k2)> 0,∆2 (k1, k2)> 0,∆3 (k1, k2)> 0,∆4 (k1, k2)> 0.

17

U'(t)=k2x(t)y(t)

Zachowanie funkcji x (t) (napięcie w siecitrakcyjnej) dla systemu (3.20) przy liniowym sterowaniu Uinput=k1z(t), Iinput=k2z(t)

Zachowanie funkcji x (t) (napięcie w sieci trakcyjnej) dla systemu (3.20) przy nieliniowym sterowaniu

Uinput=k1x(t)y(t), Iinput=k2x(t)y(t)

( ) ( )( ) ( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( ) ( ) ( )( ) ( )( ) ( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( ) ( ) ( )

21

22

,

0.0193 0.0072 0.0218 0.00088

0.0057 0.0039 0.000422 ,

,

0.0294 0.0145 0.8506 0.0019

0.0095 0.2380 0.0017 .

x t y t

y t x t y t z t

u t k x t y t x t

z t u t

u t x t y t z t

u t k x t y t x t

=

= − + − +

+ − + +

=

= − − −

+

−

− + +

&

&

&

&

System pomiaru i kontroli poziomów napięcia dla systemu rozproszonego zasilania trakcji elektrycznej.

Korytarz zmiany napięcia GRP: a – odstęp ruchu 80 min; b – odstęp jazdy 40 min; –odjazdy 20 min; c – odstęp ruchu 10 min;

Promień zasięgu anteny

18

Odległość do instalacji czujników

[ ]( )max min

;max j j

a b

s U U= −

gdzieа – współrzędna początku odcinku;b – współrzędna końca odcinku;j – numer węzła badanego;

( )1 23,57км

R h h= ⋅ +

( ) 17.34

DRadius mts

f= ⋅

⋅

Współrzędnapołożeniaczujnika

0 5 10,6 20,3 21,6 30,5 33,9 40 50,8

Zasięg anteny (nie więcej), km

20.9PT1

25.2(p.)

21.4OTP1

20.6(p.)

22.6PT2

19.8(p.)

26.5OTP2

19.8(p.)

26.5PT3

Maksymalny zasięg anteny

Do obliczenia odległości lokalizacji czujników użyjemy wzoru Fresnela

ROZWI ĄZANIA W ZAKRESIE PROJEKTOWANIA OBWODÓW I TRYBY ROZP ROSZONEGO SYSTEMU TRAKCJI ELEKTRYCZNEJ O PODWY ŻSZONEJ SKUTECZNOŚCI

Realizacja systemu w zakresie projektowania obwodów, określenie typów przetworników.

Schemat aktywnego prostownikaSimulink-model proponowanego prostownika

19

Schemat aktywnego prostownika

Tryb „oderwanie odbieraka prądu”skokowa zmiana napięcia

Ua

Ia

Ub

Ib

Uc

Ic

Ua

Ia

Ub

Ib

Uc

Ic

Zwykły tryb pracy

OCENA EFEKTYWNO ŚCI EKONOMICZNEJ ZASTOSOWANIA SYSTEMU ROZPROSZONEGO ZASILANIA O ZWI ĘKSZONEJ EFEKTYWNO ŚCI

ENERGETYCZNEJ

. Wskaźnik OznaczenieWartość wskaźnika

SZS SZR

1Koszty

inwestycyjne, mln hrn.К 211,5 222

Koszty

Wyniki obliczeń podanych kosztów rocznych 20

2.

Koszty

amortyzacyjne, mln

hrn.

За 9,31 9,77

3

Wartosc strat

energii elektrycznej na

odcinku badanym, mln

hrn.

