Efektywność energetyczna zasobników energii w podstacjach systemu prądu stałego 3 kv DC

MACIOŁEK Tadeusz 1 DRĄŻEK Zbigniew 2 SZELĄG Adam 3 Efektywność energetyczna zasobników energii w podstacjach systemu prądu stałego 3 kv DC WSTĘP Proces odzyskiwania energii hamującego pojazdu należy rozpatrywać globalnie, począwszy od taboru a kończąc na układzie zasilania. Konkretny tabor ma zwykle zdefiniowane warunki i wymagania co do poprawnej pracy, w tym hamowania odzyskowego. Zdolność pojazdu do oddania energii, określona poprzez jego charakterystyki nie jest warunkiem wystarczającym do jej odzysku, niezbędny jest odbiornik tej energii o wymaganej zdolności jej przejęcia jak i układ zasilania zdolny do jej przesłania od pojazdu hamującego odzyskowo do pojazdu pobierającego energię wtedy układ zasilania jest receptywny. Brak możliwości odbioru energii hamowania odzyskowego powoduje, że energia możliwa do ponownego wykorzystania zostanie wytracona. Coraz częściej stosowanym sposobem na przejęcie nadwyżkowej energii hamowania jest stosowanie zasobników magazynów energii, które przechowują energię rekuperacji dopóki w sieci nie pojawi się odbiór trakcyjny. Stosowanie zasobników energii staje się coraz bardziej powszechne, wraz z rozwojem energoelektroniki i technologii superkondensatorów w niskonapięciowych systemach zasilania prądu stałego trakcji miejskiej [1,2,4,6,10,11,14,16,18,21,22,23]. W systemach kolejowych o napięciu 3 kv DC nie jest jednak stosowane [20]. 1 ZASOBNIKI Najczęściej stosowanymi w trakcji elektrycznej zasobnikami są: akumulatory, zasobniki wirujące bezwładniki [5,8,9,11,13,21,22] i superkondensatory [1,2,4,6,7,8,9,12,14,15,17,23]. Analizy energetyczne i ekonomiczne rozwiązań przeprowadzone przez autorów dla różnych rodzajów zasobników o po-równywalnych pojemnościach energetycznych potwierdziły, że najkorzystniejsze jest zastosowanie superkondensatorowych zasobników energii, choć stosowanie zasobników w systemie trakcji 3 kv DC nie jest rozpowszechnione. Zasobniki superkondensatorowe instalowane są w pojazdach i w podstacjach trakcyjnych (PT), szczególnie trakcji miejskiej prądu stałego o niskim napięciu. W przypadku zainstalowania go w taborze zmniejsza się obciążenie systemu zasilania [10]. Zasobnik w pojeździe zapewnia pełne wykorzystanie energii hamowania. Nie występują straty na jej przesył poprzez sieć trakcyjną. Minusem jest ograniczanie masy zasobnika. Zasobnik powoduje wzrost masy własnej pojazdów, co prowadzi do dodatkowych strat energii na transport zwiększonej masy. W trakcji kolejowej wymagane są znacznie większe pojemności zasobników niż w przypadku tramwajów czy trolejbusów, ze względu na większą masę i prędkość pociągów. Jednocześnie pociągi hamują znacznie rzadziej. W efekcie wyklucza to zastosowanie zasobników w pociągach, szczególnie w lokomotywach. Zastosowanie zasobnika w podstacji trakcyjnej nie jest ograniczone dopuszczalną masą. Związane jest jednak ze stratami na przesył energii. Straty te są tym większe im dalej od podstacji znajdzie się hamujący pojazd trakcyjny i im większe są rezystancje sieci trakcyjnej. 1 Politechnika Warszawska, Wydział Elektryczny, Instytut Maszyn Elektrycznych, Zakład Trakcji Elektrycznej; 00-661 Warszawa; pl. Politechniki 1. Tel: + 48 222-34-73-44, tadeusz.maciolek@ee.pw.edu.pl 2 Politechnika Warszawska, Wydział Elektryczny, Instytut Maszyn Elektrycznych, Zakład Trakcji Elektrycznej; 00-661 Warszawa; pl. Politechniki 1. Tel: + 48 222-34-73-60, 361-77-07, zbigniew.drazek@ee.pw.edu.pl 3 Politechnika Warszawska, Wydział Elektryczny, Instytut Maszyn Elektrycznych, Zakład Trakcji Elektrycznej; 00-661 Warszawa; pl. Politechniki 1. Tel: + 48 222-34-73-59, adam.szelag@ee.pw.edu.pl 2990

