СРАВНИТЕЛЬНАЯ ОЦЕНКА НАКОПИТЕЛЕЙ ЭНЕРГИИ В ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОЙ ИНФРАСТРУКТУРЕ ПОСТОЯННОГО И ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Аннотация

В статье выполнена сравнительная оценка современных накопителей энергии (НЭ), применяемых в железнодорожной инфраструктуре постоянного и переменного тока. Цель исследования состоит в систематизации технологий накопления, определении условий их эффективного применения и разработке алгоритма выбора НЭ для повышения качества электрической энергии в тяговых сетях. В качестве расчетного примера рассмотрены электропоезда ЭД4М/ЭТ2М, для которых проанализированы пусковые и рекуперативные токовые характеристики. Рассмотрены электрохимические, электростатические, кинетические и гибридные технологии: литий-ионные и свинцово-кислотные аккумуляторные батареи, проточные аккумуляторы, суперконденсаторы, маховиковые накопители и комбинированные системы. Сопоставление выполнено по удельной мощности, энергоемкости, коэффициенту полезного действия, ресурсу циклирования, скорости реакции, стоимости, особенностям размещения и требованиям к силовой электронике. Показано, что для сетей постоянного тока с интенсивными кратковременными нагрузками наиболее результативны суперконденсаторные и литий-ионные решения, особенно при станционном размещении на участках с высокой плотностью движения. Для сетей переменного тока, где требуется работа с повышенными напряжениями и централизованное управление энергопотоками, более рациональны стационарные и гибридные системы, в том числе решения на базе маховиков и аккумуляторных блоков. Отдельно рассмотрены просадки напряжения как критерий выбора НЭ: кратковременные возмущения требуют высокой удельной мощности, а длительные — достаточной энергоемкости. Экономическая оценка с учетом CAPEX, OPEX и NPV подтверждает инвестиционную целесообразность внедрения накопителей при сроках окупаемости порядка 4–10 лет в зависимости от технологии и режима работы. Предложенный алгоритм выбора, реализуемый в MATLAB, позволяет ранжировать технологии по совокупности технических и экономических показателей и формировать рекомендации по мощности, энергоемкости и архитектуре размещения НЭ. Результаты представляют практический интерес для проектирования и модернизации систем тягового электроснабжения железных дорог и метрополитенов.