Efektywność energetyczna hamowania z

eksploatacja
Tadeusz Solarek
Efektywność energetyczna
hamowania z odzyskiem energii
w ruchu tramwajowym
Coraz powszechniejsze wprowadzanie do eksploatacji
w wielu miastach w Polsce tramwajów przystosowanych
do hamowania z odzyskiem energii sprawia, że istotne
staje się pytanie, czy warto instalować w układach zasilania komunikacji miejskiej dodatkowe urządzenia, takie
jak falowniki lub wirujące zasobniki energii, podnoszące
wypadkową sprawność energetyczną hamowania rekuperacyjnego. W artykule przedstawiono wyniki badań symulacyjnych dla typowego, śródmiejskiego rejonu zasilania,
pozwalające oszacować efekty energetyczne stosowania
tych dodatkowych urządzeń.
Są dwie podstawowe przyczyny niemożności odzyskania całej,
możliwej teoretycznie do odzyskania, energii hamujących tramwajów. Pierwsza, to występująca często sytuacja, że w rejonie zasilania brakuje odbiorców energii hamowania w postaci tramwajów pobierających prąd z sieci trakcyjnej. Przyczynę tę można
wyeliminować, instalując w układzie zasilania, najczęściej na
podstacji, urządzenia przejmujące nadmiarową energię rekuperacji. Druga przyczyna, to występujące niekiedy zbyt duże spadki
napięcia w obwodzie: hamujący pojazd – odbiór, powodujące
przekroczenie dopuszczalnej wartości napięcia na odbieraku hamującego odzyskowo tramwaju, a w efekcie konieczność przełączenia go na inny rodzaj hamowania. Sytuacji takich nie da się
uniknąć bez znacznego (nieracjonalnego) przewymiarowania
układu zasilania.
W artykule opisano symulacje przeprowadzone dla typowego
śródmiejskiego rejonu zasilania podstacji, przy zachowaniu obecnych parametrów układu elektroenergetycznego, w czterech wariantach: bez stosowania hamowania odzyskowego, z hamowaniem odzyskowym bez stosowania falowników bądź zasobników
energii, z zastosowaniem falowników oraz z zastosowaniem zasobników.
Symulacja
w wariancie bez stosowania hamowania odzyskowego
Aby można było ocenić zyski energetyczne płynące tylko ze stosowania rekuperacji, w wariancie tym założono, że wszystkie
tramwaje wyposażone są w bezstratny układ rozruchowy. Przyjęto, że ruch prowadzony jest tramwajami 805N, z czoperami, ale
bez możliwości hamowania odzyskowego. Badania przeprowadzono dla szczytowego natężenia ruchu i dla okresu poza szczytem. Wszystkie symulacje przeprowadzane były dla okresu 1 godziny z krokiem 0,2 s. Program symulacyjny pozwala na
dokonywanie symulacji przy prowadzeniu ruchu dokładnie według rozkładu jazdy oraz na wprowadzanie losowych opóźnień we
wjazdach tramwajów w badany rejon zasilania (podaje się war-
tość średnią opóźnień, są one generowane według wykładniczego
rozkładu prawdopodobieństwa). W wariancie bez hamowania odzyskowego nie było istotnych różnic w wynikach, przy zmienianych wartościach średnich spóźnień tramwajów.
Rys. 1. Histogram obciążenia podstacji, szczyt, bez stosowania rekuperacji
Uzyskano następujące wyniki: dla szczytowego natężenia ruchu, moc średnia podstacji (będąca miernikiem zużycia energii),
mierzona na szynach prądu stałego, wynosiła dla szczytowego
natężenia ruchu Pśr = 571,7 kW. Dla pozaszczytowego natężenia
ruchu moc średnia podstacji wyniosła Pśr = 321,1 kW. Ilustracją
występujących przeciążeń w obciążeniu podstacji jest przedstawiony na rysunku 1 histogram (f – częstość występowania obciążenia z określonego przedziału mocy, okres próbkowania mocy
wynosi 1 s). Porównanie zamieszczonych wyników z wynikami
symulacji w następnych wariantach pozwoli ocenić efekty zastosowanych w tych wariantach rozwiązań.
