Mikołaj Bartłomiejczyk, Marcin Połom Wpływ struktury przestrzennej układu zasilania na energochłonność trakcji miejskiej analiza teoretyczna Struktura układu zasilania jest jednym z kluczowych elementów mających wpływ na energochłonność transportu miejskiego, jak i na koszty jego budowy i eksploatacji. W artykule przedstawiono analizę porównawczą czterech wariantów przestrzennych układu zasilania. Wstęp Kryzys paliwowy, jaki miał miejsce w latach 60. XX w., oraz wzrost świadomości ekologicznej społeczeństw, w szczególności zachodnioeuropejskich, zainicjował rozwój technologii związanych z redukcją energochłonności transportu elektrycznego. Dotychczasowe starania związane z redukcją energochłonności dotyczyły głównie zwiększenia efektywności układów napędowych, zastosowania zasobników energii elektrycznej lub zwiększenia efektywności podstacji trakcyjnych. Niedoceniany był wpływ struktury układu zasilania na energochłonność transportu miejskiego. Projektując sekcjonowanie odcinków zasilania oraz układ zasilaczy, brano głównie pod uwagę niezawodność układu zasilania na wypadek wystąpienia awarii sieci trakcyjnej, zasilacza lub podstacji trakcyjnej. Powyżej opisana metodologia znana jest z literatury przedmiotu lat 60. i 70. XX w. [10, 11] i jest wykorzystywana także współcześnie. Niemniej sieć trakcyjna jest miejscem powstawania strat przesyłowych, a jej struktura odgrywa znaczącą rolę w rozpływie energii rekuperacji. Warte uwagi prace w tym zakresie przeprowadzono w Tramwajach Warszawskich [9], jednak nadal to zagadnienie jest często pomijane. Celem niniejszego tekstu i inicjowanego przez niego cyklu artykułów jest przedstawienie wpływu struktury przestrzennej układu zasilania na aspekty zużycia energii: straty przesyłowe oraz wykorzystanie energii rekuperacji. Należy zwrócić uwagę, iż cykl ten nie wyczerpuje poruszanej problematyki; ma on głównie za zadanie przybliżenie zagadnienia i podkreślenie jego znaczenia. Ze względu na związek Autorów z Przedsiębiorstwem Komunikacji Trolejbusowej w Gdyni przedstawiona analiza została oparta o gdyńską sieć trolejbusową, Jednak może się również odnosić do układów zasilania sieci tramwajowych. Na całkowitą efektywność energetyczną transportu elektrycznego składa się wiele czynników, co schematycznie przedstawiono na rysunku 1. Każdy z etapów generowania i konwersji energii elektrycznej związany jest z powstawaniem strat. Powstają one przy wytwarzaniu energii w elektrowni, przy przesyle w publicznej sieci energetycznej, podczas przetwarzania w podstacjach trakcyjnych zasilających sieć trakcyjną, w sieci trakcyjnej. Także napędy pojazdów elektrycznych mają ograniczoną sprawność energetyczną. Istotnym elementem mającym wpływ na całkowitą sprawność transportu jest rekuperacja energii elektrycznej, która umożliwia odzyskanie części energii elektrycznej podczas hamowania pojazdów i ponowne jej wykorzystanie. Sprawność układów wytwarzania i przesyłu energii elektrycznej jest przedmiotem wielu publikacji naukowych z zakresu systemów energetycznych. Efektywność energetyczna układów napędowych także jest obiektem licznych analiz i badań [1, 5, 6]. Można zauważyć, iż efektywność obecnie produkowanych napędów elektrycznych jest bliska maksimum z technicznego punktu widzenia i dalszy rozwój napędów nie przyniesie zasadniczego wzrostu ich efektywności. Podobnie układy napędowe eksploatowane w obecnie produkowanych pojazdach elektrycznych cechują się bardzo wysoką możliwością odzysku energii podczas hamowania. Współczesne podstacje prostownikowe wyposażone są w półprzewodnikowe prostowniki charakteryzujące się wysoką sprawnością, dlatego ich wpływ na całkowitą sprawność systemu zasilania jest znikomy. Elementami, które najrzadziej stają się obiektami badań naukowych związanych z efektywnością energetyczną, są sieć trakcyjna i układ zasilania sieci trakcyjnej. W nich powstają straty w trakcie dostarczania energii elektrycznej z podstacji trakcyjnej do pojazdów. Co więcej, struktura przestrzenna układu