Проблема использования возобновляемых источников энергии для системы тягового электроснабжения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Проблема использования возобновляемых источников энергии для системы тягового электроснабжения

Специальность 05.14.02 - Электрические станции и электроэнергетические системы

Жуматова Асель Акановна

МОСКВА - 2010

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный университет путей и сообщения» (МИИТ) на кафедре «Энергоснабжение электрических железных дорог».

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент Шевлюгин Максим Валерьевич (МИИТ)

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Герман Леонид Абрамович (Нижегородский филиал МИИТ)

к.т.н., ведущий научный сотрудник Добровольскис Теодорос Пранцишкович (ВНИИЖТ)

Ведущее предприятие: Самарский государственный университет путей сообщения (СамГУПС)

ОБЩАЯ ХАРАКТЕСТИКА ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ

Актуальность работы. На сегодняшний день из за постоянного роста энергопотребления в мегаполисах и крупных промышленных регионах, происходит снижение резерва генерирующих мощностей, а в некоторых случаях растет их дефицит. Данная работа посвящена частичному решению проблемы энергосбережения за счет использования возобновляемых источников энергии (ВИЭ) в системах тягового электроснабжения (СТЭ) железных дорог. Развитию систем электроснабжения на основе ВИЭ и в частности на основе ветроэнергетики, в Казахстане, как в стране с огромным ветровым энергопотенциалом, уделяется особое внимание. Использование современных ветровых электроустановок (ВЭУ) не только в промышленной и хозяйственной энергетике, но и в СТЭ ж.д. актуально во всем мире.

Цель диссертационной работы. Исследование возможности эффективного использования ВИЭ и, в частности, ветрового энергетического потенциала в СТЭ ж.д. Казахстана.

Основные задачи исследования. Для достижения цели в диссертационной работе поставлены и решены следующие задачи:

– проведен анализ потенциалов возобновляемых источников энергии в Республике Казахстан;

– разработана схема ветровой тяговой подстанции (ВТП) для использования на тяговых подстанциях электрифицированных ж.д. переменного тока;

– разработана имитационная модель работы ВТП в составе СТЭ ж.д. с учетом характеристик конкретного типа ВЭУ;

– разработан метод расчёта технико-экономической эффективности использования ВЭУ в СТЭ ж.д. с учетом региональных особенностей эксплуатации.

Объект исследования. СТЭ ж.д., в которую входят тяговые подстанции и тяговая сеть, электроподвижной состав и ВЭУ с учетом технических, климатических, географических, инфраструктурных, социальных, экономических условий и энергетического потенциала ВИЭ территории.

Теоретическая и методологическая база исследований. В диссертационной работе использовались: методы компьютерной обработки массивов информации; методы расчета СТЭ ж.д.; методики расчетов экономической эффективности электроэнергетических объектов; методы математической статистики и теории вероятности.

Научная новизна и положения, выносимые на защиту:

1. результаты теоретических и экспериментальных исследований для определения ветровых потенциалов районов Республики Казахстан, где намечена электрификация ж.д., дана оценка возможности их эффективного использования для нужд электрической тяги;

2. разработка схемы и конструкции ветровых тяговых подстанции (ВТП), т.е. ТП, использующих ВЭУ с ветровыми электрогенераторами (ВЭГ) для СТЭ ж.д. переменного тока;

3. методика формирования графиков ветровых нагрузок с учетом их основных характеристик и оценка основных параметров ВТП для конкретных условий;

4. имитационная модель работы ВТП в составе СТЭ ж.д. переменного тока, позволяющая учитывать как вероятностный характер энергопотребления ТС, так и вероятностный характер генерации электроэнергии ВЭУ (ВТП);

5. разработка математической модели для определения технико-экономического эффекта от использования ВЭУ на ж.д. Республики Казахстан.

Практическая ценность работы:

- определены ветропотенциальные зоны территории Казахстана с привязкой к железнодорожным магистралям, предложены целесообразные объемы первоочередного использования ВЭУ в системе тягового электроснабжения ж.д. Казахстана;

- предложена методика выбора мощности и количества ВЭУ в составе ВТП;

- разработана методика построения вариантов соединения ВЭУ с системой тягового электроснабжения ж.д., реализованная в виде пакета прикладных программ.

Апробация работы. Основные этапы и результаты диссертационной работы докладывались на: научном семинаре и заседаниях кафедры «Энергоснабжение электрических железных дорог» Московского государственного университета путей сообщения (МИИТ) в 2007-2009 гг.; на VIII-X научно-практических конференциях «Безопасность движения поездов», МИИТ (2007-2009 гг.); на научно-практической конференции «Неделя науки МИИТа» (2007г.); на V - Международном симпозиуме Eltrans, «Электрификация, инновационные технологии, скоростное и высокоскоростное движение на железнодорожном транспорте», Санкт-Петербург (2009г).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 печатных работ, из них одна в изданиях, рекомендованных ВАК по специальности 05.14.02 - Электрические станции и электроэнергетические системы.

