ГИБРИДНЫЙ НАКОПИТЕЛЬ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ ДЛЯ СИСТЕМЫ ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Полезная модель относится к электрифицированному железнодорожному транспорту, а именно к системе тягового электроснабжения, содержащей гибридный накопитель электроэнергии на тяговой подстанции или линейных устройствах.
Целью полезной модели является повышение энергетической эффективности работы гибридного накопителя электроэнергии в системе тягового электроснабжения постоянного тока в режимах заряда и разряда.
Предлагаемое устройство позволяет сократить потери электроэнергии в преобразователе и реализовать управление модулями накопителей электроэнергии различного вида при совместной работе в режимах заряда и разряда.
Известны различные преобразователи для накопителя электроэнергии, позволяющие реализовать режим заряда и разряда с использованием индуктивных и емкостных промежуточных накопителей электроэнергии, зарядных трансформаторов и статических преобразователей.
Недостатком таких устройств является отсутствие возможности регулирования характеристики преобразователя в режиме разряда и управления совместной работой элементов накопителя различного вида, относительно низкая энергетическая эффективность.
Известно устройство заряда емкостного накопителя энергии, содержащее два инвертора, два выпрямительных моста, два трансформатора, блок управления и емкостной накопитель [1]. Недостатком такого устройства является использование нескольких однофазных трансформаторов, несколько однофазных инверторов и выпрямителей, что приводит к усложнению схемы преобразователя, увеличению его массогабаритных показателей и потерь электроэнергии. Указанная схема не позволяет управлять совместной работой накопителей различного вида и регулировать характеристику разряда накопителя электроэнергии.
Известно устройство заряда емкостного накопителя энергии [2], содержащее N инверторов, N трансформаторов, каждый из которых имеет две первичные и вторичных обмотки, N выпрямителей. Недостатком такого устройства являются высокие потери электроэнергии в трансформаторах, инверторах и выпрямителях, отсутствие возможности управлять процессом разряда накопителей различного вида и регулировать характеристику разряда накопителя электроэнергии.
Известно устройство заряда емкостного накопителя [3], содержащее однофазный инвертор, трансформатор, мостовой выпрямитель и емкостной накопитель энергии. Недостатком схемы преобразователя является отсутствие возможности управлять процессом разряда накопителей различного вида и регулировать характеристику разряда накопителя электроэнергии.
Известно устройство поста секционирования постоянного тока с гибридным накопителем энергии [4], содержащее емкостной и электрохимический накопитель энергии, два статических преобразователя, датчики тока и напряжения, сглаживающие устройство и систему управления. Недостатком данной схемы является отсутствие гальванической развязки и повышенные потери в двунаправленных управляемых преобразователях.
Наиболее близким техническим решением (прототипом) является устройство заряда-разряда емкостного накопителя энергии [5], в котором используется емкостной накопитель, два сглаживающих устройства и двунаправленных преобразователя, система управления.
В прототипе технический результат обеспечивается за счет использования двух управляемых двунаправленных преобразователей постоянно-переменного и переменно-постоянного напряжения, трансформатора, выпрямительно-инверторного преобразователя и системы автоматического регулирования и управления.
Недостатками данной схемы являются:
1) отсутствие возможности обеспечения совместной работы накопителей с различными характеристиками;
2) повышенные потери электроэнергии в высоковольтном двунаправленном преобразователе при выпрямлении напряжения;
3) отсутствие возможности регулирования характеристики в режиме заряда и разряда.
Предлагаемое устройство может быть использовано на тяговых подстанциях, линейных устройствах (постах секционирования и пунктах параллельного соединения) системы тягового электроснабжения постоянного тока напряжением 3,3 кВ, на борту электроподвижного состава при применении гибридных систем накопления электроэнергии для повышения энергетической эффективности работы системы тягового электроснабжения.
Преобразователь гибридного накопителя электроэнергии обеспечивает согласование его работы с тяговой сетью постоянного тока, регулирование характеристики в режиме заряда и разряда, согласования совместной работы накопителей электроэнергии различных видов, обеспечения гальванической развязки с тяговой сетью и снижения потерь электроэнергии.