zasilania ma zasadniczy 1. Efektywność energetyczna elektrycznego transportu miejskiego Jedną z najważniejszych zalet trakcji elektrycznej jest brak emisji zanieczyszczeń atmosfery w miejscu eksploatacji, co ma istotne znaczenie szczególnie w warunkach ruchu miejskiego. Jednak nadal znaczna cześć energii elektrycznej wytwarzana jest w węglowych elektrowniach cieplnych i dlatego proces jej generowania jest źródłem zanieczyszczeń atmosfery. W związku z tym istotnym zagadnieniem związanym z ograniczeniem emisji szkodliwych gazów do atmosfery jest zwiększenie efektywności energetycznej transportu elektrycznego. Rys. 1. Schemat przepływu energii elektrycznej i związanych z tym strat 11 12 /2014 75
Rys. 2. Przykładowy fragment centralnego systemu zasilania sieci trakcyjnej Rys. 3. Przykładowy fragment sieci trakcyjnej zasilanej jednostronnie w sposób zdecentralizowany wpływ na rozpływ energii rekuperacji i jest kluczowym czynnikiem decydującym o stopniu wykorzystania energii rekuperacji. Jednak fakt ten jest niedoceniany w środowisku ekspertów w dziedzinie systemów trakcji miejskiej. Skutkiem tego są projektowanie i budowa systemów zasilania trakcji tramwajowej i trolejbusowej bez brania pod uwagę konieczności minimalizacji strat przesyłu w sieci trakcyjnej i zwiększenia efektywności rekuperacji. Niejednokrotnie bagatelizowany jest wpływ uwarunkowań przestrzennych na aspekty energetyczne; uwaga jest koncentrowana albo na samych pojazdach trakcyjnych, albo na efektywności energetycznej wytwarzania energii i dystrybucji w publicznej sieci energetycznej. Jednak, bazując na doświadczeniach eksploatacyjnych, straty przesyłowe w sieci trakcyjnej mogą sięgać wartości nawet 30%, a źle ukształtowany układ zasilania może znacznie ograniczyć wykorzystanie odzysku energii. Zagadnienia takie jak struktura przestrzenna układu zasilania, sekcjonowanie sieci trakcyjnej na odcinki zasilania i sposób 76 11 12 /2014 zasilania odcinków są kluczowe w świetle minimalizacji energochłonności transportu publicznego. W środowisku eksperckim niedoceniane jest znaczenie topologii układu zasilania w odniesieniu do efektywnego wykorzystania rekuperacji. Niejednokrotnie zasobniki superkondensatorowe przedstawiane są jako jedyne skuteczne rozwiązanie umożliwiające efektywne wykorzystanie energii hamowania odzyskowego i marginalizowane jest jej wykorzystanie przez inne pojazdy. 2. Struktura układów zasilania miejskiej trakcji elektrycznej Tramwaje i trolejbusy są zasilanie prądem stałym z napowietrznej sieci trakcyjnej. Energia dla celów zasilania trakcji miejskiej jest pobierana z publicznej sieci energetycznej wysokiego napięcia prądu przemiennego i ulega przekształceniu na prąd stały w podstacjach trakcyjnych, gdzie także następuje obniżenie wartości napięcia. Po transformacji i wyprostowaniu energia z podstacji trakcyjnych doprowadzana jest do punktów zasilania sieci trakcyjnych za pomocą kabli zasilających, tzw. zasilaczy. Ze względów estetycznych zasilacze przeważnie umieszczone są w ziemi. Sieć trakcyjna jest podzielona na odcinki zasilania, dzięki czemu możliwe jest wyłączenie zasilania fragmentu sieci przy zachowaniu zasilania pozostałej części. Z punktu widzenia struktury przestrzennej można wyróżnić 3 systemy zasilania komunikacji tramwajowej i trolejbusowej (rys. 2, 3, 4): 1) zasilanie centralne, 2) zasilanie zdecentralizowane jednostronne, 3) zasilanie zdecentralizowane dwustronne. Zasilanie centralne ma swą genezę w początkach miejskiej trakcji elektrycznej powstające wówczas sieci tramwajowe zasilane były z jednej, centralnej elektrowni (najczęściej parowej, czasem wodnej). Rozwój publicznych systemów energetycznych przyczynił się do rozpowszechnienia podstacji trakcyjnych zasilanych z sieci energetycznej prądu przemiennego i przetwarzającej ją na prąd stały, który był doprowadzany do sieci trakcyjnej. Podstacje trakcyjne, które były budowane do lat 60. XX w., wyposażane były w rtęciowe prostowniki, co wiązało się z wysokimi kosztami budowy i koniecznością