2 ZAŁOŻENIA DO ANALIZ EFEKTYWNOŚCI STOSOWANIA ZASOBNIKÓW Możliwa do odzyskania ilość energii pochodzącej z hamowania pociągów w głównej mierze zależy od gęstości ruchu pociągów, częstości ich zatrzymań, masy pociągów, profilu linii, ograniczeń prędkości na trasie. W mniejszym stopniu zależy od sprawności elementów systemu zasilania. Największa oszczędność energii występuje wtedy, gdy w trakcie hamowania energia odzyskana jest jednocześnie zużywana przez inne pociągi znajdujące się w obszarze zasilania w pobliżu hamującego pociągu. Zapewnić to może odpowiedni rozkład jazdy i konfiguracja układu zasilania (np. transfer energii do pojazdu na sąsiednim torze, na rysunku 1) Rys.1 Rejestracja transferu prądu hamowania odzyskowego z sieci jednego toru do sieci toru drugiego o wartości ok 1 ka przez testowe tzw. połączenie poprzeczne wykonane przez firmę Elester PKP zainstalowane na linii E-20. (oznaczenia: Rek wystąpienie rekuperacji, prąd przez połączenie Ipop - dolny przebieg, napięcie w sieci Udc - przebieg górny) Rzeczywisty ruch pociągów zwykle odbywa się z odchyłkami rzędu minut w stosunku do rozkładu jazdy. Nawet jeśli rozkład jazdy będzie optymalizowany pod kątem zmniejszenia zużycia energii nie należy spodziewać się uzyskania w pełni zaplanowanego efektu, gdyż hamowanie pociągu trwa ok. jednej minuty, a nakładanie się fazy hamowania na fazę poboru energii przez inne pociągi ma charakter losowy [3,20]. PT-3 8 4 7 3 PT-1 PT-0 PT2 2 6 1 5 Rys.2. Schemat zasilania i układ torów dla analizy efektywności zainstalowania zasobnika w podstacji trakcyjnej PT0 2991

W efekcie część energii z hamowania nie będzie wykorzystana i będzie wytracana w rezystorach hamowania, zaś napięcie w sieci trakcyjnej istotnie wzrośnie- rysunek 1. Energię tę można odzyskać np. dzięki zastosowaniu zasobnika w PT. W przypadku gęstego ruchu tramwajowego lub metra czy ruchu podmiejskiego, gdzie występuje duża powtarzalności cykli (co kilka -kilkanaście minut) można przeprowadzić analizy na podstawie obliczeń dla kilku minut ruchu przy założeniu regularnego ruchu pojazdów. Zwykle taki ruch jest prowadzony taborem o identycznych lub zbliżonych parametrach. Możemy wtedy stosować metody uśrednione jak dla ruchu rozłożonego równomiernie. Na liniach kolejowych odcinki zasilania są dłuższe, a pociągi różnego typu jeżdżą rzadziej. Konieczne staje się uwzględnienie oddzielnie przejazdów wszystkich pociągów w długich okresach np. dla doby. W celu obliczenia efektów energetycznych zastosowania zasobników autorzy opracowali dość rozbudowane programy obliczeniowe. Uwzględniono w nich charakterystyki linii kolejowej, profile, parametry układu zasilania, charakterystyki trakcyjne i elektryczne pociągów, rozkłady jazdy oraz parametry zasobników. W szczególności istotne są wartości rezystancji na drodze przepływu prądu rekuperacji, zależne od: - schematu sekcjonowania - odległości między podstacjami - rezystancji jednostkowej sieci trakcyjnej i szyn jezdnych - charakterystyki (pochylenia ) podstacji trakcyjnej. Czterotorowy obszar (osiem odcinków torów wjazdowych i wyjazdowych z PT0) na rysunku 2 zasilany jest z czterech podstacji trakcyjnych PT0 PT3. Zasilanie w układzie dwustronnym powoduje, że część energii przesyłana jest do podstacji analizowanej, a część energii przesyłana jest do podstacji sąsiedniej Aby energia z hamowania została przesłana do zasobnika podstacji napięcie w punkcie rekuperacji musi być odpowiednio wyższe od napięcia w punkcie odbioru. Rys.3. Przykładowy