Структура и объем диссертации. Работа состоит из введения, пяти глав основного текста, заключения по работе, приложений и списка использованных источников. Общий объем диссертации составляет 179 страницы, включая 49 иллюстрации, 23 таблиц, список использованных источников 77 наименований и 5 приложений на 33 страницах.

содержание диссертации

Во введении дано обоснование актуальности исследуемой проблемы: Отмечено, что ветер является наиболее перспективным возобновляемым источникам энергии для СТЭ ж.д.

В первой главе произведен анализ по состоянию и перспективам развития ВИЭ. В мировой энергетике указывается, что в целом использование ВИЭ в мире приобрело ощутимые масштабы и устойчивую тенденцию к росту. По различным прогнозным оценкам доля ВИЭ к 2015г. во многих государствах достигнет или превзойдет 10%. Поэтому можно считать, что факт интенсивного роста использования ВИЭ в различных электроэнергетических системах не подвергается сомнению.

Исследованию проблем, связанных с развитием нетрадиционной энергетики, посвятили свои работы многие ученые, на трудах которых базировалось выполненное исследование. Основные аспекты исследуемой проблематики нашли отражение в работах ученых: Арбузова Ю.Д., Безруких П.П., Борисова Г.А., Виссарионова В.И., Огородова Н.В., Сидоренко Г.И., Федотова В.Э., Харитонова В.П., Фатеева Е.М., Андрианова В.Н., Франкфурт М.О., Рождественского И.В., Тарнижевского М.В., Борисенко М.М., Ершиной А.К. и др.

Указанные работы посвящены автономному и децентрализованному использованию ВИЭ в системах первичного электроснабжения. В настоящей же работе исследовались возможности использования ВИЭ в системе тягового электроснабжения электрифицированных железных дорог, которая является одним из наиболее мощных потребителей электроэнергии в региональных масштабах.

Внедрение ВИЭ в СТЭ ж.д. позволит в значительной степени снизить дефицит существующих генерирующих мощностей и повысить экологичность вырабатываемой энергии. В табл.1. приведены результаты анализа по наиболее значимым потенциалам ВИЭ, который показал, что запасы малой гидроэнергии непосредственно для нужд СТЭ ж.д. малопригодны по причине недостаточной мощности и климатическим условиям, а именно из-за сезонности ее выработки; геотермальная энергетика Казахстана имеет многочисленные локальные точки, но из-за низкотемпературного порога (не более 96°С) и удаленности от ж.д. магистралей использование их для поставленной задачи крайне затруднительно; использование энергии биомассы на данный период развития этого направления еще более затруднительно; использование световой энергии для поставленной задачи не представляется возможным по причине малой удельной мощности световых элементов (придется покрывать большие площади) и, самое главное, из-за суточной смены дня и ночи.

Табл.1. Потенциалы возобновляемых энергетических ресурсов Казахстана.

Наименование	Энергетические ресурсы
	Малых ГЭС <10МВт	Солнца	Ветра
Освоенный потенциал, млрд. кВт•ч в год.	0,4	-	-
Экономический потенциал, млрд. кВт•ч в год.	7,5	-	0,82
Технически возможный потенциал, млрд. кВт•ч в год.	21	-	3,3-6,6
Теоретический потенциал, млрд. кВт•ч в год.	65	3,9-5,4	1820

Проведенный анализ показал, что из всего многообразия ВИЭ по доступности, экологичности и масштабам использования в районах Казахстана для СТЭ ж.д. приоритетной является энергия ветра, которая может быть трансформирована в электрическую ВЭУ единичной мощности до 5 МВт. В то же время энергия ветра характеризуется высоким потенциалом практически во всех зонах республики Казахстан, причем по показателю среднегодовой скорости ветра, эта энергия, как правило, более привлекательна по стоимости, чем другие виды ВИЭ. Именно поэтому данный вопрос остро стоит на государственном уровне и подкрепляется многочисленными распоряжениями и законами, в том числе и Законом Республики Казахстан от 4 июля 2009 года «О поддержке использования возобновляемых источников энергии». Данная тематика активно поддерживается и международным сообществом, одна из существенных работ «Обоснование по выбору перспективных площадок для дальнейшего обоснования строительства ВЭС в среднесрочной перспективе до 2015 года» была организована ТОО «Институт «Казсельэнергопроект», согласно договору №0088-S/А.05 от 20 июля 2005 года, на основании задания, выданного «ПРООН» (Программа Развития Организации Объединенных Наций). В данной диссертации использовались результаты экспериментов ряда международных проектов по исследованию ветровой нагрузки в районе Каратау в Южном регионе Республики Казахстан. В сотрудничестве с Германской фирмой Senior Consultant, Renewable Energies -Wind Energy процедура замеров была начата в 2007г. на специально созданных метеостанциях и по базовой программе PC400 проектно-строительной фирмы «НАР». Обработка указанных данных производилась с помощью разработанной программы, результаты которой приведены на рис. 1, 2. Для разработки данной программы помимо интегрированной среды разработки Turbo Delphi задействовался пакет Statistics системы MATLAB-2008.

