ПОСТ СЕКЦИОНИРОВАНИЯ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА С ГИБРИДНЫМ НАКОПИТЕЛЕМ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

Полезная модель относится к электрифицированному железнодорожному транспорту, а именно к системе тягового электроснабжения, содержащей пост секционирования переменного тока с датчиками высших гармоник тока промышленной частоты и гибридный накопитель электроэнергии.
Целью полезной модели является повышение энергетической эффективности работы системы тягового электроснабжения переменного тока, содержащей пост секционирования переменного тока.
Предлагаемое устройство позволяет стабилизировать уровень напряжения на шинах поста секционирования, повысить энергетическую эффективность работы системы тягового электроснабжения и эффективность использования энергии рекуперативного торможения электроподвижного состава.
Известны посты секционирования контактной сети, в том числе активные, с различным составом оборудования. Недостатком данных устройств является отсутствие возможности использования хранения электроэнергии, обусловленной режимами работы системы тягового электроснабжения и электроподвижного состава.
Известно устройство регулирования напряжения на посту секционирования переменного тока с конденсаторными установками [1]. Недостатком устройства является невозможность приема и хранения электроэнергии рекуперации поезда.
Известно устройство заряда-разряда емкостного накопителя энергии [2], в котором используется емкостной накопитель, два сглаживающих устройства, двунаправленных преобразователя и система управления. Недостатком такого устройства является отсутствие возможности хранения энергии в накопительных элементах различного вида, а также отсутствие возможности регулирования внешней характеристики устройства на основе анализа гармонического состава тока в тяговой сети переменного тока.
Известно устройство пост секционирования контактной сети [3], в котором используются высоковольтные выключатели, разъединители, заземляющие ножи, датчики тока, секционный разъединитель, вспомогательная высоковольтная аппаратура и ящик системы управления. Недостатком такого устройства является отсутствие системы накопления электроэнергии, а также отсутствие возможности регулирования напряжения в тяговой сети.
Известно устройство пост секционирования электрифицированных железных дорог постоянного тока [4], в котором используется быстродействующий выключатель постоянного тока и разъединители по числу присоединений фидеров контактной сети. Указанное устройство предназначено для работы в тяговых сетях постоянного тока. Недостатком такого устройства является отсутствие системы накопления электроэнергии, а также возможности регулирования напряжения в тяговой сети.
Известно устройство измерения напряжения регулируемой установки компенсации реактивной мощности на посту секционирования [5], в котором используется высоковольтные выключатели, датчики тока и напряжения, промежуточные реле и измеритель напряжения. Недостатком такого устройства является отсутствие системы накопления электроэнергии, а также отсутствие возможности регулирования напряжения в тяговой сети за счет анализа гармонического состава тока протекающего через пост секционирования.
Известно устройство пост секционирования постоянного тока с емкостным накопителем электроэнергии [6], в котором используется емкостной накопитель энергии, преобразователь постоянно/постоянного напряжения, датчики тока и напряжения, высоковольтные выключатели, разъединители, система управления. Указанное устройство предназначено для работы в тяговых сетях постоянного тока. Недостатком такого устройства является отсутствие возможности совместного применения накопительных элементов различных типов, а также отсутствие возможности регулирования напряжения в тяговой сети на основе анализа гармонического состава тока, протекающего через пост секционирования.
Известно устройство гибридная система накопления энергии [7], в котором используются электрохимические и емкостные накопители, два преобразователя и согласующих трансформатора, фильтрующие элементы. Недостатком такого устройства является наличие двух преобразователей, а также отсутствие возможности регулирования напряжения в тяговой сети за счет анализа гармонического состава тока, протекающего через шины поста секционирования.
Наиболее близким техническим решением (прототипом) является устройство поста секционирования постоянного тока с гибридным накопителем энергии [8], содержащее емкостной и электрохимический накопитель энергии, два статических преобразователя, датчики тока и напряжения, сглаживающие устройство и систему управления.
В прототипе технический результат регулирования режима разряда обеспечивается за счет использования датчиков тока и напряжения, сигнализирующих о приближающиеся нагрузки.
