На правах рукописи

ВИЛЬГЕЛЬМ Александр Сергеевич

ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ

РЕКУПЕРАТИВНОГО ТОРМОЖЕНИЯ НА ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГАХ

ПОСТОЯННОГО ТОКА

Специальность 05.22.07 «Подвижной состав железных дорог,

тяга поездов и электрификация»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ОМСК 2013

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС (ОмИИТ))».

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор ЧЕРЕМИСИН Василий Титович.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор НЕХАЕВ Виктор Алексеевич профессор кафедры «Теоретическая механика», ОмГУПС;

кандидат технических наук, доцент ШЕВЛЮГИН Максим Валерьевич доцент кафедры «Энергоснабжение электрических железных дорог», ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет путей сообщения» (МИИТ).

Ведущая организация:

ФГБОУ ВПО «Петербургский государственный университет путей сообщения (ПГУПС)».

Защита диссертации состоится 22 ноября 2013 г. в 9 часов на заседании диссертационного совета Д 218.007.01 при федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС (ОмИИТ)»

по адресу: 644046, г. Омск, пр. Маркса, 35, ауд. 219.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Омского государственного университета путей сообщения.

Автореферат разослан 21 октября 2013 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью учреждения, просим направлять в адрес диссертационного совета Д 218.007.01.

Тел./факс: (3812) 31-13-44; e-mail: [email protected]

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор О.А. Сидоров.

© Омский гос. университет путей сообщения,

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. В программе «Энергетическая стратегия железнодорожного транспорта на период до 2015 года и на перспективу до года» к одному из наиболее действенных мероприятий в области ресурсосберегающих технологий для тяговой энергетики относится повышение эффективности использования электрической энергии, рекуперируемой электроподвижным составом (ЭПС) в систему тягового электроснабжения (СТЭ).

Экономия за счет применения рекуперативного торможения в 2011 г. составила 3,2 % от расхода электроэнергии на тягу поездов. Однако несмотря на действия, предпринимаемые техническими службами по повышению эффективности применения рекуперативного торможения, потенциальный уровень рекуперации электроэнергии на сети железных дорог до настоящего времени еще не достигнут. По некоторым железным дорогам в 2010 г. значение объема рекуперации оказалось в три раз меньше, чем в 1988 г., а в 2011 г. по сети дорог объем рекуперированной энергии был ниже, чем 1988 г., на 5,8 %, что свидетельствует о недостаточной степени разработанности исследуемой темы.

Приведенные данные указывают на актуальность этого вопроса и на необходимость продолжения исследовательских работ по расширению полигонов применения рекуперативного торможения.

Цель диссертационной работы – обеспечение рационального использования энергии рекуперации для повышения энергетической эффективности СТЭ на железных дорогах постоянного тока за счет разработки методов оценки расчетного уровня потенциала рекуперативного торможения на участках и определения мероприятий по его достижению.

Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:

1) провести экспериментальные исследования потокораспределения энергии рекуперации на участках постоянного тока с применением рекуперативного торможения при наличии и отсутствии выпрямительно-инверторных преобразователей (ВИП) на тяговых подстанциях;

2) разработать расчетную модель СТЭ для оценки потенциала энергоэффективности рекуперативного торможения на участках постоянного тока с учетом реального профиля пути и графика движения поездов;

3) разработать способы построения энергетических диаграмм, отображающих максимально возможный расчетный уровень энергии рекуперации на участках постоянного тока с учетом контрольных и опытных поездок и анализа данных расшифровки картриджей РПДА;

4) разработать методы определения адекватности получаемых результатов тяговых и электрических расчетов и провести апробацию расчетной модели на действующих участках железных дорог постоянного тока;

5) разработать методику выбора мест установки ВИП на участках с применением рекуперативного торможения;

6) определить экономический эффект от внедрения мероприятий по основным направлениям повышения энергоэффективности рекуперативного торможения.

Методы исследования. В работе использованы основные положения и методы теории тяги поездов, системного анализа, математического моделирования, теории линейных электрических цепей. Для проведения расчетов и анализа математических зависимостей применялись лицензионные программные продукты: программный комплекс «КОРТЭС», электронные таблицы Microsoft Excel 2007.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем.