przebieg prądu pociągu o masie 650Mg w funkcji drogi 3 METODA OBLICZEŃ Obliczenia symulacji ruchu i obciążeń przeprowadzone zostały przy uwzględnieniu przemieszczania się pociągów na trasie i wielkości elektrycznych w całym układzie zasilania z krokiem kilkusekundowym. W wyniku obliczeń uzyskane zostały całkowite roczne ilości energii pobranej z systemu zasilania jak i ilości energii zaoszczędzonej dzięki zasobnikom o określonej pojemności energetycznej zainstalowanym w podstacji trakcyjnej PT0. Poniżej przedstawiono wyniki analizy oszczędności energii przeprowadzone dla przyjętego przykładowego odcinka wielotorowego układu zasilania z zasobnikiem umieszczonym w podstacji węzłowej PT0. Analiza prowadzona jest przy uśrednionych parametrach dla kolejnych kroków czasowych t. Dane dla analizy energetycznej uzyskano z programu obliczającego napięcia, prądy (rysunek 3), moce na pantografach pociągów w zależności od czasu i położenia w układzie zasilania [19]. Prąd hamowania odzyskowego jest zależny od napięcia rekuperacji na pantografie pojazdu. Średnia 2992

wartość napięcia U r zależy od rezystancji na drodze: hamujący pociąg (dostawca energii) - odbiór energii czyli w praktyce od odległości hamującego pojazdu do miejsca odbioru energii: I hs = P hs / U rs (1) gdzie : U rs średnie napięcie na pantografie podczas hamowania pociągu na odcinku toru P hs średnia moc uzyskiwana na pantografie podczas hamowania pociągu na danym odcinku toru I hs średni prąd podczas hamowania pociągu na danym odcinku toru Prąd pobierany z analizowanej podstacji uzależniony jest od położenia pociągu, jego mocy i strat w sieci trakcyjnej. Podobnie prąd docierający do podstacji z hamującego pociągu. I pos = P pos / U pos (2) gdzie : U pos średnie napięcie na pantografie podczas poboru prądu przez pociąg na odcinku toru P pos średnia moc pobierana przez pociąg na odcinku toru I pos średni prąd pobierany przez pociąg na odcinku toru Do obliczeń można wykorzystać współczynnik rozdziału prądu między podstacje pracujące w układzie zasilania dwustronnego. I top = I hs S to (3) I top = - I pos S to (4) gdzie : I top wielkość prądu dostarczanego do podstacji przy hamowania pociągu (+) lub pobieranego z podstacji przez pociąg (-) S to stopień transmisji prądu z pociągu do analizowanej podstacji z danego odcinka toru Stopień transmisji energii miedzy pociągiem a podstacją jest zależny od położenia odcinka względem sąsiednich podstacji. Bezpośrednio zależy od rezystancji wewnętrznych podstacji i rezystancji odcinków sieci trakcyjnych miedzy pociągiem, a podstacjami trakcyjnymi. Uśrednianie warunków przepływów prądów wiąże się z przyjęciem uśrednionych napięć w podstacjach. Napięcia jałowe w podstacjach w rzeczywistości wahają się, lecz w długich okresach oscylują wokół pewnej wartości średniej. Współczynnik S to wielkości rozpływu prądu do podstacji analizowanej: S to = (R p1 + R to ) / ( R p1 + R mp + R p2 ) (5) gdzie: R p1 rezystancja zastępcza analizowanej podstacji R p2 rezystancja zastępcza sąsiedniej podstacji R to rezystancja odcinków sieci od analizowanej podstacji do położenia pociągu R mp rezystancja odcinka sieci między podstacjami Prąd pobierany lub dostarczany do podstacji jest sumą prądów ze wszystkich odcinków wszystkich torów, których sieci są bezpośrednio połączone z analizowaną podstacją. k n I p I topk k 1 gdzie: I p prąd sumaryczny w analizowanej podstacji z sieci trakcyjnych wszystkich torów, n liczba wszystkich odcinków wszystkich torów zasilanych z podstacji. Napięcie zastępcze jałowe podstacji wynika z przyjętego algorytmu pracy PT. Jest