СТАБИЛИЗАТОР НАПРЯЖЕНИЯ ДЛЯ СИСТЕМЫ ПИТАНИЯ Российский патент 2014 года по МПК H02J3/26 H01M10/44 

Область техники

Настоящее изобретение относится к стабилизаторам напряжения для систем питания для использования в электрифицированном железнодорожном хозяйстве.

Предшествующий уровень техники

Схема питания переменного тока пригодна для подачи электроэнергии на большое расстояние и обеспечения большой мощности и поэтому используется для электроснабжения сверхскоростных пассажирских экспрессов и других транспортных средств. Электрифицированная железная дорога представляет собой однофазную нагрузку. Таким образом, обычно в тяговой подстанции переменного тока трехфазный-двухфазный трансформатор преобразует трехфазную мощность, принимаемую от электроэнергетических компаний и др., в одну пару однофазных мощностей с разностью по фазе 90 градусов (например, см. непатентный документ 1: «Справочник для электрифицированных железных дорог», изданный комиссией по справочникам для электрифицированных железных дорог, CORONA PUBLISHING CO., LTD., 28 февраля 2007 г., стр.585). В качестве трехфазного-двухфазного трансформатора используется трансформатор Скотта (принимающий напряжение 66 кВ ~ 154 кВ) или модифицированный трансформатор Вудбриджа (принимающий напряжение 187 кВ ~ 275 кВ), чтобы устранить дисбаланс трехфазного источника питания.

Кроме того, для устранения флуктуации напряжения, тяговая подстанция переменного тока оборудована статическим компенсатором реактивной мощности (SVC). SVC не только обеспечивает компенсацию реактивной мощности, но также регулирует активную мощность посредством использования инверторов.

Фиг.11А изображает собой схему соединений, показывающую SVC, установленный на стороне питания трансформатора Скотта в обычной тяговой подстанции переменного тока. Данный SVC обычно называется железнодорожным статическим стабилизатором напряжения (RPC). R-фаза, S-фаза и Т-фаза представляют собой входы на трехфазной стороне в трансформаторе Скотта, соответственно. Главная фаза и вспомогательная фаза изображают две однофазные мощности, образованные посредством трансформатора Скотта, соответственно. Стабилизатор напряжения (RPC) 2а включает в себя инверторы 6m и 6t, соединенные с линиями 4m и 4t питания в главной фазе и вспомогательной фазе, соответственно, и конденсатор 20 постоянного тока расположен между и соединен с двумя инверторами 6m и 6t. Электропоезда 8m и 8t движутся посредством использования электрических энергий, подаваемых на линии питания 4m и 4t в главной фазе и вспомогательной фазе, соответственно, в качестве источников мощности.

В трансформаторе Скотта, если нагрузка в главной фазе и нагрузка в вспомогательной фазе уравновешены, то нагрузка на трехфазной стороне также уравновешена. Кроме того, флуктуация напряжения меньше, когда реактивная мощность низкая. Следовательно, стабилизатор 2а напряжения (RPC) выполнен таким образом, что инверторы 6m и 6t, подсоединенные к главной фазе и вспомогательной фазе, соответственно, обеспечивают компенсацию реактивной мощности, и данные два инвертора совместно распределяют 1/2 разности между активными мощностями в двух однофазных мощностях, чтобы уравнять активную мощность в главной фазе и активную мощность в вспомогательной фазе, тем самым, уравновешивая нагрузку на трехфазной стороне.

Фиг.11В представляет собой схему соединений, показывающую SVC, установленный на трехфазной стороне в трансформаторе Скотта. Фиг.11С представляет собой схему соединений, показывающую SVC, в котором инверторы установлены в главной фазе и вспомогательное фазе в неравностороннем трансформаторе Скотта, где главная фаза и вспомогательная фаза в трансформаторе Скотта непосредственно соединены друг с другом, и осуществляется однофазное питание посредством отклоненной фазы, причем данные два инвертора соединены друг с другом схемой постоянного тока. SVC, показанный на фиг.11В, называется «трехфазным SVC». SVC, показанный на фиг.11С, также называется однофазным стабилизатором напряжения питания. Трехфазный SVC 202а включает в себя инвертор 6 и конденсатор 20 постоянного тока, соединенный с инвертором 6, а SFC 402а включает в себя инверторы 6m и 6t, и конденсатор 20 постоянного тока, соединенный с инверторами 6m и 6t. Инверторы 6, 6m и 6t обеспечивают компенсацию реактивной мощности и регулируют активную мощность.

При питании переменным током, в однофазной схеме, проходящей от тяговой подстанции переменного тока до разделительного поста, существует явление (проблема). А именно, при движении электропоезда возникает падение напряжение, обусловленное активным или реактивным сопротивлением импеданса железной дороги в линии питания, и вследствие этого не обеспечивается требуемое напряжение линии питания на зажимном конце линии питания. Для устранения данного явления (проблемы), патентный документ 1 (публикация выложенной заявки на патент Японии №2000-6693) раскрывает регулятор напряжения линии питания на зажимном конце линии питания для обеспечения компенсации флуктуации напряжения на зажимном конце линии питания посредством использования интерактивного преобразователя (инвертора), подключенного через интерактивный трансформатор на зажимном конце линии питания. Регулятор напряжения линии питания выполнен таким образом, что батарея для обеспечения компенсации продолжительной флуктуации в активной мощности и конденсатор постоянного тока для обеспечения компенсации в кратковременной флуктуации в активной мощности соединены параллельно на стороне постоянного тока интерактивного преобразователя (инвертора).

