Determination of Energy and Electric Capacity of On-Board Supercapacitor Regenerative Energy Storage

Abstract

EN: Purpose. Development of a method for determining the main functional parameters of on-board supercapacitor recuperative energy storage based on the asymptotic theory of extreme statistics by Gumbel, taking into account sto-chastic nature of changes in recuperated voltage and current. Methodology. To achieve this purpose, methods, devices and computer systems for temporary registration of recuperated voltages and currents on operating electric locomotives, methods of the theory of random processes and methods of probabilistic and statistical processing of registro-grams of voltages and currents were used. Findings. A computational and experimental method for estimating recu-perative energy has been proposed and practically applied. A probabilistic method has been developed for determining the energy and electric capacity of on-board supercapacitor recuperative energy storage units. Numerical probabilistic and statistical calculations of the energy and electric capacity of on-board storage for the VL8 and VL11M6 electric locomotives during their operation in the sections of Prydniprovska railway have been carried out. It was found that the energy and electric capacity of on-board storage devices are distributed according to an exponential law with a clear prevalence of their minimum values and in compliance with direct proportionality between them. Originality. For the first time, an autonomous phase of recuperative braking mode of an electric rolling stock has been developed, which makes it possible to significantly reduce the mass and dimension of a supercapacitor storage. The asymptotic theory of extreme statistics by Gumbel was adapted to the method for calculating energy and electric capacity of an on-board storage device, which made it possible to take into account the influence of stochastic nature of changes in the recuperated voltage and current. The probabilistic influence regularities of the change nature in the recuperation energy on the capacity of on-board storage in the phase of recuperative braking have been established. Further development was obtained by a computational-experimental method for assessing the recuperative energy, based on monitoring and using the time dependences of voltage and current obtained in real modes of recuperative braking. For the first time in electric traction systems, it was proposed to carry out the transition from the recuperative braking mode to the recuperative regeneration mode. Practical value. The developed method and technique based on it make it possible to evaluate functional parameters of on-board storage device of all types of electric rolling stock, considering stochastic nature of recuperated voltages and currents. Numerical-graphic dependences of the energy in-tensity and capacity of the on-board storage are recommended for predicting and evaluating these parameters for various modes of recuperative braking. Since the task of designing an on-board storage unit (in terms of mass and dimensions) is ambiguous, therefore, in each specific case of the type of electric locomotive and recuperation modes, it must be solved individually, taking into account the probability of the corresponding capacitance values.

UK: Мета. У статті передбачено розробку на основі асимптотичної теорії екстремальних статистик Гумбеля ме-тоду визначення основних функціональних параметрів бортового суперконденсаторного накопичувача енергії рекуперації з урахуванням стохастичного характеру зміни рекуперованих напруги та струму. Методика. Для досягнення поставленої мети використані методики, прилади та комп’ютерні системи тимчасової реєстрації рекуперованих напруг і струмів на діючих електровозах, методи теорії випадкових процесів і способи ймові-рнісно-статистичної обробки реєстрограм напруг і струмів. Результати. Запропоновано та практично засто-совано експериментально-розрахунковий метод оцінки енергії рекуперації. Розроблено ймовірнісний метод визначення енергетичної та електричної ємностей бортових суперконденсаторних накопичувачів енергії ре-куперації. Виконано чисельні ймовірнісно-статистичні розрахунки енергетичної та електричної ємностей бо-ртового накопичувача для електровозів ВЛ8 та ВЛ11М6 під час їх експлуатації на ділянках Придніпровської залізниці. Установлено, що енергетична та електрична ємності бортових накопичувачів розподіляють за екс-поненціальним законом із чітким превалюванням їх мінімальних значень і дотриманням між ними прямої пропорційності. Наукова новизна. Уперше розроблено автономний фазовий режим регенераційного гальму-вання електрорухомого складу, що дозволяє істотно зменшити масогабаритні показники суперконденсатор-ного накопичувача. Адаптовано асимптотичну теорію екстремальних статистик Гумбеля до методики розра-хунку енергетичної та електричної ємностей бортового накопичувача, що дозволило врахувати стохастичний характер зміни рекуперованих напруги та струму. Установлено ймовірнісні закономірності впливу характеру зміни енергії рекуперації на ємність бортового накопичувача в фазі регенераційного гальмування. Подальший розвиток отримав розрахунково-експериментальний метод оцінки енергії рекуперації, що базується на моні-торингу та використанні часових залежностей напруги та струму, отриманих у реальних режимах рекупера-тивного гальмування. Уперше в системах електричної тяги запропоновано здійснювати перехід від режиму рекуперативного гальмування до режиму рекуперативної регенерації. Практична значимість. Розроблений метод і методика, що базується на ньому, дозволяють оцінювати функціональні параметри бортових накопи-чувачів усіх видів електрорухомого складу з урахуванням стохастичного характеру рекуперованих напруг і струмів. Чисельно-графічні залежності енергетичної та електричної ємностей бортового накопичувача реко-мендовано для прогнозування й оцінки цих параметрів за різних режимів регенераційного гальмування. Оскі-льки задача конструювання бортового накопичувача (за масою і габаритами) неоднозначна, у кожному конк-ретному випадку для типу електровоза та режимів рекуперації її потрібно розв’язувати індивідуально з ура-хуванням імовірності відповідних значень ємності.