Підвищення енергетичної ефективності системи тягового електропостачання постійного струму при швидкісному русі
Loading...
Date
2019
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Дніпровський національний університет залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна
Abstract
UK: Дисертація присвячена вирішенню актуального науково-прикладного завдання – підвищення енергетичної ефективності систем тягового електропостачання постійного струму шляхом розробки наукових принципів побудови систем розподіленого живлення, які максимально вписуються в існуючу інфраструктуру для забезпечення швидкісного руху поїздів, що має істотне значення для електричного транспорту.
У роботі на основі експериментальних досліджень режимів напруги та потужності в системі тягового електропостачання постійного струму встановлено, що класичні системи централізованого живлення не дозволяють повною мірою забезпечити необхідні умови для впровадження швидкісного руху на існуючих лініях.
Вперше розроблено концепцію побудови енергоефективних систем розподіленого живлення. Зокрема, запропоновано здійснювати перехід від системи централізованого живлення до розподіленої системи зі збереженням існуючої інфраструктури живлення тягової мережі: розташування тягових підстанцій на місці існуючих, а одноагрегатних підстанцій – на постах секціонування. При цьому набув подальшого розвитку метод розрахунку миттєвих схем систем тягового електропостачання на базі функцій опору в частині розрахунку потужності тягових підстанцій, необхідної для забезпечення режиму сталого споживання потужності при русі електрорухомого складу із заданим рівнем втрат напруги. Встановлено доцільність застосування двох перетворювальних агрегатів загальною потужністю 10 МВт, а для одноагрегатної підстанції – 5 МВт.
Створено математичну модель зміни струму й напруги в тягової мережі з використанням нелінійного рекурентного аналізу, що дозволяє оцінити якість процесів електроспоживання та області стійкої роботи системи тягового електропостачання. Структура моделі дозволяє виявити приховані складові процесу. Набув подальшого розвитку метод забезпечення стійкості роботи систем тягового електропостачання постійного струму в частині використання нелінійного регулятора напруги. Доведено, що регулятор з нелінійним законом управління має кращу робастність, а зона стабілізації напруги в тяговій мережі при застосуванні нелінійного регулятора в 3-4 рази ширша, порівняно з використанням лінійного регулятора.
Реалізація системи розподіленого живлення дозволяє щорічно економити на дослідній ділянці 2,879 млн грн за рахунок зменшення вартості втрат електричної енергії в системі електропостачання.
RU: Диссертация посвящена решению актуальной научно-прикладной задачи – повышению энергетической эффективности систем тягового электроснабжения постоянного тока путем разработки научных принципов построения систем распределенного питания, максимально вписывающихся в существующую инфраструктуру для обеспечения скоростного движения поездов, что имеет существенное значение для электрического транспорта. В работе на основе экспериментальных исследований режимов напряжения и мощности в системе тягового электроснабжения постоянного тока установлено, что классические системы централизованного питания не позволяют в полной мере обеспечить необходимые условия для внедрения скоростного движения на существующих линиях. Впервые разработана концепция построения энергоэффективных систем распределенного питания. В частности, предложено осуществлять переход от системы централизованного питания к распределенной системы с сохранением существующей инфраструктуры питания тяговой сети: расположение тяговых подстанций на месте существующих, а одноагрегатних подстанций - на постах секционирования. При этом получил дальнейшее развитие метод расчета мгновенных схем систем тягового электроснабжения на базе функций сопротивления в части расчета мощности тяговых подстанций, необходимой для обеспечения режима устойчивого потребления мощности при движении электроподвижного состава с заданным уровнем потерь напряжения. Установлена целесообразность применения двух преобразовательных агрегатов общей мощностью 10 МВт, а для одноагрегатнои подстанции - 5 МВт. Создана математическая модель изменения тока и напряжения в тяговой сети с использованием нелинейного рекуррентного анализа, позволяющего оценить качество процессов электропотребления и области устойчивой работы системы тягового электроснабжения. Структура модели позволяет выявить скрытые составляющие процесса. Получил дальнейшее развитие метод обеспечения устойчивости работы систем тягового электроснабжения постоянного тока в части использования нелинейного регулятора напряжения. Доказано, что регулятор с нелинейным законом управления имеет лучшую робастность, а зона стабилизации напряжения в тяговой сети при применении нелинейного регулятора в 3-4 раза шире по сравнению с использованием линейного регулятора. Реализация системы распределенного питания позволяет ежегодно экономить на опытном участке 2879000 грн за счет уменьшения.