to kryterium pracy zasobnika. Przy napięciu niższym od U j zasobnik jest rozładowywany. Przy napięciu wyższym od U j zasobnik jest ładowany. Algorytm pracy zasobników może być bardziej skomplikowany i zależny zarówno od obciążeń podstacji jak i napięć zasilających, z systemu elektroenergetycznego. Zasobnik wraz ze sterownikiem musi się również charakteryzować odpowiednią mocą przetwarzania energii. Sterowanie przepływem energii do i z zasobnika musi następować przy obu kierunkach przepływu energii. Moc maksymalna dla sterownika zasobnika podczas procesu ładowania i rozładowania wyznaczana jest według zależności: (6) 2993

P Max } i max Ppi i m { (7) W każdym kolejnym przedziale czasu i o długości t do podstacji dostarczana jest z sieci trakcyjnych energia E r o wartości (+) lub z niej pobierana i przekazywana do sieci (-). Energia w każdym przedziale czasu t jest zależna od mocy. E ri = P pi t (8) Energia całkowita E pob pobierana przez podstacje z systemu elektroenergetycznego (SE) obliczana jest w kolejnych krokach: E pob i 1 i n Eri i 1 - dla E ri tylko pobieranej (-) gdzie: η ps sprawność przesyłu i przetwarzania energii z SE AC do szyn DC w PT. Zasobnik superkondensatorowy cechuje wysoka sprawność ładowania η zsl i rozładowania η zsr rzędu 92-99% [1,2,6] łącznie z układem przekształtnika energoelektronicznego. W przypadku stosowania zasobnika o znacznie niższym napięciu niż napięcie sieci trakcyjnej (w szczególności odnosi się to do systemu trakcji kolejowej 3 kv DC) wymagane będzie stosowania separacji transformatorowej lub przekształtnika o przewymiarowanych parametrach prądowych, co spowoduje obniżenie sprawności. Dla zgromadzenia całej dostępnej energii, zasobnik musi mieć odpowiednią pojemność oraz określoną moc. Obliczenia pozwalają na określenie wymaganej pojemności zasobnika, który jest w stanie przejmować energię w każdej sytuacji ruchowej. Przeprowadzone zostały obliczenia ilości energii E zspi (po uwzględnieniu sprawności w układzie) ładującej lub rozładowującej zasobnik Z s w każdym kroku czasowym. Jeżeli E ri > 0 to E zspi = E ri η zsl (10) Jeżeli E ri < 0 to E zsi+1 = E ri / η zsr (11) gdzie: η zsl sprawność ładowania energii do zasobnika η zsl sprawność rozładowania energii z zasobnika Aby zminimalizować wymaganą pojemność zasobnika należy stosować algorytm z priorytetem rozładowania. Zasobnik jest rozładowywany przez każdy pobór energii. Zasobnik ma priorytet w zasilaniu odbiorów przed zasilaniem z prostowników trakcyjnych, a ładowany jest tylko gdy występuje nadwyżka energii hamowania odzyskowego nad energią pobieraną z sieci przez pojazdy. Chwilowy stan naładowania zasobnika E zsi+1 wyznaczany jest w każdym kroku czasowym. Zasobnik będzie przez większą część czasu rozładowany. Znajduje się on wtedy w stanie gotowości na przyjęcie maksymalnej ilości energii. Jeżeli E zsi + E zspi+1 > 0 to E zsi+1 = E zsi + E zspi+1 (12) Jeżeli E zsi + E zspi+1 0 to E zsi+1 = 0 (13) Pojemność maksymalna zasobnika Z s1 wyznaczana jest jako wartość maksymalna energii E zsm wynikającej z sumy kroczącej energii ładowanej do zasobnika i rozładowywanej z niego. E zsm E zsi i m i 1 ps (9) Max{ } (14) Zastosowanie zasobnika Z s1 o pojemności E zsm pozwala na zaoszczędzenie pewnej ilości energii, bilansowanej w danym okresie np. roku. Ilość zaoszczędzonej energii jest nieznacznie większa niż ilość energii pobranej z zasobnika. Wynika to z pominięcia strat przesyłu energii z SE oraz strat przetwarzania energii w PT. Ilość energii E psi zaoszczędzonej w kolejnym cyklu wyznaczana jest z poniższej zależności. Jeżeli E zspi >0 to E psi = E zspi η zsr1 / η ps (15) Ilość energii E pcs zaoszczędzonej rocznie dzięki zasobnikowi Z s1 o pojemność E zsm jest sumą ilości energii zaoszczędzonej w kolejnych powtórzeniach rozkładu jazdy. 2994

