Тяговая подстанция постоянного тока со сверхпроводниковым индуктивным накопителем энергии

Изобретение относится к области железнодорожного транспорта, электрифицированного по системе постоянного тока, содержащей тяговые подстанции (ТП), преобразующие трехфазный переменный ток, получаемый из энергосистемы, в постоянный ток, поступающий через контактную сеть к электроподвижному составу как снабженному системой рекуперации, так и без нее. Тяговая подстанция постоянного тока со сверхпроводниковым индуктивным накопителем содержит 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. Изобретение позволит частично или полностью устранить неравномерность энергопотребления в системе, поддерживать на заданном уровне мощность ТП во время эксплуатации, уменьшить потери энергии во внутренней и внешней системе электроснабжения, снизить мощности агрегатов ТП, принимать энергию рекуперации. 3 ил.

 

Изобретение относится к электрифицированному транспорту и может использоваться на тяговых подстанциях (ТП) постоянного тока.

Известна тяговая подстанция постоянного тока [1], содержащая силовой трансформатор, выпрямитель, выпрямительно-инверторный преобразователь (или поглощающие устройства), сглаживающий фильтр с реактором. Данное устройство подстанции имеет следующие недостатки:

- при инвертировании избыточной энергии рекуперации в первичную сеть имеют место значительные потери энергии;

- при инвертировании создается повышенное мешающее влияние на линии связи и радиоаппаратуру, так как выпрямительно-инверторные преобразователи в этом режиме работают со сравнительно большими углами регулирования;

- качество инвертируемой энергии не соответствует ГОСТ;

- при применении поглощающих устройств, избыточная энергия гасится на балластных сопротивлениях, что является чистыми потерями электроэнергии.

Известна тяговая подстанция постоянного тока с батарейным накопителем [2]. Указанная система содержит силовой трансформатор, преобразователи, выпрямитель, накопитель (свинцовая аккумуляторная батарея), соединенный с узлами подачи электроэнергии в контактную сеть через регулятор постоянно-постоянного тока.

К недостаткам указанной тяговой подстанции следует отнести:

- конструкция накопителя содержит большое количество контактных соединений, что снижает надежность устройства в целом;

- значительные потери энергии при ее хранении из-за саморазряда аккумуляторной батареи;

- применение технически сложного регулятора постоянно-постоянного тока.

Наиболее близким по своей технической сущности к заявляемому изобретению является тяговая подстанция переменного тока со сверхпроводниковым индуктивным накопителем [3]. Эта тяговая подстанция содержит силовой трансформатор, фильтр, преобразователь переменного тока в постоянный, состоящий из четырехквадрантного регулятора, промежуточного контура постоянного напряжения с поглощающей цепью и импульсного регулятора постоянного тока, сверхпроводниковый индуктивный накопитель энергии (СПИН), соединенный со сборной шиной через преобразователь постоянного тока в постоянный с промежуточным звеном постоянного тока и силовой трансформатор.

Указанная тяговая подстанция не позволяет принимать избыточную энергию рекуперации, имеет сложную громоздкую структуру с многократным преобразованием энергии в силовой части, что снижает надежность работы схемы и вызывает значительные потери энергии в преобразователях.

Техническим результатом, достигаемым благодаря заявляемому устройству, является:

- сокращение потерь энергии во внутренней и внешней системе электроснабжения и расходов энергии, получаемой из энергосистемы на тягу;

- упрощение конструкции ТП постоянного тока за счет исключения инверторного блока;

- повышение надежности работы ТП со СПИН.

Сокращение потерь энергии достигается за счет того, что СПИН являеться аккумулятором энергии, который принимает энергию от системы внешнего электроснабжения в период спада тяговой нагрузки и передает ее в тяговую сеть при значительном ее увеличении. Этим выравнивается режим потребления энергии от внешней системы, что приводит к снижению потерь. Сокращение расходов энергии, получаемой из энергосистемы на тягу, осуществляется за счет приема энергии рекуперации СПИН с последующим возвратом ее на тягу.

Упрощение ТП постоянного тока обеспечивается исключением из ее состава инверторного блока, поскольку эти функции переданы в изобретении СПИН.

Повышение надежности работы ТП со СПИН обеспечивается за счет упрощения схемотехнического решения и сокращения числа управляющих элементов в цепи преобразования энергии.