1) Разработана расчетная модель для оценки потенциала энергоэффективности рекуперативного торможения на участках постоянного тока, основанная на выполнении тяговых расчетов с учетом плана (профиля) пути и фактических уровней напряжения в контактной сети, включающая в себя математический аппарат проверки адекватности получаемых результатов и многовариантные расчеты режимов работы СТЭ в различных условиях организации движения поездов, с учетом наличия или отсутствия потребителей избыточной энергии рекуперации.

2) Разработана методика выбора мест установки ВИП для обеспечения эффективного приема энергии рекуперативного торможения.

3) Предложены способы построения энергетических диаграмм, отображающих оптимальный уровень расхода и возврата электроэнергии, для формирования удельных норм расхода электроэнергии на участках постоянного тока для различных типов ЭПС с поездами различной массы.

Положения, выносимые на защиту:

1) методы оценки потенциала энергоэффективности рекуперативного торможения на участках постоянного тока;

2) методика выбора мест установки ВИП на участках железных дорог постоянного тока с применением рекуперативного торможения;

3) алгоритм расчетной модели СТЭ, включающий в себя комплекс тяговых и электрических расчетов и проверку адекватности получаемых результатов, позволяющую учитывать основную часть исходных параметров объекта исследования с целью корректировки расчетов и повышения их адекватности.

Достоверность научных положений и результатов диссертационной работы подтверждена путем проверки статистической совместимости результатов моделирования с показателями работы реальных участков электрифицированных железных дорог, полученными в ходе экспериментальных исследований, проведения контрольных поездок и на основании анализа отчетных данных. Расчетные значения критерия Фишера для тяговых расчетов находятся в пределах от 1,96 до 3,06 и не превышают критического Fкрит = 3,29 для доверительной вероятности 0,95. Расчетные значения критерия Фишера для электрических расчетов находятся в пределах от 1,60 до 2,56 и не превышают критического Fкрит = 2,82 для доверительной вероятности 0,95.

Практическая ценность и реализация результатов работы:

1) методика выбора мест установки выпрямительно-инверторных преобразователей на участках с применением рекуперативного торможения принята Департаментом технической политики ОАО «РЖД» (акт внедрения от 27.09.2013 г.);

2) методика оценки потенциала рекуперативного торможения принята Департаментом технической политики ОАО «РЖД» (акт внедрения от 27.09.2013 г.);

3) выполнена оценка потенциала энергоэффективности рекуперативного торможения и построены энергетические диаграммы по всей сети постоянного тока ОАО «РЖД»;

4) разработанные мероприятия по повышению энергоэффективности рекуперативного торможения с расчетом экономической эффективности включены в программу повышения энергоэффективности тяги поездов сети железных дорог постоянного тока РФ на 2013 – 2015 гг.

Личный вклад соискателя. Автором выполнен основной объем теоретических и экспериментальных исследований, проведен анализ полученных данных, сформулированы положения диссертации, составляющие ее новизну и практическую значимость.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались на Шестом международном симпозиуме транспортных университетов Европы и Азии (Сеул, Южная Корея, 2013); международной научно-практической конференции «Проблемы и перспективы развития транспорта» (Москва, 2012);

всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Эксплуатационная надежность локомотивного парка и повышение эффективности тяги поездов» (Омск, 2012); научно-практических конференциях «Инновационное развитие железнодорожного транспорта России» (Омск, 2012), «Инновационные проекты и технологии в образовании, промышленности и на транспорте»

(Омск, 2013); всероссийской научной конференции «Современное техническое образование и транспортный комплекс России: состояние, проблемы и перспективы развития» (Уфа, 2013); семинаре кафедры «Теоретическая электротехника»

Омского государственного университета путей сообщения (Омск, 2013); научнотехническом семинаре Омского государственного университета путей сообщения «Повышение эффективности работы железнодорожного транспорта, объектов промышленной теплоэнергетики, телекоммуникационно-информационных систем, автоматики и телемеханики» (Омск, 2013).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 14 печатных работ, из них три – в изданиях, определенных ВАК Минобрнауки России [1 – 3].

