Применение бустерных трансформаторов с тиристорным управлением для повышения пропускной способности и энергоэффективности участков железных дорог переменного тока

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 24-29-00346

НазваниеПрименение бустерных трансформаторов с тиристорным управлением для повышения пропускной способности и энергоэффективности участков железных дорог переменного тока

Руководитель Комяков Александр Анатольевич, Доктор технических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Омский государственный университет путей сообщения" , Омская обл

Конкурс №89 - Конкурс 2023 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-405 - Транспортная энергетика (наземного, водного, воздушного, космического транспорта)

Ключевые слова система тягового электроснабжения, компенсация реактивной мощности, бустерный трансформатор, уравнительный ток, энергоэффективность

Код ГРНТИ73.29.71

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект посвящен вопросу применения бустерных трансформаторов с тиристорным управлением для повышения пропускной способности и энергоэффективности участков железных дорог переменного тока. Актуальность решения обозначенной проблемы обусловлена современными тенденциями, связанными с ростом транзитных перевозок и грузопотоков на Восточном полигоне ОАО «РЖД». Выполнение такой задачи требует строительства дополнительной энергетической инфраструктуры, установки дополнительных понижающих трансформаторов, что финансово очень затратно и требует времени. В связи с этим альтернативным решением, направленным на повышение энергетической эффективности и обеспечение пропускной способности железных дорог переменного тока, является внедрение систем управление режимами работы системы тягового электроснабжения переменного тока за счет применения активных устройств, в частности, бустерных вольтодобавочных трансформаторов, напряжение которых регулируется с применением тиристорных ключей. Бустерный трансформатор при его внедрении на железнодорожном транспорте может рассматриваться как активный элемент системы тягового электроснабжения, интегрируемый в проект цифровой тяговой подстанции. Применение бустера позволит значительно повысить энергоэффективность и пропускную способность системы тягового электроснабжения. Научная новизна проекта заключается в разработке методологии применения бустерных трансформаторов в системе тягового электроснабжения переменного тока, которая реализует энергоэффективное управление режимами работы тяговой сети при безусловном обеспечении пропускной способности электрифицированных участков железных дорог в условиях роста транзитных перевозок и грузопотоков. В ходе реализации проекта предусматриваются разработка и апробация математической модели работы бустерного трансформатора как электротехнического комплекса в составе системы тягового электроснабжения; разработка физической модели бустерного трансформатора; разработка и программная реализация алгоритма управления совместной работой бустерных трансформаторов и статического генератора реактивной мощности; оценка влияния бустерных трансформаторов на пропускную способность участков железных дорог, потери электроэнергии в тяговой сети и качество электроэнергии; разработка методики определения оптимальных мест размещения бустерных трансформаторов; оценка экономического эффекта от применения бустерных трансформаторов в системе тягового электроснабжения.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
В ходе выполнения исследований в 2024 г. получены следующие научные результаты. 1. Разработана классификация основных методов управления уровнем напряжения в системе тягового электроснабжения переменного тока, описаны их преимущества и недостатки. В качестве перспективной технологии предложено применение управляемых бустерных трансформаторов для регулирования уровня напряжения в тяговой сети. Рассмотрен опыт применения данной технологии в распределительных сетях 6–20 кВ, а также опыт реализации системы бесконтактного автоматического управления напряжением (БАРН) на Свердловской железной дороге. Разработаны технические требования к бустерным трансформаторам, работающим в системе тягового электроснабжения, предложена методика определения номинальных параметров бустерного трансформатора и закон регулирования напряжения вольтодобавки в зависимости от эквивалентного тока тяговой нагрузки. 2. Выполнена разработка и апробация математической модели работы бустерного трансформатора как электротехнического комплекса в составе системы тягового электроснабжения в программном комплексе SimInTech. К рассмотрению приняты два варианта реализации бустерного трансформатора – схема с вентильными коммутаторами переменного тока и схема с звеном постоянного тока и инвертором напряжения. По результатам моделирования обе схемы показали свою работоспособность по регулированию напряжения вольтодобавки, однако для дальнейшего исследования выбрана схема бустерного трансформатора с звеном постоянного тока и инвертором напряжения, т.