Application of Matlab Simulink libraries for the investigation of the efficiency of energy storage devices use in electric traction systems

Abstract

Представлено результати дослідження доцільності та ефективності застосування систем накопичення електроенергії в електротягових системах з використанням комп’ютерного моделювання у середовищі Matlab Simulink. Актуальність теми зумовлена неможливістю повного повторного використання електроенергії, що генерується під час рекуперативного гальмування електротранспорту. Надлишкова енергія в більшості випадків не знаходить споживача в контактній мережі, що призводить до її втрати або навіть негативних наслідків, зокрема спрацювання захистів від перенапруги. Застосування накопичувачів дозволяє уникнути цих проблем, зберігаючи енергію для подальшого використання, що підвищує енергоефективність та екологічність транспортної системи. Проаналізовано сучасні типи накопичувачів електроенергії (свинцево-кислотні, нікель- кадмієві, нікель-металогідридні, літій-іонні, суперконденсатори), їх технічні характеристики, режимів заряджання, циклічної стабільності, питомої енергоємності та вартості. З урахуванням цих параметрів змодельовано варіанти застосування накопичувачів у системі електропостачання метрополітену. За допомогою моделі, створеної у Matlab Simulink, проведено чисельні експерименти, що враховують реальні режими роботи тягових підстанцій, графіки навантаження та структуру контактної мережі. Результати моделювання показали, що найефективнішим варіантом за співвідношенням «вартість – зменшення втрат потужності» є використання літій-іонних акумуляторних батарей. Їх застосування дозволяє суттєво знизити пускові струми, компенсувати пікові навантаження та зменшити загальні втрати електроенергії в мережі. Отримана модель також дає змогу оцінювати вплив накопичувачів на параметри електропостачання за різних схем підключення, що дозволяє використовувати її як інструмент для інженерного аналізу та подальшої оптимізації енергетичної інфраструктури електротранспорту

This paper presents the results of a study on the use of energy storage systems in electric traction systems, conducted using the Matlab Simulink software environment. The relevance of implementing energy storage systems lies in the current inability to fully utilize regenerated energy during braking. The analysis of available types of electrical energy storage devices reveals that several variants exist, each requiring specific charging parameters. By applying an analytical approach to modeling electric traction loads, various scenarios of integrating storage devices into subway power supply systems were examined. The simulation results demonstrate that, under cost constraints for the storage system, lithium-ion batteries provide the highest efficiency among the considered technologies