Рис. 1. Результаты обработки экспериментальных данных по ветру за год.

возобновляемый энергия ветровой электроснабжение

На рис.1. представлено первое окно программы, где: 1 - это экспериментальные данные по скорости ветра в течение года по месяцам; 2 -зависимость вероятности распределения скорости ветра за месяц. По этим данным видно, что в течение года не полностью сняты показания, что было связано с техническими неполадками. Первичная обработка определяет среднюю скорость ветра за расчетный период, периоды с наименьшим ветроэнергетическим потенциалом, характер распределения уровня ветра в процентном соотношении, что позволяет грубо оценить возможность использования ВЭУ для СТЭ ж.д. в данном районе.

На рис.2. представлено второе окно программы с результатами более подробной статистической обработки, где: 1 - это данные по скорости ветра в течение месяца с определением математического ожидания за месяц (7, 93м/с) и по каждым суткам; 2 - закон плотности вероятности распределения скорости ветра за месяц; 3 - столбчатая диаграмма распределения ветра по суткам в месяце; 4 - мгновенные значения ветра за 24 часа (30 графиков, соответствующие 30 суткам в месяце); 5 - определена средняя скорость ветра по часам суток в течение месяца. Результаты представленной статистической обработки позволяют получить закон распределения плотности вероятности ветровой нагрузки за расчетный период, что в последующем позволит синтезировать теоретическую зависимость скорости ветра в периоды, когда нет экспериментальных данных. Здесь же в графическом виде хорошо видно, что средняя скорость ветра по суткам в данном месяце имеет большой разброс (4-16 м/с), что говорит об определенной вероятности энергодефицита в течение целых суток и возможном дефиците мощности в СТЭ, который должен быть скомпенсирован локальной буферизации энергии с помощью НЭ повышенной энергоемкости или коррекцией грузопотока. Статистическая обработка по часам суток в данном случае говорит о том, что ветровая нагрузка практически постоянна и график движения поездов не следует подстраивать в этом месяце под определенные часы, а он может быть равномерным. Полученное математическое ожидание позволяет оценить месячную выработку электроэнергии, вероятностное распределение позволяет определить минимальные и максимальные мощности ВЭУ и дать предварительное заключение о целесообразности использования ветроэнергии для нужд электрической тяги в данном регионе.

Рис. 2. Результаты статистической обработки экспериментальных данных ветровой нагрузки за месяц.

Помимо этого разработанная программа по уже известным параметрам ветровой нагрузки (среднее значение ветра, среднеквадратическое отклонение, закон распределения, параметры порывов и пр.), позволяет синтезировать случайную зависимость мгновенных значений скорости ветра от времени. Данный алгоритм представлен на рис.3., и используется в том случае, когда частично или полностью отсутствуют данные по мгновенным значениям ветра в течение значительного периода времени (например, месяцы июль, октябрь, ноябрь на рис.1.). В последующем теоретически синтезированная ветровая нагрузка может быть использована в качестве исходных данных в имитационной модели работы ветровых ТП в составе СТЭ ж.д.



Рис.3. Алгоритм формирования случайной зависимости значений скорости ветра по известному закону распределения.

Исследования показали, что распределение величины скорости ветра соответствует нормально-логарифмическому закону, а распределение длительности порывов ветра - нормальному. Поэтому для формирования случайных зависимостей скорости ветра используются нормальный закон распределения для длительности порывов ветра с параметрами m_n и у_n - математическое ожидание и среднеквадратическое отклонение случайной величины х_n, а также логарифмически-нормальный с параметрами б и в для амплитуды скорости ветра.

Для моделирования случайных чисел, распределенных по нормальному закону, использовался генератор псевдослучайных чисел (ГСЧ) о, равномерно распределенных в интервале от 0 до 1 с помощью стандартной подпрограммы Turbo Delphi-2007 «RANDOM». Затем используя уравнения преобразования равномерно распределенной величины, формировалась последовательность случайных чисел, распределенных по нормальному закону. В данной задаче используются формулы, предложенные Муллером, и позволяющие получать пару сопряженных независимых значений з₁ и з₂:

, . (1)

Нормальное распределение величин моделируется по формулам:

, . (2)

Логарифмически-нормальное распределение величин моделируется по формулам:

, . (3)

Для проверки согласованности теоретического и статистического распределения используется критерии согласия Пирсона:

; (4)

где n - число разрядов статистического ряда ветровой нагрузки; к - число реализаций (объем статической совокупности); m_i - количество попаданий в i-ый разряд статистического ряда; р_i - теоретическая вероятность попадания случайной величины в i-ый разряд статистического ряда; кр_i - теоретическое количество попаданий случайной величины в i-ый разряд.