zapewnienia całodobowej obsługi. Dlatego dążono do minimalizacji liczby podstacji trakcyjnych przez maksymalne zwiększenie ich obszarów zasilania. Cechą zasilania centralnego jest istnienie dużych podstacji (zasilających nawet 20 40 zasilaczy), które obejmują znaczne obszary zasilania, a punkty zasilania są czasem bardzo oddalone od podstacji (rys. 2). Długości zasilaczy sięgają do 5 km, a ich przekroje wynoszą nawet 2000 mm 2. Podstacje pracujące w układzie centralnym muszą zapewniać bezprzerwowe zasilanie, a co za tym idzie są zasilane dwoma liniami z sieci energetycznej oraz posiadają co najmniej dwa zespoły prostownikowe. W sieciach zasilanych centralnie stosuje się jednostronne zasilanie sieci trakcyjnej, czyli każdy odcinek zasilania jest zasilany tylko z jednej podstacji trakcyjnej. Wynalezienie prostowników półprzewodnikowych oraz rozwój technologii prefabrykowanych stacji elektroenergetycznych przyczynił się do rozpowszechnienia się małogabarytowych podstacji trakcyjnych (rys. 3). Skutkiem tego zaczęto stosować zasilanie sieci trakcyjnej w układzie zdecentralizowanym, w którym podstacje
są rozmieszczone gęsto (1 3 km) i zlokalizowane są w bezpośrednim sąsiedztwie punktów zasilania sieci trakcyjnej. Podstacje są jednozespołowe (posiadają od 1 do 3 zasilaczy), w licznych przypadkach są zasilane tylko jedną linią SN. Uszkodzenie się zespołu prostownikowego lub linii zasilającej powoduje wyłączenie całej podstacji, dlatego stosuje się rezerwowanie zasilania poprzez zasilanie z sąsiednich podstacji poprzez łączenie odcinków zasilania na sieci trakcyjnej. W klasycznym układzie zasilania każdy odcinek sieci trakcyjnej jest zasilany z jednej podstacji. Postęp techniczny w obszarze układów teleautomatyki i techniki zabezpieczeniowej umożliwił rozpowszechnienie się dwustronnego zasilania sieci trakcyjnej (rys. 4), w którym odcinki sieci trakcyjnej mogą być zasilane z dwóch lub więcej różnych podstacji. Umożliwia to zmniejszenie spadków napięcia w sieci trakcyjnej, a co za tym idzie strat przesyłowych energii. Co więcej, dwustronne zasilanie stwarza lepsze warunki dla rekuperacji energii elektrycznej. W istniejących centralnych systemach zasilania także jest możliwe wprowadzenie zasilania dwustronnego w ramach obszaru zasilania jednej podstacji. W takim przypadku odcinek zasilania jest zasilany za pomocą dwóch różnych zasilaczy danej podstacji. Przykład takiego rozwiązania przedstawiono na rys. 5. Porównanie przedstawionych trzech systemów zasilania sieci trakcyjnej będzie przedmiotem dalszej części artykułu. Rys. 4. Przykładowy fragment sieci trakcyjnej zasilanej dwustronnie w sposób zdecentralizowany 3. Układ zasilania sieci trakcyjnej a wykorzystanie energii rekuperacji Cechą każdej maszyny elektrycznej jest możliwość pracy w dwóch kierunkach przepływu energii. W przypadku silników trakcyjnych oznacza to możliwość pracy prądnicowej w trakcie hamowania pojazdu, polegającej na zamianie energii kinetycznej pojazdu w energię elektryczną, skutkiem czego wytwarzany jest moment hamujący. Energia ta początkowo wytracana była w rezystorach hamowania znajdujących się w pojeździe. Rozwój konstrukcji napędów elektrycznych, a przede wszystkim półprzewodnikowych wielkiej mocy, spowodowało rozpowszechnienie się rekuperacji w tramwajach i trolejbusach. Polega ona na odzyskiwaniu energii elektrycznej podczas hamowania pojazdu i ponownym jej wykorzystaniu. Istotnym zagadnieniem jest zapewnienie warunków dla wykorzystania energii elektrycznej powstającej podczas hamowania. W klasycznym układzie zasilania, w którym podstacje nie są wyposażone w urządzenia akumulujące energię, przepływ prądu hamowania rekuperacyjnego może odbywać się w dwojaki sposób: 1) na drodze pojazd sieć trakcyjna pojazd, gdy pojazd hamujący i ruszający znajdują się na jednym odcinku zasilania, 2) na drodze pojazd sieć trakcyjna zasilacz szyny zbiorcze podstacji trakcyjnej zasilacz sieć trakcyjna pojazd, gdy pojazdy znajdują się na dwóch odcinkach zasilania. W obu przypadkach