к. она обладает лучшими показателями качества электроэнергии и более широкими возможностями, к которым относится реализация эффекта компенсации реактивной мощности, возможность использования накопителя электроэнергии в звене постоянного тока, более простая реализация схемы в режиме рекуперации электрической энергии подвижным составом. Статическая модель показала, что перспективным является совместное применение нескольких активных устройств системы тягового электроснабжения. Наилучшие энергетические показатели достигаются при совместном использовании статического генератора реактивной мощности на посту секционирования и бустерных трансформаторов на тяговых подстанциях. В рассмотренной схеме это позволило обеспечить пропускную способность и снизить потери электроэнергии с 3,3 % до 3,0 %, при этом значительно снизив установленную мощность активных управляемых устройств. Разработана система управления бустерным трансформатором в зависимости от уровня напряжения тяговой сети, для чего в программном комплексе SimInTech реализован ПИД-регулятор. Алгоритм регулирования также запрограммирован с помощью блока «Языки программирования» SimInTech. 3. Разработана физическая модель бустерного трансформатора, для чего создан экспериментальный макет, позволяющий имитировать работу системы тягового электроснабжения в условиях функционирования управляемого вольтодобавочного трансформатора с ШИМ-управлением. Проведены испытания работоспособности физической модели в различных условиях и режимах работы, зафиксированы осциллограммы напряжения на электротяговой нагрузке и на выходе вольтодобавочного трансформатора. С помощью анализатора качества электроэнергии зафиксирован спектральный состав напряжения на электротяговой нагрузке. Полученные результаты сопоставлены с данными, полученными с помощью имитационного моделирования в SimInTech. Результаты исследований, выполненных на экспериментальном макете, хорошо согласуются с данными, полученными путем имитационного моделирования в программном комплексе SimInTech. По результатам испытаний физической модели осуществлена корректировка технических требования к бустерным трансформаторам и уточнены их математические модели. 4. Разработаны и формализованы в виде графических моделей алгоритмы управления работой бустерных трансформаторов, а также их совместной работой со статическими генераторами реактивной мощности, при этом основным критерием является энергетическая эффективность тяги поездов при безусловном обеспечении пропускной способности. Выполнена программная реализация алгоритмов в программном комплексе SimInTech, для чего создана динамическая модель системы тягового электроснабжения с бустерным трансформатором и статическим генератором реактивной мощности. Установлено, что по показателям пропускной способности и энергетической эффективности наилучшие результаты продемонстрировал метод регулирования, основанный на стабилизации уровня напряжения в середине межподстанционной зоны, который продемонстрировал наименьшие потери электроэнергии (5,15 %). Вариант, который ориентируется на выравнивание напряжения на смежных тяговых подстанциях, обеспечивает более равномерную загрузку тяговых подстанций, однако приводит к некоторому увеличению потерь электроэнергии и не гарантирует обеспечение пропускной способности железнодорожного участка. Выполнено исследование влияния бустерных трансформаторов на несимметрию питающих напряжений на тяговых подстанциях. Установлено, что традиционные схемы бустерных трансформаторов, у которых питающая обмотка подключена к отстающей фазе, ухудшают несимметрию напряжений. Для преодоления этого недостатка предложена схема, которая подразумевает наличие коммутатора, который переключает питающую обмотку к отстающей, опережающей или свободной фазе в зависимости от значения тяговой нагрузки. При этом величина вольтодобавки вычисляется с учетом показаний датчика напряжения на посту секционирования. За счет этого обеспечивается требуемый уровень напряжения в контактной сети и улучшается коэффициент несимметрии напряжений по обратной последовательности (для приведенного примера с 3,2 % до 2,9 %). 5. Опубликованы 6 научных статей, в том числе 4 статьи в изданиях, индексируемых в Scopus, 1 статья в издании, входящем в перечень ВАК, РИНЦ и Crossref, 1 статья в издании, индексируемом в РИНЦ. Кроме того, 1 статья в журнале из перечня ВАК принята к публикации и ожидается в декабре 2024 г.