Разработанная программа позволяет произвести расчёты, на основании которых можно не только сделать предварительные выводы о целесообразности использования энергии ветра в расчетных районах местности для нужд электрической тяги, но и синтезировать теоретическую ветровую нагрузку для дальнейшего использования в моделировании работы ВЭУ в составе СТЭ ж.д., оценить сезонную составляющую энергии ветра и, в случае неравномерности ветровой нагрузки в течение суток, скорректировать график движения поездов (для примера, в апреле, см. рис.2., ветровая нагрузка равномерна по времени суток, из чего следует, что график движения поездов может быть так же равномерным).

Во второй главе разработана схема ТП с ВЭУ (далее ВТП) для электрифицированной ж.д. переменного тока. Рассмотрены принципиальная схема и режимы работы ВТП (рис.4,5). Структурная схема ВТП показана на рис.4. В состав ВТП, вместо традиционного силового оборудования, должны входить ветровой электрогенератор в сочетании с преобразовательным агрегатом и накопителем энергии (НЭ) достаточно большой энергоемкости. В качестве НЭ может быть использован инерционный накопитель, емкостной, сверхпроводниковый индуктивные НЭ, или же аккумуляторная батарея АБ. Анализ основных типов НЭ показал, что для решения поставленной задачи целесообразнее использовать емкостной накопитель энергии (ЕНЭ).

Режим работы ВТП следующий (см. рис. 4, где показаны схемы ВТП и включения ВТП в СТЭ ж.д.): при отсутствии поездной нагрузки электроэнергия ВЭГ, вырабатываемая в блоке 1, накапливается в емкостном накопители энергии НЭ блока 2. При подходе поезда, ВТП начинает подпитывать его с помощью ВЭГ. В момент проезда вблизи ВТП поезд потребляет от подстанции максимальный тяговый ток, при отсутствии необходимого ветра параллельно к ВЭГ подключается НЭ, обеспечивая необходимую мощность. Основной смысл работы системы при этом заключается в том, что ВЭГ постоянного работает на полную мощность (если же, конечно, имеется необходимая сила ветра), питая и поездную нагрузку и паралель но обеспечивая подзаряд собственного НЭ или НЭ соседних ВТП. Сам же НЭ работает в импульсном режиме, обеспечивая энергией броски пусковых и далее тяговых токов. При необходимости (в случае недостаточной силы ветра в данном районе) подпитка ВТП для подзаряда НЭ может обеспечиваться от соседних ВТП или ГТП прямо по тяговой сети, т.е. через контактную сеть и рельсовую цепь.

Рис. 4. Структурная схема ВТП и возможные режим работы.

Таким образом, у ВТП существует несколько режимов работы (см. рис. 5):

- режим заряда НЭ от собственного ВЭГ (при отсутствии поездов Э на зоне), при этом энергия ветра через блок 1 поступает непосредственно к НЭ в блок 2 (см. рис.4);

- режим подзаряда НЭ по ТС от ГТП или соседних ВТП (при отсутствии других поездов на зоне и недостаточной ветровой нагрузке в данной части ж.д. линии);

- режим заряда НЭ по ТС от рекуперирующего поезда (при отсутствии поездов на зоне);

- режим питания Э поТС от ВЭГ (при незначительной тяговой нагрузке);

- режим питания Э по ТС от ВЭГ и НЭ (при питании поезда вблизи данной ВТП).



Рис. 5. Принципиальная схема системы тягового электроснабжения с ветровыми тяговыми подстанциями.

В случае подзаряда НЭ от главных тяговых подстанции (ГТП) по ТС снижается к.п.д. всей системы тягового электроснабжения с ВТП за счет появления дополнительных потерь электроэнергии в тяговой сети в ГТП и ВТП, что должно быть учтено при определении технико-экономической эффективности использования ВТП в СТЭ. На рис. 6. показана схема замещения СТЭ при заряде НЭ от ГТП. Величина дополнительных потерь электроэнергии от заряда НЭ ВТП от ГТП будет зависеть от ветровой ситуации в районе, а точнее от периодов дефецита ветровой нагрузки, и может быть рассчитана по следующей формуле:

; (5)

при этом ;

где k - количество элементов тяговой сети; n - количество ТП; m - количество ВТП; - потери активной мощности в ТС, ТП и ВТП; I₂ - общий ток, протекающий в ТС и ТП; I₁ - ток от тяговой нагрузки в ТС и ТП; - ток ВТП; - активное сопротивление ТС, ТП и ВТП (см. рис.6.).

Рис.6. Схема замещения СТЭ с ВТП при подзаряде НЭ от ГТП.

Следует отметить, что для обеспечения названных режимов работы СТЭ с ВТП в целом, необходима специальная многопараметрическая система измерений, диагностики и микропроцессорного блока управления. Данная система должна постоянно отслеживать состояние ТС, запас энергии в НЭ, ветровую нагрузку и многое другое, вплоть до кратковременных метеопрогнозов, и принимать решение о перераспределении энергетических потоков. К примеру, при недостаточной ветровой нагрузке и наличии поездов на зоне напряжение на шинах ВТП будет целесообразнее искусственно, с помощью преобразовательного агрегата, занизить и переложить большую часть тяговых токов на те ВТП, где сохранился больший энергозапас в НЭ или же на обычные ГТП. Таким образом, для наиболее эффективной работы всей СТЭ с ВТП необходимо централизованное управление.

