СПОСОБ УСИЛЕНИЯ СИСТЕМЫ ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ
METHOD OF TRACTION POWER SUPPLY SYSTEM STRENGTHENING

Область техники
Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для усиления системы тягового электроснабжения, путем выравнивания нагрузки во времени, улучшения уровня напряжения и повышения надежности электроснабжения тяговой сети.
Уровень техники
Известен способ усиления системы тягового электроснабжения, например переменного тока, представленный системой 2×25 кВ. В ней межстанционную зону питают от дополнительной провода с напряжением, сдвинутым на 180° относительно контактного провода, но имеющего относительно рельсовой цепи напряжение 25 кВ. Напряжение на тяговую сеть подают от этого провода через автотрансформатор. Это улучшает уровень напряжения в контактной сети [1]. Однако этот способ не снимает пиковые нагрузки и не улучшает несимметрию токов в первичной системе.
Известен способ регулирования пиков потребления энергии [2], в котором генерируют энергию и ее аккумулируют. Пиковые нагрузки уменьшают на генераторе энергии, но не на питающей линии.
Известен способ усиления системы тягового электроснабжения, в котором с помощью источника тягового напряжения подают напряжение на тяговую сеть, а также накапливают энергию, с помощью накопителя, подключенного к тяговой сети [3] в месте установки источника тягового напряжения. Этот накопитель, емкостного типа, сглаживает пики потребления энергии от источника тягового напряжения, которые могут длиться единицами или десятками минут. На пиковые мощности, проходящие по тяговой сети, он не влияет.
Известен способ усиления системы тягового электроснабжения, в котором с помощью источника тягового напряжения подают напряжение на тяговую сеть, а также накапливают энергию, с помощью накопителя, подключенного к тяговой сети [4], в месте установки поста секционирования, а не тяговой станции, как в аналоге. Этот накопитель, емкостного типа, сглаживает пики потребления мощности от источника тягового напряжения в тяговой сети. По своим свойствам он близок к заявляемому решению и принят за прототип.
Недостатки прототипа
При выполнении накопителей в виде конденсаторов цикл накопления трудно реализовать соразмерно суточному потреблению или на более длительный период времени и невозможно обеспечить резервирование источников тягового напряжения на тяговых станциях. При высоком тяговом напряжении постоянного тока, например 18 кВ или 24 кВ трудно согласовать высокое напряжение тяговое напряжение с рабочим напряжением емкостных или литиевых накопителей энергии постоянного тока. При высоком тяговом напряжении 25 кВ переменного тока еще труднее согласовать его с работой емкостных накопителей энергии постоянного тока.
Сущность изобретения
Способ усиления тягового электроснабжения, в котором с помощью источника тягового напряжения на тяговой станции подают это напряжение на тяговую сеть, а также подключают накопитель энергии к тяговой сети, причем накопитель энергии выполняют в виде гидроаккумуляторной тяговой электростанции (ГАТЭС) и располагают его на линии, причем насосную и генераторную части гидроаккумуляторной тяговой электростанции выполняют, предпочтительно, раздельно.
Насосную часть выполняют в трехфазном виде и подключают к трехфазной линии электропередач, являющейся продольной линией электроснабжения или относящейся к внешней системе электроснабжения, предпочтительно, с возможностью компенсации реактивной мощности в обоих случаях.
Для тяговой сети переменного тока насосную часть может быть выполнена в однофазном виде и подключена к тяговой сети.
Для тяговой сети переменного тока генераторную часть выполняют в однофазном виде, при этом для нее возможна функция компенсации реактивной мощности.
Для тяговой сети постоянного тока генераторную часть выполняют в виде вентильного генератора, предпочтительно с повышенной частотой.
Насосную часть выполняют из нескольких насосов, предпочтительно разной производительности.
Число ГАТЭС на межстанционной зоне может быть больше одной.
Под тяговой станцией понимают тяговую подстанцию или тяговую электростанцию. Под источником тягового напряжения понимают оборудование тяговой станции, на выходе которого получают переменное или постоянное напряжение, подаваемое в тяговую сеть. В тяговую сеть входят контактная сеть и соответствующая ей рельсовая цепь. Под линией понимают линию ж.д., питаемую тяговой станцией.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 показана схема подключения ГАТЭС с выходом переменного тока к межстанционной зоне переменного тока, на фиг. 2 показана - ГАТЭС с выходом постоянного тока к межстанционной зоне постоянного тока:
1 - левая тяговая станция переменного тока;
2 - правая тяговая станция переменного тока;
3 - контактная сеть; 4 - рельсовая цепь;
5 - ГАТЭС переменного тока; 6 - нагрузки;
7 - нейтральная вставка;
8 - левая тяговая станция постоянного тока;
9 - правая тяговая станция постоянного тока;
10 - ГАТЭС постоянного тока;
11 - нагрузки постоянного тока;
На фиг. 3 показаны кривые напряжения на межстанционной зоне при пиковой нагрузке и при минимальной нагрузке:
12 - кривая напряжения на межстанционной зоне при наличии пиковых нагрузок, без использования ГАТЭС;
13 - кривая напряжения на межстанционой зоне при наличии пиковых нагрузок и с ГАТЭС в генераторном режиме;
14 - кривая напряжения на междстанционой зоне переменного тока при наличии нагрузок и с ГАТЭС в режиме компенсации реактивной мощности.
