STUDY ON ENERGY EXCHANGE PROCESSES IN NORMAL OPERATION OF METRO ROLLING STOCK WITH REGENERATIVE BRAKING SYSTEMS

A. O. Sulym, S. O. Muzhychuk, P. O. Khozya, O. O. Melnyk, V. V. Fedorov

Abstract


Purpose. The analysis of the existing studies showed that the increasing of energy efficiency of metro rolling stock becomes especially important and requires timely solutions. It is known that the implementation of regenerative braking systems on rolling stock will allow significantly solving this problem. It was proved that one of the key issues regarding the introduction of the above-mentioned systems is research on efficient use of electric energy of regenerative braking. The purpose of the work is to evaluate the amount of excessive electric power of regenerative braking under normal operation conditions of the rolling stock with regenerative braking systems for the analysis of the energy saving reserves. Methodology. Quantifiable values of electrical energy consumed for traction, returned to the contact line and dissipated in braking resistors (excessive energy) are determined using results of experimental studies of energy exchange processes under normal operating conditions of metro rolling stock with regenerative systems. Statistical methods of data processing were applied as well. Findings. Results of the studies analysis of metro rolling stock operation under specified conditions in Sviatoshinsko-Brovarskaia line of KP «Kyiv Metro system» stipulate the following: 1) introduction of regenerative braking systems into the rolling stock allows to return about 17.9-23.2% of electrical energy consumed for traction to the contact line; 2) there are reserves for improving of energy efficiency of rolling stock with regenerative systems at the level of 20.2–29.9 % of electrical energy consumed for traction. Originality. For the first time, it is proved that the most significant factor that influences the quantifiable values of the electrical energy regeneration is a track profile. It is suggested to use coefficients which indicate the amount and reserves of unused (excessive) electrical energy for quantitative evaluation. Studies on determination of the quantifiable values of electricity recovery for analysis of energy saving reserve showed prospects for further development. Practical value. The obtained qualified values of excessive electric energy of regenerative braking can be applicable to construction of new or upgrading of the existing metro rolling stock provided that energy efficient technical solution for the utilization, preservation and storage of such electrical energy is developed.


Keywords


regenerative braking; metro rolling stock; regenerative system; energy saving, energy efficiency

References


Donchenko, A. V., Sulym, A. O., Siora, O. S., Melnyk, O. O., & Fedorov, V. V. (2016). Analysis of energy saving and energy efficiency issues during operation of the metro rolling stock. Science and Transport Progres, 3 (63), 108-119. doi:10.15802/stp2016/74732

Kuznetsov, V. G., Sablin, O. I., Gubskiy, P. V., & Kolykhaev, Y. G. (2015). Analiz rezervov energosberezheniya pri vnedrenii sistemy rekuperatsii energii na poyezdakh Dnepropetrovskogo metropolitena. Hirnycha elektromekhanika ta avtomatyka, 95, 68-73.

Bychkova, M. P. (2010). Energosberezheniye v metro. Science and Transport. Subways future [Special issue]. Transport Rossiyskoy Federatsii, 67.

Vasilyev, V. А. (2012). Energy efficiency of electric trains of direct current. (PhD thesis). Available from Emperor Alexander I St. Petersburg State Transport University, St. Petersburg.

Gavrilov, Y. I., & Mnatsakanov, V. A. (1986). Vagony metropolitena s impulsnymi preobrazovatelyami. Moscow: Transport.

Donchenko, A. V., Muzhychuk, S. O., Sulym, A. O., Khozya, P. O., & Melnyk, O. O. (2015). A study of energy efficiency of a modernized train of the metro production of «KRCBW» PJSC. Zbirnyk naukovykh prats «Reikovyi rukhomyi sklad», 12, 48-56.

Kostin, N. A., & Nikitenko, A. V. (2014). Autonomy regenerative braking – the basis for reliable energy-efficient heat recovery in electric rolling stock DC. Railway Transport of Ukraine, 3, 15-23.

Nikitenko, A. V., & Kostin, M. O. (2015). Increasing the amount of recycled electric trains in DC. Railway transport of Ukraine, 3, 25-31.

Sleptsov, M. A., Dolaberidze, G. P., Prokopovich, A. V., Savina, T. I., & Tulupov, V. D. (2006). Osnovy elektricheskogo transporta. [textbook]. Moscow: Akademiya.

