Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Повышение эффективности системы тягового электроснабжения высокоскоростных магистралей и полигонов грузоперевозок на железных дорогах России путем применения систем накопления электроэнергии Общие сведения о выполненной работе Работы выполнены в 2022 г. в рамках реализации исследований по проекту № 22-29-00002 Российского научного фонда (Этап 1). Основной код классификатора: 09-405. Дополнительные коды классификатора: 09-406 09-303. Код ГРНТИ 44.01.11. Руководитель проекта: доцент кафедры «Электроснабжение железнодорожного транспорта» Омского государственного университета путей сообщения (ОмГУПС(ОмИИТ))», к.т.н. Незевак В. Л. Цель проекта Повышение эффективности работы системы тягового электроснабжения на участках высокоскоростного и смешанного движения на магистралях России на основе применения систем накопления электроэнергии. Задачи проекта (1 этап) 1. Разработка математической модели тягового электроснабжения с системами накопления электроэнергии. 2. Получение основных зависимостей управления системами накопления в согласовании с системой тягового электроснабжения для разработки принципов управления. 3. Разработка методики размещения и определения параметров системы накопления электроэнергии. Основные результаты проекта Выполненные в рамках представленной работы исследования направлены на решение задач, связанных с определением параметров систем накопления электроэнергии и выбором мест размещения в системе тягового электроснабжения. Полученные результаты моделирования, разработанные модели и методики расчета позволяют решать указанные задачи как для бортовых систем накопления электроэнергии, так и для систем, размещаемых на объектах системы тягового электроснабжения. В ходе реализации проекта получены следующие основные результаты: 1) выполнен обзор основных параметров и характеристик систем тягового электроснабжения и электроподвижного состава железнодорожного транспорта, применяемых преобразователей на тяговых подстанциях и на электроподвижном составе постоянного и переменного тока, в т.ч. на скоростных и высокоскоростных магистралях; 2) разработаны модели системы тягового электроснабжения постоянного и переменного тока, содержащие систему накопления электроэнергии; 3) определена энергоемкость бортовой системы накопления для решения задач по выравниванию графика тяговой нагрузки электропоезда при максимальной скорости движения до 150 км/ч и выше; 4) разработаны модели системы тягового электроснабжения для исследования послеаварийных и вынужденных режимов с системами накопления электроэнергии, выполненными на основе различных накопителей; 5) выполнена оценка номинальной энергоемкости для бортовой системы накопления электроэнергии на основе рассмотренных аккумуляторов (NiMh, NiCd, LiIon, LeAc(Pb)), обеспечивающая минимальное напряжение на токоприемнике; 6) разработан усовершенствованный метод расчета показателей работы системы тягового электроснабжения, позволяющий учитывать изменение напряжения на токоприемнике электроподвижного состава в условиях работы систем накопления электроэнергии и применения рекуперативного торможения; 7) разработан алгоритм расчета энергетических показателей работы системы тягового электроснабжения, позволяющий учесть режимы работы системы накопления электроэнергии с учетом ее показателей работы; 8) показано, что участки железных дорог с преобладанием пассажирского и грузового движения несущественно отличаются по мощности бортовых и стационарных систем накопления электроэнергии, а требуемые номинальные энергоемкости отличаются в три и десять раз соответственно. 9) на основе сравнительного анализа существующих методов предложен метод расчета параметров системы накопления электроэнергии для системы тягового электроснабжения, позволяющий учесть место размещения и режимы работы электроподвижного состава, в т.ч. рекуперативного торможения; 10) разработана методика выбора мест размещения системы накопления и определения ее параметров в системе тягового электроснабжения для заданных условий формирования электротяговой нагрузки, позволяющая учитывать перспективную нагрузку и режимы работы, особенности мест размещения для решения задач, стоящих перед системой накопления электроэнергии. Основные публикации 1. Незевак, В. Л. Анализ характеристик тяговой нагрузки на скоростных участках для определения условий работы устройств накопления электроэнергии / В. Л. Незевак, А. Д. Дмитриев, С. С. Самолинов // Известия Транссиба. – 2022. – № 2(50). – С. 12-29. 