4
УДК 621.355
Ш875
Рецензенты:
д-р техн. наук, доцент С. В. Брованов
д-р техн. наук, профессор Д. Л. Калужский
д-р техн. наук, профессор В. Ю. Нейман
Штанг А. А.
Ш875
Повышение эффективности электротранспортных систем с использованием
накопителей энергии : монография / А. А. Штанг, В. В. Бирюков. – Новосибирск
: Изд-во НГТУ, 2023. – 259 с. – (Монографии НГТУ).
ISBN 978-5-7782-5056-7
Рассмотрен комплекс вопросов, связанных с экономией электрической энергии во
всех элементах технологической цепочки городского электрического транспорта: от источника
питания до подвижного состава.
Монография предназначена для специалистов в области электрического транспорта
и студентов направления подготовки «Энергетика и электротехника» в качестве дополнительного
источника при формировании целостного взгляда на состояние дел и перспективы
развития энергосбережения на транспорте с электрическим приводом.
УДК 621.355
DOI 10.17212/978-5-7782-5056-7
ISBN 978-5-7782-5056-7
© Штанг А. А., Бирюков В. В., 2022, 2023
© Новосибирский государственный
технический университет, 2022, 2023
Стр.4
6
УДК 621.355
Ш875
Reviwers:
Associate Professor S. V. Brovanov, D. Sc. (Eng.)
Professor D. L. Kaluzhsky, D. Sc. (Eng.)
Professor V. Yu. Neiman, D. Sc. (Eng.)
Shtang A. A.
Ш875
Improving the efficiency of electric transport systems using energy storage
units : monograph / A. A. Shtang, V. V. Biryukov. – Novosibirsk : NSTU Publisher,
2023. – 259 p. – (NSTU Monographs).
ISBN 978-5-7782-5056-7
The complex of issues related to the saving of electric energy in all elements of the
technological chain of urban electric transport from the power source to the rolling stock
is considered in the monograph.
The monograph is intended for specialists in the field of electric transport and students
majoring in power and electrical engineering as an additional source to form a holistic
view of the state of affairs and prospects for the development of energy saving in vehicles
with an electric drive.
УДК 621.355
DOI 10.17212/978-5-7782-5056-7
ISBN 978-5-7782-5056-7
© Shtang A. A., Biryukov V. V., 2022, 2023
© Novosibirsk State Technical University, 2022, 2023
Стр.6
Приложение 2. Визуальное представление диалоговых окон программного комплекса
253
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие ......................................................................................................................................... 7
Введение ............................................................................................................................................... 9
Глава 1. Электрический транспорт как сложный электротехнический комплекс ............. 13
1.1. Структура электроподвижного состава как объекта потребления
электрической энергии ........................................................................................................... 21
1.2. Электроподвижной состав как источник электрической энергии ....................................... 26
1.3. Источник энергии как фактор коррекции схемного решения электрических
цепей подвижного состава ...................................................................................................... 33
1.4. Анализ методов определения расхода энергии на движение
электротранспортного средства .............................................................................................. 37
1.4.1. Определение расхода электроэнергии на основе тяговых расчётов .............................. 43
1.4.2. Аналитический метод определения расходов электрической энергии ......................... 48
1.4.3. Эмпирические методы оценки расходов электрической энергии ................................. 50
1.4.4. Оценка методов расчёта расхода энергии поездами ....................................................... 52
1.5. Энергетический баланс и оценка энергии при электрическом торможении
электроподвижного состава .................................................................................................... 54
Библиографический список к главе 1 ............................................................................................ 71
Глава 2. Система электроснабжения как источник технологических потерь энергии ...... 75
2.1. Структура системы тягового электроснабжения как объекта технологических
потерь электроэнергии ............................................................................................................. 76
2.2. Определение схемного решения силовых цепей преобразовательных агрегатов
тяговых подстанций ................................................................................................................. 77
2.2.1. Анализ существующих систем тягового электроснабжения ........................................ 78
2.2.2. Анализ схем тяговых сетей по показателям технологического расхода
электроэнергии .................................................................................................................. 100
Библиографический список к главе 2 .......................................................................................... 113
Стр.253
254
ОГЛАВЛЕНИЕ
Глава 3. Накопители энергии на транспорте ........................................................................... 115
3.1. Критерии использования накопительных устройств в электротранспортной системе ... 116
3.2. Электрохимические накопители энергии ............................................................................ 118
3.3. Механические накопители энергии ...................................................................................... 122
3.3.1. Пневмо- и гидроаккумуляторы ....................................................................................... 123
3.3.2. Инерционные механические накопители энергии ........................................................ 124
3.3.3. Электромеханические накопители энергии ................................................................... 127
3.3.4. Электрические накопители энергии ............................................................................... 128
3.3.4.1. Индуктивные накопители .......................................................................................... 128
3.3.4.2. Сверхпроводящие накопители .................................................................................. 129
3.3.4.3. Ёмкостные накопители энергии ................................................................................ 130
3.3.5. Теплоэлектрические и гибридные накопители энергии ............................................... 132
3.3.5.1. Теплоэлектрические накопители энергии ................................................................ 132
