Исследователи из Университета Тунцзи в Шанхае и Сычуаньского педагогического университета в Чэнду разработали новый способ стабилизации электропитания метрополитена с помощью сверхпроводящих накопителей энергии. Эта система позволяет в реальном времени компенсировать перепады напряжения, возникающие при одновременном торможении и разгоне поездов, снижает энергопотери и делает возможным повторное использование тормозной энергии.

Главная проблема в работе метрополитена состоит в постоянных перепадах нагрузки в сети. Когда поезд начинает движение, он резко забирает электричество, вызывая падение напряжения. При торможении, наоборот, часть энергии возвращается обратно, и напряжение подскакивает. В часы пик, когда десятки составов стартуют и останавливаются почти одновременно, эти колебания становятся особенно сильными. Если напряжение превышает допустимый предел, система рекуперации отключается, а энергия торможения просто рассеивается в виде тепла. Со временем такие перепады создают риск перегрузок, ускоряют износ оборудования и требуют от городских служб дополнительных затрат на обслуживание инфраструктуры.

Чтобы устранить эти колебания, китайские инженеры предложили использовать сверхпроводящий накопитель, в котором энергия хранится не в химических соединениях, как в аккумуляторе, а в виде магнитного поля. Такой накопитель представляет собой катушку из высокотемпературного сверхпроводника, охлажденную до состояния, при котором ток циркулирует без сопротивления. Благодаря этому энергия может запасаться и высвобождаться практически мгновенно и без потерь. Когда напряжение в сети растет, накопитель тут же поглощает избыток энергии, а когда падает – возвращает ее обратно. Такая система работает как «амортизатор» для электросети, удерживая напряжение на стабильном уровне независимо от режима движения поездов.

Для проверки данных исследователи создали компьютерную модель системы питания метро в среде MATLAB/Simulink, приняв за основу стандартную тяговую сеть на 1500 вольт. В симуляции воспроизводились типичные сценарии: одновременное ускорение, торможение и движение нескольких поездов. Без накопителя напряжение колебалось в диапазоне от 1400 до 1600 вольт, а при его подключении оставалось практически неизменным. Система реагировала на изменения за несколько миллисекунд, и чем выше был ток в катушке, тем точнее происходило сглаживание.

Затем исследователи проверили, как технология будет работать в условиях крупного пересадочного узла, где сходятся несколько линий. Они смоделировали типовую станцию метро с тремя линиями, подключенными к общей подстанции постоянного тока на 1500 вольт – такую конфигурацию можно встретить во многих мегаполисах. Поскольку установка отдельного накопителя для каждой линии экономически нецелесообразна, была предложена общая система с единым сверхпроводящим модулем. Контроллер распределял энергию между линиями по приоритету: если на одной из них напряжение отклонялось сильнее, компенсация направлялась туда первой. Такая схема позволила удерживать напряжение в допустимых пределах даже при одновременных возмущениях на всех трех линиях.

Моделирование показало, что использование сверхпроводящего накопителя снижает амплитуду колебаний напряжения более чем в 20 раз. Это повышает качество электропитания, уменьшает нагрузку на оборудование и увеличивает долю энергии, возвращаемой в систему при торможении. По мнению авторов исследования, в перспективе сверхпроводящие накопители могут стать частью интеллектуальной энергетической инфраструктуры городского транспорта – своеобразным мгновенным буфером, который балансирует поток энергии.v