ТЯГОВАЯ ПОДСТАНЦИЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА С ИНЕРЦИОННЫМ НАКОПИТЕЛЕМ ЭНЕРГИИ
DC TRACTION SUBSTATION WITH FLYWHEEL STORAGE

Изобретение относится к железнодорожному транспорту, электрифицированному по системе постоянного тока, и может быть использовано на тяговых подстанциях (ТП) постоянного тока.
Наиболее близкой по своей технической сущности является тяговая подстанция постоянного тока со сверхпроводниковым индуктивным накопителем энергии, содержащая силовой трансформатор, выпрямитель, сглаживающий фильтр с реактором, блок конденсаторов, сверхпроводниковый индуктивный накопитель энергии (СПИН), четыре криотрона, шесть полупроводниковых управляемых ключей, блок управления криотронами и полупроводниковыми ключами, датчики тока и напряжения [1]. Это устройство выбрано в качестве прототипа.
Технической задачей настоящего изобретения является устранение следующих недостатков прототипа:
- необходимость использования для поддержания сверхпроводников в рабочем состоянии криогенных температур, получение которых связано с большими затратами энергии, что значительно снижает коэффициент полезного действия (КПД) накопителя в целом;
- наличие специального дополнительного оборудования для создания криогенных температур;
- потенциальная опасность, связанная с резким выбросом большого количества энергии при возможной остановке функционирования системы охлаждения;
- крайне неблагоприятное влияние магнитных полей на оборудование и рабочий персонал;
- сложная конструкция с использованием промежуточного звена - блока конденсаторов, что снижает надежность работы схемы;
- невозможность возвращения избыточной энергии рекуперации в энергосистему.
Повышение безопасности и исключение магнитных влияний достигается за счет использования инерционного накопителя (ИН) вместо СПИН.
Упрощение конструкции ТП достигается за счет исключения из ее состава блока конденсаторов, а также специального криогенного оборудования, что приводит также к исключению энергетических затрат на охлаждение.
Применение трехфазного синхронного генератора обеспечивает возможность возвращения энергии рекуперации в энергосистему.
Решение технической задачи достигается тем, что в тяговую подстанцию постоянного тока с инерционным накопителем энергии, подключенную к контактной сети и рельсам, содержащую силовой трансформатор, выпрямитель, сглаживающий фильтр с реактором, включенным между рельсами и минусовой шиной тяговой подстанции, инерционный накопитель, блок преобразования, регулирования и перераспределения энергии между инерционным накопителем, выпрямителем, контактной сетью и питающей трехфазной сетью, датчики тока и напряжения, согласно изобретению введены автоматический привод с регулируемым передаточным числом, автоматическая раздаточная коробка, двигатель постоянного тока, генератор постоянного тока, трехфазный синхронный генератор, четыре полупроводниковых ключа постоянного тока, один блок полупроводниковых ключей переменного тока, пять валов и датчик уровня заряда инерционного накопителя. Причем блок преобразования, регулирования и перераспределения энергии включает в себя автоматический привод с регулируемым передаточным числом, имеющий с одной стороны механическое соединение с инерционным накопителем посредством первого вала, а с другой стороны имеющий механическое соединение с автоматической раздаточной коробкой при помощи второго вала. Автоматическая раздаточная коробка имеет механическое соединение посредством третьего вала с двигателем постоянного тока, подключенным к плюсовой и минусовой шинам тяговой подстанции через первый и второй полупроводниковые ключи постоянного тока соответственно. Автоматическая раздаточная коробка также имеет механическое соединение при помощи четвертого вала с генератором постоянного тока, подключенным к плюсовой и минусовой шинам тяговой подстанции через третий и четвертый полупроводниковые ключи постоянного тока соответственно. А также автоматическая раздаточная коробка имеет механическое соединение при помощи пятого вала с трехфазным синхронным генератором, подключенным к питающей трехфазной сети через блок полупроводниковых ключей переменного тока. При этом управляющие выводы автоматического привода с регулируемым передаточным числом, автоматической раздаточной коробки, всех полупроводниковых ключей постоянного тока и блока полупроводниковых ключей переменного тока соединены с соответствующими выводами блока управления, к входам которого подключены выход датчика тока, включенного между минусовой шиной тяговой подстанции и рельсами в цепь реактора, выход датчика напряжения, включенного между минусовой и плюсовой шинами тяговой подстанции, и выход датчика уровня заряда инерционного накопителя, подключенного к инерционному накопителю.