E j n ( E ) pcs 1 psi j 1 L (16) gdzie: L r - roczna liczba powtórzeń rozkładów jazdy Wzrost pojemności powyżej maksymalnej gromadzonej zapewni przyrost ilości energii na poziomie pojedynczych procentów, ale wymaga to poniesienia dużych kosztów inwestycyjnych. Najczęściej gromadzona w zasobniku Z s jest energia do poziomu poniżej 50% pojemności E zsm. Ilość odzyskiwanej energii będzie malała wolniej niż pojemność zasobnika. Energia odzyskiwana od chwili pełnego naładowania zasobnika Z sj musi być wytracona na rezystorach hamowania. Obliczenia przeprowadzone zostały również dla pojemności zasobników mniejszych od wartości E zsm. Obliczone zostały również procentowe stopnie odzysku energii w stosunku do energii zużytej. 4 OSZCZĘDNOŚCI ENERGETYCZNE r O psj = E pcsj 100 / E pob (17) Analiza uwzględniła dwa warianty ruchu dla układu torów: a) ruch o średnim natężeniu przy jeździe oszczędnej 81 pociągów w ciągu doby roboczej, 11 pociągów w godzinie szczytu b) ruch o dużym natężeniu z jazdą forsowną 144 pociągi w ciągu doby roboczej, 22 pociągi w godzinie szczytu. W analizie wykorzystane zostały wyniki symulacyjne odzwierciedlające przejazdy pociągów wg. dwóch rozkładów jazdy i pobierane przez nie moce w funkcji czasu i położenia. Dla każdego kroku czasowego został wyliczony prąd płynący do podstacji lub z niej pobierany dla każdego z ośmiu torów. Uzyskane wyniki dla typowego stanu pracy. Parametry maksymalne w podstacji przy jeździe oszczędnej pociągów: maksymalny pobierany prąd 3,3kA (szczyt 5 sekundowy) maksymalna moc pobierana z podstacji 11MW maksymalny prąd dostarczany w trakcie hamowania odzyskowego 1 ka maksymalna moc w podstacji w trakcie hamowania odzyskowego 3,3 MW Parametry maksymalne w podstacji przy jeździe forsownej pociągów: maksymalny prąd pobierany 5,1 ka maksymalna moc pobierana z podstacji 16,9 MW maksymalny prąd dostarczany w trakcie hamowania odzyskowego 1,1 ka maksymalna moc w podstacji w trakcie hamowania odzyskowego 3,7 MW Te same przejazdy pociągów wykorzystane zostały do obliczeń dla różnych pojemności energetycznych zasobników od 20% do 100% pojemności maksymalnej. Dla różnych pojemności przy identycznej ilości energii hamowania odzyskowego docierającej do podstacji, oszczędności energetyczne są różne w zależności od rodzaju ruchu. Stwierdzona została bardzo wysoka wrażliwość wyników na rozkład i sposób jazdy. Większa gęstość ruchu pociągów i forsowanie przejazdów (skracanie czasu przejazdu) spowodowało istotną zmianę wyników końcowych: Dla ruchu typu a.) roczny pobór energii na tych odcinkach z PT0 wyniósł 4715 MWh, a około 733 MWh może zostać zaoszczędzone dzięki zastosowaniu zasobnika superkondensatorowego. Oszczędność względna energii We w stosunku do pobranej z podstacji wynosi maksymalnie 15,5%. Dla ruchu typu b.) roczny pobór energii na tych odcinkach z PT0 wzrósł prawie 3 razy i wyniósł 13570 MWh. Natomiast spadła ilość energii, odzyskanej z hamowania, która zostanie zaoszczędzona po zastosowaniu zasobnika superkondensatorowego do poziomu 269 MWh. Stanowi to 2% pobranej energii. Zastosowanie zasobnika superkondensatorowego pozwalało na zaoszczędzenie dla przypadku b prawie 3 razy mniej energii, niż w przypadku a, co do wartości bezwzględnej. 2995

