Конденсаторные системы для трамваев

Конденсаторные системы для трамваев
1. Краткое изложение предложений
Закрытые акционерные общества «ЭСМА» и «ЭЛТОН» предлагают к использованию новое техническое средство – электрохимические конденсаторы с уникальными параметрами по энергии и мощности. Они характеризуются длительным, до 20 лет, сроком
службы, высоким ресурсом и надежностью. Данные изделия более 8 лет поставляются в
США, где успешно применяются на грузовом и пассажирском транспорте и в энергетических системах промышленных предприятий.
Имеющийся российский и зарубежный опыт применения данных изделий позволяет утверждать, что их использование в составе транспортного и энергетического оборудования дает реальную возможность получения значительного экономического эффекта организациями, эксплуатирующими такое оборудование, при существенном сокращении
техногенной нагрузки на окружающую среду.
Конденсаторы ЭСМА, применяемые на трамваях, позволяют
- накапливать энергию торможения и использовать ее для разгона транспортного
средства с эффективностью до 50 %,
- обеспечивать автономный ход и электропитание собственных нужд транспорта
без контактной сети,
- снизить нагрузки на контактную сеть, стабилизировать ее напряжение, компенсируя провалы напряжения в момент разгона нескольких трамваев,
- снизить тепловые потери в контактной сети за счет протекания больших токов
при провалах напряжения.
Расчеты показывают, что разгон трамвая может осуществляться практически полностью за счет мощности и энергии, запасенной в конденсаторах ЭСМА. Это более
чем в 2 раза снижает пиковую мощность потребления электроэнергии транспортом
от контактной сети и открывает возможность сократить количество тяговых подстанций, снизить мощность применяемого оборудования, увеличить пропускную способность
участка пути и маршрут движения электротранспорта, т.е. существенно удешевить инфраструктуру электротранспорта. Экономический эффект от применения конденсаторов будет складываться из следующих факторов:
- сокращение средств на применении оборудования высокой мощности и затрат на
строительстве тяговых подстанций,
- экономия электроэнергии за счет использования энергии торможения,
- снижение вероятности возникновения аварийных ситуаций, вызванных перегрузками в энергетическом обеспечении,
- экономия электроэнергии за счет снижения провалов напряжения и протекания
больших токов по контактной сети,
- снижение затрат в случае непредвиденного перерыва электроснабжения контактной сети, приводящих к остановке трамвая,
- отказ от использования штатных аккумуляторных батарей и реостатов торможения.
Конденсаторы могут быть установлены также на тяговых подстанциях или между
подстанциями параллельно контактной сети. Стационарные конденсатные системы могут
выполнять те же функции, что и конденсаторы, установленные непосредственно на транспорте, а также дополнительно в случае общего отключения электроэнергии обеспечивать
питание систем управления движением электротранспорта.
Размещение конденсаторов непосредственно на трамвае исключает потери электроэнергии в контактной сети (как минимум 10 %) как при приеме электроэнергии, так и
при накоплении энергии торможения.
Расчет показывает, что годовой экономический эффект от установки конденсаторной системы на трамвае типа «Спектр-1» (71-402) только за счет экономии электроэнергии
при рекуперации составит 100 тыс. руб.
При условии оснащения трамвайных линий системой тягового электроснабжения с
меньшей необходимой мощностью конденсаторная система окупается сразу при ее
установке на транспорте.
Другие факторы, которые трудно учесть (снижение вероятности возникновения
аварийных ситуаций, вызванных перегрузками в энергетическом обеспечении, обеспечение автономного хода в случае отключения контактной сети) заметно увеличат экономический эффект от применения конденсаторов.
На конденсаторные модули имеется российский сертификат соответствия. Характеристики и качество продукции ЭСМА подтверждены национальными лабораториями в
США и рядом организаций России, в том числе в МО РФ.