Технический результат достигается за счет использования двух низковольтных двунаправленных преобразователей с возможностью выпрямления и инвертирования напряжения, двухобмоточного трансформатора с дополнительными витками со стороны высшего напряжения для подключения инвертора, неуправляемого выпрямителя, датчиков тока и напряжения, системы автоматического регулирования и управления.
Заявленное устройство состоит из датчиков напряжения 1, 3 и 5, датчиков тока 2,4 и 6, блока сигнализации и защит (БСиЗ) 7, блока системы автоматического регулирования и управления (САР) 8, первого вида накопителя (электрохимического типа) 9, второго вида накопителя (суперконденсатора или другого типа) 10, низковольтных фильтрующих устройств 11 и 12, двунаправленных преобразователей постоянно-переменного напряжения 13 и 14, трансформатора 15, высоковольтного инверторного и выпрямительного преобразователей 16 и 17 соответственно, реакторов 18 и 19, высоковольтного фильтрующего устройства 20, блока коммутации 21, подключаемого к шинам подстанции или линейного устройства (пост секционирования) "+" шиной 22 и "-" шиной к рельсу.
Датчики напряжения 1, 3 и 5 подключены к накопителям электроэнергии первого и второго вида со стороны низшего напряжения и на выходе преобразователя со стороны высшего напряжения соответственно, выходы датчиков 1, 3 и 5 подключены ко входу САР 8. Датчики тока 2, 4 и 6 подключены в цепь накопителей первого и второго вида на стороне низшего напряжения и на выходе преобразователя на стороне высшего напряжения соответственно, выходы датчиков 1, 3 и 5 подключены ко входу САР 8. Пара вход-выход БСиЗ 7 подключена к входу-выходу САР 8. Выходы САР 9 подключены ко входам управляемых преобразователей 13, 14 и 16, и блоку коммутации 21. Накопители различного вида 9 и 10 подключены через фильтры к преобразователям 13 и 14, которые подключены к трансформатору 15. К обмотке высшего напряжения трансформатора 15 подключены выпрямительный преобразователь 17 и инвертор 16, которые подключены напрямую и через реакторы 18 и 19 соответственно к фильтрующему устройству 20. Выход фильтрующего устройства подключен к блоку коммутации 21, затем к тяговой сети через шины подстанции или линейного устройства (пост секционирования) 22.
Принцип действия заявленного преобразователя основан на принципе действия преобразователя постоянно-постоянного напряжения со звеном переменного тока. С помощью САР преобразователи позволяют реализовать различные характеристики в режиме заряда и разряда в зависимости от тяговой нагрузки, напряжениях на шинах подстанции или линейных устройств, степени заряженности накопителей и глубины их разряда.
В режиме заряда электроэнергия, поступающая из тяговой сети (фиг. 1), через шины подстанции или линейного устройства (пост секционирования) 22 и блок коммутации 21, поступает на фильтрующие устройство 20 и инвертор 16. Система автоматического регулирования 8 подает сигналы управления открытия полупроводниковых ключей в зависимости от напряжения датчика 5, позволяя сформировать переменное напряжение на первичной обмотке трансформатора 15, которое понижается до требуемого уровня напряжения на вторичной обмотке. Затем САР 8 на основе данных измерений уровня напряжения (датчик 5) и тока системы (датчик 6), датчиков напряжения 1 и 3, датчиков тока 2 и 4, определяет степень заряженности и глубину разряда накопителей, необходимость заряда накопителя первого 9 и второго 10 вида, подавая управляющие импульсы на выбранный управляемый двунаправленный преобразователь 13 или 14 соответственно. Выпрямленное напряжение через низковольтные фильтрующие устройства 11 и 12 поступает на накопители для заряда.
