ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТЬ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПОДВИЖНОГО СОСТАВА МЕТРОПОЛИТЕНА
Comparative assessment of five possible energy supply systems of rolling stock subway is carried out, four of which are an alternative to the existing in Ukraine. The method for evaluation of energy efficiency of power supply systems based on the use of the terms "energy" and &...
Збережено в:
| Дата: | 2013 |
|---|---|
| Автори: | , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Українська |
| Опубліковано: |
Інститут електродинаміки НАН України, Київ
2013
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://techned.org.ua/index.php/techned/article/view/994 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Technical Electrodynamics |
| Завантажити файл: |  |
Репозитарії
Technical Electrodynamics| _version_ | 1870203329229881344 |
|---|---|
| author | Жемеров, Г.Г. Тугай, Д.В. Холод, О.И. |
| author_facet | Жемеров, Г.Г. Тугай, Д.В. Холод, О.И. |
| author_institution_txt_mv | [
{
"author": "Г.Г. Жемеров",
"institution": "Национальный технический университет ״Харьковский политехнический институт״, ул. Кирпичева, 2, Харьков, 61002, Украина"
},
{
"author": "Д.В. Тугай",
"institution": "Харьковский национальный университет городского хозяйства ул. Революции, 12, Харьков, 61002, Украина"
},
{
"author": "О.И. Холод",
"institution": "Национальный технический университет ״Харьковский политехнический институт״, ул. Кирпичева, 2, Харьков, 61002, Украина"
}
] |
| author_sort | Жемеров, Г.Г. |
| baseUrl_str | https://techned.org.ua/index.php/techned/oai |
| collection | OJS |
| datestamp_date | 2023-01-04T14:44:23Z |
| description | Comparative assessment of five possible energy supply systems of rolling stock subway is carried out, four of which are an alternative to the existing in Ukraine. The method for evaluation of energy efficiency of power supply systems based on the use of the terms "energy" and "energy losses" is proposed. It is shown, that the use of energy-intensive energy storage in subway power systems will not only reduce the total amount of electricity consumed from the network, but also will reduce the energy loss during its transportation and consumption. References 10, figures 5, table 1. |
| first_indexed | 2026-06-16T01:16:58Z |
| format | Article |
| fulltext |
ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2014. № 1 67
УДК 621.314
ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТЬ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ
ПОДВИЖНОГО СОСТАВА МЕТРОПОЛИТЕНА
Г.Г.Жемеров1, докт.техн.наук, Д.В.Тугай2, канд.техн.наук, О.И.Холод1
1 – Национальный технический университет «ХПИ»
ул. Фрунзе, 21, Харьков, 61002, Украина,
2 – Харьковский национальный университет городского хозяйства
ул. Революции, 12, Харьков, 61002, Украина, e-mail: tugaydv@yandex.ua
Проведена сравнительная оценка энергоэффективности пяти возможных систем электроснабжения подвижного
состава метрополитена, четыре из которых являются альтернативой существующей в Украине. Предложен метод
оценки показателей энергетической эффективности систем электроснабжения, основанный на использовании поня-
тий «энергия» и «потери энергии». Показано, что использование энергоемких накопителей энергии в системах элек-
троснабжения метрополитена позволит не только уменьшить суммарный объем электроэнергии, потребляемый из
сети, но и значительно сократить потери энергии при ее транспортировании и потреблении. Библ. 10, рис. 5, табл. 1.
Ключевые слова: система электроснабжения, подвижной состав, энергоэффективность, энергия, потери энергии,
коэффициент полезного действия, рекуперация, накопитель энергии.
Введение. Метрополитен (МП) является неотъемлемой частью транспортной системы совре-
менного крупного города, превосходящей по пассажиропотоку наземный муниципальный транспорт
[6]. Последние исследования подчеркивают возрастающую роль городского электрического транс-
порта в формировании будущего облика мегаполиса [9]. В связи с этим МП сталкивается с пробле-
мами обеспечения эффективности электроснабжения при сохранении надежности пассажирских пе-
ревозок в условиях увеличивающегося трафика.
Вопросы повышения энергетической эффективности особенно актуальны для украинских
МП, где по сегодняшний день эксплуатируется подвижной состав с коллекторными двигателями по-
стоянного тока и резистивным торможением, при котором кинетическая энергия движущегося элек-
тропоезда рассеивается в виде тепла в тормозных резисторах [5, 9]. По данным метрополитена затра-
ты электроэнергии на питание поездов при такой системе электроснабжения (СЭ) составляют 80-95%
от общих затрат электроэнергии [9]. Причем, значительная часть этой энергии теряется на тяговых
подстанциях, в контактной сети, в тяговых электроприводах и их тормозных резисторах.
