Исследователи из Университета Тунцзи в Шанхае и Сычуаньского педагогического университета в Чэнду разработали новый метод стабилизации электроснабжения в метро с помощью сверхпроводящих накопителей энергии. Эта система позволяет компенсировать колебания напряжения, возникающие при одновременном торможении и ускорении поездов, в режиме реального времени, сокращая потери энергии и обеспечивая повторное использование энергии торможения.
Постоянные колебания нагрузки в сети представляют собой самую серьёзную проблему при эксплуатации метро. Когда поезд начинает движение, он резко потребляет электроэнергию, что приводит к падению напряжения. Однако при торможении часть энергии возвращается в сеть, что приводит к скачку напряжения. В час пик, когда десятки поездов начинают движение и останавливаются почти одновременно, эти колебания становятся особенно заметными. Если напряжение превышает допустимый предел, система рекуперации энергии отключается и энергия торможения рассеивается в виде тепла. Со временем эти колебания приводят к риску перегрузок, ускоряют износ оборудования и требуют от коммунальных служб дополнительных затрат на обслуживание инфраструктуры.
Чтобы устранить эти колебания, китайские инженеры предложили использовать сверхпроводящее устройство для хранения энергии, которое, в отличие от аккумулятора, хранит энергию не в химических соединениях, а в виде магнитного поля. Это устройство для хранения энергии состоит из катушки из высокотемпературного сверхпроводника, охлаждённой до состояния, в котором ток циркулирует без сопротивления. Это позволяет накапливать и высвобождать энергию практически мгновенно и без каких-либо потерь. Когда напряжение в сети повышается, устройство для хранения энергии немедленно поглощает избыточную энергию, а когда напряжение падает, устройство отдаёт её обратно. Эта система действует как амортизатор для электросети, поддерживая стабильное напряжение независимо от режима работы поезда.
Чтобы проверить свои данные, исследователи создали компьютерную модель системы электроснабжения метро в MATLAB/Simulink на основе стандартной тяговой сети с напряжением 1500 вольт. Моделирование воспроизвело типичные сценарии: одновременное ускорение, торможение и движение нескольких поездов. Без накопителя энергии напряжение колебалось от 1400 до 1600 вольт, а при подключенном накопителе оставалось практически постоянным. Система реагировала на изменения в течение миллисекунд. Чем выше был ток в катушке, тем точнее становилось сглаживание.
Затем исследователи провели тест, чтобы выяснить, как эта технология будет работать в крупном пересадочном узле, где сходятся несколько линий метро. Они смоделировали типичную станцию метро с тремя линиями, подключёнными к общей подстанции постоянного тока напряжением 1500 вольт. Такая конфигурация распространена во многих мегаполисах. Поскольку установка отдельного накопителя энергии на каждой линии обходится слишком дорого, была предложена общая система с одним сверхпроводящим модулем. Контроллер распределял энергию между линиями в соответствии с приоритетами: если на одной линии наблюдались более сильные колебания напряжения, энергия сначала направлялась туда, чтобы компенсировать разницу. Это позволило поддерживать напряжение в допустимых пределах даже при одновременных сбоях на всех трёх линиях.
Моделирование показало, что использование сверхпроводящего накопителя снижает амплитуду колебаний напряжения более чем в 20 раз. Это повышает качество электроснабжения, снижает нагрузку на оборудование и увеличивает долю энергии, возвращаемой в систему во время торможения. Авторы исследования считают, что сверхпроводящие накопители могут стать частью интеллектуальной энергетической инфраструктуры городского транспорта, выступая в качестве мгновенного буфера, уравновешивающего поток энергии.