Краткое изложение существа изобретения

В оборудовании регулятора напряжения линии питания, раскрытом в патентном документе 1, конденсатор постоянного тока подсоединен для предотвращения падения напряжения, связанного с реактивной мощностью на зажимном конце линии питания и для обеспечения компенсации реактивной мощности, и батарея подсоединена для обеспечения компенсации продолжительной флуктуации в активной мощности. Однако регулятор напряжения линии питания имеет недостатки, заключающиеся в том, что конденсатор постоянного тока требует большого пространства для установки, надежность не всегда является высокой, стоимость является высокой и др.

Задачей настоящего изобретения является создание стабилизатора напряжения с простой конфигурацией оборудования, которая позволяет распределять активную мощность между схемами питания и регулирует реактивную мощность, чтобы предотвратить падение напряжения линии питания. То есть задачей настоящего изобретения является создание стабилизатора напряжения без необходимости использования конденсатора, который является недорогим, компактным и малогабаритным и высоконадежным.

Авторы настоящего изобретения провели исследования и обнаружили, что необходимой емкостью обладает никель-металлогидридная батарея. Другими словами, авторы изобретения обнаружили, что никель-металлогидридная батарея используется не только как вторичная батарея, но способна также функционировать надлежащим образом как конденсатор. Исходя из этого, авторы изобретения придумали конфигурацию, в которой в стабилизаторе напряжения настоящего изобретения никель-металлогидридная батарея установлена между и соединена с кабелем высокого напряжения и кабелем низкого напряжения преобразователя переменного тока в постоянный (AC-DC) и постоянного тока в переменный (DC-AC) для осуществления преобразования между мощностью переменного тока и мощностью постоянного тока, чтобы накапливать (аккумулировать) в никель-металлогидридной батарее избыточную рекуперированную мощность в линии питания и регулировать реактивную мощность для предотвращения падения напряжения линии питания. Короче говоря, настоящее изобретение представляет собой изобретение с использованием никель-металлогидридной батареи.

Стабилизатор напряжения настоящего изобретения содержит: AC-DC и DC-AC преобразователь для осуществления преобразования между мощностью переменного тока и мощностью постоянного тока; и никель-металлогидридную батарею, расположенную между и соединенную с кабелем высокого напряжения на стороне постоянного тока первого AC-DC и DC-AC преобразователя и кабелем низкого напряжения на стороне постоянного тока первого AC-DC и DC-AC преобразователя. То есть никель-металлогидридная батарея расположена между и соединена с кабелем высокого напряжения и кабелем низкого напряжения AC-DC и DC-AC преобразователя, вместо конденсатора.

Стабилизатор напряжения настоящего изобретения может дополнительно содержать первый трансформатор, который принимает мощность переменного тока из линии электропитания переменного тока и подает мощность переменного тока в линию питания; и при этом сторона переменного тока первого AC-DC и DC-AC преобразователя соединена со стороной приема мощности или стороной подачи мощности первого трансформатора.

В стабилизаторе напряжения настоящего изобретения, первым трансформатором может быть трансформатор, который преобразует принимаемое трехфазное напряжение переменного тока в два двухфазных напряжения переменного тока с разностью по фазе 90 градусов и подает два двухфазных напряжения переменного тока.

Стабилизатор напряжения настоящего изобретения может дополнительно содержать второй AC-DC и DC-AC преобразователь для осуществления преобразования между мощностью переменного тока и мощностью постоянного тока; причем первым трансформатором является трансформатор, который преобразует принимаемое трехфазное напряжение переменного тока в двухфазные напряжения переменного тока и подает двухфазные напряжения переменного тока; первый AC-DC и DC-AC преобразователь соединен с линией питания, которая принимает одно из двухфазных напряжений, подаваемых из первого трансформатора; второй AC-DC и DC-AC преобразователь соединен с линией питания, который принимает другое из двухфазных напряжений, подаваемых из первого трансформатора; и никель-металлогидридная батарея расположена между и соединена с общим кабелем высокого напряжения между стороной постоянного тока первого AC-DC и DC-AC преобразователя и стороной постоянного тока второго AC-DC и DC-AC преобразователя и кабелем низкого напряжения между стороной постоянного тока первого AC-DC и DC-AC преобразователя и стороной постоянного тока второго AC-DC и DC-AC преобразователя.

