Українська   English
 ДонНТУ    Портал магистров

Содержание

1. Введение

Планируя оборудовать троллейбус системой аккумулирования энергии (ESS), следует учитывать ожидаемое увеличение массы, так как ожидается, что мощность для обеспечения более интенсивного движения будет выше. Зная структуру сети постоянного тока и параметры кабелей, виртуальные моделирования могут быть очень полезны при получении графических данных для различных приводных циклов. Описание модели Matlab/Simulink simulink-симулятора тягового привода троллейбуса и другие расчеты механических параметров обсуждались в [1]. Во время моделирования движения троллейбуса значения передаточного сопротивления устанавливаются в соответствии с местоположением троллейбуса, т.е. пройденным расстоянием от питающей подстанции. Исследование стационарных комплектов суперконденсаторов (SC) рассмотрено в [2] и [3]. Основной целью данной работы являлось исследование перспективной эффективности применения мобильных суперконденсаторов SC ESS для троллейбуса Skoda 27Tr. Был выполнен ряд симуляций троллейбуса с равными условиями движения, за исключением начальных расстояний от подстанции. Проверено несколько вариантов применения ESS SC соединения, начиная с минимум 4 до максимум 16 номеров модулей SC. Проанализировано влияние дополнительной массы ESS на энергию движения троллейбуса и проведено ее сравнение с рекуперативной энергией торможения. Наряду с более высоким энергопотреблением, теоретически, потери в передаче ожидаются в следующих случаях быть выше. Однако благодаря ESS, способствующему обеспечению привода троллейбуса энергией в режиме ускорения, потери при передаче могут быть значительно снижены. Несмотря на то, что мощность троллейбуса в ускоренном режиме увеличивается, мощность торможения также несколько возрастает, и ожидается более высокое количество энергии торможения. Наконец, предлагаются рекомендации по выбору номера модуля ESS SC с учетом результатов моделирования.

2. Моделирование троллейбуса без ESS и с ESS

На рис. 1 показана модель троллейбуса Skoda 27Tr Solaris и модуль ESS SC Maxwell BMOD0063 с m=60кг. C=63Ф R=0.018Ом и U, =125В. Механические и электрические параметры рассматриваемого троллейбуса: передаточное отношение редуктора 6.2, масса 16500кг, сиденья 50+1, максимальное количество пассажиров 160, диаметр колес 0,9565м, номинальная мощность 260кВт. Несмотря на то, что в реальном времени в реальных ситуациях следует измерять амонтаж пассажиров и вес транспортного средства [4]. [5], для дальнейших имитаций движения троллейбуса предполагается, что внутри него находится 1 водитель и 80 пассажиров. Предположим, что средний вес человека составляет 75 кг, а масса троллейбуса - 22575 кг, что имеет соответствующий момент инерции, принцип расчета которого описан в [1]. Каждое моделирование длилось 65с и выполнялось на расстоянии 665м [1]. Исследуя движение троллейбуса при определённой массе, было проведено три моделирования с одним и тем же контрольным графиком крутящего момента. Таким образом, каждый раз, когда троллейбус проезжал одно и то же расстояние, которое добавлялось к начальному расстоянию для каждого симулятора. Дальнейшие результаты покажут, как с увеличением расстояния между троллейбусом и подстанцией возрастают соответствующие потери и падения напряжения в воздушной сети. Во-первых. были проведены симуляционные серии троллейбусов без ESS. Затем были проведены симуляционные серии троллейбусов без ESS, но с большей массой, благодаря предложенным вариантам реализации ESS. Наконец, были проведены симуляции троллейбуса с ESS. На рис. 2 показаны симулированные конфигурации соединения SC с 4 до 16 модулями, увеличение массы троллейбуса в процентах и максимальные значения кинетической энергии.

Рисунок 1. – Троллейбус Skoda 27Tr Solaris и модуль SC BMOD0063

Рисунок 2. – Варианты схемы подключения SC ESS

Наряду с модулями SC в состав ESS входит также мощный DC/DC преобразователь массой не менее 30 кг. Для точной работы преобразователя и упрощения конструкции [6] минимальное напряжение ESS должно составлять половину номинального напряжения ESS. Максимальное напряжение ESS устанавливается равным 450 В вместо номинальных 500 В в цепях C, E и F, поскольку напряжение ESS не должно быть выше, чем напряжение в воздушной сети, которое может значительно снизиться из-за потерь при передаче. Как короткая 12-метровая двухосная троллейбусная модель Skoda 24Tr, так и длинная 18-метровая трехосная модель Skoda 27Tr имеют внутреннее резервное помещение. Если в нем не установлен дизель-генератор, то есть возможность применения в нем ESS, а не только на крыше.