Использование в тяговой подстанции постоянного тока инерционного накопителя и блока преобразования, регулирования и перераспределения энергии между инерционным накопителем, выпрямителем, контактной сетью и питающей трехфазной сетью составляет новизну и существенные отличия заявляемого изобретения.
p
ф
В дальнейшем изобретение поясняется примером его конкретного выполнения со ссылками на прилагаемый чертеж, на котором фигура 1 изображает общую схему заявляемой ТП с ИН, на которой показаны силовой трансформатор Т, выпрямитель тяговой подстанции В, инерционный накопитель ИН, сглаживающий фильтр тяговой подстанции, состоящий из реактора L и конденсатора С, автоматический привод с регулируемым передаточным числом АП, автоматическая раздаточная коробка АРК, двигатель постоянного тока ДПТ, генератор постоянного тока ГПТ, трехфазный синхронный генератор ТСГ, полупроводниковые ключи постоянного тока ПК1 - ПК4, блок полупроводниковых ключей переменного тока БПК, пять валов ВЛ1 - ВЛ5, блок управления БУ, система датчиков тока ДТ, напряжения ДН и уровня заряда инерционного накопителя ДЗ, контактная сеть КС, рельс Р, электроподвижной состав ЭПС.
Автоматическая раздаточная коробка обеспечивает в автоматическом режиме передачу вращающего момента без изменения передаточного числа с вала ВЛ2 на один из трех валов ВЛ3, ВЛ4 или ВЛ5, причем обратная передача вращающего момента с валов ВЛ3, ВЛ4 или ВЛ5 на вал ВЛ2 также возможна.
Автоматический привод с регулируемым передаточным числом обеспечивает в автоматическом режиме передачу вращающего момента с вала ВЛ2, соединенного с АРК, на вал ВЛ1, соединенный с ИН, с возможностью изменения передаточного числа.
Заявляемое устройство обеспечивает четыре режима работы. Первый режим - длительное хранение энергии. В этом режиме КС получает питание от трансформатора Т и выпрямителя В, а запасенная энергия хранится в ИН за счет вращения маховика практически без потерь. Второй режим - накопление энергии в ИН от рекуперирующего ЭПС или от ТП в период спада нагрузки. Третий режим - отдача энергии из ИН в КС. Этот режим позволяет снизить передачу энергии от внешней энергосистемы на ТП в период пика энергопотребления на КС за счет передачи энергии из ИН в КС, то есть за счет параллельной работы ТП и ИН на КС. Четвертый режим - отдача энергии из ИН в питающую энергосистему. Может использоваться при необходимости вернуть часть энергии, запасенной в ИН, например, при рекуперации ЭПС, в питающую энергосистему.
Первый режим - длительное хранение энергии в ИН и независимая работа ТП на КС. В этом режиме полупроводниковые ключи постоянного тока ПК, ПК2, ПК3, ПК4 и блок полупроводниковых ключей переменного тока БПК разомкнуты. Автоматический привод с регулируемым передаточным числом АП механически отделяет инерционный накопитель ИН от автоматической раздаточной коробки АРК. При этом маховик инерционного накопителя ИН вращается на холостом ходу и находится в режиме длительного хранения энергии практически без потерь.
Второй режим - накопление энергии в ИН от ЭПС в режиме рекуперации или от ТП. Исходное состояние полупроводниковых ключей постоянного тока, блока полупроводниковых ключей переменного тока, а также автоматического привода с регулируемым передаточным числом - их состояние, соответствующее режиму длительного хранения энергии (первому режиму). При появлении тока рекуперации или при необходимости поддержания на заданном уровне энергопотребления ТП, по сигналу блока управления БУ замыкаются ключи ПК1 и ПК2, что приводит в действие двигатель постоянного тока ДПТ. Также по сигналу БУ автоматическая раздаточная коробка АРК соединяет механически ДПТ и АП посредством валов ВЛ3 и ВЛ2. Далее по сигналу БУ автоматический привод АП соединяет ИН и АРК посредством валов ВЛ2 и ВЛ1. Таким образом, ток имеет следующий путь в контуре: ЭПС - КС - шина «+» -ПК1 - ДПТ - ПК2 - шина «-» - ДТ - Lp - Р - ЭПС (в случае рекуперации) и по контуру В - шина «+» - ПК1 - ДПТ - ПК2 - шина «-» - В (в случае поступления энергии в ИН от ТП). В обоих случаях путь тока через Сф фильтра не показан. Далее механическая энергия имеет следующий путь: ДПТ - ВЛ3 - АРК - ВЛ2 - АП - ВЛ1 - ИН. Автоматический привод с регулируемым передаточным числом изменяет передаточное число таким образом, чтобы постепенно раскручивать маховик ИН, тем самым передавая в него энергию.