Стабилизатор напряжения настоящего изобретения может дополнительно содержать второй трансформатор, который принимает мощность переменного тока из линии электропитания переменного тока и подает мощность переменного тока в линию питания; и второй AC-DC и DC-AC преобразователь для осуществления преобразования между мощностью переменного тока и мощностью постоянного тока; причем каждый из первого трансформатора и второго трансформатора представляет собой трансформатор, который принимает однофазное напряжение переменного тока; первый AC-DC и DC-AC преобразователь соединен с линией питания, который принимает напряжение переменного тока, выдаваемое из первого трансформатора; второй AC-DC и DC-AC преобразователь соединен с линией питания, который принимает напряжение переменного тока, подаваемое из второго трансформатора; и никель-металлогидридная батарея расположена между и соединена с кабелем высокого напряжения между стороной постоянного тока первого AC-DC и DC-AC преобразователя и стороной постоянного тока второго AC-DC и DC-AC преобразователя и кабелем низкого напряжения между стороной постоянного тока первого AC-DC и DC-AC преобразователя и стороной постоянного тока второго AC-DC и DC-AC преобразователя.

Никель-металлогидридная батарея, предпочтительно, имеет многослойную структуру. Никель-металлогидридная батарея, предпочтительно, включает в себя проводящий материал, содержащий углерод. Авторы настоящего изобретения обнаружили, что емкость никель-металлогидридной батареи может быть увеличена, в частности, посредством образования никель-металлогидридной батареи в многослойной структуре или посредством использования проводящего материала, содержащего углерод.

Никель-металлогидридная батарея может состоять из одного или более батарейных модулей; причем каждый из батарейных модулей включает в себя множество единичных батарей, каждая из которых включает в себя пластинчатый токосъемник положительного электрода и пластинчатый токосъемник отрицательного электрода, которые расположены друг против друга; разделитель, расположенный между токосъемником положительного электрода и токосъемником отрицательного электрода; и элемент положительного электрода, находящийся в контакте с токосъемником положительного электрода; и элемент отрицательного электрода, находящийся в контакте с токосъемником отрицательного электрода; при этом множество единичных батарей пакетированы вместе таким образом, что токосъемник положительного электрода одной из смежных единичных батарей и токосъемник отрицательного электрода другой из смежных единичных батарей являются противоположными друг другу; и батарейный модуль содержит между смежными единичными батареями проход, через который протекает газообразная или жидкая теплопередающая среда.

Между трансформатором и AC-DC и DC-AC преобразователем может быть расположен переключатель.

Стабилизатор напряжения настоящего изобретения может дополнительно содержать второй AC-DC и DC-AC преобразователь для осуществления преобразования между мощностью переменного тока и мощностью постоянного тока; причем сторона переменного тока первого AC-DC и DC-AC преобразователя соединена с концевым участком первого участка подачи; сторона переменного тока второго AC-DC и DC-AC преобразователя соединена с концевым участком второго участка подачи, которая электрически изолирована от первого участка подачи; и никель-металлогидридная батарея расположена между и соединена с общим кабелем высокого напряжения между стороной постоянного тока первого AC-DC и DC-AC преобразователя и стороной постоянного тока второго AC-DC и DC-AC преобразователя и кабелем низкого напряжения между стороной постоянного тока первого AC-DC и DC-AC преобразователя и стороной постоянного тока второго AC-DC и DC-AC преобразователя.

Упомянутые и другие объекты, признаки и преимущества настоящего изобретения станут более очевидными из приведенного ниже подробного описания предпочтительных вариантов осуществления со ссылкой на прилагаемые чертежи.

Посредством использования настоящего изобретения, стабилизатор напряжения настоящего изобретения способен распределять активную мощность между схемами питания и регулировать реактивную мощность для предотвращения флуктуации напряжения на линии питания. Дополнительно, стабилизатор напряжения настоящего изобретения не требует конденсатора для поддержания напряжения на линии питания.

Стабилизатор напряжения настоящего изобретения позволяет накапливать рекуперативную электрическую мощность, неизрасходованную в некотором участке питания, в никель-металлогидридной батарее. Стабилизатор напряжения настоящего изобретения позволяет подавать электрическую мощность в линию питания посредством разрядки никель-металлогидридной батареи, таким образом предотвращая падение напряжения на линии питания. Это позволяет уменьшить влияние на сторону приема мощности, которое обусловлено быстрой флуктуацией в нагрузке электропоезда. Кроме того, посредством использования стабилизатора напряжения настоящего изобретения, электропоезд, останавливающийся в середине некоторого участка питания, может быть перемещен к ближайшей станции посредством приводной мощности, выдаваемой из никель-металлогидридной батареи, даже в том случае, если подача питания из системы электропитания прекращено.

Краткое описание чертежей

В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения со ссылками на сопроводительные чертежи, на которых:

Фиг.1А изображает схему соединений стабилизатора напряжения в соответствии с 1-м вариантом осуществления настоящего изобретения;

Фиг.1В изображает более подробную схему соединений стабилизатора напряжения в соответствии с 1-м вариантом осуществления настоящего изобретения;

Фиг.2 изображает вид в разрезе структуры примерной конфигурации единичной батареи, образующей никель-металлогидридную батарею;

Фиг.3 изображает общий вид структуры рамы, первой крышки и второй крышки единичной батареи, показанной на фиг.2;

Фиг.4А изображает вид в поперечном разрезе примерной конфигурации батарейного модуля, образованного посредством единичных батарей;

Фиг.4В изображает частичный общий вид батарейного модуля в примерной конфигурации, в котором показано направление перемещения воздуха в теплопередающей пластине;