Публикации

1. Комяков А. А., Никифоров М. М., Тарасевич В. А., Бартель Л. А. Booster Transformers Energy Performance Assessment in the Traction Power Supply System of Railway Transport Lecture Notes in Electrical Engineering 8th International Conference on Computing, Control and Industrial Engineering (CCIE2024) Advances in Computing, Control and Industrial Engineering VIII (Volume 1), Komyakov A., Nikiforov M., Tarasevich V., Bartel L. Booster Transformers Energy Performance Assessment in the Traction Power Supply System of Railway Transport // Lecture Notes in Electrical Engineering. 2024. p. 3-10.Lecture Notes in Electrical Engineering. 2024. p. 3-10. (год публикации - 2024)
10.1007/978-981-97-6934-6_1

2. Комяков А. А., Тарасевич В. А., Бартель Л. А. The Effectiveness Evaluation of Automatic Voltage Level Control in the Traction Network of AC Railways 2024 International Ural Conference on Electrical Power Engineering (UralCon) IEEE, A. Komyakov, V. Tarasevich and L. Bartel, "The Effectiveness Evaluation of Automatic Voltage Level Control in the Traction Network of AC Railways," 2024 International Ural Conference on Electrical Power Engineering (UralCon), Magnitogorsk, Russian Federation, 2024, pp. 103-107 (год публикации - 2024)
10.1109/UralCon62137.2024.10719010

3. Комяков А. А., Никифоров М. М., Комякова О. О., Иванченко В. И. Control of Voltage Level in Railway Contact Network Using IGBT Booster Transformers 2024 IEEE 4th New Energy and Energy Storage System Control Summit Forum (NEESSC), A. Komyakov, M. Nikiforov, O. Komyakova and V. Ivanchenko, "Control of Voltage Level in Railway Contact Network Using IGBT Booster Transformers," 2024 IEEE 4th New Energy and Energy Storage System Control Summit Forum (NEESSC), Hohhot, China, 2024, pp. 64-68 (год публикации - 2024)
10.1109/NEESSC62857.2024.10733387

4. Комяков А. А., Тарасевич В. А. Экспериментальное определение внешних характеристик тяговых подстанций переменного тока для выбора параметров активных устройств системы тягового электроснабжения Бюллетень результатов научных исследований, Комяков, А. А. Экспериментальное определение внешних характеристик тяговых подстанций переменного тока для выбора параметров активных устройств системы тягового электроснабжения / А. А. Комяков, В. А. Тарасевич // Бюллетень результатов научных исследований. – 2024. – № 2. – С. 5-17. (год публикации - 2024)
10.20295/2223-9987-2024-02-5-17

5. Комяков А. А., Иванченко В. И., Тарасевич В. А., Стасюк А. Н. Разработка физической модели системы тягового электроснабжения переменного тока с управляемым вольтодобавочным трансформатором Известия Транссиба, Известия Транссиба. – 2024. – № 4 (60). – С. 43 – 54 (год публикации - 2024)

6. Комяков А. А., Тарасевич В. А., Бартель Л. А. Simulation Modeling of a Booster Transformer Operation in the Railway Traction Power Supply System International Conference on Industrial Engineering, Applications and Manufacturing (ICIEAM) IEEE, A. Komyakov, V. Tarasevich and L. Bartel, "Simulation Modeling of a Booster Transformer Operation in the Railway Traction Power Supply System," 2024 International Conference on Industrial Engineering, Applications and Manufacturing (ICIEAM), Sochi, Russian Federation, 2024, pp. 337-341 (год публикации - 2024)
10.1109/ICIEAM60818.2024.10553917

7. Бартель Л. А., Иванченко В. И. Разработка математической модели бустерного трансформатора для системы тягового электроснабжения переменного тока XIV МЕЖДУНАРОДНАЯ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКАЯ ИНТЕРНЕТ-КОНФЕРЕНЦИЯ МОЛОДЫХ УЧЕНЫХ "АВТОМАТИЗАЦИЯ, МЕХАТРОНИКА, ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ" В РАМКАХ I МЕЖДУНАРОДНОГО ФОРУМА "ИТ. НАУКА. КРЕАТИВ" Омск, 14–16 мая 2024 года, Бартель, Л. А. Разработка математической модели бустерного трансформатора для системы тягового электроснабжения переменного тока / Л. А. Бартель, В. И. Иванченко // ИТ. Наука. креатив. Материалы I Международного форума: в 5-ти томах. Том 1. Автоматизация, мехатроника, информационные технологии, Омск, 14–16 мая 2024 года. – Москва: Общество с ограниченной ответственностью "Издательско-книготорговый центр "Колос-с", 2024. – С. 7-12. (год публикации - 2024)

