ГИБРИДНЫЙ НАКОПИТЕЛЬ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ ДЛЯ СИСТЕМЫ ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА

Полезная модель относится к области электротехники и может быть использована в системе тягового электроснабжения постоянного тока электрифицированного железнодорожного транспорта, а именно на тяговых подстанциях или линейных устройствах контактной сети.
Целью полезной модели является повышение энергетической эффективности работы системы тягового электроснабжения постоянного тока, содержащей гибридный накопитель электроэнергии.
Предлагаемое устройство позволяет сократить потери электроэнергии в системе тягового электроснабжения и реализовать управление накопителями электроэнергии различного вида при их совместной работе в режимах заряда и разряда с учетом энергетических показателей смежных тяговых подстанций.
Известны различные технические решения для использования накопителей электроэнергии в системах электроснабжения, реализующих различные механизмы заряда и разряда.
Недостатком таких устройств является отсутствие возможности регулирования рабочих характеристик преобразователя в режиме заряда и разряда с учетом энергетических показателей смежных подстанций системы тягового электроснабжения постоянного тока.
Известно устройство заряда-разряда емкостного накопителя энергии [1], в котором используется емкостной накопитель, два сглаживающих устройства и двунаправленных преобразователя, система управления. 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 накопителем электроэнергии. Недостатками данной схемы являются: отсутствие возможности обеспечения совместной работы накопителей с различными характеристиками; повышенные потери электроэнергии в высоковольтном двунаправленном преобразователе при выпрямлении напряжения; отсутствие возможности регулирования характеристики в режиме заряда и разряда; отсутствие возможности регулировать рабочую характеристику в зависимости от энергетических показателей смежных источников питания подстанций.
Известно устройство поста секционирования постоянного тока с гибридным накопителем энергии [2], содержащее емкостной и электрохимический накопитель энергии, два статических преобразователя, датчики тока и напряжения, сглаживающее устройство и систему управления. Технический результат обеспечивается за счет двух накопителей электроэнергии различного типа, управления преобразователями и размещения устройства на тяговых подстанциях или в системе тягового электроснабжения. Недостатком данной схемы является отсутствие гальванической развязки, повышающей надежность работы, и работа с повышенными потерями в двунаправленных управляемых преобразователях, отсутствие возможности регулировать рабочую характеристику в зависимости от энергетических показателей смежных тяговых подстанций.
Известно устройство (прототип) гибридного накопителя электроэнергии для системы тягового электроснабжения постоянного тока [3], содержащее два накопителя электроэнергии, два низковольтных двунаправленных преобразователя, преобразовательный трансформатор, два высоковольтных преобразователя, фильтры, сглаживающие реакторы, датчики тока и напряжения, блок сигнализации и защит, систему автоматического регулирования. Технический результат обеспечивается за счет использования активной топологии на стороне низкого напряжения и управления в зависимости от уровня напряжения на шинах, к которым подключено устройство. Недостатком данного решения является отсутствие органа регулирования рабочей характеристики устройства в режиме заряда и разряда в зависимости от уровня нагрузки и напряжения на шинах смежных тяговых подстанций.
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, согласование совместной работы накопителей электроэнергии различных видов, обеспечения гальванической развязки с тяговой сетью и снижения потерь электроэнергии. В зависимости от уровня нагрузки и напряжения на шинах смежных тяговых подстанциях выполняется регулирование рабочей характеристики устройства в режимах заряда и разряда.
Технический результат достигается за счет включения в состав устройства дополнительных блоков передачи измерений, телеизмерений и телемеханики и подключения блока передачи измерений к имеющейся системе автоматического регулирования.
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 (САР) 8, накопителя электрохимического типа (НЭХМ) 9, накопителя электрического типа (НЭТ) 10, низковольтных фильтрующих устройств 11 (Ф1) и 12 (Ф2), двунаправленных преобразователей постоянно-переменного напряжения 13 (П1) и 14 (П2), преобразовательного трансформатора (ПТ) 15, высоковольтного инверторного (П3) 16 и выпрямительного преобразователей и 17 (П4), реакторов (Р1) 18 и (Р2) 19, высоковольтного фильтрующего устройства (Ф3) 20, блока коммутации (БК) 21, подключаемого к шинам подстанции или линейного устройства (пост секционирования (ПС)) "+" шиной 22 и "-" шиной к рельсу.
