Покращення режиму напруги в системі тягового електропостачання електрифікованих залізниць постійного струму
Loading...
Date
2018
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Дніпропетровський національний університет залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна
Abstract
UK: Дисертація присвячена науково-прикладній задачі покращення режиму напруги шляхом зменшення діапазону її зміни на струмоприймачах електрорухомого складу в децентралізованій системі живлення. У роботі проаналізовано режими напруги в системі живлення електричного транспорту постійного струму та встановлено, що сучасний стан тягового електропостачання постійного струму не в змозі забезпечити необхідний режим напруги в тяговій мережі.
Запропоновано математичну модель, яка дозволяє виконувати електричні розрахунки розподіленої системи тягового електропостачання з альтернативними джерелами електроенергії.
Запропоновано систему обмеження мінімального рівня напруги на струмоприймачі ЕРС, яка дає змогу звузити діапазон зміни напруги та зменшити втрати електроенергії в тяговій мережі до 30 % по відношенню до існуючого рівня. На основі розробленої моделі розрахунку розподіленої системи тягового електропостачання удосконалено сенсорний метод оптимізації визначення місця установки підсилюючого пункту, що дозволяє при забезпеченні заданого рівня напруги на струмоприймачі електрорухомого складу зменшити витрати електроенергії на тягу поїздів та втрати потужності в тяговій мережі при мінімізації встановленої потужності підсилюючих пунктів.
Визначено технічні параметри системи розподіленого електропостачання та визначено раціональний рівень обмеження мінімального значення напруги в контактній мережі, який обумовлений напругою на шинах суміжних тягових підстанцій і визначається за критерієм мінімуму втрат електроенергії в тяговій мережі. Техніко-економічні розрахунки показали, що запропонована модернізація системи електричної тяги постійного струму, маючи відносні капіталомісткі витрати, характеризується строком окупності менше 4,5 років.
EN: The dissertation studies the scientific and applied issues of supplying a particular range of voltage changes on the current collector of the electric motive power at the decentralized power system. The work analyzes the power supply system of the DC voltage mode of electric transport. The experiments show that the actual DC traction power supply is not capable of providing the sufficient traction network power while implementing the high-speed traffic. The mathematical model allows performing calculations of the distributed traction power supply system with alternative sources of electric power. It involves using the regularities of the change in the traction network resistance with any number of traction substations and boost points. In combination with the functions of current distribution and the distribution of subsystem potentials make it possible to formalize electrotechnical calculations of electric traction systems and proceed from discrete to continuous representation. The system of limiting the minimum voltage level on the current collector of the electric motive power is recommended to narrow the voltage variation range and reduce power losses in the traction network for 30 %. The rational level of the minimum voltage value limits in the contact network of the distributed power supply system is determined; it is 93% of traction substation open-circuit voltage and determined by the criterion of minimum power losses in the traction network. Ensuring a rational level of voltage in the traction net-work allowed, performing the same train operation on the area, to reduce the energy losses by 29% compared with the voltage limitation in the traction network at 3000 V and 64% compared with the voltage limitation in the traction network at 2900 V. On the basis of the developed model for calculating the distributed traction power supply system, the sensory method was improved for optimization the location of the boost point installation. This method allows reducing the electric power consumption for trains traction and power losses in the traction network while minimizing the installed power of the boost points providing voltage level on the current collector of the electric motive power. In order to implement a decentralized power supply system, a structure is proposed to use the installation of the distributed solar power generators as a power source. The system optimal topologies of alignment and transient DC/DC converters are defined. For the transient converter, the bridge circuit is chosen, which allows to reduce the load of semiconductor keys by 50% in comparison with the half-bridge circuit at peak currents. For the DC / DC converters in the system of solvers transformers, the most advanced magnetic material and the operating frequency of the intermediate AC links are proposed, which allows to reduce the specific losses in the magnetic circuit by 27% and significantly reduce the mass-gauge values of the transformer. The calculations made for the electrified area of Pridneprovskaya Railway showed that during performing a given schedule of motion, the use of the developed system provides a predetermined value of the lower level of voltage on the current collector of the electromotive force, thereby reducing the loss of electric energy in the traction network by 30% from the existing level, and narrowing the range of change voltage by 30 %. The feasibility and economic calculations have shown that the modernization of the DC electric traction system, having relative capital-intensive costs, is characterized by a pay-back period by 4,5 years.
RU: Диссертация посвящена научно-прикладной задачи улучшения режима напряжения путем уменьшения диапазона ее изменения токоприемников электроподвижного состава в децентрализованной системе питания. В работе проанализированы режимы напряжения в системе питания электрического транспорта постоянного тока и установлено, что современное состояние тягового электроснабжения постоянного тока не в состоянии обеспечить необходимый режим напряжения в тяговой сети. Предложена математическая модель, которая позволяет выполнять электрические расчеты распределенной системы тягового электроснабжения с альтернативными источниками электроэнергии. Предложена система ограничения минимального уровня напряжения на токоприемники ЭДС, позволяет сузить диапазон изменения напряжения и уменьшить потери электроэнергии в тяговой сети до 30% по отношению к существующему уровню. На основе разработанной модели расчета распределенной системы тягового электроснабжения усовершенствована сенсорный метод оптимизации определения места установки усиливающего пункта, что позволяет при обеспечении заданного уровня напряжения на токоприемники электроподвижного состава уменьшить расходы электроэнергии на тягу поездов и потери мощности в тяговой сети при минимизации установленной мощности усилительных пунктов. Определены технические параметры системы распределенного электроснабжения и определены рациональный уровень ограничения минимального значения напряжения в контактной сети, который обусловлен напряжением на шинах смежных тяговых подстанций и определяется по критерию минимума потерь электроэнергии в тяговой сети. Технико-экономические расчеты показали, что предложенная модернизация системы электрической тяги постоянного тока, имея относительные капиталоемкие затраты, характеризуется сроком окупаемости менее 4,5 лет.