EN: The thesis is devoted to the solving of the actual scientific and applied task of increasing the energy efficiency of DC power traction systems by developing scientific principles for the construction of distributed power systems that fit into the existing infrastructure to provide high-speed traffic, which is essential for electric transport. In work on the basis of experimental research of voltage and power modes in the system of DC traction power supply was proved that classical systems of centralized power supply do not allow to provide the necessary conditions for the introduction of high-speed traffic on existing lines. Voltage values both on the buses of the traction load, and in the traction lines, have a significant range of oscillations. If there is a significant reserve of installed aggregate power at traction substations in Ukraine, there are no means of voltage modes regulation in the traction lines. Existing foreign and Ukrainian developments the energy efficiency increasing for DC traction power supply systems require significant capital investments and do not take into account the peculiarities of the organization of high-speed traffic. Therefore, it is necessary to develop energy- saving technology of distributed power with the maximum use of existing infrastructure, taking into account the features of the load of high-speed trains. For the first time were developed the scientific principles of energy-efficient systems of distributed traction. Firstly, it was proposed to make a shift from the centralized power supply system to the distributed one, with the preservation of the existing supply infrastructure of the traction network - the location of traction substations in place of existing, and one unit substations on the sectioning points. Secondly, was developed method of calculating of the instantaneous traction power supply schemes on the basis of the resistance functions by calculating of the traction substation’s power necessary to provide a mode of steady-state consumption during movement of the electric rolling stock with a given level of voltage losses. Also was proposed to use two rectifier units with a total capacity of 10 MW and 5 MW for one aggregate substation Furthermore, was developed the mathematical model for simulation ot the current and voltage in the traction network using nonlinear recurrent analysis, which allows to estimate the quality of the processes of electric power consumption and the area of sustainable operation of the traction power supply system. The structure of the model allows to identify the hidden components of the process. Also, was developed the method of ensuring the stability of the DC traction power supply system in the part of using a nonlinear voltage regulator. The author proved that regulator with nonlinear control laws has the best robustness and the area of voltage stability in the power network providing application of non-linear regulator is 3-4 times wider comparing with linear regulator. Implementation of the distributed power system allows to save annually on the test area 2,879 million UAH by reducing the cost of electricity losses in the power supply system.
RU: Диссертация посвящена решению актуальной научно-прикладной задачи – повышению энергетической эффективности систем тягового электроснабжения постоянного тока путем разработки научных принципов построения систем распределенного питания, максимально вписывающихся в существующую инфраструктуру для обеспечения скоростного движения поездов, что имеет существенное значение для электрического транспорта. В работе на основе экспериментальных исследований режимов напряжения и мощности в системе тягового электроснабжения постоянного тока установлено, что классические системы централизованного питания не позволяют в полной мере обеспечить необходимые условия для внедрения скоростного движения на существующих линиях. Впервые разработана концепция построения энергоэффективных систем распределенного питания. В частности, предложено осуществлять переход от системы централизованного питания к распределенной системы с сохранением существующей инфраструктуры питания тяговой сети: расположение тяговых подстанций на месте существующих, а одноагрегатних подстанций - на постах секционирования. При этом получил дальнейшее развитие метод расчета мгновенных схем систем тягового электроснабжения на базе функций сопротивления в части расчета мощности тяговых подстанций, необходимой для обеспечения режима устойчивого потребления мощности при движении электроподвижного состава с заданным уровнем потерь напряжения. Установлена целесообразность применения двух преобразовательных агрегатов общей мощностью 10 МВт, а для одноагрегатнои подстанции - 5 МВт. Создана математическая модель изменения тока и напряжения в тяговой сети с использованием нелинейного рекуррентного анализа, позволяющего оценить качество процессов электропотребления и области устойчивой работы системы тягового электроснабжения. Структура модели позволяет выявить скрытые составляющие процесса. Получил дальнейшее развитие метод обеспечения устойчивости работы систем тягового электроснабжения постоянного тока в части использования нелинейного регулятора напряжения. Доказано, что регулятор с нелинейным законом управления имеет лучшую робастность, а зона стабилизации напряжения в тяговой сети при применении нелинейного регулятора в 3-4 раза шире по сравнению с использованием линейного регулятора. Реализация системы распределенного питания позволяет ежегодно экономить на опытном участке 2879000 грн за счет уменьшения.