3.3.5.2. Гибридные виды накопителей .................................................................................. 133
3.3.6. Конденсаторы двойного электрического слоя и их использование
на транспорте .................................................................................................................... 134
Библиографический список к главе 3 .......................................................................................... 144
Глава 4. Применение накопителей энергии на транспорте ................................................... 149
4.1. Распределение и использование энергии электрического торможения ............................ 149
4.2. Рекуперативный режим с активным потребителем на участке контактной сети ............. 151
4.3. Анализ методов определения величины избыточной энергии .......................................... 154
4.3.1. Метод определения избыточной энергии рекуперации ................................................ 154
4.3.2. Метод определения среднеквадратичных нагрузок агрегатов тяговых
подстанций ........................................................................................................................ 158
4.3.3. Метод непрерывного исследования графика движения поездов ................................. 160
4.3.4. Метод непрерывного исследования графика движения поездов
с учётом влияния случайных факторов .......................................................................... 164
4.3.5. Оценка возможности проведения актов рекуперации на основе формулы
полной вероятности ......................................................................................................... 169
4.3.6. Определение вероятности рекупераций на основе принципа состояний ................... 170
4.4. Варианты использования энергии электрических торможений ........................................ 176
4.4.1. Передача избыточной энергии рекуперации через шины тяговой подстанции ......... 176
4.4.2. Автоматический пост секционирования ........................................................................ 177
4.4.3. Инвертирование энергии в первичную энергосистему ................................................ 179
Стр.254
255
4.5. Применение накопителей энергии в системе тягового электроснабжения ...................... 180
4.5.1. Выбор места размещения накопительного элемента .................................................... 181
4.5.2. Энергоёмкость накопительного элемента и вероятность двойных актов
торможения ........................................................................................................................ 185
4.5.3. Характер изменения пропускной способности линии и энергопотребления
при внедрении накопительного элемента ....................................................................... 188
4.5.4. Комбинированная схема накопительного элемента с автоматическим
постом секционирования ................................................................................................. 198
Библиографический список к главе 4 .......................................................................................... 201
Глава 5. Экономия энергии на подвижном составе ................................................................. 205
5.1. Структурные схемы транспортных средств с комбинированной
энергетической установкой ................................................................................................... 206
5.2. Определение мощности тягового двигателя транспортного средства .............................. 215
5.3. Расчёт параметров накопителей электрической энергии на транспорте .......................... 224
Библиографический список к главе 5 .......................................................................................... 234
Заключение ....................................................................................................................................... 235
Приложения ...................................................................................................................................... 237
Приложение 1. Данные результатов эксперимента ................................................................... 237
Приложение 2. Визуальное представление диалоговых окон программного комплекса ....... 248
Стр.255
256
CONTENTS
Preface .................................................................................................................................................. 7
Introduction ........................................................................................................................................... 9
Chapter 1. Electric transport as a complex electrical complex ..................................................... 13
1.1. The structure of the electric rolling stock as an object of electric energy
consumption .............................................................................................................................. 21
1.2. Electric rolling stock as a source of electric energy .................................................................. 26
1.3. Energy source as a factor in correcting the circuit design of electric rolling
stock circuits .............................................................................................................................. 33
1.4. Analysis of methods for determining the energy consumption for electric vehicle
movement ................................................................................................................................. 37
1.4.1. Determination of electricity consumption based on traction calculations ........................... 43
1.4.2. An analytical method for determining the electric energy consumption ............................. 48
1.4.3. Empirical methods for estimating the electric energy consumption .................................... 50
1.4.4. Assessment of methods for calculating energy consumption by trains ............................... 52
1.5. Energy balance and energy assessment during electric braking of the electric rolling
stock .......................................................................................................................................... 54
References to Chapter 1 ................................................................................................................... 71
Chapter 2. Power supply system as a source of technological energy losses ................................ 75
2.1. The structure of the traction power supply system as an object of technological
electricity losses ........................................................................................................................ 76