Wariant ze stosowaniem rekuperacji,
bez dodatkowych urządzeń w układzie zasilania
odbierających energię hamowania
W przypadku stosowania hamowania odzyskowego istotne jest
wzajemne usytuowanie w czasie pojazdów pobierających i odbierających energię. Dlatego do oceny wpływu nieregularności ruchu na efekty hamowania odzyskowego przeprowadzono symulacje przy różnych wartościach średnich spóźnień tramwajów
wjeżdżających w rejon zasilania. Symulacje przeprowadzano dla
okresu 3 godz. We wszystkich symulacjach ze stosowaniem rekuperacji przyjęto dopuszczalną maksymalną wartość napięcia
w sieci trakcyjnej równą 800 V. Wyniki symulacji, dla szczytowego natężenia ruchu, w postaci zależności mocy średniej podstacji
od średniej wartości spóźnień, zamieszczono w tablicy 1.
11/2004
33
eksploatacja
Tablica 1
Zależność mocy średniej podstacji od nieregularności ruchu
Średnia wartość spóźnienia ∆t [s]
Moc średnia podstacji
0
10
20
30
40
50
Pśr [kW] 464,0
450,8
452,8
453,5
449,7
454,1
 dla ruchu poza szczytem moce te wyniosły odpowiednio 282,3 kW, 55,3 kW i 227 kW.
Zamieszczony na rysunku 3 histogram dotyczy tylko
60
prostownikowej pracy podstacji. Z porównania go z po450,9
przednimi wynika, co było zresztą do przewidzenia, że
również stosownie falowników nie wpływa na zmniejszenie szczytów obciążeń. Użycie falowników zwiększa natomiast oszczędności energii płynące ze stosowania rekuperacji do 32,9% w szczycie i 29,3% poza nim.
Rys. 2. Histogram obciążenia podstacji, szczyt, rekuperacja, bez falowników
Analizując otrzymane wyniki można zauważyć, że przy symulowaniu ruchu ze spóźnieniami, niezależnie od ich wartości, moce średnie podstacji wypadają wyraźnie niższe niż przy prowadzeniu ruchu dokładnie według rozkładu jazdy (∆ t = 0). Stąd
wniosek, że przy prowadzeniu ruchu w badanym rejonie dokładnie według rozkładu jazdy, istnieją wyjątkowo niekorzystne warunki dla odbioru energii oddawanej przez hamujące tramwaje
przez pojazdy pobierające w tym czasie energię. Ponieważ, przy
uwzględnieniu nieregularności ruchu, wyniki symulacji niewiele
się różnią przy zmianach ∆ t, wszystkie dalsze symulacje, omawiane w następnych punktach, zostały przeprowadzone dla jednej
wartości ∆ t = 20 s, którą to wartość wybrano na podstawie obserwacji ruchu w badanym rejonie zasilania.
Symulacja dla ruchu poza szczytem dała wynik Pśr = 286,9 kW.
Porównując otrzymane wyniki z wynikami w wariancie bez stosowania rekuperacji widać, że stosowanie hamowania odzyskowego, bez instalowania dodatkowych urządzeń w układzie zasilania,
skutkuje zmniejszeniem zużycia energii o 21,5% przy szczytowym natężeniu ruchu i o 11% poza szczytem. Z analizy histogramów zamieszczonych na rysunkach 1 i 2 wynika, że szczytowe
obciążenia podstacji w obu wariantach prawie się nie różnią.