Конструктивное исполнение ВТП предполагается быть модульным (ВЭГ+ ПА+НЭ), т.е. в данном случае мощность ВЭГ и энергоемкость НЭ независимы друг от друга, оцениваются исходя из существующего графика движения поездов, а также ветровой нагрузки данного района и определяется моделированием (см. гл.4.). Данный подход крайне удобен в случае усиления СТЭ при изменении размеров движения, а отсутствие подводящих линий системы первичного электроснабжения обеспечивает полную свободу в проектировании и сооружении необходимых конструкций.

На рис. 7 показана принципиальная схема ВТП, которая состоит из преобразователя постоянного тока с индуктивным звеном, трехфазного выпрямителя и однофазного выпрямительно-инверторного агрегата с повышающим выходным трансформатором.

Рис. 7. Схема ВТП.

Третья глава посвящена моделированию процесса работы ВЭУ в составе СТЭ ж.д. переменного тока, сформирована база данных по основным отечественным и зарубежным ВЭУ.

По методу общей оценки ветрового потенциала и производительности ВЭУ, при известных характеристиках ветра, можно перейти к электротехническим и эксплуатационным показателям ВЭУ, а именно: принимаем, что поток ветра с поперечным сечением S обладает кинетической энергией, определяемой выражением:

; (6)

где: - масса воздуха; - плотность воздуха; V - мгновенная скорость ветра, определяемая по данным наблюдений или моделирования; S - площадь сечения ветрового потока. Однако, полностью кинетическую энергию ветра преобразовать в движение ветряка практически невозможно, ее долю определяет коэффициент использования энергии ветра о, который оценен как:

; (7)

Полную мощность ветрового потока М можно описать произведением силы ветра Fv на скорость V. Реальная же мощность ветра должна учитывать коэффициент использования:

; (8)

где C_x - аэродинамический коэффициент лобового сопротивления; (V-U) - относительная скорость набегания ветра на поверхность; U - скорость, с которой перемещается рабочая поверхность (лопасти турбины).

В зависимости от условий работы, ландшафта, показателей ветровой нагрузки оценивается электроэнергетический потенциал ВЭУ с пересчетом уже на электрическую мощность, которая может быть отдана в СТЭ. А именно:

; (9)

где: А_ВЭУ - энергия ВЭУ, отданная в СТЭ, Р_ВЭУ - мощность, I_ВЭУ и U_ВЭУ - ток и напряжение ВЭУ, ДР_ВЭГ и ДР_ПА - потери мощности в электрогенераторе и преобразовательном агрегате.

Разработана прикладная программа (вид интерфейса приведен на рис. 8.), которая в зависимости от показателей ветровой нагрузки, места расположения ВЭУ (т.е. районной ветровой нагрузки) позволяет оценить тип ВЭГ, рассчитать интегральные и мгновенные электроэнергетические показатели всей ветровой электроустановки т.е. мгновенные мощности и выработка энергии в течение расчетного периода времени. На рис.8. приведен пример, где: и - технические характеристики выбранного типа ВЭУ SWT-2.3-93 (при скорости ветра 11 м/с будет достигнута номинальная мощность 2300 кВт); - смоделированная зависимость мгновенной мощности ВЭУ указанного типа от времени, которая в последующем будет использована в качестве исходных данных для моделирования работы СТЭ с ВЭУ; - интегральные показателей работы ВЭУ, т.е. средняя мощность ВЭГ составила 800 кВт при скорости ветра 7, 93 м/с, максимальная мощность ВЭГ соста вила 2300 кВт при скорости ветра от 11 м/с, выработка электроэнергии за расчетный период времени составила примерно 580 кВтч. В данном случае можно сделать вывод, что для использования на ВТП в составе СТЭ при соответствующих условиях понадобится как минимум 3 ВЭГ указанного типа.

Рис. 8. Интерфейс программы с примером оценки показателей работы ВЭУ при конкретных параметрах ветровой нагрузки.