3. Сравнение разницы в энергопотреблении троллейбусов без предлагаемых масс ESS и с предлагаемыми.

В связи с увеличением массы троллейбуса, вызванным схемами ESS с рис. 2, для каждого отдельного случая был модифицирован контрольный график крутящего момента, чтобы получить такие же графики скорости и расстояния как на рис. 3. и на рис. 4 показано, как при увеличении массы троллейбуса за счет дополнительных модулей ESS увеличивается энергия привода троллейбуса в равных условиях движения. Кроме того, графики, отображающие разницу в процентах энергии привода, являются краткими. Когда троллейбус с большей массой достигает определенной скорости, расходуется больше энергии и больше мощности. Таким образом, в режиме торможения рекуперируется немного больше энергии, и на рис. 4 показана также разница в энергии торможения. Начиная с каждого 665-метрового интервала энергия привода и торможения измерялась с нуля.

Рисунок 3. – Диаграмма скорости движения троллейбуса

Рисунок 4. – Диаграммы потребляемой троллейбусом энергии и энергии торможения

На рис. 4 показано, как дополнительная масса ESS в случае цепи А с рис. 2 приводит к увеличению потребляемой энергии привода троллейбуса на 2,7%. С каждой следующей предлагаемой ESS эта энергия продолжает увеличиваться до 6,26% для цепи F. Чем больше масса троллейбуса, тем больше необходимо мощность, обеспечивающая движение. Благодаря этому энергия торможения троллейбуса увеличивается на 2+4,4%. Если троллейбус имеет ESS, на которую передается энергия торможения, то энергия торможения вычитается из энергетической диаграммы троллейбуса. Из конца значений диаграммы можно рассчитать, что во время симуляций энергия торможения троллейбуса, которая может быть сохранена в ESS, заполняет 25 ± 1% энергии привода троллейбуса, которая расходуется во время ускорения. Если посмотреть на количество энергии, которое восстанавливается с помощью ESS, то увеличение потребляемой энергии привода троллейбуса, вызванное дополнительной массой ESS, можно считать незначительным. Далее будет изучен вопрос о том, как дополнительная масса троллейбусной ESS влияет на величину потерь энергии при передаче по воздушной сети постоянного тока.

Рисунок 5. – Схема сопротивления передачи сети постоянного тока

Рисунок 6. – Диаграммы потери энергии при передаче и разность(сравнение) в процентах

На рис. 6 также показано, сколько процентов полностью потребленной энергии, т.е. энергия потерь при передаче плюс энергия привода троллейбуса, содержит энергию потерь при передаче. Столбчатая диаграмма показывает процент, на который увеличивается количество потерь при передаче, когда масса троллейбуса становится больше 22575 кг. Для троллейбусов большей массы, начиная с 23115+23835 кг, величина потерь при передаче увеличивается достаточно заметно на 5+16%. Однако процент потерь энергии при передаче от полностью потребленной энергии увеличивается только на 0,03+0,07% на расстоянии 0+665 м, на расстоянии 665+1330 м - 0,18+0,46%, на расстоянии 1330+1995 м - 0,41+1,05%.

4. Приминение, в котором доступная энергия равна энергии торможения

При планировании перспективной ESS для электротранспорта необходимо учитывать максимальную скорость, на которой она должна тормозить. Как видно на рис. 4, при 50 км/ч без ESS в режиме торможения вырабатывается энергия 1,311 МДж. Однако ее не следует рассматривать как максимальное количество энергии, которое ESS может накапливать, заряжая от минимального напряжения до максимума. Троллейбус, оснащенный ESS, тяжелее, и количество рекуперированной энергии также будет несколько выше. Из моделирования с дополнительной массой ESS в корпусе цепи А, энергия торможения составляет 1.328МДж, что на 1.3% выше. Поскольку количество энергии торможения прогнозируется на основе таких имитационных расчетов, его можно сравнить с предполагаемой массой доступной для ESS SC:

где C - емкость суперконденсатора (Ф), Umax - максимальное напряжение (В) и Umin - минимальное напряжение (В) ESS, равное половине нормального, а не максимального напряжения ESS.

