Активная система тягового электроснабжения
ACTIVE TRACTION POWER SUPPLY SYSTEM

Изобретение относится к электротехнике, в частности к электрифицированным железным дорогам переменного тока и может быть использовано для повышения энергоэффективности системы тягового электроснабжения переменного тока. Электрифицированные железные дороги являются потребителем первой категории с двусторонним питанием тяговой сети. Уровень напряжения на токоприемнике электроподвижного состава является одним из важнейших показателей работы системы электроснабжения. Так как снижение напряжения ниже минимально допустимого уровня приведет к выходу из строя оборудования электроподвижного состава.
Известна система электроснабжения электрифицированных железных дорог переменного тока 25 кВ [Электроснабжение железных дорог: учебник для студентов университета (УрГУПС) / Э.В. Тер-Оганов, А.А. Пышкин. -Екатеринбург: Изд-во УрГУПС, 2014. - 432 с.]. Известное устройство содержит систему внешнего электроснабжения, состоящую из электрических станций и электросетевого оборудования; тяговую сеть, включающую силовые трансформаторы тяговых подстанций и контактную сеть с постом секционирования.
Известное устройство работает следующим образом. Электрические станции внешнего электроснабжения вырабатывают электроэнергию, которая через электросетевое оборудование поступает на первичные обмотки силовых трансформаторов тяговых подстанций. Силовые трансформаторы тяговых подстанций понижают напряжение системы внешнего электроснабжения до класса напряжения 27,5 кВ и подают электроэнергию в тяговую сеть. Тяговая сеть передает электроэнергию до токоприемников электроподвижного состава. Данная система электроснабжения обеспечивает движение поездов. Однако уровень напряжения на токоприемнике электроподвижного состава снижается при его удалении от тяговых подстанций, особенно при движении по участкам со сложным профилем и/или интенсивными размерами движения. Поэтому необходимо применение средств усиления системы тягового электроснабжения. Также недостатком данной системы тягового электроснабжения является неравномерность нагрузки в тяговой сети, приводящая к дополнительным потерям электроэнергии и снижению напряжения на токоприемниках электроподвижного состава.
Известно устройство усиления системы тягового электроснабжения [Патент №2726498 С1 Российская Федерация, МПК В60М 3/02, H02J 3/28. Способ усиления системы тягового электроснабжения: №2020107766: за-явл. 20.02.2020: опубл. 14.07.2020 / Ю.Л. Беньяш], которое принято за прототип.
Известное устройство содержит систему внешнего электроснабжения, состоящую из электрических станций и электросетевого оборудования; тяговую сеть, включающую силовые трансформаторы тяговых подстанций и контактную сеть с постом секционирования; электроподвижной состав; альтернативный источник энергии, являющийся гидроаккумулирующей электростанцией, состоящей из насосной и генераторной части, повышающего трансформатора, верхнего и нижнего водоемов.
Известное устройство работает следующим образом. Электрические станции внешнего электроснабжения вырабатывают электроэнергию, которая через электросетевое оборудование поступает на первичные обмотки силовых трансформаторов тяговых подстанций. Трансформаторы тяговых подстанций понижают напряжение системы внешнего электроснабжения до класса напряжения 27,5 кВ и подают электроэнергию в тяговую сеть. Тяговая сеть передает электроэнергию до токоприемников электроподвижного состава. Гидроаккумулирующая тяговая электростанция имеет два основных режима работы. Первый режим насосный, это закачка воды в верхний водоем, при этом он является дополнительной нагрузкой для внешней сети. Данный режим возникает при наличии минимума нагрузки внешней сети. Второй режим - это выдача запасенной энергии путем генерации электроэнергии и передачи ее в тяговую сеть через повышающий трансформатор при появлении максимумов нагрузки в контактной сети. В этом случае воду спускают из верхнего водоема в нижний водоем, для работы генераторов. Сочетание этих двух режимов и выравнивает потребление электроэнергии во времени. Расположение гидроаккумулирующей тяговой электростанции на линии приводит к выравниванию нагрузки не только для оборудования станции, но и в тяговой сети, что улучшает режим напряжения в ней и уменьшает потери энергии. При одной и той же мощности, отбираемой от первичного источника энергии, с гидроаккумулирующей тяговой электростанцией можно передать нагрузке большую пиковую мощность, то есть усилить электроснабжение тяговой сети.
Однако режим работы системы тягового электроснабжения определяет график движения поездов, по которому электроподвижной состав двигается с одинаковыми интервалами движения, а режим максимума и минимума нагрузки внешней системы, как правило, с графиком движения поездов не связан. Снижение уровня напряжения на токоприемнике электроподвижного состава до минимального значения при этом происходит не только в часы максимальных нагрузок. Снижение напряжения наблюдается на участках со сложным профилем или при равнинном профиле, но при протяженных меж-подстанционных зонах или при больших массах электроподвижных составов. Таким образом, потребление электроэнергии из тяговой сети гидроаккумулирующими тяговыми электростанциями в насосном режиме при проходе электроподвижного состава приведет к снижению напряжения ниже минимально допустимого уровня, что приведет к выходу из строя оборудования электроподвижного состава. Кроме того, включение источника электроэнергии в тяговую сеть переменного тока при отсутствии синхронизации приводит к возникновению уравнительного тока между тяговыми подстанциями и этим источником, а если включение происходит в противофазе, то в тяговой сети возникает режим короткого замыкания, который приведет к отключению участков сети и отсутствию электроснабжения электроподвижного состава. Также к недостаткам данного устройства относятся большие капитальные затраты на сооружение водоемов; необходимость электроснабжения насосов, так как в насосном режиме данная система потребляет электроэнергию, создавая дополнительные потери и загрузку внешней и тяговой сети.