Фиг.5 изображает общий вид теплопередающей пластины для использования в батарейном модуле в примерной конфигурации;

Фиг.6А изображает схему соединений стабилизатора напряжения в соответствии с 1-м вариантом осуществления настоящего изобретения, который установлен на стороне питания в схеме питания переменного тока, соединенной с двумя трансформаторами для приема однофазной мощности переменного тока;

Фиг.6В изображает пример схемы питания в соответствии с известным уровнем техники, соединенной с двумя трансформаторами, которые принимают однофазную мощность переменного тока;

Фиг.7 изображает схему соединений стабилизатора напряжения в соответствии с 2-м вариантом осуществления настоящего изобретения;

Фиг.8 изображает схему соединений стабилизатора напряжения в соответствии с 3-м вариантом осуществления настоящего изобретения;

Фиг.9А и 9В изображают схему питания переменного тока, включающую в себя примерное применение стабилизатора напряжения для решения проблемы, связанной с ограничением скорости при возникновении повреждения в тяговой подстанции;

Фиг.10 изображает конфигурацию схемы питания переменного тока, включающей в себя устройство питания переменного тока, в котором применяется стабилизатор напряжения настоящего изобретения;

Фиг.11А изображает схему соединений железнодорожного статического стабилизатора напряжения (RPC), установленного на стороне питания в трансформаторе Скотта в тяговой подстанции переменного тока;

Фиг.11В представляет собой схему соединений трехфазного SVC, установленного на трехфазной стороне в трансформаторе Скотта;

Фиг.11С представляет собой схему соединений однофазного стабилизатора напряжения питания (SFC), в которой в неравностороннем трансформаторе Скотта, в котором главная фаза и фаза возбуждения в трансформаторе Скотта непосредственно соединены друг с другом, и однофазное питание осуществляется посредством отклоненной фазы, инверторы расположены в главной фазе и фазе возбуждения, соответственно, и данные два инвертора соединены друг с другом;

Фиг.12А изображает схематичный вид схемы питания переменного тока, включающей в себя тяговую подстанцию А, тяговую подстанцию В, тяговую подстанцию С и два разделительных поста (SP);

Фиг.12В изображает схематичный вид схемы питания переменного тока, показанной на фиг.12А, когда в тяговой подстанции В возникает повреждение, при котором прекращается прием мощности;

Фиг.12С изображает схему соединений обычного SVC, содержащегося в тяговой подстанции, показанной на фиг.12А.

Описание вариантов осуществления изобретения

Ниже будут описаны предпочтительные варианты осуществления со ссылками на чертежи.

1. 1-й вариант осуществления

Фиг.1А изображает схему соединений стабилизатора 2 напряжения мощности в соответствии с 1-м вариантом осуществления настоящего изобретения. Фиг.1В представляет собой более подробную схему соединений стабилизатора 2 напряжения в соответствии с 1-м вариантом осуществления настоящего изобретения.

В 1-м варианте осуществления стабилизатор 2 напряжения представляет собой SVC (железнодорожный статический стабилизатор напряжения) и образует RPC, установленный на стороне подачи мощности (стороне подачи) в трансформаторе Скотта 3, который принимает мощность переменного тока из линии электропитания переменного тока в тяговой подстанции переменного тока и подает мощность переменного тока в линию питания. R-фаза, S-фаза и T-фаза представляют собой входы в трехфазной стороне в трансформаторе Скотта 3, соответственно. Главная фаза и вспомогательная фаза представляют собой две однофазные силовые фазы, образованные посредством трансформатора Скотта 3. В 1-м варианте осуществления, SVC2 включает в себя инверторы (AC-DC и DC-AC преобразователи) 6m и 6t, соединенные на своих сторонах переменного тока с линиями 4m и 4t питания в главной фазе и вспомогательной фазе, соответственно, для осуществления преобразования между мощностью переменного тока и мощностью постоянного тока, и никель-металлогидридную батарею 10, расположенную между и соединенную с кабелями на сторонах постоянного тока двух инверторов 6m и 6t. Электропоезд 8m движется посредством использования электрической мощности, подаваемой в линию 4m питания в главной фазе в качестве источника приводной мощности, а электропоезд 8t движется посредством использования электрической мощности, подаваемой в линию питания 4t во вспомогательной фазе в качестве источника приводной мощности.

Инверторы 6m и 6t, содержащиеся в стабилизаторе 2 напряжения данного варианта осуществления, соответствуют известному уровню техники, и каждый из них включает в себя схему выпрямителя, включающую в себя множество диодов, схему переключения, включающую в себя множество переключающих элементов, конденсатор и др. Точнее, каждый из инверторов 6m и 6t включает в себя AC-DC преобразователь и DC-AC преобразователь.

Никель-металлогидридная батарея 10 расположена между и соединена с входными/выходными концами постоянного тока двух инверторов 6m и 6t, которые соединены с общим кабелем высокого напряжения на стороне постоянного тока, и входными/выходными концами постоянного тока двух инверторов 6m и 6t, которые соединены с общим кабелем низкого напряжения на стороне постоянного тока.