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, заключения, библиографического списка из 94 наименований и трех приложений. Работа изложена на 154 страницах основного текста, содержит 30 рисунков, 28 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении рассмотрено состояние решаемой проблемы, обоснована ее актуальность, сформулированы цели и задачи исследований, определены научная новизна, практическая ценность работы и основные направления исследований.

Первый раздел посвящен экспериментальным исследованиям потокораспределения энергии рекуперации на участках постоянного тока. Кратко представлены теория рекуперативного торможения, его основные особенности, рассмотрены факторы, влияющие на возможность применения рекуперативного торможения и на объемы энергии рекуперации, описаны основные неисправности в системах рекуперативного торможения и предложены меры по их предотвращению и устранению. Значительный вклад в повышение энергоэффективности СТЭ в условиях применения рекуперативного торможения внесли ученые ОАО «ВНИИЖТ», железнодорожных вузов России, ведущих проектных институтов и конструкторских бюро, инженеры, занятые эксплуатацией тяговых подстанций и ЭПС, а также ученые и практики зарубежных научных школ.

Осуществлен анализ процессов потокораспределения энергии в СТЭ при применении рекуперативного торможения по результатам проведенных экспериментальных исследований на одно- и двухпутных участках постоянного тока.

Экспериментальные исследования распределения потоков мощностей электрической энергии в режимах тяги и рекуперации на однопутном участке Свердловской железной дороги (рис. 1) показали следующее:

величина возврата электроэнергии при рекуперативном торможении по счетчикам электровоза за время эксперимента составила 1 390 кВт·ч (20,6 % от расхода на тягу), удельная рекуперация – 28,3 кВт·ч / 104 ткм брутто;

по данным эксперимента 40,8 % рекуперированной энергии с шин 6 кВ потреблено на собственные нужды и железнодорожными потребителями, получающими питание от линий продольного электроснабжения, а 59,2 % возвращено в систему внешнего электроснабжения (рис. 2);

Рис. 1. Схема экспериментальных исследований небаланс между электроэнергией, отпущенной в межподстанционных зонах и потребленной электровозом, составил 7,0 %;

небаланс между электроэнергией, рекуперируемой электровозом и принятой подстанцией, составил 8,4 %.

Показана высокая энергетическая эффективность применения рекуперативного торможения на двухпутном участке постоянного тока по результатам экспериментальных исследований на участке Тайга – Мариинск ЗападноСибирской железной дороги.

За трое суток эксперимента с применением поездами рекуперативного торможения удельный расход электроэнергии на тягу поездов по счетчикам тяговых подстанций составил 112,8 кВт·ч/104 ткм брутто, а за трое суток без применения рекуперативного торможения – 125,4 кВт·ч/104 ткм брутто, т. е.

на 11,2 % выше при сопоставимых объемах выполненной работы – 15 050 104 и 15 088 104 ткм брутто соответственно.

Рис. 2. Схема потокораспределения и баланс энергии рекуперации на тяговой подстанции Европейская за период эксперимента Отмечена сложность экспериментальной оценки процессов в СТЭ при применении рекуперативного торможения в связи с невозможностью проводить синхронные измерения процессов, происходящих на тяговых подстанциях и ЭПС, в том числе при применении рекуперативного торможения. Глубокие исследования ограничены отсутствием технических средств измерения и сбора информации с фидеров контактной сети и ЭПС.

В разделе выполнен анализ случаев превышения уровня напряжения в контактной сети свыше 4 кВ на примере участка Тайга – Мариинск ЗСЖД по результатам проведенных экспериментальных исследований и установлено, что повышение напряжения в контактной сети в основном вызвано применением на этом участке рекуперативного торможения локомотивами ВЛ10. Так, при токе рекуперативного торможения 400 А напряжение на шинах тяговой подстанции превышало 4,4 кВ (рис. 3). Общая продолжительность рекуперативного торможения, когда напряжение на шинах подстанции превышало максимально допустимое значение 4 кВ, составила 150 с. Однако при наличии на этом участке поезда в соседней межподстанционной зоне в режиме тяги, складывается вполне благоприятная ситуация – максимальное значение тока рекуперации достигало 310 А, максимальное напряжение на шинах тяговой подстанции не превысило 3 850 В.