Задачей предлагаемого изобретения является: повышение уровня напряжения на токоприемниках электроподвижного состава, уменьшение потерь электроэнергии и повышение надежности электроснабжения при обеспечении графика движения поездов.
Задача решается за счет того, что введены блок преобразования сигнала напряжения, на измерительный вход которого поступает сигнал напряжения с измерительного оборудования поста секционирования контактной сети, цифровой выход блока преобразования сигнала напряжения подключен к первому цифровому входу блока управления, второй цифровой вход блока управления соединен с цифровым выходом аккумуляторной батареи, третий цифровой вход блока управления получает сигнал с выхода устройств РЗА (релейной защиты и автоматики), а цифровой выход блока управления присоединен к цифровому входу инвертора, при этом вход инвертора подключен к выходу аккумуляторной батареи, вход которой соединен с выходом возобновляемого источника энергии, выполненного на основе преобразователя энергии солнца и/или ветра в электрическую энергию, а выход инвертора через LC-фильтр подключен к первичной обмотке повышающего трансформатора, вторичная обмотка которого подключена к тяговой сети.
Устройство содержит систему внешнего электроснабжения 1, состоящую из электрических станций и электросетевого оборудования; тяговую сеть 2, включающую силовые трансформаторы тяговых подстанций 3, контактную сеть 4 с постом секционирования 5; активную энергетическую установку 6, состоящую из альтернативного источника энергии 7, аккумуляторной батареи 8, инвертора 9, LC-фильтра 10, повышающего трансформатора 11, блока управления 12, блока преобразования сигнала напряжения 13 и электроподвижной состав 14 (Фиг. 1).
Элементы устройства соединены следующим образом.
Система внешнего электроснабжения 1 через высоковольтные линии электропередачи подключена к первичным обмоткам силовых трансформаторов тяговых подстанций 3. Вторичные обмотки силовых трансформаторов тяговых подстанций 3 подключены к контактной сети 4. Участки контактной сети 4 соединены постом секционирования 5. Выход активного источника энергии 7 подключен к входу аккумуляторной батареи 8. Выход аккумуляторной батареи 8 подключен к входу инвертора 9. Выход инвертора 9 через LC-фильтр 10 подключен к входу первичной обмотки повышающего трансформатора 11, выводы вторичной обмотки повышающего трансформатора 11 подключены к тяговой сети на посту секционирования 5. Выход с измерительного трансформатора напряжения поста секционирования 5 подключен к входу блока преобразования сигнала напряжения 13. Цифровой выход блока преобразования сигнала 13 напряжения подключен к первому цифровому входу блока управления 12. Цифровой выход аккумуляторной батареи 8 подключен ко второму цифровому входу блока управления 12. Цифровые выходы устройств РЗА подключены к третьему цифровому входу блока управления 12. Цифровой выход блока управления 12 подключен к цифровому входу инвертора 9.
Устройство работает следующим образом.
Электрические станции системы внешнего электроснабжения 1 вырабатывают электроэнергию, которая через электросетевое оборудование системы внешнего электроснабжения 1 поступает на первичные обмотки силовых трансформаторов тяговых подстанций 3. Силовые трансформаторы тяговых подстанций 3 понижают напряжение системы внешнего электроснабжения 1 до класса напряжения 27,5 кВ и подают электроэнергию в тяговую сеть 2. Тяговая сеть 2 передает электроэнергию до токоприемников электроподвижного состава 14. Тем временем на активной энергетической установке 6 возобновляемые источники энергии 7 преобразуют энергию ветра и/или солнечного света в электроэнергию, которая накапливается аккумуляторной батареей 8. Информация об уровне заряда аккумуляторной батареей 8 передается в блок управления 12. Блок преобразования сигнала напряжения 13 поста секционирования 5 постоянно преобразовывает аналоговый сигнал напряжения, измеренный на посту секционирования 5, в цифровой сигнал с информацией о величине напряжения и его фазе. Блок преобразования сигнала напряжения 13 передает цифровой сигнал с информацией о величине напряжения и его фазе в блок управления 12. Блок управления 12 производит сравнение величины напряжения с заданным значением уставки. В момент снижения уровня напряжения на посту секционирования ниже допустимого значения уставки блок управления 12 подает сигналы на включение инвертора 9. Инвертор 9 из постоянного напряжения аккумуляторной батареи 8 посредством широтно-импульсной модуляции создает сигнал переменного напряжения. Полученное модулированное переменное напряжение имеет фазу напряжения тяговой сети на посту секционирования 5 и после фильтрации в LC-фильтре 10 поступает на повышающий трансформатор 11. Повышающий трансформатор 11 трансформирует сигнал напряжения до класса 27,5 кВ и передает накопленную электроэнергию в тяговую сеть 2. Ближайший от поста секционирования 5 электроподвижной состав 14 потребляет энергию, выработанную активным источником энергии 7. При возникновении аварийных режимов устройства РЗА подают сигнал на отключение активной энергетической установки 6.
Таким образом, разгружается тяговая сеть 2 между силовыми трансформаторами тяговых подстанций 3 и электроподвижным составом 14. При этом повышается уровень напряжения и энергоэффективность тяговой сети, что увеличивает надежность электроснабжения при обеспечении графика движения поездов.
В результате выполнения поставленной задачи неожиданным эффектом явилось изменение токораспределения в тяговой сети, благодаря дополнительному источнику электроэнергии в виде активной энергетической установки, приводящему: во-первых, к снижению необходимости применения РПН силовых трансформаторов тяговых подстанций, что повысит срок службы трансформаторного оборудования; во-вторых, к разгрузке электросетевого оборудования и электрических станций системы внешнего электроснабжения; в-третьих, повышению устойчивости и надежности внешней энергосистемы, а в дефицитных энергосистемах стабилизации значения частоты.