Ниже будет описана работа стабилизатора 2 напряжения, имеющего упомянутую конфигурацию. Инвертор 6m соединен с линией 4m питания, преобразует мощность переменного тока в мощность постоянного тока и подает мощность постоянного тока в общий кабель 7. Кроме того, инвертор 6m способен преобразовать мощность постоянного тока на стороне общего кабеля 7 в мощность переменного тока и подавать мощность переменного тока в линию 4m питания. Данные операции реализуются посредством переключающих элементов, встроенных в инверторы, как должно быть хорошо известно. Инвертор 6t работает точно так же и способен осуществлять преобразование мощности переменного тока в мощность постоянного тока и мощности постоянного тока в мощность переменного тока.

На линиях 4m и 4t питания, соединенных с инверторами 6m и 6t, закреплены соответственно вольтметр 5m и вольтметр 5t. Кроме того, блок 9 управления предусмотрен для инверторов 6m и 6t и соединен с вольтметрами 5m и 5t. Когда электрического заряда, накопленного в никель-металлогидридной батарее 10, недостаточно, и напряжение никель-металлогидридной батареи 10 низкое, мощность переменного тока в линиях 4m и 4t питания преобразуется в мощность постоянного тока посредством выпрямительного действия инверторов 6m и 6t и заряжает никель-металлогидридную батарею 10.

В стабилизаторе 2 напряжения данного варианта осуществления, когда напряжение на линии 4m питания уменьшается, и возникает состояние, в котором «напряжение, показываемое вольтметром 5m», меньше «напряжения, показываемого вольтметром 5t», блок 9 управления управляет переключающим элементом, встроенным в инвертор 6m, так, что мощность постоянного тока преобразуется в мощность переменного тока, и мощность переменного тока подается в линию 4m питания, тем самым предотвращая падение напряжения на линии 4m питания. Кроме того, блок 9 управления управляет переключающим элементом, встроенным в инвертор 6t, так, что мощность переменного тока из линии 4t питания преобразуется в мощность постоянного тока, обеспечивая компенсацию потери мощности постоянного тока, преобразованной инвертором 6m в мощность переменного тока.

С другой стороны, когда напряжение на линии 4m питания увеличивается и возникает состояние, в котором «напряжение, показываемое вольтметром 5m», больше «напряжения, показываемого вольтметром 5t», блок 9 управления управляет переключающим элементом, встроенным в инвертор 6m, так, что мощность переменного тока из линии 4m питания преобразуется в мощность постоянного тока, тем самым предотвращая увеличение напряжения на линии 4m питания. Одновременно блок 9 управления управляет переключающим элементом, встроенным в инвертор 6t, так, что мощность постоянного тока, выпрямленная инвертором 6m, преобразуется в мощность переменного тока, и мощность переменного тока выдается в линию 4t питания.

Аналогичная операция осуществляется, когда уменьшается или увеличивается напряжение в линии 4t питания. При сравнении напряжения, показываемого вольтметром 5m, и напряжения, показываемого вольтметром 5t, может быть надлежащим образом установлен гистерезис, чтобы избежать частых переключений.

Как описано выше, стабилизатор 2 напряжения регулирует активную мощность таким образом, что она используется так, чтобы устранить разницу между напряжением на линии 4m питания и напряжением на линии 4t питания.

Инверторы 6m и 6t регулируют реактивную мощность для устранения флуктуации напряжения. То есть блок 9 управления управляет инверторами 6m и 6t для регулирования реактивной мощности, генерируемой в линии питания 4m и 4t. Точнее, когда электропоезда 8m и 8t потребляют реактивную мощность в режиме использования мощности во время движения, инверторы 6m и 6t работают так, чтобы выдавать реактивную мощность в электропоезда 8m и 8t. Это позволяет поддерживать напряжение на линии 4m питания и напряжение на линии 4t питания в требуемом диапазоне.

В стабилизаторе 2 напряжения в соответствии с 1-м вариантом осуществления, выполненном как описано выше, инверторы 6m и 6t, соединенные соответственно с главной фазой и вспомогательной фазой, обеспечивают компенсацию реактивной мощности, и данные инверторы распределяют 1/2 разности между активной мощностью в главной фазе и активной мощностью во вспомогательной фазе между данными двумя инверторами посредством никель-металлогидридной батареи 10, тем самым выравнивая активную мощность в главной фазе и активную мощность во вспомогательной фазе. Таким образом, мощность на трехфазной стороне уравновешивается.

Как описано в технической проблеме, в том случае, если конденсатор постоянного тока соединен с инверторами (преобразователями), существуют проблемы, заключающиеся в необходимости большого пространства для установки конденсатора постоянного тока, недостаточной надежности и высокой стоимости. Для того чтобы решить данные проблемы, авторы настоящего изобретения провели глубокие исследования и обнаружили, что никель-металлогидридная батарея обладает достаточной емкостью. Другими словами, авторы изобретения обнаружили, что никель-металлогидридная батарея способна функционировать надлежащим образом как конденсатор, а также как вторичная батарея. Таким образом, в данном варианте осуществления данные проблемы могут быть решены посредством размещения никель-металлогидридной батареи 10 между кабелями на сторонах постоянного тока инверторов 6m и 6t, вместо конденсатора постоянного тока. Другими словами, в отличие от конфигурации, описанной в патентном документе 1, стабилизатор 2 напряжения способен поддерживать напряжение линии питания посредством размещения никель-металлогидридной батареи 10 между кабелями на сторонах постоянного тока инверторов 6m и 6t, без использования конденсатора постоянного тока.