EN: The dissertation studies the scientific and applied issues of supplying a particular range of voltage changes on the current collector of the electric motive power at the decentralized power system. The work analyzes the power supply system of the DC voltage mode of electric transport. The experiments show that the actual DC traction power supply is not capable of providing the sufficient traction network power while implementing the high-speed traffic. The mathematical model allows performing calculations of the distributed traction power supply system with alternative sources of electric power. It involves using the regularities of the change in the traction network resistance with any number of traction substations and boost points. In combination with the functions of current distribution and the distribution of subsystem potentials make it possible to formalize electrotechnical calculations of electric traction systems and proceed from discrete to continuous representation. The system of limiting the minimum voltage level on the current collector of the electric motive power is recommended to narrow the voltage variation range and reduce power losses in the traction network for 30 %. The rational level of the minimum voltage value limits in the contact network of the distributed power supply system is determined; it is 93% of traction substation open-circuit voltage and determined by the criterion of minimum power losses in the traction network. Ensuring a rational level of voltage in the traction net-work allowed, performing the same train operation on the area, to reduce the energy losses by 29% compared with the voltage limitation in the traction network at 3000 V and 64% compared with the voltage limitation in the traction network at 2900 V. On the basis of the developed model for calculating the distributed traction power supply system, the sensory method was improved for optimization the location of the boost point installation. This method allows reducing the electric power consumption for trains traction and power losses in the traction network while minimizing the installed power of the boost points providing voltage level on the current collector of the electric motive power. In order to implement a decentralized power supply system, a structure is proposed to use the installation of the distributed solar power generators as a power source. The system optimal topologies of alignment and transient DC/DC converters are defined. For the transient converter, the bridge circuit is chosen, which allows to reduce the load of semiconductor keys by 50% in comparison with the half-bridge circuit at peak currents. For the DC / DC converters in the system of solvers transformers, the most advanced magnetic material and the operating frequency of the intermediate AC links are proposed, which allows to reduce the specific losses in the magnetic circuit by 27% and significantly reduce the mass-gauge values of the transformer. The calculations made for the electrified area of Pridneprovskaya Railway showed that during performing a given schedule of motion, the use of the developed system provides a predetermined value of the lower level of voltage on the current collector of the electromotive force, thereby reducing the loss of electric energy in the traction network by 30% from the existing level, and narrowing the range of change voltage by 30 %. The feasibility and economic calculations have shown that the modernization of the DC electric traction system, having relative capital-intensive costs, is characterized by a pay-back period by 4,5 years.
RU: Диссертация посвящена научно-прикладной задачи улучшения режима напряжения путем уменьшения диапазона ее изменения токоприемников электроподвижного состава в децентрализованной системе питания. В работе проанализированы режимы напряжения в системе питания электрического транспорта постоянного тока и установлено, что современное состояние тягового электроснабжения постоянного тока не в состоянии обеспечить необходимый режим напряжения в тяговой сети. Предложена математическая модель, которая позволяет выполнять электрические расчеты распределенной системы тягового электроснабжения с альтернативными источниками электроэнергии. Предложена система ограничения минимального уровня напряжения на токоприемники ЭДС, позволяет сузить диапазон изменения напряжения и уменьшить потери электроэнергии в тяговой сети до 30% по отношению к существующему уровню. На основе разработанной модели расчета распределенной системы тягового электроснабжения усовершенствована сенсорный метод оптимизации определения места установки усиливающего пункта, что позволяет при обеспечении заданного уровня напряжения на токоприемники электроподвижного состава уменьшить расходы электроэнергии на тягу поездов и потери мощности в тяговой сети при минимизации установленной мощности усилительных пунктов. Определены технические параметры системы распределенного электроснабжения и определены рациональный уровень ограничения минимального значения напряжения в контактной сети, который обусловлен напряжением на шинах смежных тяговых подстанций и определяется по критерию минимума потерь электроэнергии в тяговой сети. Технико-экономические расчеты показали, что предложенная модернизация системы электрической тяги постоянного тока, имея относительные капиталоемкие затраты, характеризуется сроком окупаемости менее 4,5 лет.
Description
Є. Косарєв: ORCID 0000-0003-3574-7414
Захист – 3 липня 2018 р., Дніпропетровський національний університет залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна
Захист – 3 липня 2018 р., Дніпропетровський національний університет залізничного транспорту імені академіка В. Лазаряна
Keywords
режим напруги, система тягового електропостачання, постійний струм, розподілене електропостачання, пункт підсилення, рівень напруги, діапазон зміни напруги, втрати потужності, альтернативні джерела електроенергії, voltage mode, traction power supply system, DC, distributed power boost point, voltage level, range of voltage variation, power loses, alternative energy sources, режим напряжения, система тягового электроснабжения, постоянный ток, распределенное электроснабжение, пункт усиления, уровень напряжения, диапазон изменения напряжения, потери мощности, альтернативные источники электроэнергии, КІСЕ
Citation
Косарєв Є. М. Покращення режиму напруги в системі тягового електропостачання електрифікованих залізниць постійного струму : автореф. дис. ... канд. техн. наук : 05.22.09. Дніпро, 2018. 21 с.