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
В рамках второго года реализации проекта по проекту проведены комплексные теоретические и имитационные исследования применения бустерных (вольтодобавочных) трансформаторов (ВДТ) в системах тягового электроснабжения переменного тока железных дорог. Работы выполнялись в три этапа. На первом этапе ключевое внимание было уделено моделированию и анализу влияния ВДТ на ключевые параметры системы тягового электроснабжения. Была уточнена математическая модель системы автоматического управления ВДТ с учетом высокой скорости изменения напряжения в тяговой сети, которая на порядок превышает аналогичный показатель в сетях общего назначения. В программном комплексе SimInTech выполнено масштабное многовариантное имитационное моделирование (216 сценариев) для различных схем питания, графиков движения и нагрузок. Научные результаты показали, что применение ВДТ позволяет значительно повысить стабильность напряжения (коэффициент вариации снижается на 55–61% в консольных схемах) и сократить потери электроэнергии на 14,5–24,5%. Также была разработана методика оценки влияния ВДТ на несимметрию напряжений и предложен способ ее минимизации за счет управления подключением фаз питающей обмотки, что позволяет использовать ВДТ в качестве объединенного регулятора потока мощности (ОРПМ). На основе анализа сформирован комплекс критериев для выбора мест установки ВДТ. На втором этапе исследования были сфокусированы на разработке практических методик и оценке экономической эффективности. Была формализована методика определения оптимальных мест размещения ВДТ, учитывающая установленные ранее критерии и выявленные ограничения (например, нецелесообразность применения при ограничениях по мощности трансформаторов). Для расширения функциональности предложено и защищено патентом техническое решение по коммутации питающей обмотки ВДТ между разными фазами и плечами питания для оптимизации потоков мощности. Проведена детальная технико-экономическая оценка, включавшая сравнение ВДТ с конкурирующими технологиями компенсации реактивной мощности. Установлено, что экономическая эффективность (срок окупаемости) сильно зависит от исходной загрузки подстанций. На примере конкретного участка железной дороги доказана высокая эффективность проекта: дисконтированный срок окупаемости составил около 2 лет при индексе доходности 2,4. На третьем этапе осуществлено обобщение полученных результатов. Сформированы итоговые рекомендации по применению ВДТ, включающие области эффективного использования, критерии выбора и режимы работы. Результаты проекта представлены заинтересованным организациям, в том числе ОАО «РЖД». Научные результаты года: разработана и верифицирована уточненная модель управления ВДТ, доказана его высокая техническая эффективность для стабилизации напряжения и снижения потерь, создана и апробирована методика оптимального размещения ВДТ, выполнена комплексная технико-экономическая оценка, подтвердившая инвестиционную привлекательность технологии. Результаты опубликованы в 6 статьях (в т.ч. в изданиях, индексируемых в Scopus и RSCI), доложены на 5 конференциях и защищены 1 патентом на изобретение. План работ выполнен в полном объеме.

Публикации

1. Комяков А. А., Пономарев М. А. Разработка метода оценки влияния вольтодобавочного трансформатора на несимметрию напряжений в системах тягового электроснабжения Приборы и методы измерений, контроля качества и диагностики в промышленности и на транспорте : Материалы VI всероссийской научно-технической конференции с международным участием, Омск, 10–11 апреля 2025 года. – Омск: Омский государственный университет путей сообщения, 2025, Комяков, А. А. Разработка метода оценки влияния вольтодобавочного трансформатора на несимметрию напряжений в системах тягового электроснабжения / А. А. Комяков, М. А. Пономарев // Приборы и методы измерений, контроля качества и диагностики в промышленности и на транспорте : Материалы VI всероссийской научно-технической конференции с международным участием, Омск, 10–11 апреля 2025 года. – Омск: Омский государственный университет путей сообщения, 2025. – С. 240-248. – EDN GMSJYG. (год публикации - 2025)

2. Комяков А. А., Лаврухин А. С., Комякова О. О., Никифоров М. М. Development of an Automatic Control System for a Booster Transformer in Traction Power Supply Systems New Energy and Energy Storage System Control IEEE, A. Komyakov, A. Lavrukhin, O. Komyakova and M. Nikiforov, "Development of an Automatic Control System for a Booster Transformer in Traction Power Supply Systems," New Energy and Energy Storage System Control, Hohhot, China, 2025, pp. 63-66, doi: 10.1109/NEESSC66038.2025.11199558. (год публикации - 2025)
10.1109/NEESSC66038.2025.11199558