Если в обычной никель-металлогидридной батарее в качестве проводящего материала используется гидроксид кобальта, в данном варианте осуществления в никель-металлогидридной батарее в качестве проводящего материала используется углерод. Таким образом, поскольку углерод образует электрод, никель-металлогидридная батарея в данном варианте осуществления способна функционировать как электрический двухслойный конденсатор. Поэтому обеспечивается большая емкость. Кроме того, как описано ниже, никель-металлогидридная батарея 10 в данном варианте осуществления состоит из большого количества единичных батарей. Поэтому никель-металлогидридная батарея 10 данного варианта осуществления обладает очень большой емкостью и надлежащим образом функционирует как конденсатор.

Поскольку никель-металлогидридная батарея данного варианта осуществления содержит углерод в качестве проводящего материала, точнее батарея содержит углерод в качестве проводящего материала положительного электрода, и батарея состоит из большого количества единичных батарей, точнее батарея имеет многослойную структуру, эквивалентная емкость батареи является очень большой.

Как должно быть хорошо известно, емкость С плоско-пластинчатого электрода выражается следующей формулой (формулой 1):

C=ε×S/d (формула 1)

где ε - диэлектрическая постоянная; S - площадь плоско-пластинчатого электрода; d - расстояние между плоско-пластинчатыми электродами. В данном варианте осуществления S (площадь плоско-пластинчатого электрода) может быть принята по существу равной площади разделителя в никель-металлогидридной батарее. Каждая из ряда единичных батарей, образующих никель-металлогидридную батарею, которая описана ниже, включает в себя складчатый разделитель, и единичные батареи сложены вместе. Благодаря данной структуре, S (площадь плоско-пластинчатого электрода) может быть легко увеличена, и в результате может быть обеспечена большая емкость.

Было обнаружено, что емкость никель-металлогидридной батареи данного варианта осуществления больше емкости других батарей. В ионно-литиевой батарее заряды (ионы), требующиеся для образования конденсатора, отсутствуют.C=Q/V, где Q - заряд; V - электрический потенциал. Поскольку в ионно-литиевой батарее заряд Q очень мал, емкость С не может быть большой и по существу равна нулю. Следовательно, емкость ионно-литиевой батареи значительно меньше емкости никель-металлогидридной батареи данного варианта осуществления.

В отличие от никель-металлогидридной батареи, в свинцово-кислотной батарее площадь электрода (S) не может быть увеличена, и расстояние (d) между электродами большое, что связано с ее устройством. Отсюда можно предположить, что емкость свинцово-кислотной батареи составляет 1/10 или менее емкости никель-металлогидридной батареи. Можно сказать, что емкость свинцово-кислотной батареи значительно меньше емкости никель-металлогидридной батареи данного варианта осуществления. Надо признать, что электрический двухслойный конденсатор обладает большой емкостью, но меньшей аккумулирующей способностью по сравнению с батареей. Поэтому, если в кондиционере мощности использовать электрический двухслойный конденсатор, то считается, что верхний предел активной мощности, которую способен регулировать стабилизатор напряжения, является низким.

Учитывая вышеизложенное, авторы настоящего изобретения заметили, что никель-металлогидридная батарея обладает большой емкостью, и попытались использовать это в системе питания переменного тока для электрифицированной железной дороги. Другие батареи не могут быть применены к системе питания переменного тока таким способом.

1.1. Никель-металлогидридная батарея

Ниже будет более подробно описана никель-металлогидридная батарея 10, содержащаяся в стабилизаторе 2 напряжения в соответствии с 1-м вариантом осуществления.

Никель-металлогидридная батарея 10 образована посредством батарейного модуля (модулей), включающего в себя множество последовательно соединенных единичных батарей. Никель-металлогидридная батарея 10 может быть образована посредством одного батарейного модуля или последовательного батарейного модуля, включающего в себя множество последовательно соединенных батарейных модулей. Или же никель-металлогидридная батарея 10 может быть образована посредством параллельного соединения отдельных батарейных модулей или посредством параллельного соединения последовательных батарейных модулей. При параллельном соединении увеличивается аккумулирующая способность батареи и уменьшается эквивалентное внутреннее сопротивление.

Примерная конфигурация единичной батареи

Фиг.2 и 3 представляют собой виды, показывающие примерную конфигурацию вышеописанной единичной батареи.

Фиг.2 представляет собой вид в разрезе, показывающий структуру единичной батареи С.Единичная батарея С включает в себя электродный компонент 65, включающий в себя разделитель 61, пластину 62 положительного электрода, образующую положительный электрод, и пластину 63 отрицательного электрода, образующую отрицательный электрод, прямоугольную раму 67, образующую пространство, в котором совместно размещаются электродный компонент 65 и раствор электролита, первую крышку 69 и вторую крышку 71. Единичная батарея С, показанная на фиг.2, включает в себя гидроксид никеля в качестве основного активного материала положительного электрода, сплав-аккумулятор водорода в качестве основного активного материала отрицательного электрода и щелочной водный раствор в качестве раствора электролита, и выполнена как никель-металлогидридная вторичная батарея, которая способна многократно заряжаться и разряжаться.