Конденсаторы ЭСМА для запуска ДВС успешно применяются на автомобильном
транспорте в США, на предприятиях Минобороны РФ и российской ЖД.
Конденсаторы ЭСМА в составе электропривода транспорта применялись в составе
- троллейбусов с автономным ходом (Москва, Вологда),
- автобусов, в которых конденсаторы были единственным источником питания
(Москва),
- гибридных автобусов (США)
Системы бесперебойного питания ЭСМА мощностью до 1 МВт и напряжением до
2 кВ установлены на различных предприятиях США и Европы.
В 2005 году в ВНИИЖТ по заданию ОАО «РЖД» начались ОКР по созданию систем, использующих энергию торможения электропоездов, где в качестве накопителя
применены конденсаторы разработки ЗАО «ЭСМА».
2. Основание для разработки
Электротранспорт представляет собой типичный пример потребителя энергии с переменной нагрузкой. Система тягового электроснабжения, питающая одновременно несколько транспортных средств, непрерывно испытывает колебания нагрузки, возникающие вследствие мгновенных всплесков, создаваемых суммированием токов, потребляемых одновременно несколькими транспортными средствами. Кроме того, при пиковых
нагрузках в контактной сети имеет место резкое падение напряжения. Современные системы электроснабжения в общем случае не оснащены устройствами аккумулирования
энергии. Поэтому их оборудование должно иметь излишнюю, т. е. значительно более высокую, чем для нормальной работы, установленную мощность для обеспечения мгновенных пиков потребления энергии.
Сегодняшний электротранспорт, как правило, использует реостатное электроторможение, когда энергия, производимая электромоторами, сбрасывается на резисторы и
переводится в тепло. Эффективность рекуперативного торможения, которое применяется
на некоторых линиях электротранспорта, когда энергия закачивается непосредственно в
контактную сеть, в реальных условиях не превышает 8-10 %. Это связано с тем, что энергия, рекуперируемая в контактную сеть, своевременно не потребляется другими разгоняющимися транспортными средствами и фактически бесплатно передается поставщику либо теряется на нагрев контактного провода. Часто рекуперация не используется вследствие возникновения больших перегрузок в сети электротранспорта и на подстанциях,
приводящих к срабатыванию защитного оборудования или его выходу из строя.
Конденсаторы ЭСМА в составе привода электротранспорта (пригородных и
местных электропоездов, метрополитена, троллейбусов и трамваев) позволяют
- накапливать энергию торможения и использовать ее для разгона транспортного
средства с эффективностью до 30-50 %,
- обеспечивать автономный ход и электропитание собственных нужд транспорта
без контактной сети,
- снизить нагрузки на контактную сеть, стабилизировать ее напряжение, компенсируя провалы напряжения в момент разгона нескольких транспортных средств.
1) Расчет эффективности рекуперации при использовании емкостного накопителя энергии, установленного на платформе транспортного средства
Рассмотрим типичный цикл движения, характерный для электротранспорта, разгон-движение на выбеге-торможение-стоянка. Расчетная энергия, необходимая для разгона транспортного средства до скорости V равна Ет = m*V2/2. С учетом коэффициента использования энергии при разгоне КИ, учитывающего потери на трении и сопротивлении
воздуха, в электродвигателе, в механических передачах имеем Ер = Ет/КИ. При номинальной мощности транспортного средства PN время разгона до V составит Ет/КИ/PN.
Энергия потерь равна:
Ер – Ет = Ет /КИ – Ет = Ет * (1/КИ – 1)
Доступная для рекуперации в конденсаторе энергия составит:
Ед = Ет1 – Ет1 * (1/КИ – 1) = Ет1 * (2 – 1/КИ),
где Ет1 – запасенная энергия транспорта после свободного выбега, Ет1 = m* V12/2
(V1 – скорость транспорта после свободного выбега).