Недостатками данной схемы являются:
1) отсутствие возможности управления режимами и мощностью в режиме разряда по анализу коэффициента высших гармонических составляющих;
2) отсутствие контроля над уровнями напряжения в тяговой сети переменного тока и высших гармонических составляющих для управления режимами работы;
3) отсутствие возможности регулирования мощности системы накопления в режиме заряда и разряда.
Режимы работы тяговой сети переменного тока характеризуются широким диапазоном рабочего напряжения. Колебания уровня напряжения в тяговой сети достигают 4-5 кВ, даже при условии автоматического регулирования напряжения на тяговых подстанциях. Учет уровня напряжения необходим для исключения случаев разряда системы накопления в тяговую сеть при отсутствии тяговой нагрузки. На участках переменного тока с обращением электровозов с выпрямительными установками возможно регулирование напряжение по наличию высших гармонических составляющих, генератором которых и служит преобразователь электроподвижного состава.
Коэффициент i-й гармонической составляющей определяется по формуле, %:
1
где А - величина тока промышленной частоты в тяговой сети, А;
i
A - величина тока i-й гармоники, А.
Путем выделения из тяговой сети тока основной промышленной частоты и тока гармоники высокого порядка (например, третьей), и расчета коэффициента гармонической составляющей высокого порядка можно осуществлять регулирование напряжения в режимах заряда/разряда, путем сравнения расчетного коэффициента с заданным.
Предлагаемое устройство может быть использовано на постах секционирования контактной сети, других линейных устройствах, тяговых подстанциях переменного тока системы тягового электроснабжения железной дороги напряжением 27,5 кВ.
Преобразователь гибридного накопителя электроэнергии с датчиками высших гармонических составляющих для поста секционирования переменного тока обеспечивает согласование его работы с тяговой сетью переменного тока, регулирование внешней характеристики в режиме заряда и разряда, согласование совместной работы накопителей электроэнергии различных видов, обеспечение гальванической развязки с тяговой сетью и снижения потерь электроэнергии.
Технический результат обеспечивается за счет управления режимами работы и мощностью гибридного накопителя с использованием датчиков высших гармонических составляющих, подключенных к фидерам контактной сети поста секционирования переменного тока.
На фиг. 1 представлена схема поста секционирования переменного тока с гибридным накопителем электроэнергии.
Заявленное устройство состоит из датчиков напряжения 1, 3 и 5 (фиг. 1), датчиков тока 2, 4 и 6, датчиков высших гармонических составляющих 7-10, блока сигнализации и защит (БСиЗ) 11, системы автоматического регулирования (САР) 12, первого вида накопителя (электрохимического типа) 13, второго вида накопителя (суперконденсатора или другого типа) 14, низковольтных фильтрующих устройств 15 и 16, преобразователя постоянно-переменного напряжения 17, высоковольтного фильтрующего устройства 18, блока коммутации 19, подключаемого к посту секционирования "Ф" шиной 25 и "0" шиной к рельсу. На посте секционирования установлены трансформаторы тока 20 - 23 и трансформатор напряжения 24.
Датчики напряжения 1, 3 и 5 подключены к накопителям электроэнергии первого и второго вида со стороны низшего напряжения и на выходе преобразователя со стороны высшего напряжения через трансформатор напряжения соответственно, выходы датчиков 1, 3 и 5 подключены ко входу САР 12. Датчики тока 2, 4 и 6 подключены к цепям накопителей электроэнергии первого и второго вида со стороны низшего напряжения и на выходе преобразователя со стороны высшего напряжения соответственно, выходы датчиков 1, 3 и 5 подключены ко входу САР 12. Датчики тока высших гармонических составляющих 7, 8, 9 и 10 подключены к присоединениям поста секционирования контактной сети переменного тока. Пара вход-выход БСиЗ 11 подключена к входу-выходу САР 12. Выходы блока САР 12 подключены ко входам управляемого преобразователя постоянного/переменного напряжения 17 и блоку коммутации 19. Накопители различного типа 13 и 14 подключены через фильтры 15 и 16 к преобразователю напряжения 17. К выводам преобразователя на стороне высокого напряжения подключено фильтрующее устройство 18, второй вход-выход которого подключен через блоку коммутации 19 к тяговой сети через шины поста секционирования 25.