Как показано на фиг.3, первая крышка 69 включает в себя участок 69а основания, имеющий плоско-пластинчатую форму, закрывающий одно отверстие 67а рамы 67, и крайние участки, выполненные за одно целое с четырьмя сторонами основания 69а и согнутые по существу вдоль четырех сторон 67b рамы 67, чтобы образовать боковые участки 69b, закрывающие часть периферийной поверхности рамы 67. Так же как и первая крышка 69, вторая крышка 71 содержит участок 71а и основания боковые участки 71b и закрывает другое отверстие 67 с рамы 67.

Как показано на фиг.2, электродный компонент 65 имеет многослойную структуру, в которой пластина 62 положительного электрода и пластина 63 отрицательного электрода пакетированы поочередно в заданном направлении с размещенным между ними разделителем 61. Более конкретно, электродный компонент 65 имеет складчатую структуру, в которой пластина 62 положительного электрода и пластина 63 отрицательного электрода уложены поочередно так, что они расположены друг против друга, при этом между ними размещен разделитель, согнутый с форме складки. В единичной батарее С, показанной на фиг.2 и 3, электродные компоненты 65 сложены вместе в направлении Y от одной пары сторон 67b, которые противоположны друг другу, в направлении вправо и влево, к другой стороне.

При включении складчатых разделителей в единичную батарею, поскольку площадь S разделителя очень большая, общая емкость никель-металлогидридной батареи является очень большой, в никель-металлогидридной батарее, содержащей ряд единичных батарей.

Примерная конфигурация батарейного модуля, содержащего единичные батареи

Фиг.4А представляет собой вид в поперечном разрезе примерной конфигурации батарейного модуля, состоящего из единичных батарей, а фиг.4В представляет собой частичный общий вид батарейного модуля, показанного на фиг.4А, в котором показано направление перемещения воздуха в теплопередающей пластине батарейного модуля (изолирующие пластины 107 и 108, показанные на фиг.4А, не изображены). Фиг.5 представляет собой общий вид теплопередающей пластины для использования в батарейном модуле, показанном на фиг.4А и 4В.

Как показано на фиг.4, батарейный модуль 81 включает в себя множество единичных батарей, сложенных вместе, каждая из которых описана выше. В соответствующих единичных батареях в примерной конфигурации, гофрированный разделитель 101 расположен между токосъемником 99 положительного электрода и токосъемником 100 отрицательного электрода, которые расположены друг против друга так, что участки разделителя 101 поочередно находятся рядом с участками данных токосъемников. Разделитель 101 не изменен, например, является коррозионностойким в щелочном растворе электролита и позволяет проникать ионам, но не позволяет проникать электронам. Кроме того, в соответствующих единичных батареях, раствор 102 электролита и пластина 103 положительного электрода, содержащая активный материал положительного электрода, расположены в пространстве, образованном гофрированным разделителем 101 и токосъемником 99 положительного электрода, а раствор 102 электролита и пластина 104 отрицательного электрода, содержащая активный материал отрицательного электрода, расположены в пространстве, образованном гофрированным разделителем 101 и токосъемником 100 отрицательного электрода, так что разделитель 101 расположен между пластиной 103 положительного электрода и пластиной 104 отрицательного электрода, и пластина 103 положительного электрода и пластина 104 отрицательного электрода расположены в единичной батарее поочередно. Гофрированный разделитель 101 позволяет уложить пластины 103 положительного электрода и пластины 104 отрицательного электрода в единичную батарею, содержащую ряд элементов. Это позволяет увеличить емкость единичных батарей. Кроме того, это позволяет увеличить площадь электродов и соединять смежные элементы друг с другом при очень низком сопротивлении. Поэтому кабель для соединения элементов может не использоваться. В результате батарея в целом может быть выполнена компактной.

Пластина 103 положительного электрода находится в контакте с токосъемником 99 положительного электрода, а пластина 104 отрицательного электрода находится в контакте с токосъемником 100 отрицательного электрода. Между двумя смежными единичными батареями расположена теплопередающая пластина 96, показанная на фиг.5, контактирующая с токосъемником 99 положительного электрода одной единичной батареи и токосъемником 100 отрицательного электрода другой единичной батареи. Направление, в котором продолжаются отверстия 97 для воздуха в теплопередающей пластине 96, является вертикальным направлением пластины 103 положительного электрода и пластины 104 отрицательного электрода. В соответствующих единичных батареях, участок между токосъемником 99 положительного электрода и токосъемником 100 отрицательного электрода разделен разделителем 101 на элемент положительного электрода и элемент отрицательного электрода. Элемент положительного электрода представляет собой участок, который образован посредством разделителя 101 и токосъемника 99 положительного электрода и в котором расположена пластина 103 положительного электрода, а элемент отрицательного электрода представляет собой участок, который образован посредством разделителя 101 и токосъемника 100 отрицательного электрода и в котором расположена пластина 104 отрицательного электрода.