EN: The thesis is devoted to the solving of the actual scientific and applied task of increasing the energy efficiency of DC power traction systems by developing scientific principles for the construction of distributed power systems that fit into the existing infrastructure to provide high-speed traffic, which is essential for electric transport. In work on the basis of experimental research of voltage and power modes in the system of DC traction power supply was proved that classical systems of centralized power supply do not allow to provide the necessary conditions for the introduction of high-speed traffic on existing lines. Voltage values both on the buses of the traction load, and in the traction lines, have a significant range of oscillations. If there is a significant reserve of installed aggregate power at traction substations in Ukraine, there are no means of voltage modes regulation in the traction lines. Existing foreign and Ukrainian developments the energy efficiency increasing for DC traction power supply systems require significant capital investments and do not take into account the peculiarities of the organization of high-speed traffic. Therefore, it is necessary to develop energy- saving technology of distributed power with the maximum use of existing infrastructure, taking into account the features of the load of high-speed trains. For the first time were developed the scientific principles of energy-efficient systems of distributed traction. Firstly, it was proposed to make a shift from the centralized power supply system to the distributed one, with the preservation of the existing supply infrastructure of the traction network - the location of traction substations in place of existing, and one unit substations on the sectioning points. Secondly, was developed method of calculating of the instantaneous traction power supply schemes on the basis of the resistance functions by calculating of the traction substation’s power necessary to provide a mode of steady-state consumption during movement of the electric rolling stock with a given level of voltage losses. Also was proposed to use two rectifier units with a total capacity of 10 MW and 5 MW for one aggregate substation Furthermore, was developed the mathematical model for simulation ot the current and voltage in the traction network using nonlinear recurrent analysis, which allows to estimate the quality of the processes of electric power consumption and the area of sustainable operation of the traction power supply system. The structure of the model allows to identify the hidden components of the process. Also, was developed the method of ensuring the stability of the DC traction power supply system in the part of using a nonlinear voltage regulator. The author proved that regulator with nonlinear control laws has the best robustness and the area of voltage stability in the power network providing application of non-linear regulator is 3-4 times wider comparing with linear regulator. Implementation of the distributed power system allows to save annually on the test area 2,879 million UAH by reducing the cost of electricity losses in the power supply system.
Description
П. Губський: ORCID 0000-0002-0216-7256
Захист – 02 липня 2019 р., Дніпровський національний університет залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна
Захист – 02 липня 2019 р., Дніпровський національний університет залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна
Keywords
режим напруги та потужності, система тягового електропостачання, постійний струм, розподілене живлення, втрати потужності, стійкість, режим напряжения и мощности, система тягового электроснабжения, постоянный ток, распределенное питания, потери мощности, устойчивость, voltage and power modes, traction power supply system, DC, distributed power, power losses, stability, КІСЕ
Citation
Губський П. В. Підвищення енергетичної ефективності системи тягового електропостачання постійного струму при швидкісному русі : автореф. дис. ... канд. техн. наук: 05.22.09. Дніпро, 2019. 22 с.