Рис. 3. Схема расположения поездов в режиме тяги и рекуперации на участке и график токов и напряжений в поездной ситуации с нерациональным использованием энергии рекуперации Рассмотрено применение комплекса технических решений, направленных на стабилизацию напряжения в контактной сети и обеспечение соблюдения режима рекуперативного торможения.

Второй раздел посвящен разработке расчетной модели СТЭ для оценки потенциала энергоэффективности рекуперативного торможения.

Выполнен анализ программных методов, созданных для имитационного моделирования работы СТЭ, в том числе с точки зрения процессов, протекающих при применении рекуперативного торможения. Из множества доступных сегодня программных средств расчета СТЭ оптимальным для выполнения тяговых и электрических расчетов с целью определения энергоэффективности работы СТЭ является программный комплекс «КОРТЭС».

Разработана общая блок-схема расчетной модели СТЭ с использованием программного комплекса «КОРТЭС» (рис. 4). Основой всего комплекса расчетов являются тяговые расчеты – пропуск единичных поездов различных типов (пассажирских, грузовых, пригородных), серий локомотива, массы состава, количества осей и других параметров, позволяющие определить абсолютные значения потребленной и рекуперированной поездами энергии.

Корректировку режимов ведения поездов при выполнении тяговых расчетов предложено осуществлять на основании анализа данных расшифровки картриджей РПДА, а именно, на основе определения фактических значений напряжения в контактной сети и анализа проведенных контрольных поездок, позволяющих обеспечить адекватность производимых расчетов.

Рис. 4. Блок-схема расчетной модели СТЭ для определения потенциала рекуперативного торможения Корректировку режимов ведения поездов при выполнении тяговых расчетов предложено осуществлять на основании анализа данных расшифровки картриджей РПДА, а именно, на основе определения фактических значений напряжения в контактной сети и анализа проведенных контрольных поездок, позволяющих обеспечить адекватность производимых расчетов.

Разработаны способы построения энергетических диаграмм на основе тяговых расчетов (рис. 5), отображающих минимально возможный уровень расхода электроэнергии на тягу Wп и максимально возможный уровень рекуперации Wр для поездов критической и унифицированной массы (в примере на рис. 5 – 6 300 и 3 300 т соответственно) в четном и нечетном направлении по перегонам (A – B, B – C, C – D и т. д.).

В основу способов построения суточных графиков движения поездов и выполнения многовариантных электрических расчетов положено определение объемов расхода и возврата энергии (избыточной энергии рекуперации) по каждой тяговой подстанции, объемов потребленной и рекуперированной реализованной энергии всеми поездами, объемов технических потерь электроэнергии в СТЭ, а также удельных величин расхода и возврата энергии по счетчикам тяговых подстанций и ЭПС.

Рис. 5. Энергетическая диаграмма для поездов массой 6 300 и 3 300 т с электровозом 2ЭС6 в нечетном направлении и профиль участка А – К Предложено производить электрические расчеты для следующих основных вариантов:

1 – без применения рекуперативного торможения с определением удельного расхода по счетчикам тяговых подстанций и ЭПС и других параметров;

2 – применение рекуперативного торможения в размерах, определяемых потреблением энергии рекуперации электровозами в тяговом режиме (только с ВИП, фактически установленными на тяговых подстанциях участка);

3 – применение рекуперативного торможения в размерах, необходимых для обеспечения заданной скорости движения, с преобразованием избыточной энергии рекуперации ВИП на всех тяговых подстанциях;

4 – применение рекуперативного торможения с преобразованием избыточной энергии рекуперации ВИП, точечно установленными на тяговых подстанциях с наибольшим потенциалом возврата электроэнергии;

5 – применение рекуперативного торможения без использования ВИП на тяговых подстанциях, но с организацией движения поездов, при которой вся энергия рекуперации потребляется поездами, идущими в режиме тяги;

6 – применение рекуперативного торможения при регулировании напряжения холостого хода на шинах тяговых подстанций с целью увеличения перетоков мощности энергии рекуперации между межподстанционными зонами и потребления ее поездами, идущими в режиме тяги.

Предложены способ вычисления величины потенциала рекуперативного торможения для конкретных участков на основе электрических расчетов и способ определения оптимальных мест установки ВИП на тяговых подстанциях.

На основании многовариантных электрических расчетов определяется перечень мероприятий по повышению эффективности применения рекуперативного торможения на участках.