В работе [4], наряду с традиционной (СЭ 1), рассматривались четыре системы электроснаб-
жения МП: с активным выпрямителем (АВ) и рекуперацией энергии в сеть (СЭ 2); с АВ и стационар-
ным накопителем энергии (НЭ) (СЭ 3); с АВ и бортовым накопителем энергии (СЭ 4) и бесконтакт-
ная СЭ с бортовым накопителем энергии (СЭ 5) (под этим термином понимается отсутствие контакт-
ной сети и подключение к стационарному источнику только на станциях). Были определены пре-
имущества и недостатки каждой СЭ, однако остались несформулированными метод и методика оп-
ределения их энергетической эффективности. Целью данной статьи является разработка метода и ме-
тодики определения эффективности систем электроснабжения метрополитена. Следует отметить, что
результаты исследования могут быть использованы для оценки энергетической эффективности прак-
тически любой СЭ с полупроводниковыми преобразователями и накопителями энергии.
Мгновенная мощность сети в интервале движения подвижного состава. От выбранной
системы электроснабжения МП будет зависеть форма графика мгновенной мощности, развиваемой
электроприводом подвижного состава в полном интервале движения. Для удобства дальнейшего ана-
лиза разобьем полный интервал движения (Т) на четыре одинаковых временных отрезка: время раз-
гона электропоезда до номинальной скорости (tac), время движения с номинальной скоростью (после
разгона) (tmov), время торможения (tbr) и время стоянки поезда на станции (tst). На практике соотноше-
ния указанных интервалов могут существенно отличаться от принятых здесь, но методология расчета
показателей энергоэффективности от этого не изменится. На рис. 1, а показаны графики тока, напря-
жения и мощности нагрузки в интервале движения подвижного состава между станциями, соответст-
вующие принятому ранее допущению
/ 4ac mov br stt t t t T= = = = . (1)
© Жемеров Г.Г., Тугай Д.В., Холод О.И., 2014
68 ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2014. № 1
Рис. 1
График мощности нагрузки учитывает энергию, потребляемую на электрическую тягу, и
энергию, потребляемую прочим электротехническим оборудованием подвижного состава (освеще-
ние, связь, кондиционирование, привод дверей). Для удобства представления график мощности, вспо-
могательной нагрузки принят постоянным на всех четырех временных интервалах (рис. 1, а). Графи-
ки напряжений динамической и статической нагрузок представлены на рис. 1, а в виде двух отдель-
ных зависимостей. Базовая мощность Pbase на рис. 1, а определяется как отношение максимума кине-
тической энергии к интервалу разгона
max max/ 4 /base kin ac kinP E t E T= = . (2)
При разгоне электропоезда двигатель постоянного тока развивает номинальный момент на
валу, и мощность нагрузки линейно возрастает до базового значения Pbase. С учетом энергии, потреб-
ляемой на собственные нужды ( max0,1tr kinE E= ) и преодоление сопротивления качению и сопротивле-
ния воздуха в туннеле ( max0,2move kinE E= ), максимальная мощность нагрузки составляет
max 1,092 baseP P= . После разгона поезд движется с постоянной скоростью и мощность нагрузки неиз-
менна во времени и составляет 9,2% от базовой мощности (рис. 1). В интервале торможения кинети-
ческая энергия, набранная поездом, уменьшается до нуля, после чего на интервале стоянки электро-
питание обеспечивается лишь для вспомогательного электротехнического оборудования состава.
На рис. 1, б показаны графики мощности сети для пяти выбранных систем электроснабжения.
Форма графика мощности традиционной СЭ (рис. 1, ба) совпадает с формой графика нагрузки в ин-
тервалах tac, tmov, tst с учетом потерь энергии во всех элементах системы
++++ Δ=Δ+Δ+Δ=Δ 11 EEEEE ASDdS , (3)
где ΔЕS+, ΔЕd+, ΔЕASD+ – соответственно потери энергии в тяговой подстанции (трансформаторах, ре-
акторах, выпрямителе и соединительных кабелях), контактной сети и элементах электропривода при
потоке энергии из сети в нагрузку.
График мощности сети при СЭ с активным выпрямителем и рекуперацией энергии в сеть
(рис. 1, бб) соответствует графику мощности нагрузки с учетом потерь в элементах системы при дву-
направленном потоке энергии
−+−−−+++ Δ+Δ=Δ+Δ+Δ+Δ+Δ+Δ=Δ 222 EEEEEEEEE ASDdSASDdS , (4)
где ΔЕS-, ΔЕd-, ΔЕASD- – соответственно потери энергии в устройствах тяговой подстанции (трансфор-
маторах, реакторах, выпрямителе и соединительных кабелях), контактной сети и элементах электро-
привода при рекуперации энергии из нагрузки в сеть.
График мощности сети при СЭ с АВ и стационарным накопителем энергии (рис. 1, бв) соот-
ветствует потоку энергии, расходуемой на собственные нужды электропоезда, преодоление трения, и
суммарным потерям энергии в элементах СЭ при двунаправленном потоке
−+−−+++ Δ+Δ=Δ+Δ+Δ+Δ+Δ+Δ=Δ 3333 EEEEEEEEE ESASDdASDdS , (5)
где ΔES3+ – приведенные потери энергии в устройствах тяговой подстанции в режиме 3, ΔEES – потери
энергии в накопителе энергии.
ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2014. № 1 69
График мощности сети при СЭ с АВ и бортовым накопителем энергии аналогичен графику
мощности СЭ с АВ и стационарным накопителем энергии (рис. 1, бв) и отличается лишь уровнем
суммарных потерь энергии в элементах СЭ
−+−+++ Δ+Δ=Δ+Δ+Δ+Δ+Δ=Δ 44444 EEEEEEEE ESASDASDdS , (6)
где ΔES4+, ΔEd4+ – соответственно приведенные потери энергии в элементах тяговой подстанции и
контактной сети для четвертой СЭ.
На рис. 1, бг показан график мощности сети бесконтактной СЭ с бортовым накопителем энер-
гии. В интервале стоянки подвижного состава на станции tst происходит подзарядка накопителя от
сети. Энергия, закачиваемая в накопитель на этом промежутке времени, равна энергии, потребленной
на собственные нужды, а также на преодоления сопротивления воздуха и трения с учетом суммарных
потерь энергии в элементах системы электроснабжения
−+−++ Δ+Δ=Δ+Δ+Δ+Δ=Δ 55555 EEEEEEE ESASDASDS , (7)
где ΔES5+ – приведенные потери энергии в устройствах тяговой подстанции для пятой СЭ, ΔEЕS5 – по-
тери в бортовом накопителе.
Расчет показателей эффективности систем электроснабжения удобно проводить, оперируя
понятием «энергия» [3]. Дальнейший расчет выполняется в относительных единицах, а за базисную
величину принимается максимум кинетической энергии, приобретенной поездом во время разгона
maxkinbase EE = . (8)
Положим, что на собственные нужды подвижного состава затрачивается энергия, равная 10%
от базисной величины, а на преодоление трения и сопротивления воздуха в туннеле – 20%. Тогда по-
лезная энергия
movetrkinusf EEEE ++= max , (9)
или в относительных единицах * max* * * 1 0,1 0,2 1,3usf kin tr moveE E E E= + + = + + = . (10)
Схема потока энергии через элементы традиционной СЭ показана на рис. 2, а. Схема демон-
стрирует однонаправленный поток энергии из сети в нагрузку. Суммарная энергия, потребляемая из
сети при традиционной СЭ, численно равна энергии, прошедшей через элементы СЭ в положитель-
ном потоке *1**1*1 EEEE usfS Δ+== + . (11)
Коэффициент полезного действия (КПД) при закачке энергии в нагрузку
* *usfE E+ +η = . (12)
В схеме с
рекуперацией
энергии в сеть
(рис. 2, б) в ин-
тервале тормо-
жения появляет-
ся обратный по-
ток энергии из
нагрузки в ис-
точник, при этом
максимальная
кинетическая
энергия преобра-
зуется в элек-
трическую энер-
гию, которая че-
рез все элементы
СЭ передается в
сеть, претерпе-
вая потери. Сум-
марная энергия
сети в полном
интервале дви-
жения *2*2*2***2 −+ −=Δ++= EEEEEE trmoveS . (13)
Рис. 2
70 ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2014. № 1
Из сопоставления рис. 2, а и рис. 2, б следует, что *1*2 ++ = EE и *1*2 ++ Δ=Δ EE .
При принятых выше относительных потерях в элементах СЭ пропорционально вычисляются
потери энергии при ее рекуперации (рис. 2, б):
* * max* */ASD ASD kin usfE E E E− +Δ = Δ ; * max* *,ASD kin ASDE E E− −= − Δ (14, 15)
где EASD-* – относительная энергия, прошедшая через регулируемый электропривод при рекуперации.
*
*
*
**
*
**
+
−
+
+
−
+− ⋅Δ=
Δ+
⋅Δ=Δ
ASD
ASD
d
ASDusf
ASD
dd E
EE
EE
EEE ; * * * ,d ASD dE E E− − −= − Δ (16, 17)
где Ed-* – относительная энергия, прошедшая через контактную сеть при рекуперации.
*
*
*
**
*
**
+
−
+
++
−
+− ⋅Δ=
Δ+
⋅Δ=Δ
d
d
S
dASD
d
SS E
EE
EE
EEE ; 2 * * * ,d SE E E− − −= − Δ (18, 19)
где E2-* – относительная энергия, рекуперируемая в сеть, численно равная энергии в отрицательном потоке.
Суммарные потери энергии при двунаправленном потоке определяются как арифметическая
сумма потерь энергии двух потоков.
КПД при закачке энергии в нагрузку для второй СЭ рассчитывается по соотношению (11).
КПД при отборе энергии нагрузки * max*/ kinE E− −η = . (20)
Суммарный КПД, учитывающий работу СЭ в двух режимах,
( )( ) ( )( )1 1
* max* * * * max* *usf kin usf kin SE E E E E E E− −
Σ + −η = − − = − , (21)
где ES* – относительная энергия, потребляемая из сети.
