ТЯГОВАЯ ПОДСТАНЦИЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА С СИСТЕМОЙ НАКОПЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

Полезная модель относится к электрифицированному железнодорожному транспорту, а именно к системе тягового электроснабжения, содержащей тяговую подстанцию постоянного тока с понижающим трансформатором и преобразовательными агрегатом, трансформатором собственных нужд, трансформаторами напряжения и тока, коммутационным оборудованием, распределительным устройством среднего переменного напряжения 6(10) кВ и выпрямленного напряжения 3,3 кВ, системой постоянного тока напряжением 110(220) В и переменного напряжения 0,4 кВ для питания оперативных цепей собственных нужд, а также системой накопления электроэнергии и преобразователями постоянно/постоянного напряжения и постоянно/переменного напряжения с датчиками тока и напряжения, системой автоматического управления.
Целью полезной модели является повышение энергетической эффективности работы системы тягового электроснабжения постоянного тока, содержащей тяговую подстанцию постоянного тока.
Предлагаемое устройство позволяет принимать энергию рекуперации поезда и использовать ее на собственные нужды тяговой подстанции, повысить энергетическую эффективность системы тягового электроснабжения и эффективность использования энергии рекуперативного торможения.
Известны тяговые подстанции постоянного тока с различным составом оборудования. Недостатком данных устройств является отсутствие возможности использования хранении электроэнергии на собственные нужды тяговой подстанции, обусловленное составом оборудования и режимами работы системы тягового электроснабжения и электроподвижного состава.
Известно устройство тяговой подстанции постоянного тока [1], в котором используются полупроводниковые преобразователи, катодные трехполюсные выключатели, диодные разрядные устройства, сглаживающие устройства, диодные разрядные устройства. Недостатком устройства является невозможность приема и хранения электроэнергии рекуперации поезда.
Известно устройство тяговой подстанции постоянного тока [2], в котором используются полупроводниковые выпрямители, фидера контактной сети, обходные разъединители, сглаживающее устройство, диодное разрядное устройство. Недостатком устройства является невозможность приема и хранения электроэнергии рекуперации поезда.
Известно устройство электропитания приборов мониторинга и учета электрической энергии тяговой сети железных дорог постоянного тока [3], в котором используются импульсный блок питания. Недостатком устройства является невозможность приема и хранения электроэнергии рекуперации поезда.
Известно устройство суперконденсаторное электропитания оперативных токов тяговых подстанций [4], в котором используются блоки суперкондесаторов, батарея тяговых аккумуляторов, блок питания заряда, блок многокональной коммутации и защиты балластных резисторов, блок мониторинга. Недостатком устройства является невозможность приема и хранения электроэнергии рекуперации поезда.
Известно устройство усиления системы тягового электроснабжения [5], в котором используется накопитель гидроаккумуляторной тяговой электростанции. Недостатком устройства является невозможность передачи энергии от накопителя в цепи собственных нужд подстанции.
Известен пост секционирования постоянного тока с гибридным накопителем электроэнергии [6], в котором используется емкостной и электрохимический накопитель, преобразователь, датчики тока и напряжения, фильтрующее устройство. Недостатком устройства является невозможность передачи энергии от накопителя в цепи собственных нужд подстанции.
Известно устройство тяговой подстанции постоянного тока со сверхпроводниковым индуктивным накопителем энергии [7], в котором используется силовой трансформатор, выпрямитель, сглаживающий фильтр с реактором, блок конденсаторов, сверхпроводниковый индуктивный накопитель энергии, четыре криотрона, шесть полупроводниковых управляемых ключей, блок управления криотронами и полупроводниковыми ключами, датчики тока и напряжения. Недостатком устройства является невозможность передачи энергии от накопителя в цепи собственных нужд подстанции.
Известно устройство тяговой подстанции постоянного тока с инерционным накопителем энергии [8], в котором используется силовой трансформатор, выпрямитель, сглаживающий фильтр с реактором, инерционный накопитель, блок преобразования, регулирования и перераспределения энергии, датчики тока и напряжения. Недостатком устройства является невозможность передачи энергии от накопителя в цепи собственных нужд подстанции.