а с учетом КПД работы конденсатора η получаем энергию, поглощаемую конденсатором,
Еп = η * Ет1 * (2 – 1/КИ). Эффективность рекуперации можно представить выражением, где
энергия, поглощаемая конденсатором, делится на энергию, необходимую на разгон транспорта. Таким образом, максимальная эффективность рекуперации, когда цикл работы
представляет собой только разгон и последующее торможение (без движения с постоянной скоростью) равна EF = η * КИ*(2 – 1/КИ) Ет1/ Ет = η * КИ*(2 – 1/КИ)* V12/V2. Например,
на линиях метрополитена скорость после свободного выбега падает на 10 %, поэтому
можно допустить V2/ V12 равным 0,8.
В общем случае для различных видов транспорта и скоростей движения КИ лежит в
пределах 0,6-0,85, η в зависимости от типа конденсаторов меняется от 0,8 до 0,9. Поэтому
величина EF может меняться в довольно больших пределах 0,13-0,5. Максимальная эффективность использования достигается на линиях метрополитена, трамваев, троллейбусов и пригородных электропоездов, где реализуется четкий график движения и алгоритм
цикла разгон-движение на выбеге-торможение-стоянка, отвечающий представленной выше модели.
2) Определение технических требований к конденсаторной системе в составе
электропривода трамвая
При условии КИ =0,8, V2/ V12 = 0,8 и η = 0,8 полезная энергия, доступная для
накопления конденсатором, составляет 38 % от энергии, необходимой на разгон. Разрядная мощность конденсатора может быть выше 38 % от необходимой мощности на разгон.
Это позволит заметно снизить нагрузку на сеть.
В таблице 1 представлены основные необходимые для расчета характеристики
трамвая типа "Спектр-1" (71-402), а также трамвая такого же типа, но с массой при полной загрузке 18 т.
Таблица 1
Характеристики трамвая
Масса порожнего трамвая, т
Масса трамвая при максимальной загрузке, т
Номинальное напряжение, В
Мощность электродвигателя, кВт
Максимальная мощность тяговых электродвигателей, кВт
Максимальная скорость, км/ч
Эксплуатационная скорость, км/ч
Время разгона до скорости 40 км/ч, с
Энергопотребление, Втч/т/км
Коэффициент использования энергии при разгоне КИ
Вариант 1
"Спектр-1" (71-402)
19,6
33
550
4х54=216
340
62
40
11
85
0,8
Вариант 2
?
18
550
216
340
62
40
?
85
0,8
Вариант 1: "Спектр-1" (71-402)
Расчетная энергия, необходимая для разгона трамвая до скорости 40 км/ч, составит
33000*11,12/2 = 2,03 МДж. С учетом потерь имеем 2,03/0,8=2,54 МДж. Энергия, которую
может поглотить конденсатор при торможении и отдать на разгон составит 2,54*0,38 =
0,97 МДж. Эта та часть энергии, которая может быть сэкономлена в каждом цикле разгонторможение. Таким образом, минимальный энергозапас конденсатора должен составлять
около 1,0 МДж.
Разгон трамвая до 40 км/ч с учетом номинальной мощности электромоторов 216
кВт будет длиться 2540/216 = 12 с, что хорошо согласуется с характеристиками трамвая
(11 с).
При длительности цикла движения (разгон-выбег-торможение-стоянка) примерно 1
минуту средняя потребляемая мощность будет равна 2540/60 = 42 кВт.
Если мощность конденсатора будет составлять 216-42 = 174 кВт, т.е. 80 % от номинальной мощности трамвая, то для того, чтобы конденсатор мог поддерживать его разгон
в течение всего необходимого времени, его отдаваемая энергия при разряде должна составлять 12 с*174 кВт = 2,1 МДж.
Необходимую энергию 2,1 МДж конденсатор будет накапливать при торможении
(1 МДж), а также в момент выбега и стоянки трамвая.