Коэффициент возврата энергии из нагрузки в сеть в общем случае
* *Ek E E− += . (22)
На рис. 3, а показана условная схема потоков энергии в СЭ с АВ и стационарным накопителем.
Положительный поток энергии при этой системе электроснабжения уменьшается по сравне-
нию с рассмотренными выше СЭ. Уменьшение положительного потока связано с уменьшением по-
терь энергии в элементах тяговой подстанции, в связи с тем, что через нее передается только энергия
собственных нужд подвижного состава и энергия Emove
( )( ) ( )( )1 1
3 * * * * * * * * 3 * *S S d d ES d S d dE E E E E E E E E E− −
+ + − + + − +Δ = Δ ⋅ − − Δ = Δ ⋅ − , (23)
где ΔEES* – относительные потери энергии в накопителе энергии.
Энергия через элементы СЭ в положительном потоке
*3**3 +++ Δ+= Sd EEE . (24)
Рис. 3
ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2014. № 1 71
Энергия, передаваемая через элементы СЭ со стационарным НЭ в отрицательном потоке, не-
много увеличивается за счет сокращения потерь при ее возврате (рис. 3, а), поэтому суммарная энер-
гия, потребляемая из сети, уменьшится.
Коэффициенты полезного действия в СЭ со стационарным накопителем, а также коэффици-
ент возврата энергии, могут быть рассчитаны по соотношениям (11), (19)−(21).
Схема потоков энергии в системе электроснабжения подвижного состава метрополитена с
бортовым накопителем энергии представлена на рис. 3, б. Уменьшение пути прохождения основного
потока энергии при размещении накопителя на подвижном составе приводит к еще большему сниже-
нию потока энергии, потребляемой из сети. Однако при такой СЭ необходимо учитывать возможное
увеличение массы электропоезда, а значит и максимальной кинетической энергии
*max**max kinESkinESkin EEE Δ+= , (25)
где ΔEkinES* – приращение кинетической энергии за счет увеличения массы электропоезда.
Бортовое размещение НЭ позволяет уменьшить потери энергии в контактной сети в положи-
тельном потоке
*
*4*
*
*
***
**4
+
−+
+
+
−+
++
−
⋅Δ=
Δ−−
⋅Δ=Δ
ASD
ASD
d
ASD
ESASDASD
dd E
EEE
E
EEEEE , (26)
а также потери в элементах тяговой подстанции
*
*4*4*
**4
+
−++
++
−Δ+
⋅Δ=Δ
d
dASD
SS E
EEEEE . (27)
Энергия через элементы СЭ в положительном потоке
*4*4**4 ++++ Δ+Δ+= SdASD EEEE . (28)
На рис. 4 показана схема потоков энергии бесконтактной СЭ с бортовым НЭ. Отсутствие кон-
тактной сети уменьшает потери энергии в положительном потоке по сравнению с рассмотренными
выше системами электроснабжения. Тяговая подстанция в этой СЭ исполняет роль устройства подза-
рядки накопителя энергии. Потери энергии в элементах тяговой подстанции
*1
*5*5*
*
*1
**5*
**5
+
−+
+
+
−+
++
−Δ+
⋅Δ=
−Δ+
⋅Δ=Δ
S
ESASD
S
S
ASDESASD
SS E
EEEE
E
EEEEE , (29)
где ΔEES5* – относительные потери энергии в накопителе
при бесконтактной СЭ. В связи с тем, что от накопителя
осуществляется электроснабжение подвижного состава в
интервалах движения, **5 ESES EE Δ>Δ . (30)
Энергия через элементы бесконтактной СЭ в по-
ложительном потоке
*5*5**5 +++ Δ+Δ+= SESASD EEEE . (31)
В таблице (в строках «Р») представлены резуль-
таты расчета показателей эффективности пяти рассмот-
ренных систем электроснабжения, выполненные с ис-
пользованием соотношений (2)−(31). В качестве исход-
ных были выбраны следующие данные: * 0,065SE +Δ = ,
* 0,13dE +Δ = , * 0,07ASDE +Δ = , * 0,01ESEΔ = , 5* 0,02ESEΔ = .
Для бортовых систем были рассчитаны энергетические
показатели при возможном увеличении максимума ки-
нетической энергии на 10 и 20%.
Теоретический расчет подтвердил ожидаемое уве-
личение коэффициентов полезного действия и коэффициен-
та возврата энергии при переходе от традиционной СЭ к системам электроснабжения, использующим НЭ.
Энергетическая эффективность системы электроснабжения подвижного состава выше при
бортовом размещении накопителя энергии.
Компьютерное моделирование систем электроснабжения. Для проверки теоретических по-
ложений была разработана эквивалентная Matlab-модель системы электроснабжения подвижного со-
става метрополитена, представленная на рис. 5. Модель позволяет получить энергетические характе-
ристики пяти рассматриваемых систем электроснабжения в динамическом режиме.
72 ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2014. № 1
Matlab-модель по рис. 5 состоит из четырех типов блоков:
1. Силовая схема (блоки 1−10).