Третий раздел посвящен разработке методов определения адекватности получаемых результатов тяговых и электрических расчетов и апробации разработанной расчетной модели.

Оценка ошибок, связанных с упрощением и дискретной реализацией алгоритма, моделирующего на ЭВМ работу электрической железной дороги, выполняется путем проверки статистической совместимости результатов моделирования с реальными показателями работы электрифицированной железной дороги. Адекватность модели реальной системе по степени точности имитации некоторых процессов устанавливается с применением приближенных методов проверки статистических гипотез.

Предложено выполнять сравнительный анализ полученных расчетных значений расхода и возврата электроэнергии на тягу поездов с отчетными данными депо, локомотивные бригады которых работают на данном расчетном участке.

Характер распределения значений удельного расхода и удельной рекуперации для конкретных серий ЭПС и нагрузок на ось состава по отчетным данным депо определяется проверкой гипотезы о нормальном распределении с помощью критерия Пирсона (рис. 6). Если нет оснований отвергать гипотезу о нормальности закона распределения, то определяется доверительный интервал выборки по «правилу 3», где – среднеквадратическое отклонение (СКО) выборки.

Удельные значения расхода и рекуперации электроэнергии по результатам моделирования, не попадающие в доверительный интервал (см. рис. 6), можно считать промахами. В случае выборок, не подчиняющихся нормальному закону распределения, для получения доверительного интервала по указанным выше принципам необходимо, чтобы объем выборки составлял n 30, а для достоверной оценки СКО объем выборки n должен превышать 100.

Отмечено, что отличительной особенностью разработанной расчетной схемы является то, что проверка адекватности уже содержится в ее алгоритме.

Адекватность устанавливается при расчетах для каждого конкретного участка проверкой статистической совместимости полученных конечных расчетных результатов с фактическими показателями работы реального действующего участка и повышается путем внесения корректировок в производимые расчеты.

Рис. 6. Плотность вероятности распределения величин удельной рекуперации на действующем участке по отчетности депо Повышение адекватности тяговых расчетов предложено осуществлять путем приближения условий их проведения к реальным условиям на участке за счет корректировки значений уровней напряжения и тока на токоприемниках ЭПС по результатам анализа данных систем РПДА и контрольных поездок.

Адекватность проводимых электрических расчетов предложено устанавливать путем сравнительного анализа расхода электроэнергии на тягу поездов по счетчикам тяговых подстанций по результатам расчета и по результатам фактической работы СТЭ участка. В связи с тем, что максимальная продолжительность расчетного периода работы СТЭ при электрических расчетах в «КОРТЭС» может составлять одни сутки, возникает необходимость приведения суточного расчета к годовому, поскольку проведение технико-экономического расчета с определением срока окупаемости мероприятий выполняется на основании годовых показателей экономического эффекта. Осуществляется это за счет использования среднегодового суточного графика движения поездов, на основе которого и проводятся электрические расчеты.

Проверка статистической совместимости результатов расчетов с помесячными значениями расхода электроэнергии по каждой тяговой подстанции участка осуществляется за тот же год, что и среднегодовые суточные размеры движения.

Таким образом, значения расхода электроэнергии за одни сутки, приведенные к одному месяцу, проходят проверку на предмет попадания в доверительный интервал функции распределения величин расхода электроэнергии за каждый месяц расчетного года.

Повышения адекватности результатов электрических расчетов можно добиться корректировкой уровней напряжения на шинах тяговых подстанций.

После получения адекватных результатов электрических расчетов по каждой тяговой подстанции оценивается потенциальный объем возврата электроэнергии по ВИП на каждой тяговой подстанции.

Оценка адекватности предлагаемой расчетной модели произведена с помощью F-критерия согласия Фишера. В качестве экспериментальных откликов модели для тяговых расчетов принимаются значения удельной рекуперации по участкам (для двух участков постоянного тока, отдельно в четном и нечетном направлении объем каждой выборки составил 10 значений). В качестве откликов модели принимаются расчетные значения удельной рекуперации для этих участков и категорий поездов. Получено, что расчетные значения критерия Фишера для тяговых расчетов находятся в пределах от 1,96 до 3,06 и не превышают критического Fкрит = 3,29 для доверительной вероятности 0,95.