Наиболее близким техническим решением (прототипом) является тяговая подстанция постоянного тока с емкостным накопителем энергии [9], которая содержит преобразовательный трансформатор, выпрямительно-инверторный агрегат, батарею емкостных накопителей энергии, реактор.
В прототипе технический результат приема энергии рекуперации обеспечивается за счет использования емкостных накопителей энергии.
Недостатками данной схемы являются:
1) отсутствие возможности использования накопленной энергии рекуперативного торможения поезда на собственные нужды подстанции;
2) наличие дополнительного инверторного преобразователя для передачи энергии рекуперации через преобразовательный трансформатор на шины переменного тока подстанции;
3) отсутствие системы управления системой накопления электроэнергии.
Особенностью работы системы тягового электроснабжения постоянного тока на участках с рекуперативным торможением является необходимость применения инверторных преобразователей или систем накопления электроэнергии, позволяющих осуществить прием избыточной энергии рекуперации для возврата в сеть внешнего электроснабжения или для хранения и последующей отдачи тяговой нагрузки соответственно.
Предлагаемое устройство может быть использовано на тяговых подстанциях, постах секционирования контактной сети, других линейных устройствах системы тягового электроснабжения постоянного тока напряжением 3,3 кВ.
Система накопления электроэнергии на тяговой подстанции постоянного тока позволяет осуществлять прием энергии рекуперирующего электроподвижного состава, отдавать накопленную энергию нагрузке собственных нужд подстанции, разгрузить трансформатор собственных нужд, а также исключить использование инверторных преобразователей, подключенных к преобразовательному трансформатору.
Технический результат обеспечивается за счет использования преобразователей постоянно/постоянного и постоянно/переменного напряжения, позволяющих преобразовать и передать энергию рекуперации, системы накопления электроэнергии с датчиками тока и напряжения, электронного ключа, системы управления.
Структурная схема предлагаемого устройства приведена на фиг. 1.
Заявленное устройство состоит из системы накопления электроэнергии СНЭ 1, датчика тока 2 и напряжения 3, электронного ключа 4, понижающего преобразователя постоянно/постоянного напряжения 5, датчика напряжения 6, системы автоматического управления (САУ) 7, преобразователя постоянно/переменного напряжения 8, трансформатора собственных нужд 9, автоматического выключателя 10, преобразовательного трансформатора 11, выпрямителя 12.
Работа предлагаемого устройства осуществляется следующим образом. Заряд СНЭ осуществляется при повышении напряжения при рекуперации электроподвижного состава. Датчик напряжения 6, подключенный к шинам постоянного тока напряжением +3,3 кВ и -3,3 кВ позволяет измерять напряжение и передавать информацию в блок САУ 7 для определения случаев повышения напряжения выше напряжения холостого хода подстанции. САУ 7 формирует управляющие импульсы на полупроводниковые ключи преобразователя 5 постоянно/постоянного напряжения для понижения напряжения и передачи мощности от шин РУ-3,3 кВ к системе оперативного постоянного тока напряжением 110(220) В и последующей передачи ее в систему накопления электроэнергии СНЭ 1.
В режиме разряда энергия, накопленная в СНЭ 1, при соблюдении заданных условий состояния, контролируемых датчиками напряжения 3 и тока 2, передается нагрузке собственных нужд постоянного напряжения подстанции и через двунаправленный преобразователь 8 постоянно/переменного напряжения к нагрузке собственных нужд переменного напряжения. Электронный ключ 4, понижающий преобразователь постоянно/постоянного напряжения 5, преобразователь постоянно/переменного напряжения 8 управляются САУ 7.
Система накопления электроэнергии СНЭ состоит из накопительных элементов электрохимического или емкостного типа, подключение которых выполнятся путем последовательно/параллельного набора накопительных элементов для получения требуемых параметров напряжения и емкости батареи СНЭ.