energia rekuperacji jest absorbowana przez drugi pojazd znajdujący się na odcinku zasilania, który jest w stanie przyjąć energię, czyli znajduje się w ruchu. Jednak często w obszarze zasilania nie ma pojazdów zdolnych do absorpcji energii wówczas energia rekuperacji wytracana jest w rezystorach hamowania. Skutkiem tego jest niepełne wykorzystanie potencjału rekuperacji. Rys. 5. Przykładowy fragment sieci trakcyjnej zasilanej dwustronnie w sposób centralny 4. Znaczenie struktury przestrzennej układu zasilania Struktura przestrzenna systemu zasilania sieci trakcyjnej wpływa na dwa aspekty zużycia energii: 1) straty przesyłu energii w sieci trakcyjnej, 2) stopień wykorzystania hamowania odzyskowego. Straty przesyłowe są zależne od rezystancji przewodnika, czyli kabli zasilających i sieci trakcyjnej. Te zależą zaś od ich długości. Wzrost odległości między podstacjami, wzrost długości kabli zasilających powoduje wzrost strat przesyłowych. Skutkiem tego straty przesyłowe w przypadku centralnego zasilania sieci trakcyjnej, w którym konieczne jest dostarczanie energii do punktów zasilania znacznie oddalonych od podstacji trakcyjnych, są większe niż w przypadku decentralizowanych układów zasilania. Znacznym źródłem rozpraszania energii w centralnych układach zasilania są straty w długich kablach zasilających, które mogą wynosić nawet kilka kilometrów. 11 12 /2014 77
Struktura przestrzenna układu zasilania wpływa na efektywność odzysku energii hamowania. Z punktu widzenia efektywności rekuperacji istotne jest zapewnienie jak największej liczby potencjalnych odbiorców rekuperowanej energii (innych poruszających się pojazdów) oraz możliwych dróg przepływu energii generowanej podczas hamowania, co powoduje zwiększenie prawdopodobieństwa znalezienia odbiorcy dla rekuperowanej energii. Można stwierdzić, iż z punktu widzenia minimalizacji strat przesyłowych korzystniejsze są zdecentralizowane układy zasilania, w których odległości między podstacjami są mniejsze. Wynikające stąd straty przesyłu energii są mniejsze. Z drugiej zaś strony rozległe obszary zasilania w systemach zasilania centralnego stwarzają znacznie lepsze warunki dla powtórnego wykorzystania energii hamowania. Rozwiązaniem pozwalającym pokonać tę sprzeczność, łączącym zalety centralnego i zdecentralizowanego systemu zasilania z jednostronnym zasilaniem, jest dwustronne zasilanie sieci trakcyjnej (rys. 4). Dzięki małym odległościom między podstacjami i długościom kabli zasilających straty przesyłu energii są niskie, natomiast połączenie ze sobą obszarów zasilania poszczególnych podstacji powiększa obszar, na którym może przepływać energia rekuperacji, i zwiększa liczbę potencjalnych jej odbiorców. 5. Ekonomiczne aspekty przestrzennej struktury układu zasilania Na koszt budowy układu zasilania składa się: koszt budowy podstacji trakcyjnych, koszt przyłączenia podstacji do publicznej sieci energetycznej, kosz budowy kabli zasilających. Do lat 70. XX w. podstacje trakcyjne wyposażane były w prostowniki rtęciowe, co wiązało się ze znacznymi kosztami budowy oraz koniecznością zapewnienia ciągłej obsługi. Z przyczyn fi nansowych dążono do zmniejszenia liczby podstacji trakcyjnych, co wpływało na popularyzację centralnych układów zasilania. Wprowadzenie półprzewodnikowych prostowników, rozwój układów automatyzacji podstacji i modułowych konstrukcji kontenerowych znacznie zmniejszyły koszty budowy i eksploatacji podstacji. W przypadku decentralizowanych układów zasilania konieczna jest budowa większej liczby podstacji, jednak ze względu na mniejsze odległości między podstacjami istnieje możliwość wzajemnego rezerwowania mocy podstacji na wypadek awarii jednej z nich. W przypadku centralnych układów zasilania nie ma możliwości awaryjnego Rys. 6. Porównanie odzysku energii i strat przesyłowych w poszczególnych wariantach zasilania 78 11 12 /2014 zasilenia obszaru jednej podstacji z sąsiednich podstacji, dlatego wymagania dotyczące niezawodności podstacji w decentralizowanym układzie