На фиг. 4 показаны кривые напряжения на межстанционной зоне переменного тока при минимальной нагрузке:
15 - кривая напряжения на межстанционой зоне при минимальной нагрузке, без использования ГАТЭС;
16- кривая напряжения на межстанционой зоне при минимальной нагрузке и с ГАТЭС в режиме компенсации реактивной мощности.
На фиг. 5 показан график потребления мощности тяговой нагрузкой межстанционой зоны в течении суток:
17, 18 - пиковые максимальные нагрузки; 19 - минимальная нагрузка.
На фиг. 6 приведен график потребления мощности тяговой нагрузкой на межстанционой зоне от тяговых станций с ГАТЭС в генераторном режиме, в течении суток, где 20 - кривая потребления этой мощности. На фиг. 7 - график нагрузки генераторов ГАТЭС, где 21 - кривая этой нагрузки; на фиг. 8 - график работы насосов ГАТЭС, где 22 - кривая потребления насосной мощности.
На фиг. 3 и 4 вертикальные оси напряжений, на фиг. 5 и 6 вертикальные оси нагрузок показаны с вырезом, без малых значений напряжения и мощностей, соответственно. Величины на оси мощностей условные.
Буквенные обозначения на графиках: Рср сут - среднесуточная мощность, на межстанционой зоне; Рмакс - максимальная нагрузка, Рмин - минимальная нагрузка; Рсраб макс - мощность включение режима генерации, Рсраб мин -мощность включение насосного режима, Рген - мощность генератора ГАТЭС, Рнас - мощность насосного режима.
Описание предпочтительных воплощений
Тяговые станции переменного тока 1 и 2 на фиг. 1 питают тяговую сеть 3 межстанционной зоны 1-2. ГАТЭС 5 включают на этой межстанционной зоне. Вследствие этого нагрузки получают питание не только от тяговых станций, но и от ГАТЭС.
В случае выполнения тяговых станций переменного тока, в виде тяговых подстанций, последние подают в тяговую сеть 3 слева и справа от себя питание с двумя фазами, А и В. Чтобы не было межфазного замыкания по контактной сети между этими фазами, в тяговую сеть включают нейтральную вставку 7. Включение ГАТЭС 5 внутри межстанционной зоны 1-2 в этом случае позволяет выполнить ее однофазной, что упрощает ее конструктивно.
В случае выполнения тяговых станций переменного тока в виде тяговых электростанций, нейтральная вставка может не понадобиться, так как генераторы на соседних тяговых электростанциях выполняют синфазными [4].
Тяговые станции постоянного тока 8 и 9 на фиг. 2 питают тяговую сеть межстанционной зоны постоянного тока 8-9. Имеется ГАТЭС 10 с выходом постоянного тока и нагрузками 11 постоянного тока.
ГАТЭС устанавливают в месте, удобном по своему рельефу для создания нижнего и/или верхнего бассейна для хранения воды и необязательно посередине межстанционной зоны или на посту секционирования. Их число может быть не ограничено одной, как в примере.
ГАТЭС, независимо от исполнения для переменного тока или постоянного тока, имеет два основных режима работы [5]. Первый режим насосный, это закачка воды в верхний бассейн, при этом производят аккумуляцию энергии. Ее производят обычно при наличии минимума нагрузки в сети. Второй режим - это выдача запасенной энергии путем генерации электроэнергии при появлении максимумов нагрузки в контактной сети. В этом случае воду спускают из верхнего бассейна в нижний бассейн, для работы генераторов. Сочетание этих двух режимов и выравнивает потребление электроэнергии во времени.
Расположение ГАТЭС 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 в ней. При одной и той же мощности, отбираемой от первичного источника энергии, с ГАТЭС можно передать нагрузке большую пиковую мощность, то есть усилить электроснабжение тяговой сети.
При максимальной нагрузке и отключении ГАТЭС, напряжение будет наименьшим, кривая 12 на фиг. 3. При ГАТЭС токи, протекающие по тяговой сети к нагрузке со стороны тяговой станции и ГАТЭС, уменьшаются, поэтому уменьшаются падения напряжения в тяговой сети. Вследствие этого улучшается режим напряжения в тяговой сети и его кривая напряжения в тяговой сети из положения 12 переходит в положение 13.