Реализация работы предлагаемого устройства осуществляется с помощью блока САР 12, управляющего режимами работы поста секционирования и позволяющего реализовывать различные характеристики в режиме заряда и разряда в зависимости от тяговой нагрузки по данным измерений коэффициента содержания высших гармонических составляющих, напряжения на шинах поста секционирования, степени заряженности накопителей и глубины их разряда.
В режиме заряда электроэнергия, поступающая из тяговой сети, через шины поста секционирования 25 и блок коммутации 19, поступает на фильтрующее устройство 18 и преобразователь напряжения 17. Система автоматического регулирования 12 подает сигналы управления открытия полупроводниковых ключей в зависимости от напряжения датчика 5 и датчиков высших гармоник 7 -10 на основе реализованного алгоритма управления (фиг. 2). Затем САР 12 на основе данных измерений уровня напряжения (датчик 5) и тока системы (датчик 6), датчиков напряжения 1 и 3, датчиков тока 2 и 4, определяет степень заряженности и глубину разряда накопителей, необходимость заряда накопителя первого 13 и второго 14 вида, подавая управляющие импульсы на двунаправленный преобразователь 17. Выпрямленное напряжение через низковольтные фильтры 15 и 16 поступает на накопительные элементы для заряда.
В режиме разряда электроэнергия, поступающая от накопителей 13 и 14, в зависимости от режима разряда, выбранного САР 12, на основе анализа степени заряженности и глубины разряда на основе измерений датчиков напряжения 1, 3 и датчиков тока 2, 4 и уровня нагрузки, датчиков напряжения 5 и высших гармонических составляющих 7 - 10 поступает через низковольтные фильтрующие устройства 15 и 16 на двунаправленный преобразователь постоянно/переменного напряжения 17. Ключевой режим работы полупроводниковых приборов низковольтных преобразователей 17 формирует последовательность импульсов, скважность которых изменяется по закону, определяемому моделирующим сигналом САР 12, что позволяет сформировать переменное напряжение на вторичной обмотке повышающего трансформатора, которое повышается до заданного уровня. Преобразованное напряжение поступает через высоковольтное фильтрующее устройство 18 и блок коммутации 19 к посту секционирования 25 и, далее, к электротяговой нагрузке.
Управление мощностью и характеристикой в режиме заряда и разряда на основе анализа данных измерений САР, напряжений токов постоянного напряжения, токов основной частоты и высших гармонических составляющих переменного напряжения, реализуется путем выбора режима работы низковольтной части двунаправленного преобразователя постоянно/переменного напряжения 17 с накопителями первого и второго типа.
Фильтрующие устройства 15, 16 позволяют снизить переменную составляющую в токах заряда и разряда, протекающих в цепях преобразователя.
На фиг. 2 приведен алгоритм работы устройства, иллюстрирующий управление режимами работы. Использованы следующие обозначения:
ПСКС
U - напряжение на посту секционирования контактной сети (ПС);
max
U - уставка максимально допустимого напряжение на ПС;
min
U - уставка минимально допустимое напряжение ПС;
СНЭ
U - напряжение системы накопления электроэнергии (СНЭ);
РА3
U- напряжение разряда СНЭ;
РА3
I- ток разряда СНЭ;
ЗАР
U - напряжение заряда СНЭ;
ЗАР
I - ток разряда СНЭ;
ПСКС
I - ток протекающий через ПСКС;
У.РА3
I- уставки тока при котором наступает разряд СНЭ;
г(Ii1)
k - коэффициент гармоники высокого порядка от тока промышленной частоты;
г.у
k - уставка коэффициента величины гармоник высокого порядка от тока промышленной частоты, при котором наступает разряд СНЭ.