В режиме разряда электроэнергия, поступающая от накопителей 9 или 10, в зависимости от режима разряда, выбранного САР 8, на основе анализа степени заряженности и глубины разряда на основе измерений от датчиков напряжения 1, 3 и датчиков тока 2, 4, и уровня нагрузки при помощи датчика напряжения 5, поступает через низковольтные фильтрующие устройства 11 или 12 на двунаправленный преобразователь 13 или 14 соответственно. Ключевой режим работы полупроводниковых приборов низковольтных преобразователей 13 или 14 формирует последовательность импульсов, скважность которых изменяется по закону, определяемому моделирующим сигналом, что позволяет сформировать переменное напряжение на вторичной обмотке трансформатора 15, которое повышается до заданного значения. Переменное напряжение на первичной обмотке трансформатора 15 выпрямляется с помощью неуправляемого преобразователя 17 и поступает через высоковольтное фильтрующие устройство 20 и блок коммутации 21 к шинам подстанции или линейного устройства (пост секционирования) и, далее, к электротяговой нагрузке.
Управление мощностью и регулирование характеристики в режиме заряда и разряда, на основе анализа данных измерений САР токов и напряжений, протекающих в цепях преобразователя, реализуется при помощи выбора режима работы низковольтных преобразователей 13 или 14 с накопителями первого и второго рода.
Фильтрующие устройства 11, 12 и 20 позволяют снизить переменную составляющую в токах заряда и разряда, протекающих в цепях преобразователя. Реакторы 18 и 19 служат для ограничения циркуляционного тока в цепи выпрямитель-инвертор, уменьшения скорости нарастания тока опрокидывания инвертора для устойчивой работы защит.
Трансформатор 15 имеет две обмотки, обмотка высшего напряжения имеет дополнительные витки (для подключения инвертора 16 с увеличенным коэффициентом трансформации), что позволяет снизить несимметрию инвертируемого тока в режиме заряда.
В качестве полупроводниковых приборов в преобразователях 13, 14 и 16 могут быть использованы силовые запираемые тиристоры и транзисторы, а в выпрямительном преобразователе 17 - неуправляемые полупроводниковые приборы для повышения коэффициента полезного действия и снижения искажений кривой выпрямленного напряжения.
Достоинством предлагаемого преобразователя является возможность регулирования характеристики заряда и разряда гибридного накопителя, повышения энергетической эффективности, обеспечения гальванической развязки накопителей и тяговой сети постоянного тока, совместной работой накопителей различного вида и возможности изменения напряжений включения в режим заряда и разряда в зависимости от энергетических показателей работы системы тягового электроснабжения и гибридного накопителя.
Библиографический список
1. Пат. SU (11) 1267591 (13) А1 МПК Н03K 3/54. Устройство заряда емкостных накопителей энергии / Н.Н. Богданов, В.Н. Кузнецов, Н.В. Кузнецова, Н.Н. Назаров. -№3711644; Заявлено 19.03.1984; Опубл. 30.10.1986. Бюл. №15.
2. Пат. RU (11) 2026603 (13) С1 МПК Н03K 3/53 Устройство для зарядки емкостного накопителя / И.А. Криштафович, М.С. Райхман, С.С. Салко. №4844290/21; Заявлено 22.05.1990; Опубл. 09.01.1995. Бюл. №10.
3. Пат. RU (11) 1177748 (13) U1 МПК Н02М 7/162. Устройство заряда емкостного накопителя / С.Г. Конесев, Р.Т. Хазиева, М.Р. Садиков, Р.В. Кириллов, А.В. Мухаметшин. - №2012105359/07; Заявлено 15.02.2012; Опубл. 27.06.2012. Бюл. №18.
4. Пат. RU (11) 182831 (13) U1 МПК В60М 3/00 Пост секционирования постоянного тока с гибридным накопителем энергии / В.Л. Незевак, В.Т. Черемисин, А.П. Шатохин №2017144925; Заявлено 20.12.2017; Опбл. 04.09.2018. Бюл. №25.
5. Пат. RU (11) 158492 (13) U1 МПК Н01М 10/44 Устройство заряда-разряда емкостного накопителя энергии / Ю.В. Москалев №2015118763/07; Заявлено 19.05.2015; Опубл. 10.01.2016. Бюл. №1.