Sablin, O. I. (2014). Study of the efficiency of the electric energy recovery process in the subway. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 6, 8 (72), 9-13. doi:10.15587/1729-4061.2014.30483

Sychov, S. D. (2006). The Certificate of Registration of Copyright No. 16669. Kyiv: State Intellectual Property Service of Ukraine.

Sulim, A. A. (2015). Improvement of power supply the efficiency of the metro rolling stock equipped with recuperation systems by using a capacitive energy storage. (PhD thesis). Derzhavniy naukovo-doslidniy centr zaliznichnogo transportu Ukrayini, Kyiv.

Ulitin, V. G. (2009). Problem of excessive energy recovery for urban electric transport. Municipal Economy of Cities, 88, 266-271.

Shevlyugin, M. V., & Zheltov, K. S. (2008). On reduction of electric power consumption in Moscow underground by application of capacitive energy storage devices. Science and Technology in Transport, 1, 15-20.

Shchurov, N. I., Shcheglov, K. V., & Shtang, A. A. (2008). Primeneniye nakopiteley energii v sistemakh elektricheskoy tyagi. Sbornik nauchnykh trudov NGTU, 1 (51), 99-104.

Yareshchenko, S. A. (2009). Obespecheniye energoeffektivnosti funktsionirovaniya sozdavayemogo elektrotekhnicheskogo kompleksa Krasnoyarskogo metropolitena. (PhD thesis). Omsk State Technical University.

Yang, X., Chen, A., Li, X., Ning, B., & Tang, T. (2015). An energy-efficient scheduling approach to improve the utilization of regenerative energy for metro systems. Transportation Research Part C. Emerging Techologies, 57, 13-29. doi:10.1016/j.trc.2015.05.002

Iannuzzi, D., Pagano, E., Tricoli, P. (2013). The use of energy storage systems for supporting the voltage needs of urban and suburban railway contact lines. Energies, 6 (4), 1802-1820. doi:10.3390/en6041802

Sevilla, M., Mokaya, R. (2014). Energy storage applications of activated carbons: supercapacitors and hydrogen storage. Energy & Environmental Science, 7 (4), 1250-1280. doi:10.1039/C3EE43525C

Teymourfar, R., Asaei, B., Iman-Eini, H., & Nejati fard, R. (2012). Stationary super-capacitor energy storage system to save regenerative braking energy in a metro line. Energy Conversion and Management, 56, 206-214. doi:10.1016/j.enconman.2011.11.019