На рис.9. показан принцип взаимодействия ВЭГ, НЭ и ТС, где в качественном виде в единой оси времени показан эпизод сравнения мощности ВТП, необходимой для нагрузки в ТС, с мощностью ВЭГ (а); определение необходимой мощности заряда или разряда НЭ (б); запас энергии НЭ в функции времени (в). На рис. 9. (а) показаны три характерные зоны: 1 - зона избыта мощности ВЭУ (в данный период времени ВЭГ полностью питает тяговую нагрузку, а также может заряжать НЭ и подпитывать другие ВТП); 2 - зона достаточности мощности ВЭУ (в данный период времени мощности ВЭГ хватает только на питание тяговой нагрузки на зоне); 3 - зона дефицита мощности ВЭГ (в данный период времени мощности ВЭГ не хватает для питания тяговой нагрузки и поэтому необходима подпитка от НЭ, НЭ при этом работает в режиме разряда). В зависимости от условий в ТС, которые определяются по уровню напряжения, и ветровой ситуации, определяется та или иная зона работы системы и дается сигнал на заряд или разряд НЭ. Из рисунков видно, что для определения необходимых параметров системы необходимо производить статистическую обработку показателей работы СТЭ и ВЭГ, а именно первой и третьей зон, а энергоёмкость НЭ для ВТП будет определяться, как интеграл разности мгновенных мощностей по времени:

; (10)

где Р_ТП - мгновенная мощность необходимая для питания нагрузки ТС; Р_ВЭГ - мгновенная мощность ВЭГ; i_ТС - ток тяговой сети, необходимый для питания тяговой нагрузки; U_ТС - напряжения на шинах ВТП.

При этом следует определить то соотношение интервала времени Т_р и величины мощности разряда НЭ за один цикл перезаряда, при котором величина отдаваемой энергии в ТС была максимальной (А_раз.max на рис.9). Именно на этоту величину и должна быть рассчитана энергоемкость НЭ.

Рис. 9. а) характер изменения мощности, необходимой для ТС и выдаваемой ВЭГ; б) мощности НЭ; в) изменения запаса энергии в НЭ в функции времени.

Алгоритм данной программы является частью имитационной модели работы ВТП в составе СТЭ, которая реализует все выше указанные режимы энергообмена между ТС, ВЭУ и НЭ. Блок-схема алгоритма модели представлена на рис.10. Для принятия решения в пользу того или иного выбора режима работы ВТП оцениваются условия в ТС (по уровню напряжения), проверяется текущий запас энергии в НЭ, а также в зависимости от силы ветра рассчитывается отдаваемая мощность ВЭУ. На рис.10.: - мгновенная мощность нагрузки ТС; - мгновенная мощность ВЭУ; - напряжения холостого хода ВТП; - напряжения тяговой сети; - ток тяговой подстанции; - ток ВЭУ; - ток накопителя энергии; - ток заряда НЭ; - ток разряда НЭ; - ток, отдаваемый ВТП в тяговую сеть; - избыточный ток рекуперации; - энергия НЭ; - скорость ветра.

Рис. 10. Блок-схема алгоритма работы ВТП в составе СТЭ ж.д.

В четвертой главе описан проект использования ВЭУ на электрифицируемом участке Актогай-Достык (Казахстан, район Джунгарских ворот, протяженность 306 км). В данном районе по результатам исследований наблюдается достаточный ветровой потенциал. Для расчета и моделирования даны характеристики железнодорожного участка Актогай - Достык, где описаны динамика объемов грузовых и пассажирских перевозок и их перспективы на будущее.

Для определения основных параметров работы СТЭ с ВТП на расчетном участке Актогай - Достык была смоделирована работа СТЭ с размерами движения 35 пар в сутки (грузовые 3600т и пассажирские 750т в случайном порядке, но с равномерным интервалом). Для расчета использовалась имитационная модель работы СТЭ ж.д. с ВТП, разработанная на базе программного комплекса, созданного на кафедре «Энергоснабжение эл. ж.д.» МИИТа. Общий вид расчетной схемы, в графическом представлении СТЭ с ВТП участка Актогай-Достык, показан на рис.11.

Достык - 0,2 км Жаланашколь - 65,20 км Разъезд №5 - 246,2 км Актогай - 306,2 км

Рис. 11. Графическое представление СТЭ участка Актогай-Достык.

Расчетная схема включает в себя 6 ТП, из них две это ГТП по краям расчетного участка (Достык и Актогай) и четыре ВТП (Жаланашколь, Разъезд №13, Разъезд №18, Разъезд №5). В результате моделирования получена зависимость мгновенных мощностей ТП и ВТП по времени, а также интегральные показатели работы ВТП (расход энергии за сутки, максимальные мощности заряда и разряда НЭ, необходимая энергоёмкость НЭ). Пример результатов моделирования приведён на рис.12,13,14. На рис.12. показана зависимость мощности одной из ВТП, необходимая для питания тяговой нагрузки, в течение 12 часов. Здесь видна характерная неравномерность тягового энергопотребления в ТС, где максимальное значение мощности достигало порядка 5,5 МВА, а минимальное опускалось практически до нуля.