Для проверки адекватности электрических расчетов в качестве экспериментальных откликов принимаются помесячные расходы электроэнергии по счетчикам тяговых подстанций, в качестве откликов модели – расчетные значения для тех же тяговых подстанций за тот же период. Объем каждой из четырех полученных выборок составил 12 значений. Расчетное значение критерия Фишера для электрических расчетов находятся в пределах от 1,60 до 2,56 и не превышают критического Fкрит = 2,82 для доверительной вероятности 0,95. Данные результаты говорят об адекватности расчетной модели.

В диссертационной работе представлены результаты оценки потенциала энергоэффективности рекуперативного торможения для одно- и двухпутных участков постоянного тока железных дорог России, в ходе моделирования которых была проведена апробация и достигнута адекватность расчетной модели для каждого конкретного участка. Одним из наиболее благоприятных для применения рекуперативного торможения и эффективного использования энергии рекуперации на сети железных дорог РФ является двухпутный участок Тайга – Мариинск ЗСЖД.

Тяговые расчеты выполнялись для двух вариантов: без применения рекуперации и с применением рекуперации ЭПС, обращающимся на участке. Для случая без применения рекуперативного торможения был выполнен один электрический расчет. Для случая с применением рекуперативного торможения были выполнены четыре варианта электрических расчетов: с действующей схемой работы СТЭ (без применения ВИП); с ВИП, установленными на всех тяговых подстанциях участка; с ВИП, установленными на тяговых подстанциях с наибольшим потенциалом возврата избыточной энергии рекуперации; без использования ВИП на тяговых подстанциях, но с управляемым графиком движения поездов, при котором реализуется вся возможная энергия рекуперации.

Установлено, что на рассмотренном участке удельный расход энергии по счетчикам тяговых подстанций в случае реализации всей возможной энергии рекуперации на расчетном участке может быть сокращен на 12,1 % по сравнению со случаем без применения рекуперативного торможения и на 2 % в сравнении с вариантом с применением рекуперативного торможения и реализацией энергии рекуперации без дополнительных приемников избыточной энергии рекуперации и с действующей организацией движения поездов. Баланс энергии рекуперации для различных вариантов расчетов представлен на рис. 7, где приняты следующие обозначения: Wрн – нереализованная энергия рекуперации; Wрп – энергия рекуперации, потребленная поездами в режиме тяги; Wи – энергия рекуперации, переданная ВИП в систему внешнего электроснабжения.

В работе приведены результаты расчета однопутного участка Чусовская – Азиатская, который является единственным на сети дорог с ВИП, установленными практически на всех тяговых подстанциях (за исключением тяговой подстанции Азиатская). Тяговые расчеты были выполнены для двух вариантов: без применения рекуперации и с применением рекуперации ЭПС, обращающимся на участке.

Для случая с применением рекуперативного торможения были выполнены электрические расчеты для вариантов: с действующей схемой работы СТЭ (с ВИП на всех тяговых подстанциях) и без использования ВИП на тяговых подстанциях.

Показано, что применение рекуперативного торможения в действующих условиях с использованием ВИП на тяговых подстанциях позволит сократить удельный расход электроэнергии по счетчикам тяговых подстанций на 22,3 %. Баланс энергии рекуперации для двух вариантов расчета приведен на рис. 8.

В заключение раздела приведены величины потенциала рекуперативного торможения и величина сокращения удельного расхода электроэнергии по счетчикам тяговых подстанций после реализации возможной энергии рекуперации с помощью установки ВИП на тяговые подстанции для всех участков постоянного тока сети железных дорог «РЖД».

Рис. 7. Баланс энергии рекуперации на участке Чусовская – Азиатская:

на расчетном участке: а – без ВИП на тяговых подстанциях;

а – без ВИП на тяговых подстанциях; б – с ВИП на всех тяговых б – с ВИП на всех тяговых подстанциях; подстанциях.