2. Незевак, В. Л. Совершенствование методов и алгоритмов расчета энергетических показателей системы тягового электроснабжения с регулируемыми устройствами / В. Л. Незевак, А. Д. Дмитриев // Известия Транссиба. – 2022. – № 3(51). – С. 19-34. 3. Незевак, В. Л. О сравнении энергетических параметров систем накопления электроэнергии для систем тягового электроснабжения постоянного и переменного тока / В. Л. Незевак // Вестник Научно-исследовательского института железнодорожного транспорта. – 2022. – Т. 81. – № 1. – С. 38-52. – DOI 10.21780/2223-9731-2022-81-1-38-52. 4. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2022617521 Российская Федерация. Обработка данных расчетов нагрузки и напряжения системы тягового электроснабжения постоянного и переменного тока : № 2022616078 : заявл. 06.04.2022 : опубл. 21.04.2022 / В. Л. Незевак, Ю. В. Плотников ; заявитель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Омский государственный университет путей сообщения». 5. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2022660083 Российская Федерация. Обработка данных профиля пути и определение типа : № 2022619435 : заявл. 23.05.2022 : опубл. 30.05.2022 / В. Л. Незевак, Ю. В. Плотников ; заявитель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Омский государственный университет путей сообщения». Приняты к публикации в рецензируемых журнала из БД Scopus две статьи, подана заявка на изобретение, принято участие в работе двух конференций с последующей публикацией докладов в материалах конференций. Область применения результатов Областью применения результатов исследований, полученных в ходе реализации представленного проекта, являются системы тягового электроснабжения постоянного и переменного тока сети железных дорог России. Оценка перспектив исследований на основе выполненной работы Полученные в ходе исследования результаты позволяют перейти к разработке технических требований к системам накопления электроэнергии для тягового электроснабжения, разработке алгоритмов управления преобразователями, расчетам по выбору мест размещения и определению параметров накопителя с перспективой его опытной эксплуатации в системе тягового электроснабжения постоянного и переменного тока сети железных дорог России. Выполнение указанных работ планируется на втором этапе реализации проекта, задачами которого являются: 1) разработка технических решений по согласованному подключению системы накопления электроэнергии; 2) разработка алгоритмов управления преобразователями системы накопления электроэнергии; 3) апробация работы систем накопления электроэнергии в различных режимах работы тягового электроснабжения.

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
В результате исследований предложены основные положения концепции и классификация систем накопления электроэнергии, для применения в энергетическом комплексе железнодорожного транспорта. Разработаны способы и алгоритмы регулирования систем накопления электроэнергии с целью повышения эффективности работы систем тягового электроснабжения постоянного и переменного тока. Разработаны и апробированы схемные решения для построения систем накопления электроэнергии в энергетическом комплексе железнодорожного транспорта. Основными результатами выполненной работы являются следующие. 1. Предложены основные положения концепции применения систем накопления электроэнергии в энергетическом комплексе железнодорожного транспорта. Сформулированы основные принципы построения систем накопления электроэнергии, к которым относятся: оптимальное соотношение энергетических параметров; минимизация затрат; модульное построение; согласованность режимов работы в системах электроснабжения и др. 2. Предложена классификация систем накопления электроэнергии для применения в энергетическом комплексе железнодорожного транспорта, учитывающая специфику построения систем электроснабжения и электротяговой нагрузки. Разработана структура систем накопления электроэнергии для систем тягового электроснабжения постоянного и переменного тока. Разработаны математические модели для моделирования режимов работы систем накопления электроэнергии в системах тягового электроснабжения. 3. Разработан способ и алгоритм регулирования режимов работы систем накопления электроэнергии по уровню напряжения в системе тягового электроснабжения постоянного тока. Регулирование режимов систем накопления электроэнергии выполняется в зависимости от уровня напряжения в контактной сети (на линейных устройствах). 