3. Комяков А. А., Тарасевич В. А. Анализ скорости изменения напряжения в системе тягового электроснабжения переменного тока по данным измерительных систем Приборы и методы измерений, контроля качества и диагностики в промышленности и на транспорте : Материалы VI всероссийской научно-технической конференции с международным участием, Омск, 10–11 апреля 2025 года. – Омск: Омский государственный университет путей сообщения, Комяков, А. А. Анализ скорости изменения напряжения в системе тягового электроснабжения переменного тока по данным измерительных систем / А. А. Комяков, В. А. Тарасевич // Приборы и методы измерений, контроля качества и диагностики в промышленности и на транспорте : Материалы VI всероссийской научно-технической конференции с международным участием, Омск, 10–11 апреля 2025 года. – Омск: Омский государственный университет путей сообщения, 2025. – С. 276-282. – EDN CTREAN. (год публикации - 2025)

4. Комяков А. А., Витовская В. В., Тарасевич В. А., Шкулов А. И. Управление уровнем напряжения в тяговой сети при интервальном регулировании движения поездов Интеллектуальные транспортные системы : Материалы IV Международной научно-практической конференции, Москва, 22 мая 2025 года. – Москва: Российский университет транспорта (МИИТ), 2025, Управление уровнем напряжения в тяговой сети при интервальном регулировании движения поездов / А. А. Комяков, В. В. Витовская, В. А. Тарасевич, А. И. Шкулов // Интеллектуальные транспортные системы : Материалы IV Международной научно-практической конференции, Москва, 22 мая 2025 года. – Москва: Российский университет транспорта (МИИТ), 2025. – С. 217-223. – DOI 10.30932/9785002587582-2025-217-223. (год публикации - 2025)
10.30932/9785002587582-2025-217-223

5. Комяков А. А., Никифоров М. М., Иванченко В. И., Витовская В. В., Пономарев А. В. Анализ влияния объединенных регуляторов потока мощности на показатели работы системы тягового электроснабжения Журнал «Вестник ЮУрГУ, серия «Энергетика» (год публикации - 2026)

6. Комяков А. А., Бартель Л. А. Operation Simulation of a Traction Power Supply System With a Booster Transformer Under Various Power Supply Schemes Industrial Engineering, Applications and Manufacturing (ICIEAM) IEEE, A. Komyakov and L. Bartel, "Operation Simulation of a Traction Power Supply System With a Booster Transformer Under Various Power Supply Schemes," Industrial Engineering, Applications and Manufacturing (ICIEAM), Sochi, Russian Federation, 2025, pp. 18-22, doi: 10.1109/ICIEAM65163.2025.11028412 (год публикации - 2025)
10.1109/ICIEAM65163.2025.11028412

Возможность практического использования результатов
Реализация проекта создает научно-технологический задел для модернизации критической инфраструктуры железнодорожного транспорта. Наиболее значимым эффектом проекта является возможность увеличения пропускную способность ключевых участков железных дорог без масштабной реконструкции инфраструктуры, что снижает логистические издержки и повышает пропускную способность. Кроме того, реализация проекта направлена на снижение потерь электроэнергии в контактной сети, и, тем самым, на повышение энергетической эффективности железнодорожных перевозок, а также на повышение качества электроэнергии. С учетом значимости компании ОАО «РЖД» в энергетическом балансе всего промышленного комплекса страны полученные результаты направлены на обеспечение экономического роста и социального развития Российской Федерации, а также на обеспечение транспортной связанности страны. Разработанные методики и технические решения формируют основу для усовершенствования существующей продукции (вольтодобавочные (бустерные) трансформаторы, алгоритмы и системы управления) и создания новой высокотехнологичной продукции российского производства. Кроме того, реализация проекта создает задел для развития компетенций исследователей в области моделирования и проектирования сложных энергетических систем, востребованных не только на железнодорожном транспорте. Результаты проекта могут быть применены в хозяйственной деятельности ОАО «РЖД» после интеграции разработанных технологических решений в систему тягового электроснабжения. Практическое внедрение его результатов обеспечит конкретный экономический эффект за счет снижения эксплуатационных затрат и повышения эффективности использования инфраструктуры.