Максимальный автономный пробег трамвая определяется величиной удельного
энергопотребления трамвая (см. таблицу 1) и максимальной энергией конденсатора. Поэтому при условии пробега не менее 200 м конденсатор должен иметь энергию равную
0,200 км* 33 т*85 Втч/т/км = 561 Втч или 2,02 МДж.
Вариант 2: масса загруженного трамвая 18 т
Расчетная энергия, необходимая для разгона трамвая до скорости 40 км/ч, составит
18000*11,12/2 = 1,11 МДж. С учетом потерь имеем 1,11/0,8=1,39 МДж. Энергия, которую
может поглотить конденсатор при торможении и отдать на разгон составит 1,39*0,38 =
0,52 МДж. Эта та часть энергии, которая может быть сэкономлена в каждом цикле разгонторможение. Таким образом, минимальный энергозапас конденсатора должен составлять
0,52 МДж. Разгон трамвая до 40 км/ч с учетом номинальной мощности электромоторов
216 кВт будет длиться 1390/216 = 6,4 с.
При длительности цикла движения (разгон-выбег-торможение-стоянка) примерно 1
минуту средняя потребляемая мощность будет равна 1390/60 = 23 кВт.
Если мощность конденсатора будет составлять 216-23 = 193 кВт, т.е. 90 % от номинальной мощности трамвая, то для того, чтобы конденсатор мог поддерживать его разгон
в течение всего необходимого времени, его отдаваемая энергия при разряде должна составлять 7 с*193 кВт = 1,35 МДж.
При условии пробега не менее 200 м конденсатор должен иметь энергию равную
0,200 км* 18 т*85 Втч/т/км = 306 Втч или 1,1 МДж.
Таблица 2
Технические требования на конденсаторную систему в составе электропривода трамвая
Максимальная мощность, кВт
Масса, т
Отдаваемая энергия, МДж
при мощности 174 кВт
при мощности 193 кВт
Время разряда, с
при мощности 174 кВт
при мощности 193 кВт
Эффективность (Ed/Ec) в цикле заряда разряда
Вариант 1
Более 174
Не более 1,5
Вариант 2
Более 193
Не более 1,5
2,1
-
1,35
12
Не менее 0,8
7
Не менее 0,8
Таким образом, если
- мощность конденсатора будет составлять 80-90 % от номинальной мощности при
разгоне трамвая или примерно 174-194 кВт,
- отдаваемая энергия при разряде с мощностью 174-194 МВт будет составлять
1,35- 2,1 МДж,
то конденсаторы в составе привода трамвая позволят
- накапливать энергию торможения и использовать ее для разгона транспортного
средства с эффективностью до 38 %,
- разгон транспортного средства осуществлять за счет мощности и энергии, запасенной в конденсаторах и снизить величину потребляемой от контактной сети пиковой
мощности примерно в 2 раза,
- обеспечивать автономный ход 200 м
3. Конденсаторные системы в составе электропривода трамвая
Варианты конденсаторных систем, предназначенных для оснащения привода трамвая, представлены в таблице 3. Конденсаторная система в составе электропривода состоит
цепи последовательно соединенных конденсаторных модулей 30ЭК404 и 30ЭК503. Характеристики модулей даны в таблице 4.