Wariant ze stosowaniem rekuperacji
i falownikami na podstacji
W symulacjach przeprowadzonych w tym wariancie przyjęto, że
połowa z wszystkich zespołów zainstalowanych na podstacji to
zespoły prostownikowo-falownikowe, a co za tym idzie oporność
wewnętrzna podstacji przy pracy falownikowej była prawie dwukrotnie większa niż przy pracy prostownikowej. Przyjęto, że napięcie stanu jałowego podstacji przy pracy falownikowej jest o 5 V
wyższe od napięcia stanu jałowego przy pracy prostownikowej
i wynosi 675 V. Uzyskano następujące wyniki:
 dla ruchu w szczycie, średnia moc podczas pracy prostownikowej wyniosła 445,5 kW, podczas pracy falownikowej –
61,8 kW, zatem moc wypadkowa, mówiąca o zużyciu energii
była równa Pśr = 383,7 kW;
34
11/2004
Rys. 3. Histogram obciążenia podstacji, szczyt, rekuperacja, z falownikami
Rekuperacja z zasobnikiem energii na podstacji
Wirujące zasobniki energii mają tę podstawową przewagę nad falownikami, że mogą oddawać energię do układu zasilania w okresach, gdy układ ten jest mocno obciążony, dzięki czemu nie tylko
obniżają zużycie energii, lecz również zmniejszają szczytowe obciążenia podstacji. Efektywność ich działania zależy od dwóch
parametrów: pojemności energetycznej zasobnika (różnicy między energią kinetyczną zasobnika przy maksymalnej i minimalnej
prędkości obrotowej) oraz maksymalnej mocy z jaką może on pobierać i oddawać energię.
Istotnym czynnikiem, wpływającym na skuteczność niwelowania przez zasobnik szczytów obciążenia podstacji, jest odpowiedni sposób sterowania oddawaniem energii przez zasobnik.
Idealny byłby taki sposób sterowania, aby zasobnik oddawał energię tylko w okresach największego obciążenia podstacji, lecz jednocześnie nie dopuszczał do kumulowania w nim nadmiernej ilości energii. Nie da się tego jednak uzyskać uzależniając moment
przejścia zasobnika do pracy prądnicowej od jednej, granicznej
mocy obciążenia podstacji. Jeżeli moc tę ustawi się odpowiednio
wysoko, szczyty obciążenia będą niwelowane, lecz energia zasobnika będzie narastać. Jeżeli przyjmie się moc graniczną
mniejszą, taką by energia zasobnika systematycznie nie narastała,
lecz okresami spadała do zera, co jest warunkiem optymalnego
energetycznego wykorzystania zasobnika, największe szczyty obciążenia podstacji praktycznie nie są zmniejszane.
Po wykonaniu wielu próbnych symulacji przyjęto następujący
sposób sterowania zasobnikiem: przy przekroczeniu mocy obciążenia podstacji Pgr = 600 kW, zasobnik oddaje energię, ale nie
rozładowuje się do zera, lecz zachowuje rezerwę 0,2 kWh. Rezerwa ta może być wykorzystana dopiero wtedy, gdy moc obciążenia
podstacji przekracza Pmax = 2000 kW. Przyjęta wartość Pmax wynikła z analizy histogramu prądu obciążenia podstacji w wariancie
z falownikami (rys. 3), gdzie szczytowe moce obciążenia podsta-
eksploatacja
cji przekraczały nieco 2500 kW i z założonej maksyTablica 2
Wyniki symulacji w wariancie z zasobnikiem energii
malnej mocy maszyny zasobnika Pzasob. = 500 kW.
Symulacje wykonano dla ruchu w szczycie i poza
Ruch w szczycie
Ruch poza szczytem
szczytem. Badania przeprowadzono dla mocy maszyn
Pzasob. [kW]
100
200
300
400
500
100
200
300
400
500
zasobników zmienianych od 100 kW do 500 kW.