Технический результат достигается тем, что в тяговую подстанцию постоянного тока со сверхпроводниковым индуктивным накопителем, подключенную к контактной сети и рельсам, содержащую силовой трансформатор, выпрямитель, сглаживающий фильтр с реактором, включенным между рельсами и минусовой шиной тяговой подстанции, сверхпроводниковый индуктивный накопитель, блок преобразования, регулирования и перераспределения энергии между сверхпроводниковым индуктивным накопителем, выпрямителем и контактной сетью, датчики тока и напряжения, согласно изобретению, дополнительно введены четыре криотрона, шесть полупроводниковых управляемых ключей и блок конденсаторов. Причем блок преобразования, регулирования и перераспределения включает в себя криотроны, собранные по мостовой схеме, в одну диагональ которой включен сверхпроводниковый индуктивный накопитель, а другая диагональ моста, состоящая из левой и правой части, шунтирована третьим и шестым полупроводниковыми ключами. Правая часть моста соединена с анодом третьего полупроводникового ключа, катодом шестого полупроводникового ключа, минусовым выводом блока конденсаторов и минусовой шиной тяговой подстанции. К левой части моста подсоединены катоды третьего и пятого полупроводниковых ключей и аноды второго и шестого полупроводниковых ключей. К анодам первого и пятого полупроводниковых ключей присоединены катоды второго и четвертого полупроводниковых ключей и плюсовой вывод блока конденсаторов, к катоду первого полупроводникового ключа и аноду четвертого полупроводникового ключа присоединена плюсовая шина тяговой подстанции. При этом управляющие выводы всех полупроводниковых ключей и криотронов соединены с соответствующими выводами блока управления, ко входам которого подключен выход датчика тока, включенного между минусовой шиной тяговой подстанции и рельсами в цепь реактора и выход датчика напряжения, включенного между плюсовой и минусовой шинами тяговой подстанции. Причем при длительном хранении энергии все криотроны замкнуты, а полупроводниковые ключи разомкнуты. При поступлении энергии в сверхпроводниковый индуктивный накопитель второй и третий криотроны размыкаются, замыкается четвертый полупроводниковый ключ на время заряда блока конденсаторов, после чего размыкается третий и четвертый и замыкается пятый полупроводниковый ключ на время разряда блока конденсаторов на сверхпроводниковый индуктивный накопитель. А при отборе энергии - размыкается первый и четвертый криотроны, замыкается второй полупроводниковый ключ на время заряда блока конденсаторов, после чего он размыкается, и замыкаются первый и шестой полупроводниковые ключи на время разряда блока конденсаторов на контактную сеть.

Изобретение поясняется графически на фиг.1 - 3. На фиг.1 изображена общая схема заявляемой ТП со СПИН, на которой показаны: силовой трансформатор Т, выпрямитель тяговой подстанции В, сверхпроводниковый индуктивный накопитель энергии СПИН, сглаживающий фильтр, состоящий из конденсатора С_ф и реактора L_p, блок конденсаторов С, криотроны К1÷К4, находящиеся в холодной зоне, полупроводниковые управляемые ключи ПК1÷ПК6, блок управления БУ, система датчиков тока ДТ и напряжения ДН, электроподвижной состав ЭПС, контактная сеть КС, рельс Р.

На фиг.2 показаны временные диаграммы, поясняющие работу ТП при поступлении энергии в СПИН от ЭПС или от выпрямителя. Первые пять временных диаграмм показывают состояние ключей. Замкнутое состояние ключей отмечено заштрихованной областью. Шестая, седьмая и восьмая временные диаграммы показывают изменение тока в СПИН (I_спин), на блоке конденсаторов (I_с) и на ЭПС (I_эпс). Девятая, десятая и одиннадцатая - изменение напряжения в СПИН (U_спин), на блоке конденсаторов (U_c) и на ЭПС (U_эпс).

На фиг.3 показаны временные диаграммы, поясняющие работу устройства при отдаче энергии от СПИН в контактную сеть. Последовательность изображения временных диаграмм такая же, как и на фиг.2.