Следует отметить, что среднее значение мощности данной ВТП составило 2,4 МВА. Необходимая мощность ВТП (рис.12.) должна быть обеспечена мощностью ВЭУ и НЭ. На рис. 13. показана мощность ВЭУ в той же оси времени в один из характерных дней с устойчивой ветровой нагрузкой. Среднее значение ВЭУ составило порядка 3 МВА, что выше среднего значения ВТП для необходимого питания ТС. Однако, тяговая нагрузка не равномерна и чтобы покрыть ее пики потребления (до 5,5 МВА) мощности ВЭУ недостаточно. Необходимый дефицит мощности компенсирует НЭ. На рис.14. показаны мощность и запас энергии в НЭ ВТП в той же оси времени. При совмещении всех трех графиком (рис.12,13,14) хорошо видно, когда и в каком режиме работает НЭ для обеспечения покрытия дефицита мощности ВЭУ, при этом максимальная мощность заряда составила 2,5 МВт, а максимальная мощность разряда - 3 МВт. Именно на эту мощность должен быть рассчитан ПА НЭ.

Рис. 12. Мощность ВТП «Разъезд №5», необходимая для питания ТС в течение 12 часов (моделирование участка Актогай - Достык), в функции времени.

Рис. 13. Мощность ВЭУ ВТП «Разъезд №5» в течение 12 часов (моделирование участка Актогай - Достык), в функции времени.



Рис. 14. Мощность и запас энергии в НЭ ВТП «Разъезд №5» в течение 12 часов (моделирование участка Актогай - Достык), в функции времени.

По разработанной модели с подключением созданных баз данных, произведены расчеты системы тягового электроснабжения и определены параметры ВТП с ВЭУ и НЭ в СТЭ электрифицируемого участка ж.д. Актогай-Достык переменного тока. По данным расчета выбраны силовое оборудование ТП, перегонные устройства, полупроводниковые преобразователи и прочее.

Электротехнические параметры ВТП должны быть следующими:

- мощность ВЭУ Р_вэу = 3х2300 МВт;

- мощность преобразователя НЭ Р_нэ = 5 МВт;

- энергоемкость НЭ А_нэ = 1000 МДж;

- общая номинальная мощность ВТП А_ВТП = 12 000 кВА.

Основным модулем этой модели является комплексная программа, где рассчитывается выдаваемая мощность ВТП в СТЭ ж.д., необходимая для заданных размеров движения.

В пятой главе рассмотрена технико-экономическая оценка эффективности использования ВЭУ в системе тягового электроснабжения ж.д., где рассчитывается обобщенный вид технико-экономических показателей работы СТЭ с ВЭУ. На рис. 15. представлен график изменения стоимости электроэнергии (федеральный закон РФ). На рис. 16. - изменение стоимости удельной установленной мощности ВЭУ по годам, а также изменение себестоимости энергии различных электростанций.

Рис. 15. График повышения тарифов на электроэнергию.	Рис. 16. Изменение стоимости удельной установленной мощности ВЭУ и себестоимости энергии различных электростанций.

Технико-экономический эффект от внедрения ВЭУ в СТЭ железных дорог в основном будет складываться за счет снижения капитальных затрат на строительство подводящих линий электропередачи уровня 110 (220) кВ и их обслуживание, снижения расходов на оплату электроэнергии на тягу поездов за счет энергии ветра и дополнительного дохода от продажи избыточной энергии в зимний сезон сторонним, нетяговым потребителям.

Таким образом, срок окупаемости ВТП в СТЭ ж.д. исследованного участка Актогай-Достык можно оценить следующим образом:

; (11)

где К_втп - капитальные вложения на строительство ВТП (руб.); К_тп - апитальные вложения на строительство традиционной ТП (руб.); Э_ээ - экономия электроэнергии, забираемой из системы первичного энергоснабжения, за счет использования энергии ветра за год (руб. в год); З_втп - затраты на эксплуатацию ВТП (руб. в год); З_тп - затраты на эксплуатацию традиционных ТП с учетом эксплуатации подводящих ЛЭП (руб. в год); ДЭ - сезонная энергия, т.е. дополнительная энергия в холодные месяцы года, когда ветер становится более стабильным и значительно усиливается, что позволяет подпитывать собственные нужды и нетяговые потребители для обогрева и других нужд (руб. в год); ДК - разница капитальных затрат на строительство ВТП и традиционных ТП с ЛЭП (руб.); Э - экономия средств за счет снижения затрат на электроэнергию (руб. в год).

Принимая во внимание удельную стоимость ВЭУ порядка 20000 руб. за кВт (рис.16.), уровень тарифов 2,75 руб. за кВт•ч (рис.15.), 30% резерв и годовую выработку электроэнергии порядка 26,3·10⁶ кВтч на ВТП, срок окупаемости ВТП по сравнению с традиционными ТП составил 12-15 лет. Следует отметить, что удельная стоимость ВЭУ со временем будет снижаться, а стоимость электроэнергии наоборот увеличиваться (рис.15, 16), поэтому к 2020 году срок окупаемости предполагаемой системы снизится до 9-11 лет, при сроке службы ВЭГ порядка 15-20 лет.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Возросший в последние годы интерес к энергетике является отражением ее экономической, социальной и экологической значимости для общества. Современный период развития характеризуется обострением проблем в энергетике, вызванных кризисом в экономике, а также появлением сложных экологических проблем.

