Главная \ Статьи и новости \ Энергоэффективные решения для систем электрического транспорта

Энергоэффективные решения для систем электрического транспорта

« Назад

10.02.2014 00:59

1 Технические обзор трамвайных систем

Сегодняшние инновационные технологии электрификации железных дорог и подвижного состава позволяют проводить более энергоэффективную работу всей железнодорожной системы и впоследствии значительно сократить потребность в энергии. Это при этом необходимо учитывать общую интеграцию всех частей железнодорожной системы. Рис. 1 показывает как в идеале расходуется электроэнергия в железнодорожной системе с трамваями.

Для статьи

Рисунок 1: Расходование электроэнергии в системе с трамваями

1.1. Тяговые подстанции

Подстанции питающие сети среднего напряжения контактной сети с помощью трансформатора-диода-выпрямителя. Они могут быть оснащены активными контролируемыми инверторами для того, чтобы рекуперировать энергию торможения обратно в трехфазную сеть питания (см. рис. 1, красный поток энергии). Рекуперация энергии может достигать до 40% от затрачиваемой энергии. Рис. 2 Показывает систему Sitras ® TCI (с тиристорным управлением инвертора), установленную на подстанции Riffelriss в Германии.

Для статьи 4

Рисунок 2: Тяговая подстанция с тиристорным управлением инвертора Sitras TCI в подстанции Riffelriss.

Ряд возможностей для оптимизации потребления энергии, касающиеся подстанций может быть достигнуто при помощи называемых тиристорных выпрямителей ( Sitras ® TCR ). При этом, благодаря стабилизации сетевого напряжения расстояния между подстанциями может быть увеличено. Дальнейшие усовершенствования касаются:
• ограничения токов короткого замыкания,
• улучшение симметрирования нагрузки путем подключения импульсных терристорных выпрямителей.
Возможно сочетание тиристорных преобразователей и тиристорных выпрямителей ( Sitras ® TCD). Если возврат рекуперированной энергии в сеть среднего напряжения не допускается, для сохранения энергии могут быть использованы стационарные блоки Energy Storage ( Sitras ® SES ) напрямую связанные с сетью постоянного тока. Такое устройство хранения поглощает энергию торможения и потом возвращает её подвижному составу. Таким образом объем потребления энергии может быть снижен до 30%. Кроме того, накопители энергии могут быть использованы для стабилизации сетевого напряжения в питающей сети в зависимости от условий эксплуатации (см. рис. 1 , синий поток энергии ). В дополнение к улучшению качества сетевого напряжения в сети тока , пиковая мощность от общего потребления энергии снижается. Рис. 3 показывает такую единицу хранения энергии в DC- подстанции Bochum- Hattingen.

Для статьи 5

Рис. 3: Стационарный накопитель энергии Sitras TCI на основе двухслойных конденсаторов.
Слева: DC-подстанция Бохум-Хаттинген (Bogestra) Справа: Стойка конденсаторных модулей.

1.2 Контактные линии

Арматура контактной сети является пассивным компонентом передающим электрическую энергию от подстанций к транспортным средствам. Из за падения напряжения возникающего вдоль воздушной контактной линии ограничивается расстояния между подстанциями. На Рис. 4 показаны типичные элементы контактной сети для трамваев .Оптимизация воздушной контактной линии в зависимости от стандартов эксплуатации и скорости транспортных средств необходима для того, чтобы увеличить скорость работы и уменьшить падение напряжения и, следовательно, потери энергии вдоль воздушной контактной линии. Кроме того, возможно увеличить срок службы и надежность из за совершенствования компонентов конструкции. Новые устройства натяжения улучшают производительность системы, например взаимодействие между воздушной контактной линией и токоприемниками. Применяются провода с большей проводимостью и прочность на разрыв. Большинство из этих результатов могут быть применены для электропоездов, а также трамваев , для увеличения энергоэффективности всей системы.

Для статьи 6

Рис. 4: Примеры арматуры контактной сети для трамваев.
Слева : Контактная сеть в Ганновере, Германия  Справа : Линии в Хьюстоне, США.

1.3 Транспортные средства

Возможность пересечь короткие участки без линий, например, с помощью сохраненной (рекуперируемой) энергии торможения, появляется с применением двухслойных конденсаторов для мобильного хранения энергии Sitras ® MES (см. рис. 1, зеленый поток энергии). Из-за их высокой эффективности, высокой динамичности и очень высокой стабильности цикла, двухслойные конденсаторы подходят для применения в качестве хранилища рекуперируемой энергии. Управление питанием от транспортного средства, позволяет регулировать поток энергии для всех соответствующих условий эксплуатации. Максимум энергии торможения может быть поглощен и использован с высоким КПД и потом применен, например для ускорения. Основываясь на этой концепции, накопитель энергии был разработан, построен, успешно прошел испытания и сертифицирован. Рис. 5 показан блок хранения энергии для трамвая.