GOST Style Citations


  1. Аналіз питань енергозбереження та енергоефективності під час експлуатації рухомого складу метрополітену / А. В. Донченко, А. О. Сулим, О. С. Сіора [та ін.] // Наука та прогрес транспорту. – 2016. – № 3 (63). – С. 108–119. doi: 10.15802/stp2016/74732.
  2. Анализ резервов энергосбережения при внедрении системы рекуперации энергии на поездах Днепропетровского метрополитена / В. Г. Кузнецов, О. И. Саблин, П. В. Губский, Е. Г. Колыхаев // Гірнича електромеханіка та автоматика : наук.-техн. зб. / Нац. гірн. ун-т. – Дніпропетровськ, 2015. – № 95. – С. 68–73.
  3. Бычкова, М. П. Энергосбережение в метро / М. П. Бычкова // Транспорт Российской Федерации. – 2010. – Спец. вып. : Наука и транспорт. Метрополитены будущего. – С. 67.
  4. Васильев, В. А. Повышение энергетической эффективности электропоездов постоянного тока : автореф. дис. … канд. техн. наук : 05.22.07 / Васильев Виталий Алексеевич ; Петербург. гос. ун-т путей сообщения. – Санкт-Петербург, 2012. – 16 с.
  5. Гаврилов, Я. И. Вагоны метрополитена с импульсными преобразователями / Я. И. Гаврилов, В. А. Мнацаканов. – Москва : Транспорт, 1986. – 229 с.
  6. Дослідження енергоефективності модернізованого поїзда метрополітену виробництва ПАТ «КВБЗ» / А. В. Донченко, С. О. Мужичук, А. О. Сулим, П. О. Хозя, О. О. Мельник // Рейковий рухомий склад : зб. наук. пр. – Кременчук, 2015. – Вип. 12. – С. 48–56.
  7. Костин, Н. А. Автономность рекуперативного торможения – основа надежной энергоэффективной рекуперации на электроподвижном составе постоянного тока / Н. А. Костин, А. В. Никитенко // Залізн. трансп. України. – 2014. – № 3. – С. 15–23.
  8. Нікітенко, А. В. Збільшення об’єму рекуперованої електроенергії на електропоїздах постійного струму / А. В. Нікітенко, М. О. Костін // Залізн. трансп. України. – 2015. – № 3. – С. 25–31.
  9. Основы электрического транспорта : учеб. для студ. высш. учеб. заведений / М. А. Слепцов, Г. П. Долаберидзе, А. В. Прокопович [и др.]. – Москва : Академия, 2006. – 464 с.
  10. Саблін, О. І. Дослідження ефективності процесу рекуперації електроенергії в умовах метрополітену / О. І. Саблін // Вост.-Европ. журн. передовых технологий. – 2014. – Т. 6, № 8. – С. 9–13. doi: 10.15587/1729-4061.2014.30483.
  11. Свідоцтво про реєстрацію авторського права на твір № 16669 (Україна). Програмний комплекс для збору, відображення, запису та подальшої математичної обробки даних з аналого-цифрових перетворювачів у комп’ютеризованих вимірювальних комплексах («ЕЛЕКТРО») / С. Д. Сичов ; ДП «УкрНДІВ» ; зареєстр. 19.05.2006.
  12. Сулим, А. А. Повышение эффективности энергообеспечения подвижного состава метрополитена с системами рекуперации путем применения емкостных накопителей энергии : дис. … канд. техн. наук : 05.22.07 / Сулим Андрей Александрович ; Гос. предприятие «Гос. науч. исслед. центр ж.-д. трансп. Украины». – Киев, 2015. – 188 с.
  13. Улитин, В. Г. Проблема использования избыточной энергии рекуперации на городском электрическом транспорте / В. Г. Улитин // Коммунальное хозяйство городов. Серия: Техн. науки : науч.-техн. сб. / Харк. нац. акад. город. хоз-ва. – Харьков, 2009. – Вып. 88. – С. 266–271.
  14. Шевлюгин, М. В. Снижение расхода электроэнергии на движение поездов в Московском метрополитене при использовании емкостных накопителей энергии / М. В. Шевлюгин, К. С. Желтов // Наука и техника транспорта. – 2008. – № 1. – С. 15–20.
  15. Щуров, Н. И. Применение накопителей энергии в системах электрической тяги / Н. И. Щуров, К. В. Щеглов, А. А. Штанг // Сб. науч. тр. Новосиб. гос. техн. ун-та. – Новосибирск, 2008. – № 1 (51). – С. 99–104.
  16. Ярещенко, С. А. Обеспечение энергоэффективности функционирования создаваемого электротехнического комплекса Красноярского метрополитена : автореф. дис. … канд. техн. наук : 05.09.03 / Ярещенко Семен Александрович ; Омский гос. техн. ун-т. – Омск, 2009. – 19 с.
  17. An energy-efficient scheduling approach to improve the utilization of regenerative energy for metro systems / X. Yang, A. Chen, X. Li, B. Ning, T. Tang // Transportation Research. Part C. Emerging Techologies. – 2015. – Vol. 57. – P. 13–29. doi: 10.1016/j.trc.2015.05.002.
  18. Iannuzzi, D. The use of energy storage systems for supporting the voltage needs of urban and suburban railway contact lines / D. Iannuzzi, E. Pagano, P. Tricoli // Energies. – 2013. – Vol. 6. – Iss. 4. – P. 1802–1820. doi: 10.3390/en6041802.
  19. Sevilla, M. Energy storage applications of activated carbons: supercapacitors and hydrogen storage / M. Sevilla, R. Mokaya // Energy & Environmental Science. – 2014. – Vol. 7. – Iss. 4. – P. 1250–1280. doi: 10.1039/C3EE43525C.
  20. Stationary super-capacitor energy storage system to save regenerative braking energy in a metro line / R. Teymourfar, B. Asaei, H. Iman-Eini, R. Nejati fard // Energy Conversion and Management. – 2012. – Vol. 56. – P. 206–214. doi: 10.1016/j.enconman.2011.11.019.


DOI: https://doi.org/10.15802/stp2017/112934

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

 

ISSN 2307–3489 (Print)
ІSSN 2307–6666 (Online)