max
ПСКС
г.у
ЗАР
ПСКС
ПСКС
г(Ii1)
Режим заряда гибридного накопителя энергии осуществляется при превышении напряжения на шинах ПС заданного уровня напряжения (фиг. 2). Управление в режиме заряда основано на анализе напряжения, тока и коэффициента гармоник, путем введения уставки максимального напряжения U, I и уставки коэффициента высших гармонических составляющих k. Такой подход позволяет регулировать внешнюю характеристику заряда устройства накопления электроэнергии в зависимости от уровня тяговой нагрузки. Ток заряда I регулируется за счет изменения угла открытия полупроводниковых ключей в преобразователе 17 и является функцией, зависящей от напряжения на посту секционирования контактной сети U, тока I протекающего через пост секционирования и коэффициента высшей гармонической составляющей k, имеющей общий вид:
ЗАР
ПСКС
ПСКС
г(Ii1)
I=f(U, I, k).
min
г(Ii1)
РАЗ
ПСКС
ПСКС
г(Ii1)
Режим разряда осуществляется в случае понижения порогового значения напряжения U на шинах поста и превышения коэффициентов высших гармонических составляющих k. Такой подход позволяет исключить включение устройства накопления энергии в режим разряда при вынужденных режимах работы тяговой сети, обусловленных снижением напряжения в системе внешнего электроснабжения. Регулирование внешней характеристики разряда системы накопления энергии основано на анализе гармоник, уровня напряжения и тока поста секционирования. Ток разряда I регулируются за счет изменения угла открытия полупроводниковых ключей в преобразователе 17, является функцией зависящей от напряжения на посту секционирования контактной сети U, тока I, протекающего через пост секционирования и коэффициента высшей гармонической составляющей k, имеющей общий вид:
РАЗ
ПСКС
ПСКС
г(Ii1)
I=f(U, I, k).
Достоинством предлагаемого поста секционирования является возможность регулирования режимов работы и характеристик заряда и разряда гибридного накопителя с учетом показателей режима работы системы тягового электроснабжения и данных измерений высших гармонических составляющих тока в тяговой сети, повышения энергетической эффективности.
Библиографический список
1. 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.
2. Пат. RU (11) 158492 (13) U1 МПК Н01M 10/44 Устройство заряда-разряда емкостного накопителя энергии / Ю.В. Москалев №2015118763/07; Заявлено 19.05.2015; Опубл. 10.01.2016. Бюл. №1.
3. Пат. RU (11) 7380 (13) U1 МПК В60М 1/12 Пост секционирования контактной сети / С.Х. Даричев, В.Н. Пупынин, В.Л. Солдатов, А.А. Цернант №97121665/20; Заявлено 29.12.1997; Опубл. 16.08.1998. Бюл. №1.
4. Пат. RU (11) 94038570 (13) А1 МПК В60М 3/00 Пост секционирования электрифицированных железных дорог постоянного тока / А.Я. Зельвянский №94038570/11; Заявлено 13.10.1994; Опубл. 10.08.1996. Бюл. №1.
5. Пат. RU (11) 193828 (13) U1 МПК В60М 7/00 Устройство измерения напряжения регулируемой установки компенсации реактивной мощности на посту секционирования / В.Л. Незевак, В.Т. Черемисин, А.В. Никонов №2019118945; Заявлено 17.06.2019; Опубл. 18.11.2019. Бюл. №32.
6. Пат. RU (11) 147814 (13) U1 МПК В60М 3/00 Пост секционирования постоянного тока с емкостным накопителем энергии / В.Л. Незевак, В.Т. Черемисин, А.П. Шатохин №:2014112916/11; Заявлено 02.04.2014; Опубл. 20.11.2014. Бюл. №32.
7. Пат. RU (11) 121646 (13) U1 МПК H01G 9/00 Гибридная система накопления энергии / А.Е. Шейндлин, В.Е. Фортов, Э.Е. Сон, А.З. Жук, К.К. Деньщиков, Н.Л. Новиков №2012123852/07; Заявлено 09.06.2012; Опубл. 27.10.2012. Бюл. №30.
8. Пат. RU (11) 628580 (21) U1 МПК Н01М 10/44 Способ регулирования мощности поперечной компенсации в тяговой сети с выпрямительными установками / Л.А. Герман №2475480/24-07; Заявлено 13.04.1977; Опубл. 15.10.1978. Бюл. №38.