в – с ВИП на трех тяговых подстанциях Четвертый раздел посвящен разработке методики выбора мест установки ВИП на участках с применением рекуперативного торможения и определению экономического эффекта от внедрения ВИП. Выделены основные направления повышения энергоэффективности рекуперативного торможения на участках постоянного тока, к которым относятся:

1) установка ВИП, накопителей электроэнергии или поглощающих устройств на тяговых подстанциях постоянного тока участков с наибольшей величиной избыточной энергии рекуперации, не потребляемой поездами, идущими в режиме тяги;

2) восстановление неисправных систем рекуперативного торможения на ЭПС или дооборудование ЭПС системами рекуперативного торможения;

3) управление графиком движения поездов с обеспечением приема энергии рекуперации поездами, идущими в режиме тяги.

Разработаны методы технико-экономического расчета установки ВИП на тяговых подстанциях. Показано, что экономический эффект от расширения возможностей применения рекуперативного торможения за счет внедрения на тяговых подстанциях ВИП и сокращения нереализованной энергии рекуперации включает в себя несколько составляющих: снижение потребления электроэнергии на тягу поездов на участке, где внедряются ВИП; уменьшение износа тормозных колодок; уменьшение износа бандажей колесных пар; сокращение объема ремонта тормозного оборудования подвижного состава; сокращение объема ремонта колесных пар.

Стоимость электроэнергии, сэкономленной на тягу поездов при внедрении ВИП, определяется путем сравнения двух вариантов расчета: с фактически установленными ВИП на участке и с ВИП на выбранных для их установки тяговых подстанциях.

Затраты на данное мероприятие складываются из капитальных затрат на установку ВИП, а именно из стоимости оборудования, строительно-монтажных и пусконаладочных работ и эксплуатационных расходов, которые определяются расходами на текущий ремонт ВИП.

По результатам расчетов потенциала энергоэффективности рекуперативного торможения по представленной в диссертации расчетной модели был определен перечень тяговых подстанций с целесообразным внедрением либо модернизацией ВИП на тяговых подстанциях постоянного тока по сети железных дорог «РЖД».

Суммарный технико-экономический эффект по обследуемым железным дорогам должен составить 186,5 млн кВт·ч (441,2 млн р.) в год в ценах 2012 г.

Затраты на реализацию принятых мероприятий составят 2,8 млрд р. Простой срок окупаемости около 7 лет.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Проведены экспериментальные исследования на действующих участках электрифицированных железных дорог, позволившие произвести анализ потокораспределения энергии рекуперации и исследовать эффективность использования рекуперируемой электрической энергии в СТЭ.

2. Разработана расчетная модель СТЭ для оценки потенциала энергоэффективности рекуперативного торможения, включающая в себя комплекс расчетов, основанных на имитационном моделировании в программном комплексе «КОРТЭС», статистический анализ отчетности депо, анализ расшифровки картриджей РПДА. Полученная расчетная модель позволяет учитывать фактическое напряжение на токоприемнике ЭПС, что дает возможность производить пересчет характеристик ЭПС и контролировать уровень минимально и максимально допустимого напряжения, а также позволяет выполнять многовариантные расчеты с целью определения оптимального варианта с точки зрения реализации энергии рекуперации.

3. Разработана методика оценки потенциала энергоэффективности рекуперативного торможения. Методика принята Департаментом технической политики ОАО «РЖД». На основе предложенной методики выполнена оценка потенциала рекуперации по всей сети железных дорог постоянного тока «РЖД».

4. Разработаны способы построения энергетических диаграмм, отображающих максимально возможный уровень энергии рекуперации на участках постоянного тока. Энергетические диаграммы могут быть применены для формирования удельных норм расхода электроэнергии на участках постоянного тока.

5. Разработана методика выбора мест установки ВИП на участках с применением рекуперативного торможения. Методика принята Департаментом технической политики ОАО «РЖД».

6. Определен перечень организационно-технических мероприятий, направленных на повышение энергетической эффективности рекуперативного торможения по всей сети железных дорог постоянного тока. Выполнен техникоэкономический расчет целесообразности установки ВИП на тяговых подстанциях с наибольшим потенциалом возврата энергии рекуперации. Интегральный эффект от внедрения ВИП на тяговых подстанциях должен составить 186,5 млн кВт·ч в год, экономический эффект – 441,2 млн р. в год в ценах 2012 г., повышение энергетической эффективности тяги поездов на железных дорогах постоянного тока в этом случае составит 1,16 %.