zasilania są mniejsze niż w układach centralnych, więc możliwe jest uproszczenie ich konstrukcji. Skutkuje to zmniejszeniem kosztów ich budowy. W przypadku decentralizowanych układów zasilania analogicznie niższe są koszty przyłączenia do publicznej sieci energetycznej. Podstacje w układach centralnych, ze względu na wysokie wymagania dotyczące niezawodności, muszą być zasilane z co najmniej dwóch niezależnych linii zasilających wysokiego napięcia. W małogabarytowych podstacjach systemów zdecentralizowanych możliwa jest rezygnacja z tego wymagania i dopuszczalne jest zasilanie podstacji wyłącznie jedną linią, co wpływa na zmniejszenie kosztów budowy układu zasilania. Istotnym elementem kosztów budowy układu zasilania jest wartość położenia zasilaczy, w tym związana z zajęciem działek i trudnością w dostępie w obszarach o zwartej zabudowie i bogatej infrastrukturze podziemnej. Wzrost cen surowców i kosztów wykonawstwa powoduje, iż obecnie w przypadku systemów zcentralizowanych koszt położenia kabli zasilających może przewyższać koszt budowy podstacji. Przewagę zatem mają układy zdecentralizowane, w których układy kablowe prądu stałego są zminimalizowane. Z punktu widzenia eksploatacji wadą zcentralizowanych układów zasilania są koszty związane z utrzymaniem rozległej sieci kablowej. Zasilacze komunikacji miejskiej są położone w gęstej zabudowie miejskiej, skutkiem czego są narażone na liczne uszkodzenia w trakcie realizacji różnych inwestycji. Co więcej, ze względu na znaczny stopień zagospodarowania terenów zurbanizowanych koszt usuwania uszkodzeń kabli zasilających jest wysoki. Należy stwierdzić, iż w przypadku zdecentralizowanych układów zasilania koszty związane z eksploatacją sieci kablowej są znacznie mniejsze. W tabeli 1 przedstawiono skrócone porównanie zalet obydwu systemów zasilania sieci trakcyjnej. W obecnych warunkach, z ekonomicznego punktu widzenia, koszty budowy, jak i eksploatacji układów zdecentralizowanych, są mniejsze niż koszty układów centralnych. Rys. 7. Porównanie kosztów budowy systemów zasilania w poszczególnych wariantach 6. Analiza porównawcza układów zasilania trakcji miejskiej Tramwaje i trolejbusy są szeroko rozpowszechnionym środkiem transportu miejskiego w Europie. Odmienne uwarunkowania historyczne, techniczne i ekonomiczne w poszczególnych krajach skutkują występowaniem różnych rozwiązań w zakresie układów zasilania elektrycznych środków transportu miejskiego. Uwidacznia się to mię - dzy innymi w odmiennych strukturach układów zasilania. Dla krajów był ego bloku wschodniego (Polska, Republika Czeska, Sł owacja, kraje byłego ZSRR) charakterystyczne są układy zasilania centralnego, natomiast w Europie Zachodniej większość sieci tramwajowych i trolejbusowych jest zasilana w sposób zdecentralizowany. Bardzo
Tab. 1. Porównanie centralnego i zdecentralizowanego układu zasilania Układ centralny Układ zdecentralizowany Mniejsza liczba obiektów Mniejsze koszty budowy i eksploatacji sieci w eksploatacji, kablowych, konieczność zamawiania prostsza budowa podstacji, mniejszej mocy na podstacje niż w przypadku kablowych, brak trudnych w utrzymaniu rozległych sieci systemu zdecentralizowanego, co przekłada się na jednej podstacji powoduje mniejsze perturbacje większa elastyczność układu zasilania (awaria mniejsze opłaty za energię niż w przypadku podstacji dużych ), elektryczną (czynnik ten łatwiejszy proces projektowania i budowy ze zależy od indywidualnego względu na znaczną unifikację podstacji, sposobu rozliczania opłat za zamawianie mocy). łatwiejsze przeprowadzanie ewentualnych remontów podstacji ze względu na możliwość wyłączenia jednej podstacji. Tab. 2. Porównanie wariantów zasilania sieci trolejbusowej Wariant Straty układu przesyłu zasilania energii [%] Łączne godzinowe zużycie energii [kwh] Odzysk energii hamowania [%] Wykorzystanie potencjału hamowania odzyskowego [%] Koszt budowy układu zasilania [tys. PLN] Wariant I 309 35 92 19 7 250 Wariant II 289 32 84 13 7 250 Wariant III 348 18 48 10 5 