ВВЕДЕНИЕ………………………………………………………………….…..6
1 АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ СИСТЕМ НАКОПЛЕНИЯ ЭНЕРГИИ И
ОПЫТА ИХ ПРИМЕНЕНИЯ В СИСТЕМАХ ТЯГОВОГО
ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ МЕТРОПОЛИТЕНОВ В РОССИИ И МИРЕ…………..12
Классификация накопителей энергии................................................ 12
Электрохимические накопители энергии.......................................... 13
1.2.1 Свинцово-кислотные аккумуляторы ............................................. 13
1.2.2 Никель-кадмиевые аккумуляторы ................................................. 14
1.2.3 Никель-металлогидридные аккумуляторы ................................... 16
1.2.4 Натрий-серные аккумуляторы........................................................ 16
1.2.5 Литий-ионные аккумуляторы......................................................... 17
1.2.6 Проточные редокс-аккумуляторы.................................................. 18
Электромеханические накопители энергии ...................................... 19
1.3.1 Гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС)........................ 19
1.3.2 Накопители кинетической энергии (НКЭ).................................... 20
1.3.3 Системы накопления энергии на сжатом воздухе........................ 22
Электрические накопители энергии .................................................. 23
1.4.1 Сверхпроводниковые индуктивные накопители энергии ........... 23
1.4.2 Суперконденсаторы......................................................................... 24
Основные критерии выбора накопителей ......................................... 24
1.5.1 Удельная энергоёмкость ................................................................. 24
1.5.2 Удельная мощность ......................................................................... 25
1.5.3 Величина саморазряда..................................................................... 25
1.5.4 Цикличность..................................................................................... 25
1.5.5 КПД цикла заряд/разряд.................................................................. 26
1.5.6 Срок службы..................................................................................... 26
Обзор опыта применения накопителей на железнодорожном
транспорте в мире ..................................................................................................... 27
3
1.6.1 Аккумуляторные батареи................................................................ 27
1.6.2 Суперконденсаторы......................................................................... 29
1.6.3 Маховики .......................................................................................... 32
2 РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИИ УНЭ………………………………….34
Принципиальная схема управляемой накопительной установки... 34
2.1.1 Накопительный элемент.................................................................. 40
2.1.2 Преобразователь постоянного напряжения .................................. 40
2.1.3 Система управления накопителя энергии ..................................... 42
Задача выбора накопителей энергии.................................................. 45
Требования к накопителям энергии................................................... 47
Расположение накопителей энергии.................................................. 50
2.4.1 Расположение УНЭ составе оборудования тяговой подстанции 50
Использование накопителя в качестве резервного источника
энергии……………………………………………………………………………51
2.4.2 Использование УНЭ в качестве усиливающего оборудования
тяговой сети ........................................................................................................... 52
Расположение в середине перегона ............................................ 53
Расположение на конце консольного участка ........................... 54
2.4.3 Определение мест установки накопителей энергии на тяговых
подстанциях метрополитена ................................................................................ 56
2.4.4 Обследование тоннеля на предмет наличия свободных площадей
для размещения УНЭ............................................................................................ 58
3 МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ УПРАВЛЯЕМОГО НАКОПИТЕЛЯ
ЭНЕРГИИ……………………………………………………………………………...62
Моделирование литий-ионного накопителя ..................................... 62
3.1.1 Описание использованной математической модели.................... 62
3.1.2 Программное представление выбранной математической модели
НЭ…………………………………………………………………………………64
3.1.3 Масштабирование модели накопителя энергии ........................... 68
4
3.1.4 Оценка результатов моделирования .............................................. 69
Опыт заряда и разряда накопителя при
постоянном напряжении....................................................................................... 70
Опыт разряда батареи при постоянном токе ............................. 74
Опыт работы модели с случайным входным напряжением..... 75
3.1.5 Верификация результатов имитационного моделирования........ 77
Опыт заряда и разряда накопителя при
постоянном напряжении....................................................................................... 80
Моделирование суперконденсаторной батареи................................ 83
3.2.1 Описание математической модели ................................................ 83
3.2.2 Реализация метаматематической модели при помощи
программного кода................................................................................................ 85
3.2.3 Оценка результатов моделирования .............................................. 86
Опыт заряда и разряда накопителя при
постоянном напряжении....................................................................................... 87
Опыт разряда батареи при постоянном токе ............................. 90
Опыт работы модели с случайным входным напряжением..... 91
3.2.4 Верификация результатов имитационного моделирования
суперконденсатора ................................................................................................ 92
Опыт заряда и разряда суперконденсаторного накопителя при
постоянном напряжении....................................................................................... 95
Моделирование системы управления накопителями энергии в
составе системы тягового электроснабжения ........................................................ 96
3.3.1 Система управления накопителем энергии в режиме принятия
энергии рекуперации............................................................................................. 96
3.3.2 Система управления накопителем энергии в режиме снижения
установленной мощности тяговой подстанции ............................................... 101
Моделирование DC-DC преобразователя в составе УНЭ ............. 104
4 ИМИТАЦИОННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОТЫ УНЭ В СТЭ
МЕТРОПОЛИТЕНА…………………………………………………………………115
5
Разработка имитационной модели ................................................... 115
4.1.1 Объект моделирования.................................................................. 115
4.1.2 Формирование баз исходных данных.......................................... 116
4.1.3 Структурная и принципиальная схемы имитационной модели 117
4.1.4 Режимы расчёта.............................................................................. 120
Результаты имитационного модерирования системы тягового
электроснабжения ................................................................................................... 121
4.2.1 Моделирование работы СТЭ без рекуперации и УНЭ.............. 121
4.2.2 Моделирование работы СТЭ с рекуперацией, без УНЭ............ 125
Верификация результатов моделирования............................... 128
4.2.3 Моделирование работы СТЭ с рекуперацией и различными
конфигурациями УНЭ......................................................................................... 131
Моделирование работы СТЭ с рекуперацией и УНЭ на СТП в
режиме принятия избыточной рекуперации .................................................... 131
Анализ влияния расположения накопителей энергии на
эффективность использования энергии рекуперации ..................................... 140
Моделирование работы СТЭ с рекуперацией и УНЭ на СТП в
середине перегона ............................................................................................... 142
Моделирование работы консольного участка СТЭ с
УНЭ в конце зоны ............................................................................................... 147
4.2.4 Проверка методики выбора мест установки накопителей ........ 152
5 ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ
ИСПОЛЬЗОВАНИЯ УНЭ…………………………………………………………...154
ЗАКЛЮЧЕНИЕ……………………………………………………………….162
СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ…………………………………..164
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ…………………………………………………….165