Таблица 3
Характеристики конденсаторной системы для трамвая
Тип трамвая
Конденсаторная система
Диапазон рабочих напряжений, В
Емкость, Ф
Запасаемая энергия в диапазоне рабочих напряжений, МДж
Внутреннее сопротивление, мОм
Максимальная мощность, кВт
Масса, т
Объем, м3
Отдаваемая энергия в окне рабочих напряжений, МДж
при средней мощности 174 кВт
при средней мощности 193 кВт
при средней мощности 216 кВт
Время разряда в окне рабочих напряжений, с
при средней мощности 174 кВт
при средней мощности 193 кВт
при средней мощности 216 кВт
Пробег трамвая без контактной сети при полностью заряженном конденсаторе, м
Стоимость опытного образца с учетом НДС, млн. рублей
Стоимость при промышленном производстве конденсаторов (оснащение более 500 трамваев/год), млн. рублей
Вариант 1
«Спектр-1» (71402), 33 т
13*30ЭК404
585-293
30,8
3,95
156
550
0,56
0,38
Вариант 2
18 т
2,5
2,4
2,1
1,45
1,40
1,25
14
12
10
400
8
7
5
240
1,586
0,75
1,296
0,60
12*30ЭК503
585-293
18,5
2,37
156
550
0,43
0,30
Таблица 4
Конденсаторные модули для систем накопления энергии торможения, предназначенные для трамваев
Рабочее напряжение, В
Максимальное напряжение, В
Емкость, Ф
Внутреннее сопротивление, мОм
Запасаемая энергия, кДж
Максимальная мощность, кВт
Габаритные размеры, мм
Масса, кг
Рабочая температура, 0С
Ресурс, циклы
Срок службы, лет
30ЭК503
45
48
240
12
243
42
570х200х194
33
-50/+70
1 000 000
Более 15
30ЭК404
45
48
400
12
405
42
570х200х253
43
-50/+70
1 000 000
Более 15
Как видно из таблицы 3, оба варианта конденсаторных систем удовлетворяют ТТ
(см. таблицу 6).
Масса конденсаторов того и другого вариантов не превышает 2,4 % от массы трамвая и поэтому практически не влияет на результаты проведенных расчетов.
Конденсаторная система позволяет осуществлять автономное движение трамвая
без контактной сети и накапливать энергию за счет торможения транспортного средства.
Использование мощности конденсаторов на разгон трамвая дает возможность радикально
снизить потребление мощности от контактной сети.
Эффектообразующие факторы от использования конденсаторной системы:
- сокращение средств на применении оборудования высокой мощности и затрат на
строительстве тяговых подстанций,
- экономия электроэнергии за счет использования энергии торможения и снижения
провалов напряжения и протекания больших токов по контактной сети,
- снижение вероятности возникновения аварийных ситуаций, вызванных перегрузками в энергетическом обеспечении,
- обеспечение автономного хода и электропитание собственных нужд транспорта
без контактной сети,
- отказ от использования штатных аккумуляторных батарей и реостатов торможения.
Расчет экономии электрической энергии «Спектр-1» (71-402)
С учетом эффективности рекуперации EF = 0,38 энергия торможения, возвращаемая для использования, составляет 1,0МДж за цикл (см. раздел 2). Длительность типичного цикла движения трамвая разгон-торможение-стоянка составляет примерно 1 минуту.
Время работы трамвая в сутки 15 часов. За сутки количество циклов разгон торможение
составляет 900, а в год - 328 тысяч. Общая энергия рекуперации 1,0*328 000 = 328 000
МДж или 91 000 кВтч. С учетом стоимости промышленной электроэнергии 1,2 руб./кВтч
общая стоимость сэкономленной электроэнергии за год составит примерно 100 тыс. рублей.
К сожалению, трудно сделать оценить экономию за счет снижения провалов
напряжения и протекания больших токов по контактной сети из-за отсутствия статистических данных о движении трамваев на реальных линях, хотя вклад данного фактора, несомненно, весьма значителен.
Таким образом, использование конденсаторной системы позволяет не только обеспечить автономное движение трамвая без контактной сети и накапливать и использовать
энергию торможения, но и существенно снизить пиковую мощность потребления трамваем. Это позволяет снизить нагрузки на контактную сеть в целом, исключить провалы
напряжения в момент разгона нескольких трамваев и дает возможность существенно изменить всю инфраструктуру за счет увеличения протяженности маршрута трамвая без
прокладки контактной сети и строительства дополнительных тяговых подстанций.