Для статьи 7

Рис. 5: Мобильный контейнер для хранения энергии на основе двухслойных конденсаторов

2. Технологии для энергоэффективной работы

Энергия торможения в пределах железнодорожной сети может использоваться по-разному, например,
• передача в систему среднего напряжения с помощью силовых преобразователей ,
• хранение в мобильных накопителях энергии .
Следующие параметры определяют наиболее подходящую технологию соответственно комбинацию устройств хранения :
• Напряжение и вид энергоснабжающих сети ,
• Тип используемой стационарной технологии питания ,
• Топология рельсовых путей ,
• Наличие рекуперации и возврата в подстанции ,
• Типы транспортных средств,
• Использование транспортных единиц с возможностью хранения энергии ,
• Возможное влияние режимов работы приводов,
• Инвестиционные затраты.
Улучшение распределения тока нагрузки между подстанциями может быть обеспечено управляемыми выпрямителями ( Sitras TCR ). Регулируя среднее значение напряжения питания, распределение нагрузок в линиях, можно свести к минимуму пиковые нагрузки. Если все подстанции оснащены Sitras TCR , расстояния между подстанциями может быть увеличено приблизительно на 15%, при этом питающее напряжение будет всегда находиться под контролем. В результате количество подстанций и их инфраструктура уменьшается. Область применения и диапазоны для номинальных напряжений постоянного тока 600 В до 1500 В. Преимущества указанных систем заключаются в следующем:
• Увеличение расстояний между подстанциями,
• Управление потоком нагрузки.


2.1 Сравнение методов энергосбережения использующих рекуперацию.

2.1.1 Подстанции

Энергия торможения транспортного средства которая не может быть передана должна быть устранена с помощью резистора, установленного на транспортном средстве. В случае установленной Sitras TCI, энергия торможения может подаваться в сеть среднего напряжения при условии, что прием мощности согласован как в техническом и коммерческом аспектах, таких как например :
• Максимально допустимая принимаемая кратковременная мощность,
• Приемлемые гармоники,
• Готовность к рефинансированию .
Применение тиристорных преобразователей для возврата энергии торможения является наиболее подходящим, если у организации есть собственная сеть среднего напряжения, которая соединяет точки питания в контактной сети. В этом случае возвращаемая энергия может быть непосредственно использована для тяговых подстанций или на вокзалах (остановках). Диапазон применения таких тиристорных преобразователей колеблется от DC 600 В постоянного тока до 1500 В ( опционально до DC 3000 В ). В целом эта технология имеет следующие преимущества :
• Хорошее соотношение цена-качество,
• Очень высокая пиковая мощность ,
• Высокая мощность ,
• Возможна модернизация существующих систем,
• Простое техническое решение при условии доступности.

2.1.2 Стационарный накопитель энергии Sitras SES.

Успешно устанавливается и эксплуатируется по всему миру с 2001 года. Применение стационарных накопителей энергии на основе двухслойных конденсаторов позволяет использовать два режима работы :
• Хранение энергии торможения,
• Стабилизация напряжения в сети.
Установка таких устройств хранения энергии, разумно если :
• Рекуперация на транспортном средстве не возможна,
• Нет обменена энергией торможения между транспортными средствами,
• Установка тиристорных преобразователей ( Sitras TCI) для подачи энергии торможения в сети среднего напряжения не допускается.
Установка устройств накопителей энергии для стабилизации напряжения разумно если
• Вводятся новые и более мощные единицы подвижного состава,
• Слабый уровень линейного напряжения,
• В качестве замены трансформаторных подстанций, особенно в конце линий .
Применимо для напряжений 600 В и 750 В постоянного тока, мощностей до 1 МВт.
Можно назвать следующие преимущества этой технологии:
• Снижение пиковой мощности ,
• Экономия от общего спроса на энергию до 30% ,
• Экономия на подстанциях с их инфраструктурой,
Рис. 6 показывает экономию энергии для работы в Кельн- Брюк Германия. Соотношение между подводимой энергии на подстанции и поглощенной энергии с помощью Sitras ® SES составляет около 30%.

Для статьи 1

Рис 6: Измерение подводимой энергии от подстанции (выпрямителя) и поглощенной энергии на станции Sitras SES в Кельне-Брюк.

Эта система актуальна, особенно если в конце линии, напряжение сети падает ниже допустимого значения для транспортных средств. Рис. 7 показывает распределение напряжения в сети с и без использования систем хранения энергии и стабилизации напряжения. Низкого уровня напряжения можно избежать исключить отключение тяговой цепи на транспортном средстве.