2. Блоки задания параметров (блоки 11−14).
3. Измерительные блоки и подсистемы (блоки 15−17).
4. Регистрирующие виртуальные приборы (блоки 18−20).
Силовая схема эквивалентной Matlab-модели состоит из:
− источника напряжения (блок 1), имитирующего промышленную сеть;
− статической нагрузки (блок 4), выполненной в виде источника тока и имитирующей вспо-
могательное электротехническое оборудование электропоезда;
− динамической нагрузки (блок 5), выполненной в виде источника тока и имитирующей элек-
тропривод подвижной части. Блок 5 позволяет задавать любую форму графика мощности;
− накопителя энергии (блок 3);
− силовых контакторов (блок 2), выполняющих необходимые коммутации силовой схемы в
зависимости от выбранной СЭ;
Номер схемы СЭ СЭ 1 СЭ 2 СЭ 3 СЭ 4 СЭ 5
Дополнительная кинетическая
энергия, ΔEk*
– – – 0 0.1 0.2 0 0.1 0.2
Р 1.565 0.744 0.681 0.496 0.562 0.63 0.462 0.521 0.58Суммарная энергия, по-
требляемая из сети, ES* Э 1.565 0.743 0.684 0.496 0.562 0.634 0.462 0.526 0.583
Р 1.565 1.565 1.527 1.432 1.587 1.744 1.408 1.557 1.706 Положительный поток
энергии, E+* Э 1.565 1.565 1.528 1.432 1.587 1.744 1.408 1.56 1.711
Р 0 -0.821 -0.846 -0.936 -1.025 -1.114 -0.946 -1.036 -1.126 Отрицательный поток
энергии, E-* Э 0 -0.823 -0.844 -0.936 -1.023 -1.111 -0.946 -1.033 -1.12
Р 0.265 0.265 0.227 0.132 0.157 1.184 0.108 0.127 0.146Потери энергии в положи-
тельном потоке, Δ E+* Э 0.265 0.265 0.228 0.132 0.157 0.183 0.108 0.13 0.152
Р 1 0.179 0.154 0.064 0.075 0.086 0.054 0.064 0.074Потери энергии в отрица-
тельном потоке, Δ E-* Э 1 0.177 0.156 0.064 0.076 0.089 0.054 0.067 0.079
Р 1.265 0.444 0.381 0.196 0.232 0.27 0.162 0.191 0.22 Суммарные потери энер-
гии, Δ EΣ* Э 1.265 0.442 0.384 0.196 0.233 0.272 0.162 0.196 0.3
Р 0.831 0.831 0.851 0.908 0.901 0.894 0.923 0.919 0.914 КПД при закачке энергии
в нагрузку, η+ Э 0.831 0.831 0.851 0.908 0.901 0.893 0.923 0.917 0.91
Р 0 0.821 0.846 0.936 0.932 0.928 0.946 0.942 0.938 КПД при отборе энергии
нагрузки, η- Э 0 0.823 0.844 0.936 0.931 0.925 0.946 0.94 0.933
Р 0.192 0.403 0.441 0.605 0.587 0.571 0.649 0.634 0.62 Суммарный КПД, ηΣ Э 0.192 0.404 0.439 0.605 0.585 0.568 0.649 0.629 0.616
Р 0 0.524 0.554 0.654 0.646 0.639 0.672 0.666 0.66 Коэффициент возврата
энергии, kE Э 0 0.526 0.552 0.654 0.645 0.637 0.672 0.662 0.654
Рис. 5
ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2014. № 1 73
− резистивной нагрузки (блоки 6−10), выполненной в виде стандартных блочных элементов
Series RLC Load библиотеки SimPowerSystems.
Величина активной мощности рассчитывается математически в зависимости от выбранной
СЭ. Блоки резисторов определяют потери в элементах системы электроснабжения (рис. 5).
Блоки задания параметров 11 и 12 позволяют задавать форму графика тока и напряжения дина-
мической нагрузки. В данной модели с помощью этих блоков задаются мгновенные значения тока и на-
пряжения двигателя постоянного тока. Блоки 13 и 14 позволяют произвести выбор исследуемой системы
электроснабжения путем указания соответствующего порядкового номера СЭ в свойствах модели.
Измерительная подсистема (блок 16) реализует функции цифрового счетчика, в выходные порты
которого поступает информация о текущих значениях измеряемых параметров, регистрируемых дис-
плеями (блоки 18). Мгновенные значения токов, напряжений и мощностей силовой схемы рассчитыва-
ются в измерительной подсистеме (блок 17) и регистрируются блоками осциллоскопов (блоки 20).
Результаты измерений показателей эффективности пяти СЭ представлены в табл. в столбцах
«Э». Сопоставляя данные виртуального компьютерного эксперимента с данными теоретического рас-
чета, можно сделать вывод о корректности разработанной методики определения эффективности сис-
тем электроснабжения метрополитена.