Рисунок 7. – Схемы энергопотребления подстанций без ESS и с ESS для различных расстояний

Часть энергии теряется из-за активного сопротивления соединения ESS SC, указанного на рис. 2. На рис. 10 показаны различные графики энергии, полученные при моделировании движения троллейбуса на расстояние 655+1330м. При ускорении разряды ESS и соответствующая энергия SC представлены как отрицательные. Она продолжает уменьшаться до тех пор, пока не будет достигнуто минимальное напряжение ESS. В режиме торможения ESS заряжается, и соответствующая энергия SC возрастает. Ранее упомянутая энергия торможения 1.328MДж передавалась в ESS. Однако на рис. 10 измеренная энергия SC в ESS составляет 1,24 МДж, так как оставшаяся энергия 0,084 МДж была потеряна из-за активного сопротивления 0,018Ом. Представленный график потерянной энергии ESS SC повышается в режиме двигателя, поскольку падение напряжения ESS отрицательное, а также ток SC, вытекающий из ESS, отрицательный. Умножая их, мы получаем положительную мощность. Когда ESS SC заряжается, ток SC является положительным, и падение напряжения SC также является положительным. Следовательно, количество энергии активного сопротивления ESS SC продолжает расти выше нуля. В конце концов, 6,31% энергии торможения теряется в процессе накопления и около 5,9% энергии ESS не доходит до троллейбусного электродвигателя в режиме ускорения, т.е. теряется, когда ESS снабжает троллейбус энергией, и это компенсируется получением большей мощности от подстанции, и этот факт внес свой вклад в получение диаграммы энергопотребления подстанции, показанной на рис. 9.

5. Заключение

При увеличении массы троллейбуса на 2,39+5,58% за счет определенной ESS энергия привода троллейбуса увеличивается на 2,7+6,26%. Восстанавливаемая энергия торможения увеличивается на 2 + 4% и содержит примерно 25% потребляемой энергии привода троллейбуса. В зависимости от места расположения троллейбуса энергия потерь в передаче увеличивается на 5 + 16%. В связи с этим общее количество энергии, потребляемой троллейбусом, увеличивается только на 1,05%. Благодаря системе ESS, которая обеспечивает подачу тягового электропривода троллейбуса в ускоренном режиме, благодаря чему с подстанции забирается примерно на 50% меньше энергии, количество потерь при передаче снижается примерно на 50%. Полностью заряженная система SC ESS с более высоким максимальным напряжением и большей емкостью может дольше участвовать в питании троллейбусного привода и может работать в автономном режиме. Если этого не требуется, то оптимальным применением для Skoda 27Tr было признано минимальное количество 4 SC ESS, так как доступная энергия ESS была почти равна энергии торможения троллейбуса на максимальной скорости. Кроме того, он подходил даже для полного троллейбуса, генерирующего энергию торможения выше, чем энергия, доступная по ESS. Благодаря активному сопротивлению ESS теряется довольно значительное количество энергии, составляющее прибл. 6+7% как при подаче энергии, так и при торможении. Для снижения активного сопротивления ESS рассматривается возможность параллельного подключения других SC-модулей. В целом, при участии 4 SC ESS общее потребление энергии подстанций, включая как потери энергии при передаче, так и подачу энергии тягового привода, было снижено на 19,31+24,25% в зависимости от расположения троллейбуса в 2-х километровом интервале по подстанции.

Список источников

  1. Г. Стана, В. Бразис, « Моделирование движения троллейбуса путем решения проблем с потерями при передаче по сети постоянного тока»

  2. У. Сирмелис, Д. Жакис, Л. Григанс, « Оптимальные параметры системы хранения энергии суперконденсаторов для тяговых подстанций»

  3. Д. Иануззи, П. Триколи, «Исследование стационарных комплектов суперконденсаторов для компенсации капель напряжения линий питания трамвайных вагонов»

  4. К. Кондратьев, А. Патлинс, А. Забаста, А. Галкина, " Разработка датчика веса транспортного средства для сбора данных в устойчивой системе городского транспорта»

  5. А. Патлинс, Н. Кунишина, « Сбор в реальном времени и простой метод подсчета пассажиров для системы общественного транспорта»

  6. H. Xia, H. Chen, Z. Wang, F. Lin, B. Wang, «Оптимальное управление энергией, расположение и размер стационарной системы хранения энергии в линии метрополитена на основе генетического алгоритма»

  7. У. Сирмелис, «Прямое подключение SC батареи к тяговой подстанции»