Pśr [kW]
423,7 405,7 393,5 388,3 385,1 259,5 244,7 235,5 231,0 229,2
W trakcie symulacji nie ograniczano maksymalnej
Emax [kWh]
1,13
1,24
1,33
1,56
1,69
0,69
1,19
1,44
1,71
1,91
wartości energii zgromadzanej w zasobniku Emax, lecz
potraktowano tę wartość jako wynik symulacji. Wyniki symulacji
500 kW wyeliminował prawie wszystkie przeciążenia powyżej
zamieszczono w tablicy 2 (Pśr jest średnią mocą podstacji za sy2,5 MW, zaś zasobnik o mocy 100 kW nie był oczywiście do tego
zdolny.
mulowany okres pracy podstacji).
Na rysunku 6 pokazano przebieg w czasie wartości energii
Moc średnia podstacji, a więc zużycie energii, zależy od mozmagazynowanej w zasobniku w omówionym wcześniej i przyjęcy maszyny zasobnika. Oczywiście, im większa jest ta moc, tym
tym we wszystkich symulacjach, których wyniki zamieszczono
większe uzyskuje się oszczędności energii. Jednak nawet przy
największej założonej mocy, 500 kW, oszczędności są niższe niż
w tabeli 2, wariancie sterowania zasobnikiem. Wykres obejmuje
przedział czasu, w którym wystąpiła największa wartość energii
przy stosowaniu na podstacji falowników, choć różnica jest barzmagazynowana w zasobniku. Widać, że istnieją chwile, w któdzo niewielka. Podsumowując, stosowanie rekuperacji z zasobnikiem energii na podstacji, w zależności od mocy jego maszyny,
rych energia ta spada do zera, co oznacza, że przyjęta rezerwa
pozwala zaoszczędzić od 25,9% do 32,6% energii wyjściowej
energii 0,2 kWh nie zawsze wystarcza do zniwelowania najwięk(bez stosowania hamowania odzyskowego) w okresie szczytoweszych szczytów obciążenia (powyżej 2000 kW). Dla porównania,
go natężenia ruchu i od 19,1% do 28,6% poza szczytem.
na rysunku 7 przedstawiono analogiczny wykres dla przypadku,
gdy przyjęto zbyt dużą moc graniczną podstacji (Pgr = 1000 kW),
powyżej której zasobnik oddaje energię. Widać na nim jak energia w zasobniku systematycznie narasta. W rzeczywistym układzie, przy uwzględnieniu ograniczonej pojemności energetycznej
zasobnika, oznaczałoby to, że możliwości odbioru przez zasobnik
nadmiarowej energii rekuperacji znacznie by się zmniejszyły.
Rys. 6. Energia zmagazynowana w zasobniku dla Pgr = 600 kW, Pzasob.= 500 kW
Rys. 4. Histogram obciążenia podstacji, szczyt, rekuperacja, z zasobnikiem
500 kW
Rys. 7. Energia zmagazynowana w zasobniku dla Pgr = 1000 kW, Pzasob.= 500 kW
Rys. 5. Histogram obciążenia podstacji, szczyt, rekuperacja, z zasobnikiem
100 kW
Porównując histogramy zamieszczone na rysunkachj 4 i 5
z histogramem z rysunku 2 można zauważyć, że zdolność zasobnika do niwelowania szczytowych obciążeń podstacji zależy
przede wszystkim od mocy jego maszyny. Zasobnik o mocy
Podsumowanie
Zaprezentowane wyniki symulacji dają odpowiedź na pytanie, jakich efektów energetycznych można się spodziewać, w typowym
rejonie zasilania, stosując na podstacji dodatkowe urządzenia
przejmujące nadmiarową energię rekuperacji. Wyznaczone
oszczędności w zużyciu energii, w stosunku do zużycia energii
bez stosowania rekuperacji wyniosły w wersji:
 bez dodatkowych urządzeń na podstacji: 21,5% w szczycie
i 11% poza szczytem;
 z falownikami: 32,9% w szczycie i 29,3% poza nim;
 z zasobnikami: 25,9–32,6% w szczycie i 19,1–28,6% poza
szczytem.