Кроме улучшения режима напряжения, ГАТЭС разгружает источники напряжения на тяговой станции, что уменьшает потери энергии в них, без привлечения дополнительной энергии от внешних источников. Установленная мощность оборудования на тяговой станции может быть уменьшена, при неизменности величины тяговой нагрузки.
ГАТЭС может оказать стабилизирующее влияние на напряжение в тяговой сети переменного тока и при отсутствии режима генерации. В этом случае вводят дополнительный режим ГАТЭС - компенсацию реактивной мощности, использовав в качестве компенсатора синхронный генератор ГАТЭС. Тогда напряжение в тяговой сети поднимется, относительно уровня кривой 12, и получим кривую 14, лежащую выше кривой 12 на фиг. 3.
ГАТЭС может оказать стабилизирующее влияние на напряжение в тяговой сети переменного тока и при малых нагрузках. В этом случае напряжение в тяговой сети будет соответствовать кривой 15 на фиг. 4, лежащей выше кривой 12 на фиг. 3, что связано с малой нагрузкой. Включением режима компенсации у генератора улучшают напряжение в тяговой сети, получим кривую напряжения 16, лежащую выше кривой 15.
Есть особенности подключения насосной части ГАТЭС. Для тяговой сети переменного тока, возможно ее подключение к внешней трехфазной системе, как показано на фиг. 1, если используют тяговые подстанции. При раздельном использовании электрических машин для генерации электроэнергии и для закачки воды в верхний бассейн, можно понизить несимметрию в первичной системе, питающей тяговые подстанции, за счет того, что энергию, поступающую в тяговую сеть для покрытия пиков потребляемой мощности, производят однофазными генераторами, а для закачки воды используют трехфазные насосы. То есть, от первичной системы энергия отбирается в трехфазном виде, ее преобразование в однофазный вид производят непосредственно при ее генерации в ГАТЭС. Тем самым уменьшается коэффициент несимметрии, производимый тяговой нагрузкой в наиболее загруженный период.
Трехфазная сеть питания насосов может связана с трехфазной продольной линией электроснабжения, исходящей от тяговых подстанций, а может быть непосредственно и не связана. Такое получение энергии для аккумулирования не нагружает тяговую сеть. Для первичной системы электроснабжения коэффициент несимметрии будет в обоих случаях меньше.
При любом виде токе в тяговой сети, постоянном или переменном, трехфазные насосы потребляют электроэнергию без искажения формы тока, в отличии подстанций, преобразующих либо трехфазный ток в однофазный либо трехфазный ток в постоянный ток. При генерации части пиковой мощности тяговой нагрузки на месте с помощью ГАТЭС, искажение симметрии и формы кривой потребляемого тока в первичной сети теперь создает только базовая часть потребляемого тока, а не весь пиковый ток.
В прототипе накопитель работает с кратковременными пиками нагрузки, ГАТЭС работает с пиками нагрузки, длящимися во времени часами.
Таким образом, разделение функций насосной и генерирующей электроэнергию по разным электрическим машинам, позволяет улучшить качество потребляемой энергии из первичной сети при тяговых подстанциях.
В отсутствии насосного режима синхронные машины для насосного режима могут компенсировать реактивную мощность в трехфазной линии электропередачи, к которой они подключены, что улучшает режим напряжения в этой трехфазной линии и уменьшает потери энергии в ней.
На фиг. 5 показан пример условного суточного графика потребления мощности тяговой нагрузки межстанционной зоны. Максимумы нагрузки в примере имеются в 2 - 6 часа ночи, это зона Пив 17-19 часов, зона 18, минимум нагрузки приходится на 10-16 часов, зона 19. Время минимума нагрузки, зону 19, используют для закачки воды в верхний бассейн, это насосный режим. В часы максимальной нагрузки, зоны 17 и 18 - генераторный режим ГАТЭС. Имеются, для наглядности примера, два порога включения режимов станции.
Это режим включения/отключения генераторов ГАТЭС, Рсраб макс, и порог включения/отключения насосного режима, Рсраб мин, лежащих выше и ниже среднесуточной нагрузки Рср сут.
На фиг. 6 показан суточный график изменения мощности, кривая 20, отбираемой нагрузкой от тяговых станций при включении ГАТЭС. Некоторое превышение мощности относительно среднесуточного уровня Рсраб макс имеется, за счет частичного питания тяговых нагрузок тяговой станцией. Суточный интервал колебаний потребляемой мощности с ГАТЭС значительно снижен, по сравнению с режимом без ГАТЭС, на фиг. 5.