В диссертации получены следующие основные результаты и выводы:

1. Результаты рассмотрения потенциальных возможностей известных и используемых ныне видов возобновляемых источников энергии: морских приливов и волн, гидроэнергии, геотермальной энергии, энергии биомассы, солнечного излучения и энергии ветра показывают, что для использования в системах тягового электроснабжения (СТЭ) железных дорог Казахстана наилучшим образом подходит ветровая энергия.

2. Предложена структурная схема ветровой электрической тяговой подстанции (ВТП), состоящей из ветрогенератора (крыльчатки с генератором переменного тока на оси), преобразователя переменного тока в постоянный, к выходу которого подключены две параллельных ветви: накопителя энергии и блока тяговой сети. Первая ветвь состоит из четырех квадрантного преобразователя постоянного тока в постоянный и блока суперконденсаторов (ионисторов), а вторая - из преобразователя постоянного тока в переменный и трансформатора, выходная обмотка которого питает тяговую сеть 25 кВ.

3. Определена элементная база, разработаны требования ко всем преобразователям ВТП и их принципиальные схемы.

4. На основании статистических данных получены необходимые для расчетов параметров ВТП характеристики ветров, так называемых Джунгарских ворот - высокогорного плато, лежащего на уровне 500 м, шириной от 10 до 20 км и протяженностью 80 км - где в ближайшее время намечается электрификация железной дороги на переменном токе 25 кВ.

5. Разработана имитационная модель работы ВТП в составе программного комплекса, разработанного на кафедре «ЭЭЖД» МИИТа, позволяющая определять целесообразные места установки, мощность и количество ВТП в составе любого электрифицируемого участка ж.д. Модель использован при расчетах электрификации участка Актогай - Достык, длиной 306 км, проходящего через плато Джунгарские ворота.

6. Предложена методика оценки технико-экономической эффективности использования ВТП в СТЭ железной дороги. Дан пример использования методики применительно к электрифицируемому участку Актогай-Достык ж.д. переменного тока.

7. В целом результаты работы убеждают, что постоянно снижающаяся стоимость получаемой ветровой энергии, простота и удобство обслуживания ВТП, наличие большого количества отечественных и иностранных фирм, выпускающих ВЭУ, является залогом того, что использование ВТП при электрификации железных дорог несомненно будет использовано. А именно: планируется, что к 2015 году срок окупаемости ВТП по сравнению с традиционными ТП составит 12-15 лет.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ОПУБЛИКОВАНЫ АВТОРОМ В СЛЕДУЮЩИХ СТАТЬЯХ

1. Жуматова А.А. Обзор по нетрадиционным возобновляемым источникам энергии // Сборник трудов научно-практической конференции «Неделя науки МИИТа» - 2007г. - с.V-69-70.

2. Жуматова А.А., Шевлюгин М.В. Повышение надежности и энергетической стабильности электроснабжения ж.д. Казахстана с помощью возобновляемых источников энергии //Труды VIII научно-практической конференции «Безопасность движения поездов». - М.: МИИТ, 2007. с.V-51-52.

3. Жуматова А.А., Шевлюгин М.В. Возобновляемые источники энергии и оценка возможности в системах тягового электроснабжения ж.д. // научно-технический журнал, Вестник МИИТа выпуск 16, 2007. с. 27-31.

4. Жуматова А.А., Шевлюгин М.В. Возможность использования возобновляемых источников энергии в системе тягового электроснабжения железных дорог // Журнал «Наука и техника транспорта». М. 2008. №4 с. 25-28.

5. Жуматова А.А., Шевлюгин М.В. Повышение надежности и энергетической независимости электрифицированных ж.д. с помощью ветровых электроустановок //Труды IX научно-практической конференции «Безопасность движения поездов». - М.: МИИТ, 2008. с. VI-12-13.

6. Жуматова А.А. Ветровые электроустановки в системе тягового электроснабжения железных дорог //Тезисы докладов V - Международном симпозиуме ElTrans, «Электрификация, инновационные технологии, скоростные и высокоскоростное движение на железнодорожном транспорте, 200 лет ПГУПС», Санкт-Петербург, 2009. с.42-43.

7. Жуматова А.А. Оценка устойчивости ветровой нагрузки для ВЭУ в составе СТЭ электрифицированных ж.д. //Труды X научно-практической конференции «Безопасность движения поездов». - М.: МИИТ, 2009. с.VI-3-4.

8. Жуматова А.А., Шевлюгин М.В. Экспериментальный анализ ветрового потенциала Юго-Казахстано-Каратауских зон и Джунгарских ворот для использования в электроэнергетических системах железнодорожного транспорта // Вестник Казахской академии транспорта и коммуникации им. М. Тынышпаева. Казахстан - Алматы, 2009. №2 с.231-235.

9. Жуматова А.А. Экономические предпосылки использования ветровых электроустановок в системе тягового электроснабжения Казахстана // Сборник трудов научно-практической конференции «Неделя науки МИИТа» - 2009г. - с.II-39.

Размещено на Allbest.ru

...