Zamieszczone w artykule histogramy pozwalają ocenić wpływ
stosowania hamowania z odzyskiem energii w różnych wariantach, na szczytowe obciążenia podstacji trakcyjnej.
11/2004
35
eksploatacja
Literatura
[1] Koła zamachowe. Technika Transportu Szynowego 7-8/2001.
[2] Kałuża A.: Analiza techniczno-ekonomiczna zastosowania zasobnika
energii. Technika Transportu Szynowego 5-6/2002.
[3] Mierzejewski L., Szeląg A.: Wpływ taboru z rekuperacją energii na warunki funkcjonowania systemu elektroenergetyki trakcyjnej prądu stałego. Materiały konferencyjne MET’2001, Gdańsk 2001.
[4] Pawełczyk M.: Akumulacja energii w transporcie szynowym – ocena
korzyści. Technika Transportu Szynowego 5-6/2002.
[5] Solarek T.: Wpływ parametrów układu zasilania na efektywność energetyczną hamowania z odzyskiem energii w trakcji tramwajowej. Materiały
konferencyjne MET’2003, Warszawa 2003.
Autor
dr inż. Tadeusz Solarek
Zakład Trakcji Elektrycznej Politechniki Łódzkiej
 Dokończenie ze s. 34
e) 01 87 3320 344-7
Ks
RIV F-SNCF
nowych, noszących inne oznaczenia od aktualnie obowiązujących, konieczne jest wprowadzenie zmian do 31 grudnia 2010 r.
Kompletne oznaczenie identyfikacyjne wagonu (cyfrowe i literowe) powinno być jednoznacznie wydzielone od pozostałych informacji naniesionych na elementach konstrukcyjnych wagonu
tak, by informacje odnośnie właściciela (znaku graficznego, adresu itd.), informacje handlowe, jak też inne dane konstrukcyjne
i eksploatacyjne wagonu nie zakłócały czytelności numeru identyfikacyjnego wagonu. Identyfikator musi być umieszczony nie
wyżej niż dwa metry nad poziomem główki szyny. Dokładne parametry tekstu leżą w gestii właściciela wagonu, niemniej muszą
odpowiadać odpowiednim regulacjom UIC, zachowując jednocześnie warunki widoczności i jednoznaczności.
Nowe, znowelizowane wymagania karty UIC dotyczą wszystkich nowo budowanych wagonów. Dla pozostałych pojazdów szy-
Literatura
[1] Instrukcja Mw-37 o cyfrowym i literowym oznaczeniu normalnotorowego taboru wagonowego PKP oraz przedsiębiorstw niekolejowych. Dyrekcja Generalna PKP, Naczelny Zarząd Taboru, Warszawa 1992.
[2] UIC 438-3; Identifikation marking for freight rolling stock. 7th edition,
May 2004. www.uic.asso.fr.
[3] UIC 438-3; Identifikation marking for freight rolling stock. 6th edition,
January 2004.
Autor
mgr inż. Tomasz Tomaszewski
Zakład Pojazdów Szynowych
Centrum Naukowo-Techniczne Kolejnictwa
Seminarium
Modernizacja pojazdów trakcyjnych
Kraków, 13–14 stycznia 2005 r.
 Trendy światowe w modernizacji i restrukturyzacji parku taboru trakcyjnego
 Aspekty ekonomiczne modernizacji
 Certyfikacja taboru i podzespołów
 Wymagania dla taboru w zakresie zasilania trakcyjnego i ze strony infrastruktury
 Przykłady modernizacji taboru
Informacje
Biuro Oddziału SITK RP w Krakowie
30-804 Kraków, ul. Siostrzana 11
tel. (12) 658 93 72, fax (12) 659 00 76
tel/fax (12) 658 93 74
e-mail: [email protected]
36
11/2004