Выводы. Разработан метод оценки показателей энергетической эффективности систем элек-
троснабжения подвижного состава метрополитена, основанный на использовании понятий потока
энергии и потерь энергии.
С использованием разработанного метода для пяти разных СЭ были рассчитаны КПД в пря-
мом и обратном потоке, суммарный КПД, а также коэффициент возврата энергии.
Сравнение пяти систем электроснабжения метрополитена по показателям эффективности, при
допущении одинаковой длительности всех четырех временных интервалов графика движения электро-
поезда, позволяет сделать следующие заключения: - повышения КПД можно добиться при переходе от
традиционной СЭ к системам с накопителем энергии; - СЭ с рекуперацией энергии в сеть позволяет в 2,1
раза сократить энергию, потребляемую из сети. Однако за счет двустороннего энергетического потока
суммарные потери такой СЭ выше, чем у других альтернатив традиционной системе электроснабжения.
Кроме того требуется решение проблемы согласования графика мощности при рекуперации с энергети-
ческой компанией. При использовании стационарного накопителя энергии, размещенного на территории
тяговой подстанции, суммарная энергия, потребляемая из сети, сокращается в 2,3 раза при уменьшении
суммарных потерь в 3,3 раза. Такая СЭ может стать наиболее эффективной при сооружении новых ли-
ний метрополитена, при переходе на СЭ с бортовым накопителем поток энергии, потребляемой из сети,
сокращается в 2,5−3,1 раза при снижении потерь энергии в 4,6−6,4 раза. Однако установка НЭ на под-
вижном составе, помимо увеличения массы последнего, может сказаться на снижении пассажировмес-
тимости. Возрастают требования к безопасности перевозки пассажиров при эксплуатации накопителей
значительной емкости; - наилучшими показателями энергетической эффективности обладает бескон-
тактная СЭ. Суммарная энергия такой системы электроснабжения, потребляемая из сети, сокращается в
2,7−3,4 раза при снижении потерь в 5,7−7,8 раза. Однако установка НЭ большой емкости на подвижном
составе сопряжена с увеличением стоимости электрической энергии, потребляемой электропоездом, за
счет ограниченного числа циклов заряда-разряда, необходимости обслуживания и дороговизны самого
накопителя. Перспектива внедрения подобных систем электроснабжения зависит от технологического
прогресса в области создания недорогих энергоемких накопителей энергии. Поэтому при проектирова-
нии конкретной СЭ подвижного состава метрополитена необходимо тщательное технико-экономическое
сопоставление различных инженерных предложений с выбором оптимального варианта.
Разработанный метод оценки эффективности СЭ подвижного состава метрополитена может
быть использован для практически любой системы электроснабжения с накопителями энергии.
Создана эквивалентная Matlab-модель, способная исследовать работу пяти рассмотренных СЭ
в динамических режимах. Благодаря возможности задания любой формы графика мощности нагрузки
модель обладает свойством универсальности. Результаты, полученные при моделировании, подтвер-
ждают корректность изложенных в работе теоретических положений.
1. Бычкова М.П. Система накопителей электроэнергии для повышения энергоэффективности в метро // Электронный
журнал «ЭНЕРГОСОВЕТ». – 2011. – №3.
2. Жемеров Г.Г., Ильина Н.А., Ильина О.В., Тугай Д.В. Уменьшение потерь и улучшение качества электроенергии в сис-
темах комунального электроснабжения // Техн. електродинаміка. Тем. випуск «Силова електроніка та енергоефективність».
– 2008. – Ч. 2. – С. 80−87.
74 ISSN 1607-7970. Техн. електродинаміка. 2014. № 1
3. Жемеров Г.Г., Ильина О.В. Теория мощности Фризе и современные теории мощности // Електротехніка і електроме-
ханіка. – 2007. – №6. – С. 63−65.
4. Жемеров Г.Г., Ильина Н.А., Тугай Д.В., Холод О.И. Системы электроснабжения метрополитена с современными полупровод-
никовыми преобразователями и накопителями энергии // Електротехніка і електромеханіка. – 2013. – № 1. – С. 41−49.
5. Жемеров Г.Г., Холод О.И. Пути модернизации систем электроснабжения метрополитена // Технічна електродинаміка.
Тем. вип. «Силова електроніка та енергоефективність». – 2012. – Ч. 1. – С. 27−35.
6. Хворост Н.В. Концепция новой структуры системы электрической тяги для метрополитена // Коммунальное хозяй-
ство городов. – 2003. – №53. – С. 172−179.
7. Allègre A.-L., Bouscayrol A., Delarue P., Barrade P., Chattot E., El-Fassi S. Energy Storage System With Supercapacitor for an Innova-
tive Subway // IEEE Transactions on Industrial Electronics. – 2010. – Vol. 57. – No 12. – Pр. 4001−4012.
8. Barrero R., Tackoen X., Van Mierlo J. Improving energy efficiency in public transport: Stationary supercapacitor based Energy Storage
Systems for a metro network // Vehicle Power and Propulsion Conference, 2008. VPPC '08. IEEE. – Pр. 1−8.