Для статьи 2

Рис. 7: Распределение напряжения в сети в Мадриде Вентас с (оранжевый) и без (синий) систем хранения энергии.

2.1.3 Мобильное хранение энергии.

Применение мобильных накопителей энергии на основе двухслойных конденсаторов было определено в качестве перспективной технологии. Мобильный накопитель энергии позволяет хранить рекуперированную энергию на транспортном средстве. Применяется для постоянного тока постоянного тока напряжением 750 В ( опционально до 1500 В ). Эта технология имеет следующие преимущества :
• Снижение мощности в пиках,
• Экономия энергии до 30%,
• Стабилизация напряжения для передачи в линию,
• Сокращение выбросов загрязняющих веществ и шума для дизель-электрических транспортных средств.
Рис. 8 показан профиль мощности при вождении трамвая. Трамвай разгоняется до 60 км / ч и тормозится, после 18 с идет накатом. Работа мобильного устройства накопления энергии также позволяет преодолевать короткие расстояния, не будучи связанным с контактной группой. Длина такой дистанции зависит от следующих граничных условиях:
• Требования к транспортному средству,
• Максимальная скорость ТС,
• Степень уклона пути,
• Тормозной путь ТС.
При проектировании мобильного устройства хранения энергии, должны быть рассмотрены некоторые ограничения :
• Устройство пространства для блока хранения (батареи) ,
• Максимальная допустимая масса,
• Требуемая ускорение,
• Требуемая скорость на участке без контактной группы,
• Время хранения заряда,
• Требуемая пассажировместимость ,
• Требуемое количество циклов (заряд – разряд) батареи,
• Условия окружающей среды, например, температура, высота на уровнем моря и т.д.

Для статьи 3

Рис. 8: Рабочий цикл мобильного накопителя энергии в режиме работы "энергосбережения".

2.1.4 Области применения.

Хотя каждая из описанных технологий может быть применена независимо, возможно также их сочетание. В случае тиристорных преобразователей - даже если они установлены лишь в 50% подстанций - вся рекуперированная энергия торможения подается в сеть среднего напряжения. Следовательно возможна отмена тормозного резистора трамвая. Если происходят нежелательные колебания напряжения в линиях, вопрос, следует ли использовать устройства для хранения энергии для стабилизации напряжения должен быть рассмотрен индивидуально в каждом конкретном случае. Если планируется использовать ТС на участках не оборудованных линиями, мобильные устройства хранения энергии могут помочь в этом. Должен быть проанализирован диапазон напряжения во время торможения. Рис. 9 показывает возможные области применения для указанных технологий в системе трамвая.
В зависимости от электрических компонентов системы , описанные технологии могут быть смоделированы, что позволит оценить на наиболее подходящей системы для использования энергии торможения. Подходящий алгоритм оптимизировать комплексные системы высокой энергетической эффективности может быть следующим :
1 . Анализ вопросов, связанных с требованиями для всей системы ,
2 . Моделирование системы в соответствии с согласованными требованиями заказчика,
3 . Параметры оказывающие существенное влияние на поток энергии,
4 . Применение представленных технологий для восстановления энергии торможения ( Sitras TCI , Sitras SES , Sitras MES ) и оптимальное распределение энергии ( Sitras TCR) , а также подходящую их комбинацию ,
5 . Исследование общей энергетической эффективности системы с учетом интеллектуальной концепции управления энергией, например,
• Влияние зависимости потоков энергии на уровни напряжения (сеть среднего напряжения , напряжение на транспортных средствах ) ,
• Переключение между стабилизаторами напряжения и в режиме накопления энергии в зависимости от общего объема операционных граничных условий и
• Поглощение энергии из соседних подстанций ( Sitras TCR , Sitras TCD ) в случае невозможности.

Быстрое развитие двухслойных конденсаторов в последние годы обещает покрыть потребности в легких метро и пригородных поездов а так же трамваев. В ближайшие 5 лет , энергетические содержимое аккумуляторов предполагается удвоить в то время как масса и объем будет оставаться постоянным . Тиристорные инверторы имеют номинальную мощность около 2 МВт и используются, прежде всего в системах метро, которые накапливают энергию торможения до 10 кВт-ч.

3. Заключение.
Все упомянутые стационарные технологии успешно функционирует уже продолжительное время. Испытанные конденсаторы для хранения энергии сертифицированы по BOStrab ( Немецкий код строительства и эксплуатации трамваев ) по TÜV -Süd (технический контролирующий орган) . Следующим шагом может стать интеграция их в двигатели системы железнодорожного транспортного средства.

По материалам фирмы Siemens Германия.



Комментарии


Комментариев пока нет

Пожалуйста, авторизуйтесь, чтобы оставить комментарий.

Авторизация
Введите Ваш логин или e-mail:

Пароль :
запомнить