We[%] Epcs[MWh] 4.1 Oszczędności energetyczne dla średniego natężenia ruchu z jazdą oszczędną (ruch a.) Pojemności energetyczne zasobnika zmieniały się od 36,3 kwh do 7,3 kwh. Największa pojemność umożliwia wykorzystanie całej energii dostarczanej do PT0, a przy mniejszej pojemności część energii musi zostać wytracona w rezystorach. Możliwe jest zaoszczędzenie energii w ciągu roku od 733 MWh do 349 MWh na rysunku 4. Względna oszczędzona ilość energii po zastosowaniu zasobników przedstawiona jest na rysunku 5. 800 700 600 500 400 300 200 100 0 7,3 14,5 21,8 29 36,3 Ezsm[kWh] Rys. 4. Możliwa do uzyskania w PT0 roczna oszczędność energii Epcs w zależności od pojemności zasobnika Ezsm. Natężenie ruchu średnie, jazda oszczędna. 18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 7,3 14,5 21,8 29 Ezsm[kWh] 36,3 Rys. 5. Oszczędność energii względna We w % w PT0 w stosunku do zużycia w zależności od pojemności zasobnika Ezsm. Natężenie ruchu średnie, jazda oszczędna. 2996

We[%] Epcs[MWh] 4.2 Oszczędności energetyczne dla dużego natężenia ruchu z jazdą forsowną (ruch b.) Pojemności energetyczne zasobnika zmieniały się od 38,9 kwh do 7,8 kwh. Największa pojemność umożliwia wykorzystanie całej energii dostarczanej do PT0, a przy mniejszej pojemności część energii musi zostać wytracona w rezystorach. Możliwe jest zaoszczędzenie energii w ciągu roku od 269 MWh do 154 MWh - przedstawiona jest na rysunku 6. Względna oszczędzona ilość energii po zastosowaniu zasobników, w stosunku do całkowitego zużycia energii w podstacji P0 przedstawiona jest na rysunku 7. Większe natężenie ruchu i stosowanie bardziej forsownego ruchu spowodowało wzrost wymaganej pojemności i wzrost mocy przesyłanej energii, natomiast spadła ilość odzyskiwanej energii co do wartości bezwzględnej jak i procentowej w stosunku do poboru energii. Zastosowanie zasobników na linii wielotorowej, przy dużym natężeniu ruchu jest problematyczne. Prawie cała energia pochodząca z rekuperacji wykorzystana jest bezpośrednio w innych pociągach. Zasobnik wykorzystywany jest głównie w okresach zmniejszenia natężenia ruchu. 300 250 200 150 100 50 0 7,77 15,54 23,32 31,09 Ezsm[kWh] 38,87 Rys.6. Możliwa do uzyskania w PT0 roczna oszczędność energii Epcs w zależności od pojemności zasobnika Ezsm. Duże natężenie ruchu, jazda forsowna 2,5 2 1,5 1 0,5 0 7,77 15,54 23,32 31,09 Ezsm[kWh] 38,87 Rys.7. Oszczędność energii względna We w % w PT0 w stosunku do zużycia w zależności od pojemności zasobnika Ezsm. Duże natężenie ruchu, jazda forsowna 2997

WNIOSKI Przedstawione wyniki analiz pozwalają na stwierdzenie, że celowe jest prowadzenie prac w zakresie szacowania oszczędności energii do oceny zasadności zastosowania zasobników w systemach trakcji kolejowej 3 kv DC. Jak można zauważyć, efekty zależeć będą od konfiguracji trasy, układów zasilania jak i rozkładów jazdy. Intensywny ruch pociągów i stosowanie bardziej forsownej jazdy powoduje wzrost wymaganej pojemności zasobnika i wzrost mocy oraz ilości przesyłanej energii w systemie, natomiast spada znacznie ilość odzyskiwanej energii co do wartości bezwzględnej jak i procentowej w stosunku do wielkości pobranej przez pojazdy energii. Zmiany natężenia ruchu wywołują znaczne zmiany efektów energetycznych. Konieczne jest więc indywidualne analizowanie poszczególnych podstacji trakcyjnych PT przed podjęciem decyzji o instalacji zasobników. Zmniejszenie pojemności zasobników o 50% w stosunku do maksymalnej wymaganej tylko w niewielkim stopniu obniża ilość zaoszczędzonej energii, ale znacznie obniży koszty inwestycyjne. Korzystne są także perspektywy rozwoju technologii wykonania podzespołów dla zasobników. Zauważalny jest wzrost produkcji i spadek ceny podstawowych elementów superkondensatorów jak i elementów