Третий режим - отдача энергии из ИН в КС. Исходное состояние ключей, АП и АРК - состояние, соответствующее режиму длительного хранения энергии (первому режиму). При необходимости поддержания на заданном уровне энергопотребления ТП, по сигналу БУ замыкаются ключи ПК3 и ПК4, автоматическая раздаточная коробка соединяет механически ГПТ с АП посредством валов ВЛ4 и ВЛ2. Далее по сигналу БУ автоматический привод АП механически соединяет ИН и АРК посредством валов ВЛ1 и ВЛ2. Автоматический привод с регулируемым передаточным числом изменяет передаточное число таким образом, чтобы вал ВЛ4, соединенный с ГПТ, вращался с заданной скоростью, а маховик ИН постепенно замедлялся, тем самым отдавая энергию в КС. Таким образом, механическая энергия передается по следующему пути: ИН -ВЛ1 - АП - ВЛ2 - АРК - ВЛ4 - ГПТ. Далее ток будет иметь следующий путь по контуру (при наличии ЭПС на межподстанционной зоне): ГПТ - ПК3-шина «+» - КС - ЭПС - Р - Lp - ДТ - шина «-» - ПК4 - ГПТ (путь тока через Сф фильтра не показан). После завершения режима выравнивания нагрузки по сигналу датчиков ДТ и ДН устройство переходит в первый режим работы.
Четвертый режим - отдача энергии, запасенной в ИН, в питающую энергосистему. Исходное состояние ключей, АП и АРК - состояние, соответствующее режиму длительного хранения энергии (первому режиму). При необходимости и возможности возвращения энергии в питающую энергосистему, ориентируясь на данные датчиков ДЗ, ДТ и ДН, БУ вырабатывает управляющий сигнал, по которому замыкаются все ключи в БПК, автоматическая раздаточная коробка соединяет механически ТСГ с АП посредством валов ВЛ5 и ВЛ2. Далее по сигналу БУ автоматический привод АП механически соединяет ИН и АРК посредством валов ВЛ1 и ВЛ2. Автоматический привод с регулируемым передаточным числом изменяет передаточное число таким образом, чтобы вал ВЛ5, соединенный с ТСГ, вращался с заданной скоростью, а маховик ИН постепенно замедлялся, тем самым отдавая энергию в энергосистему. Таким образом, механическая энергия передается по следующему пути: ИН - ВЛ1 - АП - ВЛ2 - АРК - ВЛ5 - ТСГ. Далее электрическая энергия будет передана в энергосистему по следующему пути: ТСГ - БПК - линия, питающая трансформатор Т - энергосистема. После завершения режима отдачи энергии в энергосистему по сигналу датчиков ДЗ, ДТ и ДН устройство переходит в первый режим работы.
В тяговой подстанции постоянного тока с инерционным накопителем энергии ДПТ и ГПТ используются отдельно друг от друга и не объединяются в одну обратимую машину двигатель-генератор постоянного тока с целью повышения КПД и резервирования. КПД машин постоянного тока, спроектированных с целью обратимости генератора в двигатель и наоборот, как правило, ниже, чем у машин, спроектированных конкретно в качестве генератора или в качестве двигателя. Резервирование достигается тем, что при выходе из строя ДПТ или ГПТ работоспособность устройства сохраняется в вынужденном режиме, поскольку ДПТ можно будет использовать в качестве ГПТ и наоборот, но с очень низким КПД.
В качестве основы для инерционного накопителя возможно использование супермаховика, вращающегося в вакууме и закрепленного в магнитных подшипниках. Такая система обладает высокой безопасностью и надежностью, большой энергоемкостью, высоким КПД цикла «заряд-разряд» и малыми потерями в режиме длительного хранения энергии.
Литература
1. Тяговая подстанция постоянного тока со сверхпроводниковым индуктивным накопителем энергии: пат.2259284 Рос. Федерация. №2003104912/11: заявл. 18.02.03; опубл. 27.08.05, Бюл. №24.