При движении ЭПС из тяговой сети потребляется ток определенной величины, соответствующий выбранному режиму работы. При рекуперации ЭПС ток, поступающий в тяговую сеть, должен быть непрерывным и по величине отвечать требуемому тормозному эффекту. При этом необходимо обеспечивать непрерывное поступление энергии в тяговую сеть, или прием энергии рекуперации из нее. Непосредственное подключение СПИН к тяговой сети приводит к противоречию, заключающемуся в том, что невозможно плавно управлять потоком энергии СПИН, так как он является источником тока. В этом случае ток в тяговой сети будет значительно превышать требуемое значение, что приведет к аварийной ситуации.

В заявляемой тяговой подстанции указанное противоречие разрешается следующим образом: энергия от СПИН в тяговую сеть постоянного тока и обратно поступает порциями с промежуточным кратковременным ее запасом в блоке конденсаторов. При этом ток, поступающий в тяговую сеть, будет соответствовать текущему режиму работы ЭПС. Сам процесс перераспределения энергии между СПИН, блоком конденсаторов и тяговой сетью выполняется с помощью полупроводниковых ключей, находящихся вне охлаждаемой зоны и криотронов. Таким образом, наличие блока конденсаторов позволяет сделать процесс управляемым. Блок конденсаторов, получая порцию энергии на кратковременное хранение, порядка единиц миллисекунд, позволяет перевести СПИН в режим хранения энергии, когда он замкнут сам на себя, и в этот период отключать его от тяговой сети.

Устройство обеспечивает три режима работы. Первый режим - длительное хранение энергии. В этом режиме КС питается от трансформатора Т и выпрямителя В, а запасенная энергия в СПИН хранится за счет циркуляции в нем тока без потерь. Второй режим - накопление энергии в СПИН от ЭПС или от ТП. В этом режиме СПИН принимает энергию от рекуперирующего ЭПС или от ТП в период спада нагрузки. Третий режим - отдача энергии из СПИН в контактную сеть. Этот режим позволяет снизить передачу энергии от внешней энергосистемы на ТП в период пика энергопотребления на КС, за счет передачи энергии из СПИН в КС, т.е. за счет параллельной работы ТП и СПИН на КС.

Первый режим - длительное хранение энергии в СПИН и независимая работа ТП на контактную сеть.

Криотроны К1, К2, К3, К4 - замкнуты, полупроводниковые управляемые ключи ПК1, ПК2, ПК3, ПК4, ПК5, ПК6 - разомкнуты. При этом СПИН отделен от тяговой сети, замкнут сам на себя и находится в режиме длительного хранения энергии без потерь в сверхпроводящем контуре.

Второй режим - накопление энергии в СПИН от ЭПС в режиме рекуперации или от ТП.

Исходное состояние криотронов и полупроводниковых ключей - их положение, 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 замыкается ключ ПК4 и энергия по пути ЭПС - Ф - ПК4 - С (в случае рекуперации) или по цепи Т - В - Ф ПК4 - С (в случае поступления энергии в СПИН от ТП) поступает в блок конденсаторов С. После завершения цикла заряда С, размыкается ПК4. Затем замыкается ПК5, после этого размыкаются на все время работы второго режима криотроны К2 и К3, вследствие чего энергия, накопленная в блоке конденсаторов С, поступает в СПИН по пути С - ПК5 - К1 -СПИН - К4 - С. После разряда блока конденсаторов до значения, близкого к нулю, блок управления БУ выдает сигнал на замыкание ПК3, размыкание ПК5 и замыкание ПК4. Это обеспечит цикл повторного заряда блока конденсаторов по описанному ранее контуру. Далее по сигналу БУ размыкается ПК4, замыкается ПК5 и размыкается ПКЗ. Начиная с этого момента идет процесс разряда С на СПИН по описанному ранее пути. Далее циклы повторяются.