energoelektronicznych dużej mocy (tranzystorów IGBT). Ulepszane są parametry tych elementów. Prowadzi to do obniżki przyszłych kosztów. Wzrost cen energii elektrycznej będzie zwiększał efekt finansowy, a względy środowiskowe efekt ekonomiczny. Istnieje dość duże prawdopodobieństwo, że realizacja systemów 3kV DC z zasobnikiem będzie uzasadniona. Energia z zasobnika jest wykorzystywana do zasilania pociągów, zmniejsza także pobór mocy szczytowej, a praca systemu z zasobnikiem nie jest uzależniona od technicznych jak i prawnych czynników zewnętrznych występujących poza linią kolejową (np. od zgody dostawcy energii). Wydaje się, że zwiększy to liczbę PT, dla których uzasadnione będzie rozważenie możliwości zastosowania zasobników. Streszczenie Zasobniki wykonywane z superkondensatorów są coraz powszechniej stosowane w celu oszczędzania energii w pojazdach jak samochody, trolejbusy, tramwaje, metro. Zasobniki są montowane również stacjonarnie w podstacjach trakcyjnych. Wyznaczanie oszczędności energii po zastosowaniu zasobnika jest prostsze gdy zasobnik znajdzie się w pojeździe. W przypadku zasilania trakcji kolejowej wyznaczenie oszczędności energii jest trudniejsze. Aby ocenić sens stosowania zasobnika należy wyznaczyć ilość oszczędzonej energii i parametry koniecznego zasobnika, w danej podstacji trakcyjnej. W artykule przedstawiona została metoda obliczeń oszczędności energii elektrycznej po zastosowaniu zasobnika w kolejowej podstacji trakcyjnej systemu 3 kv DC. Metoda opiera się na wykorzystaniu charakterystyk pojazdów trakcyjnych, charakterystyk układu zasilania i rozkładów jazdy. Analiza wymaga obliczeń dla rozbudowanego układu zasilania,, chwilowego położenia i stanu wszystkich pojazdów w obszarze zasilania. Wymagane jest również uwzględnienie wzajemnego oddziaływania pojazdów między sobą i ich współpracy z układem zasilania. Przedstawione zostały wyniki obliczeń dla przykładowej podstacji trakcyjnej przy różnym rozkładach jazdy dla różnych pociągów. Słowa kluczowe: zasobnik energii, superkondensator, oszczędność energii, podstacja trakcyjna, trakcja elektryczna ENERGY EFFICIENCY OF ENERGY STORAGE DEVICES IN 3 KV DC TRACTION SUBSTATIONS Abstract Supercapacitors energy storage devices are more and more frequently applied to save energy like cars, trolley busses, tramways and subway cars. Energy accumulators are also installed as stationary ones in traction substations. Calculating energy savings connected with accumulator application is simpler in case of accumulator installed in vehicle. In case of railway power supply such calculation is more complex. To asses validity of use of energy accumulator one should calculate amount of energy saved and accumulator parameters in given traction substation. A method of calculation of energy savings after installing of energy accumulator in railway dc traction substation is presented in the paper. The method is based on use of traction vehicles characteristics, powers supply system characteristics and running timetables. The analysis demands calculations for expanded power supply system, momentary location and status of every vehicle in power 2998