9. http://www.metro.kharkov.ua
10. Pavel D., Lubos S. The energy storage system with supercapacitor for public transport // Vehicle Power and Propulsion Con-
ference, 2009. VPPC '09. IEEE. – Pр. 1826−1830.
ЕНЕРГОЕФЕКТИВНІСТЬ СИСТЕМ ЕЛЕКТРОПОСТАЧАННЯ РУХОМОГО СКЛАДУ МЕТРОПОЛІТЕНУ
Г.Г.Жемеров1, докт.техн.наук, Д.В.Тугай2, канд.техн.наук, О.І.Холод1
1 – Національній технічний університет «ХПІ», вул. Фрунзе, 21, 61002, Харків, Україна,
2 – Харківський національний університет міського господарства
вул. Революції, 12, 61002, Харків, Україна, e-mail: tugaydv@yandex.ua
Проведена порівняльна оцінка енергоефективності п'яти можливих систем електропостачання рухомого складу метропо-
літену, чотири з яких є альтернативою існуючим в Україні. Запропоновано метод оцінки показників енергетичної ефектив-
ності систем електропостачання, що базується на використанні понять «енергія» та «втрати енергії». Показано, що
використання енергоємних накопичувачів енергії в системах електропостачання метрополітену дозволить не тільки зме-
ншити сумарний об’єм електроенергії, що споживається з мережі, але й зменшити втрати енергії при її транспортуванні
і споживанні. Бібл. 10, рис. 5, табл. 1.
Ключові слова: система електропостачання, рухомий склад, енергоефективність, енергія, втрати енергії, коефіцієнт корис-
ної дії, рекуперація, накопичувач енергії.
ENERGY EFFICIENCY OF POWER SUPPLE SYSTEMS FOR A SUBWAY
G.G.Zhemerov1, D.V.Tugay2, O.I.Kholod1
1 – National Technical University “Kharkov Polytechnic Institute”
Frunze str., 21, 61002, Kharkov, Ukraine,
2 – Kharkov National Municipal University
Revolution str., 12, 61002, Kharkov, Ukraine, e-mail: tugaydv@yandex.ua
Comparative assessment of five possible energy supply systems of rolling stock subway is carried out, four of which are an
alternative to the existing in Ukraine. The method for evaluation of energy efficiency of power supply systems based on the use of the
terms "energy" and "energy losses" is proposed. It is shown, that the use of energy-intensive energy storage in subway power systems
will not only reduce the total amount of electricity consumed from the network, but also will reduce the energy loss during its
transportation and consumption. References 10, figures 5, table 1.
Key words: power system, rolling stock, energy efficiency, energy, energy loss, recuperation, energy storage.
1. Bychkova M.P. The system of electric energy storage devices to improve energy efficiency in the metro // Elektronnyi
Zhurnal "Energosovet." – 2011. – № 3. (Rus)
2. Zhemerov G.G., Ilina N.A., Ilina O.V., Tugay D.V. Reducing losses and improving the quality of electric energy in municipal
power systems // Tekhnіchna elektrodynamika.Tematychnyi vypusk "Sylova elektronika ta enerhoefektyvnist". – 2008. – Part. 2. –
Pр. 80−87. (Rus)
3. Zhemerov G.G., Ilina O.V. The theory of power Friese and modern theories of power // Elektrotekhnіka i elektromekhanіka. –
2007. – № 6. – Pр. 63−65. (Rus)
4. Zhemerov G.G., Ilina N.A., Tugai D.V., Kholod O.I. Subway power supply systems with modern semiconductor converters
and energy storage // Elektrotekhnіka i elektromekhanіka. – 2013. – № 1. – Pр. 41−49. (Rus)
5. Zhemerov G.G., Kholod O.I. Ways to modernize subway electrical systems // Tekhnіchna elektrodynamika. Tematychnyi
vypusk "Sylova elektronika ta enerhoefektyvnist". – 2012. – Part 1. – Pр. 27−35. (Rus)
6. Khvorost N.V. The concept of the new structure of the electric traction system for the subway // Komunalnoe Khoziaistvo
Gorodov. – 2003. – № 53. – Pр. 172−179. (Rus)
7. Allègre A.-L., Bouscayrol A., Delarue P., Barrade P., Chattot E., El-Fassi S. Energy Storage System With Supercapacitor for
an Innovative Subway // IEEE Transactions on Industrial Electronics. – 2010 – Vol. 57. – No 12. – Pр. 4001−4012.
8. Barrero R., Tackoen X., Van Mierlo J. Improving energy efficiency in public transport: Stationary supercapacitor based En-
ergy Storage Systems for a metro network // Vehicle Power and Propulsion Conference, 2008. VPPC '08. IEEE. – Pр. 1−8.
9. http://www.metro.kharkov.ua
10. Pavel D., Lubos S. The energy storage system with supercapacitor for public transport // Vehicle Power and Propulsion Con-
ference, 2009. VPPC '09. IEEE. – Pр. 1826−1830.