Датчики напряжения 1, 3 и 5 подключены к выходу накопителей электроэнергии НЭХМ и НЭТ со стороны низшего напряжения и на выходе высоковольтных преобразователей 16 и 17 на стороне высшего напряжения со стороны контактной сети. Выходы датчиков напряжения 1, 3 и 5 подключены к входу САР 8. Датчики тока 2, 4 и 6 подключены к выходам НЭХМ и НЭТ на стороне низшего напряжения и на выходе высоковольтных преобразователей 16 и 17 на стороне высшего напряжения. Выходы датчиков тока 1, 3 и 5 подключены к входу САР 8. Пара вход-выход БСиЗ 7 подключена к входу-выходу САР 8. Выходы САР 8 подключены к входам управляемых преобразователей 13, 14 и 16, и блоку коммутации 21. Накопители 9 и 10 подключены через фильтры к преобразователям 13 и 14, которые подключены к преобразовательному трансформатору 15. К обмотке высшего напряжения ПТ 15 подключены выпрямительный преобразователь 17 и инвертор 16, которые подключены к контактной сети через реакторы 18 и 19 и фильтрующее устройство 20. Выход фильтрующего устройства 20 подключен к блоку коммутации 21, затем к контактной сети через шины подстанции или линейного устройства (пост секционирования)22.
Выход блока передачи измерений (БПИ) 23 подключен к входу САР 8. Вход блока БПИ 23 подключен к выходу блока телеизмерений (БТИ) 24, вход которого в свою очередь подключен к блоку телемеханики (БТ). Входы блока БТ подключены к системе передачи данных (СПД).
Принцип действия заявленного устройства основан на действии 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. За счет получения данных измерений тока и напряжения в режиме реального времени со смежных тяговых подстанций САР корректирует рабочие характеристики гибридного накопителя для режима заряда и разряда в зависимости от уровня нагрузки и напряжения.
В режиме заряда, поступающая в устройство из тяговой сети электроэнергия (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 устройства (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 и/или 10, в зависимости от характеристики разряда, выбранного САР 8, на основе определения степени заряженности и глубины разряда накопителей, измерений от датчиков напряжения 1, 3 и датчиков тока 2, 4, и уровня нагрузки при помощи датчика напряжения 5, а также поступающих данных телеизмерений с блока БПИ 23, передается через низковольтные фильтрующие устройства 11 или 12 на двунаправленный преобразователь 13 или 14 соответственно.
На основе широтно-импульсной модуляции низковольтные преобразователи 13 или 14 обеспечивают преобразование постоянного напряжения в переменное, которое поступает на вторичную обмотку трансформатора 15. Переменное напряжение первичной обмотки ПТ 15 выпрямляется с помощью П4 17 и поступает через высоковольтное фильтрующие устройство 20 и реактор 19 к контактной и рельсовой сети соответственно.
Управление мощностью и регулирование характеристики в режиме заряда и разряда, на основе анализа данных измерений САР токов и напряжений, протекающих в цепях преобразователя и смежных подстанций, реализуется при помощи выбора режима работы низковольтных преобразователей 13 или 14 с накопителями 9 и 10.
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.
На основе данных измерений тока и напряжения со смежных подстанций, поступающих в САР 8 с блока БПИ 23, подключенного через блоки телеизмерений 24 и телемеханики 25 к системе передачи данных, выполняется расчет и корректировка рабочих характеристик преобразователей по уровню тяговой нагрузки в границах межподстанционной зоны и определению потерь напряжения в контактной сети.
Достоинством предлагаемого устройства является возможность регулирования его рабочих характеристик в режиме заряда и разряда и повышения энергетической эффективности с учетом электротяговой нагрузки в границах межподстанционной зоны и потерь напряжения от шин смежных подстанций до предлагаемого устройства.
Библиографический список
1. 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.
2. Пат. RU (11) 182831 (13) U1. МПК В60М 3/00 Пост секционирования постоянного тока с гибридным накопителем энергии / В.Л. Незевак, B.Т. Черемисин, А.П. Шатохин №2017144925; Заявлено 20.12.2017; Опубл. 04.09.2018. Бюл. №25.
3. Пат. RU (11) 202369 (13) U1. МПК В60М 3/06 (2021.01). Н01М 10/44 (2021.01). Гибридный накопитель электроэнергии для системы тягового электроснабжения постоянного тока / В.Л. Незевак, В.Т. Черемисин, C.С. Самолинов. №2020135222; Заявлено 26.10.2010; Опубл. 15.02.2021. Бюл. №5.