supply area. Reciprocal interaction among vehicles and their collaboration with power supply system should be taken into account too. Results of calculation of exemplary traction substation for different running timetables and different type of train are presented. Keywords: energy storage, supercapacitor, energy saving, traction substation, electric traction BIBLIOGRAFIA 1. ABB Review. ENVILINE ESS voltage support case study How can Rail Transit Authorities mitigate voltage issues due to increased power demand? ABB edition 10.2014 2. ABB Review. SEPTA s (Southeastern Pennsylvania Transit Authority) Wayside Energy Storage Project. ABB. edition 06.2014 3. Buchta K., A. Szeląg A.: Zastosowanie metod statystyczno-probabilistycznych do oceny napięcia w sieciach trakcyjnych 3 kv DC. 7 Międzynarodowa Konferencja Naukowa,,Nowoczesna trakcja elektryczna w zintegrowanej Europie XXI wieku", Warszawa, wrzesień 2005-7th International Conference Modern Electric Traction in Integrated XXI st Century Europe, MET 2005, Warszawa, s. 304-310, 2005 4. Drabek P., Streit L., The energy storage system for light traction based on supercapacitors, IEEE, International Symposium on Power Electronics, Electrical Drives, Automation and Motion 2012, pp. 1496-1500 5. Flywheel energy storage technology overview, http://www.flywheel energysystems.com/flywheeltechnology.html 6. Giziński Z., Żuławnik M., Giziński P.: Zasobniki kondensatorowe w pojazdach komunikacji miejskiej. Instytut Elektrotechniki, Zakład Trakcji Elektrycznej 7. Juda Z.: Zastosowanie superkondensatorów w układzie odzysku energii pojazdu z napędem elektrycznym, Wydawnictwo Techniczne, 2008 8. Krawczyk G.: Akumulacja energii w transporcie szynowy, Logistyka 3/2012, 9. Pawelski Z. Napęd hybrydowy dla autobusu miejskiego Wydawnictwo Politechniki Łódzkiej, Łódź Monografia nr. 890 10. Maciołek T., Drążek Z.: Tram vehicle energy accumulator - on- board or in substation. International Conference SPEEDAM 2004 Capri 16-18 VI 2004 11. Mierzejewski, L; Szeląg, A.: Aktualne kierunki ograniczania zużycia energii elektrycznej w transporcie kolejowym Technika Transportu Szynowego 7-8/2004, s. 35-41 12. Orzyłowski M.,, Lewandowski M.: Zastosowanie rachunku różniczkowego ułamkowego rzędu do modelowania dynamiki superkondensatorów. Przegląd Elektrotechniczny,, R. 90 8/2014, s. 13-17 13. Pawełczyk M.: Rozwój systemów wykorzystujących akumulację energii w transporcie szynowym. Pojazdy szynowe 2/2011 s. 14-19 14. Rawicki S., Semi-automatic control of tram vehicle with intent to attain minimum electric energy use. Przegląd Elektrotechniczny, No. 7, 2009, p. 159-162. 15. Raczyński J.: Pierwszy w Polsce tramwaj hybrydowy, TTS 10/2005, s 46-47 16. Solarek T.: Ocena celowości stosowania w taborze trakcji tramwajowej kondensatorowych zasobników energii hamowania odzyskowego; TTS 12 2009; s.52-54 17. Szeląg A., Mierzejewski L.: Ground transportation systems. Chapter in Encyclopedia of Electrical and Electronic Engineering. Artykuł monograficzny. Encyclopedia of Electrical and Electronics Engineering, Supplement I John Wiley & Sons Inc.,NY, USA. s. 169-194, 1999 18. Szeląg A., Maciołek T., Drążek Z., Patoka M.: Aspekty efektywności i energooszczędności w procesie modernizacji układów zasilania trakcji tramwajowej, Pojazdy Szynowe, 3/2011, s. 34-42 19. Szeląg A., Maciołek T.:A 3 kv DC electric traction system modernisation for increased speed and trains power demand-problems of analysis and synthesis. Przegląd Elektrotechniczny 3a/2013, s. 21-28 20. Szeląg A.: Wpływ napięcia w sieci trakcyjnej 3 kv DC na parametry energetyczno-trakcyjne zasilanych pojazdów, Wyd. INW Spatium Radom, 2013, s.158 21. Szeląg A.: Zwiększanie efektywności energetycznej transportu szynowego. Technika Transportu Szynowego 12/2008 2999

22. Szeląg A.: Efektywność hamowania odzyskowego w zelektryfikowanym transporcie szynowym, Pojazdy Szynowe, 4/2009, s. 9-16 23. Zhang Y., Wu L., Hu X., Liang H., Model and Control of supercapacitor-based Energy Storage System for Metro Vehicles, 2695-2697 3000