На фиг. 7 приведен график включения генераторного режима, кривая 21 показывает генераторную нагрузку. На фиг. 8 приведен график включения насосного режима, кривая 22 показывает насосную нагрузку. Выравнивание режима потребления от тяговых станций в часы пик появляется за счет появления источника дополнительной энергии от генерации ГАТЭС, а в часы минимума за счет забора энергии на работу насосов. Это повышает среднесуточный кпд работы первичных тепловых электростанций.
Потребление насосной мощности, приближенное к кривой провала грузки в зоне 19, возможно ступенчатым включением насосов, предпочтительно с разной мощностью. Ступеней может быть больше двух, приведенных в пример.
В примере графика нагрузок на фиг. 5 провал тяговой нагрузки показан дневным, при совпадении провала тяговой нагрузки с общесетевым ночным провалом нагрузки эффективность ГАТЭС будет еще выше.
Возможно питание насосов и от самой однофазной контактной сети, при этом желательно, чтобы насосный период по времени был больше генераторного периода, для уменьшения потерь энергии в тяговой сети. Поэтому пороги по мощности для включения режимов насосного и генераторного относительно среднесуточной мощности необязательно одинаковы, показанный пример условный. Включение и выключение режимов ГАТЭС по величине мощности показано для примера регулирования, возможно использования и иных параметров и законов регулирования.
Для такого же усиления системы тягового электроснабжения, как дает использование ГАТЭС, нужно увеличить мощность первичного источника электроснабжения на мощность генерации ГАТЭС, с запасом, компенсирующим потери от пиковой мощности в сетях, тяговой подстанции и в тяговой сети. ГАТЭС позволяет, не увеличивая суммарную установленную мощность генерирующих первичных электростанций, усилить электроснабжение тяговой сети. Без ГАТЭС дополнительного улучшения симметрии и формы кривой потребляемого тока от первичных источников энергии не будет.
Для тяговой сети однофазного тока можно использовать в ГАТЭС однофазные генераторы, например, на 25 кВ, что упростит ее схему. Для тяговой сети постоянного тока в ГАТЭС можно использовать вентильные генераторы с повышенной частотой, например в 200-400 Гц, для снижения массогабаритных показателей генератора и увеличения частоты основной гармоники. Тем самым, уменьшить амплитуду гармонических составляющих в выпрямленном токе. Последнее упростит фильтры на выходе тяговой станции постоянного тока.
При наличии трехфазной ЛЭП вблизи ГАТЭС, и подключении насосов к ней, они могут быть выполнены в виде синхронных машин, тогда они могут играть роль компенсаторов и для первичной трехфазной системы. Это повысит общее время использования оборудования ГАТЭС и КПД его использования.
Для такого же усиления системы тягового электроснабжения с помощью емкостных или литиевых накопителей возникают проблемы соотношения напряжения единичных элементов накопителей и напряжения тяговой сети. Так, при использовании перспективного повышенного напряжения в тяговой сети постоянного тока, в 18-24 кВ, нужно последовательное соединение нескольких тысяч единиц накопления или использовать повышающие по напряжению преобразователи постоянного тока. Для тяговой сети переменного тока в 25 кВ также нужные специальные преобразователи постоянно-переменного тока.
В ГАТЭС выходные напряжения получают непосредственного от высоковольтных генераторов.
Величина накопления энергии в ГАТЭС связана с емкостью верхнего и нижнего водоемов, что позволяет быть накопителю не только вспомогательным источником энергии, как литий-емкостные гибридные накопители, но и служить резервным источником энергии в течение суток и более.
Это повышает «живучесть» системы тягового электроснабжения.
Литература
1. Марквардт К.Г. «Электроснабжение электрифицированных железных дорог» Москва, Транспорт, 1958, с. 11., рис. 1.37, с. 45;
2. Патент РФ H02J 3/28 №2611725 «Электрогенерирующая установка, снабженная средствами аккумулирования энергии, и способ управления такой установкой», 2009 г.
3. Патент РФ В60М 3/00 № H02J 1/00 №2365017 Алексеев Е.Н., Добровольские Т.П. «Тяговая подстанция постоянного тока с емкостными накопителями энергии» 2009 г.
4. Патент РФ ПМ В60М 3/00 № В60М 3/00 H02J 1/00 №155368 Незевак В.Л., Черемисин В.Т., Шатохин А.П. «Пост секционирования постоянного тока с емкостным накопителем энергии»;
5. Синюгин В.Ю., Магрук В.И., Родионов В.Г. «Гидроаккумулирующие электростанции в современной электроэнергетике» / В.Ю. Синюгин, В.И. Магрук, В.Г. Родионов. - М.: ЭНАС, 2008. - 352 с. с.11.