2.2. The definition of the circuit design of power circuits of converting units of traction
substations ................................................................................................................................ 77
2.2.1. Analysis of the existing traction power supply systems ...................................................... 78
2.2.2. Analysis of traction network schemes in terms of technological power
consumption ...................................................................................................................... 100
References to Chapter 2 ................................................................................................................. 113
Стр.256
257
Chapter 3. Energy storage units in transport ............................................................................... 115
3.1. Criteria for the use of storage units in the electric transport system ....................................... 116
3.2. Electrochemical energy storage units ...................................................................................... 118
3.3. Mechanical energy storage units ............................................................................................. 122
3.3.1. Pneumatic and hydraulic accumulators ............................................................................. 123
3.3.2. Inertial mechanical energy storage units ........................................................................... 124
3.3.3. Electromechanical energy storage units ............................................................................ 127
3.3.4. Electrical energy storage units ......................................................................................... 128
3.3.4.1. Inductive energy storage units ..................................................................................... 128
3.3.4.2. Superconducting energy storage units ......................................................................... 129
3.3.4.3. Capacitive energy storage units ................................................................................... 130
3.3.5. Thermoelectric and hybrid energy storage units ............................................................... 132
3.3.5.1. Thermoelectric energy storage units ........................................................................... 132
3.3.5.2. Hybrid energy storage units ........................................................................................ 133
3.3.6. Electric double layer capacitors and their uses in transport .....................................
References to Chapter 3 ................................................................................................................. 144
134
Chapter 4. The use of energy storage units in transport ............................................................. 149
4.1. Distribution and use of electric braking energy ...................................................................... 149
4.2. Regenerative mode with an active consumer in the contact network section ......................... 151
4.3. Analysis of methods for determining the amount of excess energy ........................................ 154
4.3.1. The method for determining excess energy recovery ........................................................ 154
4.3.2. The method for determining the root-mean-square loads of traction substation units ...... 158
4.3.3. The method of continuous study of train schedules .......................................................... 160
4.3.4. The method of continuous study of train schedules taking into account
the influence of random factors ........................................................................................ 164
4.3.5. Assessment of the possibility of carrying out recovery acts based on the full
probability formula ........................................................................................................... 169
4.3.6. Determination of the probability of recovery based on the principle of states .................. 170
4.4. Options for using the energy of electric braking ..................................................................... 176
4.4.1. Transfer of surplus recovery energy via busbars of the traction substation ...................... 176
4.4.2. An automatic sectioning post ............................................................................................ 177
4.4.3. Inverting energy into the primary energy system .............................................................. 179
4.5. The use of energy storage units in the traction power supply system ..................................... 180
4.5.1. Selecting the location of the storage element .................................................................... 181
Стр.257
258
CONTENTS
4.5.2. The energy intensity of the storage element and the probability of double acts
of braking .......................................................................................................................... 185
4.5.3. The nature of the change in line capacity and energy consumption when introducing
a storage element .............................................................................................................. 188
4.5.4. A combined storage element scheme with an automatic sectioning post .......................... 198
References to Chapter 4 ................................................................................................................. 201
Chapter 5. Energy saving on the rolling stock .............................................................................. 205
5.1. Structural diagrams of vehicles with a combined power plant ................................................ 206
5.2. Determining the power of the vehicle traction engine ............................................................ 215
5.3. Calculation of the parameters of electric energy storage units in transport ............................. 224
References to Chapter 5 ................................................................................................................. 234
Conclusion ........................................................................................................................................ 235
Appendices ........................................................................................................................................ 237
Appendix 1. Experimental results data .......................................................................................... 237
Appendix 2. Visual representation of dialog windows of the software package ............................ 248
Стр.258