Система автоматического управления САУ подключается по аналоговым/дискретным входам/выходам к датчикам напряжения 3 и 6, датчику тока 2, электронному ключу 4, преобразователю постоянно/постоянного напряжения 5 и преобразователю постоянно/переменного напряжения 8, автоматическому выключателю 10 трансформатора собственных нужд ТСН 9. В случае регистрации параметров с датчиков 2, 3 и 6 сигнализирующих об исправности состоянии преобразователя 5 и готовности системы накопления электроэнергии СНЭ 1 электронный ключ 4 находится в открытом положении, а автоматический выключатель 10 трансформатора собственных нужд 9 отключен. Питание собственных нужд осуществляется СНЭ. При выходе контролируемых с помощью датчиков 2, 3 и 6 показателей за границы рабочих диапазонов САУ 7 подает команду на закрытие электронного ключа 4 и включение автоматического выключателя 10 для подачи энергии к нагрузке собственных нужд подстанции от трансформатора собственных нужд 9.
Достоинством предлагаемого устройства является повышение энергетической эффективности системы тягового электроснабжения постоянного тока и снижение потребления электроэнергии на собственные нужды подстанции за счет использования энергии рекуперации поезда.
Библиографический список
1. Пат. RU (11) 97108667 (13) U1 МПК В60М 3/00 Тяговая подстанция постоянного тока / С.Х. Даричев, В.Н. Пупынин, В.Л. Солдатов №97108667/09; Заявлено 02.06.1997; Опубл. 10.01.1999. Бюл. №54.
2. Пат. RU (11) 30472 (13) U1 МПК В60М 3/00 Тяговая подстанция постоянного тока / А.Н. Марикин, О.А. Степанская, А.В. Мизинцев №2003100363/20; Заявлено 08.01.2003; Опубл. 27.06.2003. Бюл. №18.
3. Пат. RU (11) 189408 (13) U1 МПК Н02М 3/155 Устройство электропитания приборов мониторинга и учета электрической энергии тяговой сети железных дорог постоянного тока / М.М. Никифоров, Ю.В. Плотников, В.Т. Черемисин №2019102754; Заявлено 10.01.2019; Опубл. 20.05.2019. Бюл. №15.
4. Пат. RU (11) 137433 (13) U1 МПК H02J 9/00 Суперконденсаторное устройство электропитания оперативных токов тяговых подстанций / А.З. Жук, М.В. Голиков, А.Ф. Герасимов, С.П. Сергиенков №2013140268/07; Заявлено 30.08.2013; Опубл. 10.02.2014. Бюл. №4.
5. Пат. RU (11) 2726498 (13) С1 МПК В60М 3/02 Способ усиления системы тягового электроснабжения / Ю.Л. Беньяш №2020107766; Заявлено 20.02.2020; Опубл. 14.01.2020. Бюл. №20.
6. 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; Опубл. 04.09.2018. Бюл. №25.
7. Пат. RU (11) 2259284 (13) С2 МПК В60М 3/06 Тяговая подстанция постоянного тока с сверхпроводниковым индуктивным накопителем энергии / А.Л. Быкадаров, Т.А. Заруцкая, А.Д. Петрушин, Е.П. Фигурнов №2003104912/11; Заявлено 18.02.2003; Опубл. 27.08.2005. Бюл. №24.
8. Пат. RU (11) 2636847 (13) С1 МПК В60М 3/06 Тяговая подстанция постоянного тока с инерционным накопителем энергии / И.А. Кондрашев №2016132116; Заявлено 03.08.2016; Опубл. 28.11.2017. Бюл. №34.
9. Пат. RU (11) 2365017 (13) С1 МПК В60М 3/00 Тяговая подстанция постоянного тока с емкостным накопителем электроэнергии / Е.Н. Алексеев, Т.П. Добровольские №2008125602/09; Заявлено 26.06.2008; Опубл. 20.08.2009. Бюл. №23.