Надійшла 03.06.2013
Остаточний варіант 17.07.2013
|
| id | techned_org_ua-article-994 |
| institution | Technical Electrodynamics |
| keywords_txt_mv | keywords |
| language | Ukrainian |
| last_indexed | 2026-06-16T01:16:58Z |
| publishDate | 2013 |
| publisher | Інститут електродинаміки НАН України, Київ |
| record_format | ojs |
| resource_txt_mv | technedorgua/e4/75dd065cab6d2a92d703537cb1cb92e4.pdf |
| spelling | techned_org_ua-article-9942023-01-04T14:44:23Z ENERGY EFFICIENCY OF POWER SUPPLE SYSTEMS FOR A SUBWAY ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТЬ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПОДВИЖНОГО СОСТАВА МЕТРОПОЛИТЕНА Жемеров, Г.Г. Тугай, Д.В. Холод, О.И. power system rolling stock energy efficiency energy energy loss recuperation energy storage система электроснабжения подвижной состав энергоэффективность энергия потери энергии коэффициент полезного действия рекуперация накопитель энергии Comparative assessment of five possible energy supply systems of rolling stock subway is carried out, four of which are an alternative to the existing in Ukraine. The method for evaluation of energy efficiency of power supply systems based on the use of the terms "energy" and "energy losses" is proposed. It is shown, that the use of energy-intensive energy storage in subway power systems will not only reduce the total amount of electricity consumed from the network, but also will reduce the energy loss during its transportation and consumption. References 10, figures 5, table 1. Проведена сравнительная оценка энергоэффективности пяти возможных систем электроснабжения подвижного состава метрополитена, четыре из которых являются альтернативой существующей в Украине. Предложен метод оценки показателей энергетической эффективности систем электроснабжения, основанный на использовании понятий «энергия» и «потери энергии». Показано, что использование энергоемких накопителей энергии в системах электроснабжения метрополитена позволит не только уменьшить суммарный объем электроэнергии, потребляемый из сети, но и значительно сократить потери энергии при ее транспортировании и потреблении. Библ. 10, рис. 5, табл. 1. Інститут електродинаміки НАН України, Київ 2013-12-26 Article Article application/pdf https://techned.org.ua/index.php/techned/article/view/994 Tekhnichna Elektrodynamika; No. 1 (2014): TEKHNICHNA ELEKTRODYNAMIKA; 067 ТЕХНІЧНА ЕЛЕКТРОДИНАМІКА; № 1 (2014): ТЕХНІЧНА ЕЛЕКТРОДИНАМІКА; 067 2218-1903 1607-7970 uk https://techned.org.ua/index.php/techned/article/view/994/870 Авторське право (c) 2023 ТЕХНІЧНА ЕЛЕКТРОДИНАМІКА https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0 |
| spellingShingle | система электроснабжения подвижной состав энергоэффективность энергия потери энергии коэффициент полезного действия рекуперация накопитель энергии Жемеров, Г.Г. Тугай, Д.В. Холод, О.И. ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТЬ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПОДВИЖНОГО СОСТАВА МЕТРОПОЛИТЕНА |
| title | ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТЬ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПОДВИЖНОГО СОСТАВА МЕТРОПОЛИТЕНА |
| title_alt | ENERGY EFFICIENCY OF POWER SUPPLE SYSTEMS FOR A SUBWAY |
| title_full | ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТЬ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПОДВИЖНОГО СОСТАВА МЕТРОПОЛИТЕНА |
| title_fullStr | ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТЬ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПОДВИЖНОГО СОСТАВА МЕТРОПОЛИТЕНА |
| title_full_unstemmed | ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТЬ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПОДВИЖНОГО СОСТАВА МЕТРОПОЛИТЕНА |
| title_short | ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТЬ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПОДВИЖНОГО СОСТАВА МЕТРОПОЛИТЕНА |
| title_sort | энергоэффективность систем электроснабжения подвижного состава метрополитена |
| topic | система электроснабжения подвижной состав энергоэффективность энергия потери энергии коэффициент полезного действия рекуперация накопитель энергии |
| topic_facet | power system rolling stock energy efficiency energy energy loss recuperation energy storage система электроснабжения подвижной состав энергоэффективность энергия потери энергии коэффициент полезного действия рекуперация накопитель энергии |
| url | https://techned.org.ua/index.php/techned/article/view/994 |
| work_keys_str_mv | AT žemerovgg energyefficiencyofpowersupplesystemsforasubway AT tugajdv energyefficiencyofpowersupplesystemsforasubway AT holodoi energyefficiencyofpowersupplesystemsforasubway AT žemerovgg énergoéffektivnostʹsistemélektrosnabženiâpodvižnogosostavametropolitena AT tugajdv énergoéffektivnostʹsistemélektrosnabženiâpodvižnogosostavametropolitena AT holodoi énergoéffektivnostʹsistemélektrosnabženiâpodvižnogosostavametropolitena |