000 Wariant IV 287 30 79 7 5 000 widoczne jest rozpowszechnienie się zasobników energii elektrycznej, jednak ich zastosowanie jest różne w poszczególnych miastach. Z tego powodu uzasadnione staje się wykonanie analizy porównawczej różnych wariantów zasilania sieci trakcyjnej. Analiza porównawcza zostanie wykonana na przykładzie fragmentu sieci trolejbusowej w Gdyni (Polska). Obiektem analizy będzie obszar zasilania podstacji trakcyjnej Chwaszczyńska. Podstacja ta zasila obszar miasta o charakterze pagórkowatym, co sprzyja zwiększonemu wykorzystaniu hamowania odzyskowego. Porównane zostaną cztery warianty układu zasilania: wariant I: obszar zasilania podstacji Chwaszczyńska (rys. 2) w centralnym układzie. Układ ten funkcjonował do 2010 roku; wariant II: obszar zasilania podstacji Chwaszczyńska (rys. 5) w centralnym układzie z zastosowaniem zasilania dwustronnego. Powstał z wariantu I poprzez połączenie ze sobą w pary odcinków 1 i 2, 3 i 6, 4 i 5; wariant III: obszar zasilania podstacji w układzie z zasilaniem zdecentralizowanym jednostronnym za pomocą czterech podstacji trakcyjnych (rys. 3); wariant IV: obszar zasilania podstacji w układzie z zasilaniem zdecentralizowanym dwustronnym (rys. 4). Powstał z wariantu III poprzez połączenie ze sobą w pary odcinków 1/2 i 2/1, 2/3 i 3/1, 3/2 i 4/1. W oparciu o metodę symulacyjną Monte Carlo przeprowadzono obliczenia energetyczne układu zasilania podstacji Chwaszczyńska w trzech przedstawionych wariantach. Symulację przeprowadzono na bazie rzeczywistych rozkładów jazdy trolejbusów(maj 2014), a więc założono, że na analizowanym obszarze funkcjonuje 5 linii o numerach: 23, 24, 27, 29 i 31. Założono ponadto, iż wszystkie linie trolejbusowe będą obsługiwane trolejbusami Solaris Trollino 12, wyposażonymi w układ napędowy z silnikiem asynchronicznym o mocy 175 kw i posiadającymi możliwość techniczną hamowania odzyskowego do sieci trakcyjnej. Profi l prędkości oparto o aktualne rozkłady jazdy oraz drogowe ograniczenia prędkości. W tabeli 2 przedstawiono porównanie parametrów energetyczno- -ekonomicznych poszczególnych trzech wariantów zasilania sieci trakcyjnej. Rysunek 6 przedstawia godzinne straty przesyłu energii w sieci trakcyjnej oraz odzysk energii hamowania w analizowanym obszarze zasilania. Zaznaczono także maksymalny potencjał generacji energii hamowania odzyskowego. Przeprowadzone badania symulacyjne potwierdzają cechy centralnego i zdecentralizowanego układu zasilania wyszczególnione w rozdziałach 2 4. Straty przesyłu energii w sieci zasilającej są znacznie wyższe w układzie centralnym. Należy zwrócić uwagę na ich wysoką wartość, wynoszącą blisko 20% w układzie zasilania centralnego (tab. 2). Jednak te straty są rekompensowane lepszym wykorzystaniem odzysku energii podczas hamowania (rys. 6), skutkiem czego całkowite zużycie energii w wariancie I jest mniejsze niż w wariancie III. Zgodnie z oczekiwaniami zasilanie dwustronne łączy w sobie zalety układu centralnego i zdecentralizowanego. Straty przesyłowe w wariancie IV są najmniejsze, natomiast stopień wykorzystania rekuperacji jest bliski stopniowi charakteryzującemu układ centralny. Bardzo dobrą efektywność energetyczną przedstawia także wariant II. Zwraca uwagę mniejszy stopień wykorzystania rekuperacji niż w wariancie I, co może wydawać się irracjonalne. Jest to spowodowane mniejszymi stratami przesyłu w wariancie II. W wariancie I energia zwracana do sieci trakcyjnej jest większa, jednak znaczna jej część jest tracona podczas przepływu zasilaczami pomiędzy poszczególnymi odcinkami zasilania. W wariancie II straty przesyłu są znacznie mniejsze. Na rysunku 6 zaznaczono także maksymalny potencjał odzysku energii hamowania. Należy zwrócić uwagę, iż odpowiednia topologia układu zasilania umożliwia wykorzystanie ponad 80% energii generowanej podczas hamowania. Zatem w wielu przypadkach zapewnienie właściwiej struktury przestrzennej układu zasilania może przynieść efektywność rekuperacji zbliżoną do zasobników przy znacznie mniejszych