4. Разработан способ и алгоритм регулирования режимов работы систем накопления электроэнергии по уровню нагрузки в системе тягового электроснабжения постоянного тока. Регулирование работы выполняется на основе суммарной тяговой нагрузки в границах межподстанционной зоне и уровня напряжения. 5. Разработан способ и алгоритм регулирования режимов работы систем накопления электроэнергии с учетом работы вольтодобавочных устройств в системе тягового электроснабжения постоянного тока. Предложенный способ регулирования отличается от предложенных выше тем, что опорное напряжение для регулирования систем накопления электроэнергии определяется на основе средних значений напряжения на шинах тяговых подстанций с учетом работы вольто-добавочных устройств. 6. Разработан способ и алгоритм регулирования систем накопления электроэнергии в тяговых сетях переменного тока с учетом уровня гармоник в гармоническом спектре тягового тока в зависимости от нагрузки электроподвижного состава. В случае работы электроподвижного состава с асинхронными тяговыми двигателями, при работе которых наблюдается искажение тока по широкому спектру гармоник, предложено использовать суммарное искажение тока, учитывающее несинусоидальность. 7. Разработан способ и алгоритм регулирования по уровню реактивной мощности в тяговых сетях переменного тока с учетом работы статических компенсаторов. Разработанный способ регулирования является модификацией предложенных выше способов регулирования в системах тягового электроснабжения переменного тока, который отличается возможностью учета и координации нагрузки между регулируемыми системами накопления электроэнергии и устройствами плавного регулирования реактивной мощности в границах межподстанционной зоны. 8. Предложены модели в программной среде Matlab, позволяющие реализовать работу систем накопления электроэнергии по разработанным способам и алгоритмам регулирования. 9. Разработаны схемное решение и модель системы накопления электроэнергии для системы тягового электроснабжения постоянного тока, позволяющие оценить основные энергетические показатели для режимов заряда и разряда систем накопления электроэнергии. 10. Показано, что реализация разработанных схемных решений на основе активной топологии системы накопления электроэнергии для систем тягового электроснабжения постоянного тока позволяет выполнить регулирование уровня выходного напряжения при разряде (в рабочем диапазоне напряжений 3,5 – 3,7 кВ), уровня напряжения и тока аккумуляторной батареи в режиме заряда. 11. Результаты моделирования системы тягового электроснабжения постоянного тока в ходе апробации модели являются адекватными, соответствующими рабочим диапазонам тока и напряжения в тяговой сети. 12. Разработаны схемное решение и модель системы накопления электроэнергии для системы тягового электроснабжения переменного тока, позволяющие оценить основные энергетические показатели для режимов заряда и разряда систем накопления электроэнергии. 13. Показано, что для систем тягового электроснабжения переменного тока напряжение на выходе систем накопления электроэнергии может быть стабилизировано на номинальном уровне 27,5 кВ, а режимы заряда систем накопления реализуются в широком диапазоне входного напряжения от 26 до 29 кВ. 14. Апробация модели системы тягового электроснабжения переменного тока позволяет оценить полученные при моделировании результаты как адекватные, соответствующие рабочим диапазонам тока и напряжения в тяговой сети. Результаты исследований позволяют сформировать технические требования к построению систем накопления электроэнергии в энергетическом комплексе железнодорожного транспорта для перспективного применения на высокоскоростных участках и полигонах тяжеловесного движения. Предложенные способы и алгоритмы регулирования систем накопления электроэнергии могут быть использованы при построении системы регулирования цифровой системы тягового электроснабжения постоянного и переменного тока на железных дорогах России. В качестве перспективных исследований следует отметить решение вопросов по разработке научных основ построения систем накопления электроэнергии в комплексе с возобновляемыми источниками энергии на транспорте, совершенствование структуры и алгоритмов работы преобразователей, применяемых в системах накопления электроэнергии.