Список работ, опубликованных по теме диссертации 1) Вильгельм А. С. Принципы построения энергетических диаграмм для оценки эффективности применения рекуперативного торможения / А. С. Вильгельм, А. Л. Каштанов, М. М. Никифоров // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2012. № 2(10). С. 63 – 68.

2) Вильгельм А. С. Оценка потенциала энергоэффективности применения рекуперативного торможения на поездоучастках / А. С. Вильгельм, А. В. Язов // Научные проблемы транспорта Сибири и Дальнего Востока / Новосибирская гос. акад. водного транспорта. Новосибирск, 2012. №1. С. 390 – 393.

3) Комякова О. О. Анализ качества электрической энергии, возвращаемой инверторами тяговых подстанций постоянного тока в сеть энергосистем / О. О. Комякова, А. А. Комяков, А. С. Вильгельм // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2012. № 3(11). С. 71 – 77.

4) Вильгельм А. С. Экспериментальные исследования по оценке потенциала повышения энергетической эффективности тяги поездов за счет применения рекуперативного торможения / А. С. Вильгельм, А. Н. Ларин // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2011. № 1(5). С. 50 – 56.

5) Кондратьев Ю. В. Распределение потоков мощности в режимах тяги и рекуперации / Ю. В. Кондратьев, А. С. Вильгельм, А. Н. Ларин // Локомотив.

2011. № 5. С. 33 – 34.

6) Вильгельм А. С. Баланс электроэнергии в режимах тяги и рекуперации / А. С. Вильгельм, А. Н. Ларин, А. И. Давыдов // Локомотив. 2011. № 5. С. 36 – 38.

7) Повышение эффективности применения рекуперативного торможения на железных дорогах постоянного тока в условия эксплуатации новых и старых электровозов / В. Т. Черемисин, А. С. Вильгельм и др. // Эксплуатационная надежность локомотивного парка и повышение эффективности тяги поездов: Материалы науч.-техн. конф. / Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2012.

С. 234 – 243.

8) Вильгельм А. С. Перспективы регулирования напряжения в системах тягового электроснабжения постоянного тока при применении рекуперативного торможения / А. С. Вильгельм, В. Л. Незевак // Проблемы и перспективы развития транспорта: Материалы науч.-техн. конф. / Московский гос. ун-т путей сообщения. М., 2012. С. 102 – 103.

9) Вильгельм А. С. К вопросу о выборе накопителя на участках постоянного тока с применением рекуперативного торможения / А. С. Вильгельм // Инновационные проекты и технологии в образовании, промышленности и на транспорте: Материалы науч.-практ. конф. / Омский гос. ун-т путей сообщения.

Омск, 2013. С. 30 – 36.

10) Вильгельм А. С. Расчетная модель работы системы тягового электроснабжения участков постоянного тока / А. С. Вильгельм // Инновационные проекты и технологии в образовании, промышленности и на транспорте: Материалы науч.-практ. конф. / Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2013.

С. 36 – 40.

11) Кващук В. А. Мониторинг напряжений в контактной сети на участках постоянного тока в условиях применения рекуперативного торможения / В. А. Кващук, А. С. Вильгельм // Инновационное развитие железнодорожного транспорта России: Материалы всерос. науч.-практ. конф. / Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2012. С. 119 – 127.

12) Черемисин В. Т. Оценка способов повышения энергетической эффективности системы тягового электроснабжения в условиях рекуперации электроподвижным составом / В. Т. Черемисин, А. С. Вильгельм // The International Symposium for Transportation Universities in Europe and Asia. Korea national university of transportation: 50 Daehak-ro, Chugji-si, Chungbuk. Korea, 2013. С. 147 – 151.

13) Вильгельм А. С. Перспективные направления повышения энергетической эффективности рекуперативного торможения / А. С. Вильгельм, В. Л. Незевак // Современное техническое образование и транспортный комплекс России:

состояние, проблемы и перспективы развития: Материалы всероссийской молодежной науч. конф. / Уфимский филиал СамГУПСа. Уфа, 2013. С. 176 – 178.

14) Влияние рекуперативного торможения на систему тягового электроснабжения / В. Т. Черемисин, А. С. Вильгельм и др. // Локомотив. 2013. № 8.

С. 5 – 8.

_