Третий режим - отдача энергии из СПИН в контактную сеть. Исходное состояние ключей - положение, соответствующее режиму длительного хранения энергии (первому режиму). При необходимости поддержания на заданном уровне энергопотребления ТП, по сигналу БУ замыкается ключ ПК2, размыкаются на все время поступления энергии в тяговую сеть криотроны К1 и К4. Блок конденсаторов С заряжается по контуру: СПИН - К3 - ПК2 -С - К2 - СПИН. Далее после заряда С выше напряжения контактной сети, замыкаются ПК6 и ПК1, размыкается ПК2. Энергия, накопленная в конденсаторной батарее С, поступает в контактную сеть по цепи С - ПК1 - фильтр - КС - ЭПС. После выравнивания напряжения на блоке конденсаторов Сив контактной сети, размыкается ПК1, и процесс заряда блока конденсаторов начинается снова по описанному ранее циклу. После завершения режима выравнивания нагрузки по сигналу датчиков Д устройство переходит в первый режим путем замыкания всех криотронов К1, К2, К3, К4 и размыкания всех остальных ключей.

Для устранения неравномерности энергопотребления ТП и дозированного отбора энергии из СПИН этим потоком энергии можно управлять, изменяя соотношения времени открытого и закрытого состояния полупроводниковых ключей. Работоспособность данного устройства обеспечивается тем, что необходимые элементы для данного устройства существуют и выпускаются промышленностью. Эффективную совместную работу ТП, ЭПС и СПИН во всем диапазоне нагрузок обеспечивают частотные свойства, класс по напряжению и токовые нагрузки современных полупроводниковых приборов, например IGCT 5SHY 35L4502 (производитель ABB Semiconductors AG).

Литература

1. Ю.М.Бей, P.P.Мамошин и др. Тяговые подстанции./Учебник для вузов ж.-д. транспорта. М.: Транспорт, 1986 - 319 с.

2. Применение батарейного накопителя на горной железной дороге. Железные дороги мира. - 1998, №3, с.37-40.

3. Выравнивание нагрузки тяговых подстанций с помощью аккумуляторов энергии. Железные дороги мира. - 1997, №1, с.43-50.

Тяговая подстанция постоянного тока со сверхпроводниковым индуктивным накопителем, подключенная к контактной сети и рельсам, содержащая силовой трансформатор, выпрямитель, сглаживающий фильтр с реактором, включенным между рельсами и минусовой шиной тяговой подстанции, сверхпроводниковый индуктивный накопитель, блок преобразования, регулирования и перераспределения энергии между сверхпроводниковым индуктивным накопителем, выпрямителем и контактной сетью, датчики тока и напряжения, отличающаяся тем, что в нее дополнительно введены четыре криотрона, шесть полупроводниковых управляемых ключей и блок конденсаторов, причем блок преобразования, регулирования и перераспределения энергии включает в себя криотроны, собранные по мостовой схеме, в одну диагональ которой включен сверхпроводниковый индуктивный накопитель, а другая диагональ моста, состоящая из левой и правой частей шунтирована третьим и шестым полупроводниковыми ключами, правая часть моста соединена с анодом третьего полупроводникового ключа, катодом шестого полупроводникового ключа, минусовым выводом блока конденсаторов и минусовой шиной тяговой подстанции, к левой части моста подсоединены катоды третьего и пятого полупроводниковых ключей и аноды второго и шестого полупроводниковых ключей, к анодам первого и пятого полупроводниковых ключей присоединены катоды второго и четвертого полупроводниковых ключей и плюсовой вывод блока конденсаторов, к катоду первого полупроводникового ключа и аноду четвертого полупроводникового ключа присоединена плюсовая шина тяговой подстанции, при этом управляющие выводы всех полупроводниковых ключей и криотронов соединены с соответствующими выводами блока управления, ко входам которого подключены выход датчика тока, включенного между минусовой шиной тяговой подстанции и рельсами в цепь реактора, и выход датчика напряжения, включенного между плюсовой и минусовой шинами тяговой подстанции, причем при длительном хранении энергии все криотроны замкнуты, а полупроводниковые ключи разомкнуты, при поступлении энергии в сверхпроводниковый индуктивный накопитель второй и третий криотроны размыкаются, замыкается четвертый полупроводниковый ключ на время заряда блока конденсаторов, после чего размыкается третий и четвертый и замыкается пятый полупроводниковые ключи на время разряда блока конденсаторов на сверхпроводниковый индуктивный накопитель, а при отборе энергии размыкается первый и четвертый криотроны, замыкается второй полупроводниковый ключ на время заряда блока конденсаторов, после чего он размыкается и замыкаются первый и шестой полупроводниковые ключи на время разряда блока конденсаторов на контактную сеть.