4. Подтверждение эффективности использования конденсаторов
Конденсаторная система ЭСМА с напряжением 560 В, массой около 1 т из конденсаторов типа ЭК303 установлена на опытном троллейбусе ВМЗ 5298-30АХ (г. Вологда,
ОАО «ТРАНС-АЛЬФА»). Энергия, накопленная в конденсаторе, используется для разгона троллейбуса и обеспечения нескольких километров автономного хода без контактного
провода. Троллейбус эксплуатируется в Москве в троллейбусном депо № 1.
Троллейбус ВМЗ 5298-30АХ с автономным движением
3,5
5 км
Оптимальная скорость движения – 50 км/ч
Пассажировместимость – 110 чел.
Снижение расхода электроэнергии – >10 %
Конденсаторная система ЭСМА
Рабочее напряжение – 560 В
Запасаемая энергия – 30 МДж
Максимальная мощность – 700 кВт
Масса – 1 т
Конденсаторные системы ЭСМА на 400 и 800 В уже более 2 лет эксплуатируются
в составе опытных гибридных энергоустановок на автомобильном транспорте (гибридный автобус Goshen Coach EuroShuttle - HBD™ , грузовой фургон, Ohio, USA). Применение конденсаторов в составе электропривода позволяет экономить более 20 % топлива.
Гибридный автобус Goshen Coach Euro Shuttle HBD™ Ohio, USA, 2004
Оптимальная скорость движения - 64 км/ч
Пассажировместимость - 100 чел.
Снижение мощности дизеля – 50 %
Экономия топлива – >20 %
Снижение выхлопа ядовитых веществ на 80 %
Конденсаторная система ЭСМА
Рабочее напряжение – 800 В
Запасаемая энергия – 1,5 МДж
Максимальная мощность – 400 кВт
Масса – 320 кг
Гибридный грузовик-фургон (Университет Боулинг
Грин, Огайо, США, 2003 год)
Оптимальная скорость движения - 64 км/ч
Снижение мощности дизеля – 50 %
Экономия топлива – >20 %
Снижение выхлопа ядовитых веществ на 80 %
Конденсаторная система ЭСМА
Рабочее напряжение – 400 В
Запасаемая энергия – 0,75 МДж
Максимальная мощность – 200 кВт
Масса – 160 кг
В 1997 году по заказу правительства Москвы были разработаны и поставлены для
эксплуатации на ВВЦ восемь электроавтобусов и три электрофургона типа «Газель», в ко-
торых в качестве единственного источника питания использовались конденсаторы
ЭСМА.
Электробусы «Лужок» (единственный источник питания –
конденсаторы ЭСМА, г. Москва, 1998)
Пассажировместимость – 50 чел.
Максимальная скорость – 25 км/ч
Максимальный пробег – 11 км
Время полного заряда конденсаторов – 15 мин
Рабочее напряжение – 160 В
Запасаемая энергия – 30 МДж
Масса – 1 т
Американской энергетической компанией EPRI PEAC приобретены конденсаторные модули различного типа и системы бесперебойного питания ЭСМА, которые были
установлены на различных предприятиях США и Европы. По заказу компания TVA (Tennessee Valley Authority) изготовлена система с напряжением 2 кВ, номинальной мощностью 1 МВт и временем поддержки в течение 1-2 с.
Система RTS-100
Мощность
– 100 кВт
Рабочее напряжение – 600 В
Время поддержки
– 10 с
Конденсаторная система типа 9*30ЭК400
Рабочее напряжение – 380 В
EPRI PEAC, Ноксвил, Теннесси, USA 2003
Система поддержки питания и обеспечения качества
энергии
_____________________________________
Мощность
– 4 кВ т
Рабочее напряжение – 112 В
Время поддержки
– 600 с
Конденсаторная система типа 8*10ЭК300
Супермаркет, Испания, Мадрид, 2002
Система поддержки питания
и обеспечения качества энергии
___________________________________________________________
Мощность
– 1 М Вт
Напряжение
– 2 кВ
Время поддержки – 1- 2 с
TVA (Tennessee Valley Authority),
Knoxville, Tennessee, USA 2004