kosztach inwestycyjnych. W tabeli 2 przedstawiono także porównanie szacunkowych kosztów budowy układu zasilania (podstacji i zasilaczy). Obliczenia oparto na następujących założeniach ekonomicznych: koszt budowy podstacji dla centralnego systemu zasilania: 3 mln PLN, koszt budowy podstacji dla zdecentralizowanego układu zasilania: 1 mln PLN, koszt położenia 1 km linii kablowej dwubiegunowej: 240 tys. PLN. Realizacja wariantów I i II wymaga budowy jednej podstacji i położenia 17,5 km linii kablowych, zaś w przypadku wariantów III i IV konieczna jest budowa czterech podstacji i położenie 4,5 km linii kablowych. Zgodnie z oczekiwaniami koszty budowy systemów zdecentralizowanych są mniejsze niż koszty budowy systemów centralnych. Grafi czne porównanie kosztów budowy wariantów układu zasilania, z podziałem na składowe, przedstawiono na rysunku 7. Wnioski Przeprowadzona analiza wskazuje na zasadnicze znaczenie struktury przestrzennej układu zasilania sieci trakcyjnej komunikacji miejskiej. Wpływa ona zarówno na straty przesyłu, jak i efektywność wykorzystania hamowania odzyskowego. Ponadto koszty budowy i eksploatacji układu zasilania są uzależnione od aspektów przestrzennych układu zasilania. Przeprowadzone pomiary i analiza symulacyjna wskazują na silną zależność pomiędzy warunkami ruchowymi, strukturą przestrzenną układu zasilania a efektywnością wykorzystania hamowania odzyskowego. Kluczowym elementem decydującym o skutecznym wykorzystaniu rekuperacji jest topologia sieci trakcyjnej. 11 12 /2014 79
Tab. 3. Główne środki związane z ograniczeniem energochłonności transportu miejskiego za pomocą zmiany struktury przestrzennej układu zasilania Projektowane Istniejące układy zasilania układy zasilania Wprowadzanie dwustronnego, zdecentralizowanego układu zasilania, unikanie zbyt gęstego podziału sieci trakcyjnej na odcinki zasilania. Wprowadzanie dwustronnego zasilania w skali lokalnej w systemach centralnych łączenie sąsiednich odcinków w obszarze jednej podstacji, wprowadzanie zasilania dwustronnego w istniejących podstacjach małogabarytowych, wprowadzanie zasilania dwupunktowego, zwiększanie długości odcinków zasilania poprzez łączenie kilku odcinków. W przypadku obszarów zasilania, na których występuje znaczna liczba pojazdów, czyli o dużej wielkości bądź wysokiej intensywności ruchu, widoczne jest bardzo dobre wykorzystanie energii hamowania na drodze pojazd pojazd. Fragmenty systemu zasilania z małą intensywnością ruchu pojazdów stwarzają słabe warunki dla wykorzystania hamowania odzyskowego, czego efektem jest częste wytracanie energii w oporach hamowania. Należy zwrócić uwagę, iż przepływ energii hamowania na drodze pojazd pojazd jest najtańszym i najbardziej efektywnym sposobem wykorzystania rekuperacji w pojazdach, znacznie tańszym od zastosowania zasobników lub falowników podstacyjnych. W nowo budowanych układach zasilania należy stosować dwustronny, zdecentralizowany układ zasilania sieci trakcyjnej. Taki system charakteryzuje się najmniejszymi stratami przesyłu energii oraz wysokim stopniem wykorzystania odzysku energii. W licznych przypadkach stopień ten jest na tyle wystarczający, iż zbyteczne jest stosowanie dalszych urządzeń akumulujących energię rekuperacji, np. zasobników superkondensatorowych. W obecnych warunkach ekonomicznych system zdecentralizowany jest także najtańszy zarówno w budowie, jak i w eksploatacji. Stosowanie systemów centralnych powinno być ograniczone jedynie do obszarów, gdzie ze względu na gęstą zabudowę istnieją znaczne problemy z lokalizacją nowych podstacji. Istniejące układy zasilania najczęściej mają centralny charakter. W takim przypadku zaleca się wprowadzanie dwustronnego zasilania w ramach jednej podstacji, co również powoduje spadek zużycia energii (por. wariant I i II). Zasilanie dwustronne należy wprowadzać także w przypadku małych podstacji zasilających niewielkie obszary zasilania, co zapewni zarówno wzrost wykorzystania rekuperacji, jak i spadek strat w układzie zasilania. Ma to