Зе 8,948 6,070

4Koszty roczne,

mln hrn.З 44,70 43,59

Wnioski ogólne

W dysertacji na podstawie badań teoretycznych i eksperymentalnych rozwiązano zadanie naukowo-stosowaneskierowane na poprawę efektywności energetycznej systemu zasilania trakcji elektrycznej prądu stałego poprzezopracowywanie naukowych zasad budowy energooszczędnego systemu rozproszonego zasilania, który zapewniaszybki ruch i jak najbardziej wpisuje się w istniejącą infrastrukturę. Podstawowe wyniki badań naukowych i wnioskisą następujące.1)Przeprowadzona analiza eksperymentalna trybów napięcia i mocy w systemie trakcji elektrycznej prądu stałegowykazała:• Poziomy napięcia na szynach badanych podstacji trakcyjnych mają szeroki rozrzut wartości, a w przypadku brakuurządzeń do regulacji napięcia nie mogą zapewnić normatywnej wartości napięcia na odbiornikach prądu.•Napięcie na szynach 3,3 kV ma charakter gwałtownie zmienny, a maksymalne wahania napięcia osiągają wartości1300 W.• Całkowitamoc ustalonapodstacjitrakcyjnychodcinkówbadanychjest w granicach12÷50 MW, ale aktualnystan• Całkowitamoc ustalonapodstacjitrakcyjnychodcinkówbadanychjest w granicach12÷50 MW, ale aktualnystantrakcji elektrycznej prądu stałego charakteryzuje się rosnącym niedoborem odpowiedniej mocy dla zapewnieniaszybkiego ruchu. Przy tym współczynnik obciążenia nie przekracza 15%.2) Opracowane naukowe podstawy tworzenia energooszczędnych systemów rozproszonych trakcji elektrycznejprądu stałego, w których lokalizacja dwuagregatowych podstacji trakcyjnych zaproponowano ustawić w miejscuistniejących jednoagregatowych podstacji – w rozdzielniach, pozwoliłoby to na zmniejszenie strat energii w siecitrakcyjnej i wyposażeniu podstacji, poprawę wykorzystania zainstalowanego sprzętu na podstacjach trakcyjnych,zwiększenie współczynnika mocy i poprawę warunków ochrony systemu zasilania.3) Udoskonalona metoda obliczania schematów systemów trakcji elektrycznej na bazie funkcji „oporu” pozwoliła naobliczenie mocy podstacji trakcyjnych, niezbędnych dla zapewnienia trybu zrównoważonego poboru mocy podczasjazdy taboru z określonym poziomem strat napięcia. Za pomocą obliczeń ustalono celowość stosowania napodstacjach trakcyjnych dwóch zmiennych agregatów o łącznej mocy 10 MW, a dla podstacji jednoagregatowej –jednego zmiennego urządzenia o mocy 5 MW. Obliczenia wykazały,że proponowany system pozwala zapewnićodpowiedni poziom mocy jednostkowej w sieci trakcyjnych w granicach 2 – 2,15 MW/km, co pozwoliło ograniczyćminimalną wartość napięcia na odbieraku prądu EPS na poziomie 2900 W.

4) Zaproponowany na podstawie danych eksperymentalnych model matematyczny zmian prądu i napięcia w sieci trakcyjnej pozwala ocenić jakość procesów zużycia energii i obszar stabilnej pracy systemu trakcji elektrycznej. Struktura modelu opracowana z wykorzystaniem nieliniowej analizy cyklicznej, pozwoliła na znalezienie ukrytych elementów procesu. Na przykład, oprócz mierzonego prądu i napięcia, obliczane zostały ich pochodne. Pozwala to na bardziej precyzyjny opis procesów dynamicznych w zadaniach analizy efektywności funkcjonowania systemu trakcji elektrycznej.5) Ulepszona metoda zapewnienia stabilności pracy systemów trakcji elektrycznej prądu stałego na podstawie wykorzystania nieliniowego regulatora napięcia pozwala na zapewnienie wymaganej stabilności napięcia przy organizacji ruchu pociągów z podwyższonymi prędkościami. Za pomocą obliczeń ustalono, że regulator z nieliniowym ma lepszą charakterystykę odpornościową, a strefa stabilizacji napięcia w sieci trakcyjnej przy zastosowaniu regulatora nieliniowego jest o 3-4 razy większa w porównaniu z regulatorem liniowym.6) W celu zwiększenia odporności opracowanego systemu zasilania rozproszonego zastosowano aktywny prostownik

Wnioski ogólne

6) W celu zwiększenia odporności opracowanego systemu zasilania rozproszonego zastosowano aktywny prostownik napięcia, który wykonuje dwustronną przemianę energii i zapewnia stałe napięcie zasilania niezależnie od stanu obciążenia. Badaniami przeprowadzonymi na Simulink-modelu udowodniono, że opracowany aktywny przetwornik kompensuje spadek wartości napięcia wejściowego w granicach ±20% i jest odporny na różnego rodzaju zaburzenia, występujących w procesie interakcji systemu trakcji elektrycznej i taboru.7) W celu skutecznego zapewnienia prawidłowej informacji dla systemów zarządzania trakcją elektryczną konieczne jest stworzenie rozproszonego systemu pomiaru napięcia. Zaproponowana w pracy zasada wykorzystania czujników napięcia na podstawie metody węzłów dotykowych i metody Fresnela pozwala na racjonalne umiejscowienie czujników, a także zapobiega powstawaniu „martwych” stref.8) Obliczenia techniczno-ekonomiczne wykazały, że proponowany energooszczędny system zasilania trakcji pociągów prądu stałego, który najbardziej wpisuje się w istniejącą infrastrukturę, pozwala na efektywne wykorzystanie inwestycji kapitałowych i osiągnięcie minimalnych rocznych kosztów eksploatacyjnych. Realizacja proponowanego systemu SZR pozwala rocznie zaoszczędzić na odcinku badanym 2,879 mln hrn. poprzez zmniejszenie kosztów strat energii elektrycznej w systemie zasilania.

22 a8

Dziękuję za uwagę

23

Piotr Gubski

peter.gybskiy@gmail.com