szczególne znaczenie w przypadku linii podmiejskich, które niejednokrotnie zasilane są z małych podstacji trakcyjnych. Niewielka intensywność ruchu i mała liczba zatrzymań stwarza niski potencjał energii rekuperacji, efektem czego nieopłacalne staje się stosowanie zasobników superkondensatorowych. Zasilanie dwustronne pozwala na zwiększenie efektywności odzysku i poprawę warunków zasilania przy minimalnych nakładach fi nansowych. W przypadku obszarów o podwyższonej generacji energii hamowania odzyskowego, np. terenów górskich, wskazane jest stosowanie zasobników superkondensatorowych lub falowników podstacyjnych. Jednak, jak pokazały przeprowadzone badania, w standardowych układach komunikacyjnych odpowiednia struktura układu zasilania umożliwia stworzenie warunków dla prawie całkowitego wykorzystania energii rekuperacji. Wśród opinii wielu ekspertów zauważalne jest przecenianie roli zasobników energii w ograniczaniu energochłonności zelektryfi kowanego transportu miejskiego. Zbliżone efekty można uzyskać przy znacznie mniejszych nakładach fi nansowych przez zapewnienie odpowiedniej struktury przestrzennej układu zasilania. Podsumowując, pierwszym krokiem mającym na celu zwiększenie wykorzystania odzysku energii hamowania oraz zmniejszenie strat przesyłu powinna być rekonfi guracja układu zasilania. Takie działanie umożliwia uzyskanie zamierzonych efektów przy minimalnych nakładach fi nansowych. Dopiero w sytuacji generowania dużej ilości energii rekuperacji (np. teren górski lub specyfi czny charakter ruchu) zasadne staje się stosowanie zasobników superkondensatorowych lub falowników podstacyjnych. Bibliografia: 1. Bartłomiejczyk M., Mirchevski S., Reducing of energy consumption in public transport results of experimental exploitation of super capacitor energy bank in Gdynia trolleybus system, PEMC 2014 Conference, Antalya, 22 24.09.2014. 2. Bartłomiejczyk M., Połom M., Napięcie sieci trakcyjnej jako wyznacznik możliwości zwiększenia odzysku energii, Technika Transportu Szynowego 2013, nr 4. 3. Bartłomiejczyk M., Połom M., Staroński K., Próbna eksploatacja zasobnika superkondensatorowego w gdyńskiej sieci trolejbusowej, Technika Transportu Szynowego 2013, nr 6. 4. Figlus T., Wilk A., Gawron A., Analiza stanu bezpieczeństwa ruchu drogowego dla obszaru miasta, Logistyka 2014, nr 3. 5. Jandura P., Simulace rekuperacje elektrické energie tramvaje pro danou trať, VLIII. Sešit Katedry Elektrotechniky, VŠB Ostrava, Ostrava 2014. 6. Kubín J., Závislost spotřeby tramvajového provozu na vnějších podmínkách, VLIII. Sešit Katedry Elektrotechniky, VŠB Ostrava, Ostrava 2014. 7. Połom M., Palmowski T., Rozwój i funkcjonowanie komunikacji trolejbusowej w Gdyni, Wydawnictwo Bernardinum, Gdynia- Pelplin 2009. 8. Połom M., Projekt rewitalizacji i rozwoju komunikacji trolejbusowej w Gdyni współfi nansowany ze środków unijnych, Transport Miejski i Regionalny 2011, nr 6. 9. Regulski D., Zwiększenie efektywności rekuperacji na przykładzie Tramwajów Warszawskich, Infrastruktura Transportu 2014, nr 3. 10. КузнецовБ.Т.,Тягпвыесетитрамваяитроллейбуса, Moskwa, Изд, Стройиздат 1964. 11. Тарнижевский М. В., Томлянович Д. К., Проеткироване устройствэлектроснабжения трамвая и троллейбуса, Москва, Транспорт 1986. Autorzy: dr inż. Mikołaj Bartłomiejczyk Katedra Inżynierii Elektrycznej Transportu, Wydział Elektrotechniki i Automatyki, Politechnika Gdańska, e-mail: mbartlom@ely.pg.gda.pl mgr Marcin Połom Katedra Geografi i Rozwoju Regionalnego, Instytut Geografi i, Wydział Oceanografi i i Geografi i, Uniwersytet Gdański, e-mail: marcin.polom@ug.edu.pl The influence of the spatial structure of the supply system for urban traction energy consumption theoretical analysis The structure of the power system is one of the key elements that impact on energy consumption in city public transport (trams, trolleybuses), as well as on the cost of its construction and operation. The article presents an analysis of impact of spatial variations on the power supply. 80 11 12 /2014