Как показано на фиг.4А, токосъемник 99 положительного электрода и токосъемник 100 отрицательного электрода, каждый выполненный из металла, обладающего высокой электропроводностью и высокой теплопроводностью, находятся в контакте с пластиной 103 положительного электрода и пластиной 104 отрицательного электрода, соответственно. Кроме того, токосъемники 99 и 100 находятся в контакте с теплопередающей пластиной 96, которая предназначена для электрического соединения токосъемника 99 положительного электрода с токосъемником 100 отрицательного электрода. В данной структуре, вдоль направления, указанного стрелками на фиг.4В, тепло, генерируемое посредством реакции батареи, эффективно передается и выпускается наружу посредством воздуха, перемещающегося через отверстия 97 для воздуха теплопередающих пластин 96. Таким образом, температура батарейного модуля 81 может поддерживаться в требуемом диапазоне, в пределах которого реакция батареи протекает спокойно.

Как показано на фиг.4А, в торцевом участке положительного электрода предусмотрен общий токосъемник 105 положительного электрода, а в торцевом участке отрицательного электрода предусмотрен общий токосъемник 106 отрицательного электрода. В боковых участках батарейного модуля 81 предусмотрены изолирующие пластины 107 и 108, соответственно. Соединительный вывод (не показанный) положительного электрода прикреплен к центральному участку общего токосъемника 105 положительного электрода, а соединительный вывод (не показанный) отрицательного электрода прикреплен к центральному участку общего токосъемника 106 отрицательного электрода.

Пластина 103 положительного электрода образована посредством нанесения на подложку, например, пасты, содержащей активный материал положительного электрода, проводящий наполнитель и полимер, которые смешивают с растворителем, чтобы образовать форму пластины и отвердить ее. Пластина 104 отрицательного электрода образована посредством нанесения на подложку, например, пасты, содержащей активный материал отрицательного электрода, проводящий наполнитель и полимер, которые смешивают с растворителем, чтобы образовать форму пластины и отвердить ее. В качестве активного материала положительного электрода и активного материала отрицательного электрода могут быть использованы все известные активные материалы. В качестве проводящего наполнителя, могут быть использованы углеродные волокна, никелированные углеродные волокна, углеродные частицы, никелированные углеродные частицы, никелированные органические волокна, волокнистый никель, частицы никеля или никелевая фольга, отдельно или в сочетании. В качестве полимера, может быть использован термопластичный полимер с температурой размягчения 120°С или меньше, полимер с температурой отверждения в пределах от комнатной температуры до 120°С, полимер, растворимый в растворителе, с температурой испарения 120°С или ниже, полимер, растворимый в растворителе, растворимом в воде, или полимер, растворимый в растворителе, растворимом в спирте. В качестве подложки может быть использована металлическая пластина, обладающая электропроводностью, например никелевая пластина.

Теплопередающая пластина 96 образована посредством покрытия никелем алюминиевого основания. В теплопередающей пластине 96 вертикально расположен ряд отверстий 97 для воздуха в виде воздушных каналов. Теплопередающая пластина 96 расположена между токосъемником 99 положительного электрода и токосъемником 100 отрицательного электрода и позволяет воздуху, засасываемому посредством втяжного вентилятора (не показан), перемещаться через отверстия 97 для воздуха. Теплопередающая пластина 96 является элементом, который находится в контакте с токосъемником 99 положительного электрода и токосъемником 100 отрицательного электрода для электрического соединения токосъемника 99 положительного электрода с токосъемником 100 отрицательного электрода и обладает тепло- и электропроводностью. В качестве теплопередающей пластины 96 может быть использован алюминий, поскольку он обладает относительно низким электрическим сопротивлением и относительно высокой теплопроводностью, однако он легко подвергается окислению. С учетом этого, более предпочтительным для использования в качестве теплопередающей пластины 96 является никелированная алюминиевая пластина, поскольку никелирование не только предотвращает окисление, но также снижает контактное сопротивление.

Электродвижущая сила и емкость никель-металлогидридной батареи

Ниже будут рассмотрены конкретные цифровые значения электродвижущей силы и емкости никель-металлогидридной батареи 10, используемой в данном варианте осуществления, предпочтительно, многослойной никель-металлогидридной батареи. В стабилизаторе напряжения данного варианта осуществления, никель-металлогидридная батарея может быть выполнена различными способами. Например, 19 батарейных модулей, каждый включающий в себя 30 единичных батарей, соединяют последовательно, образуя последовательный батарейный модуль, и два ряда последовательных батарейных модулей размещают параллельно. Примерными цифровыми значениями стандартных характеристик единичной батареи являются, например, электродвижущая сила, равная 1,25 В, емкость батареи, равная 150 А·час, емкость 130 Ф/А·час на емкость единичного элемента, и др.

В данном случае электродвижущая сила никель-металлогидридной батареи равна 1,25×30×19=712,5 В. Емкость никель-металлогидридной батареи равна 2×130×150 (30×19)=примерно 68 Фарад. Отсюда должно быть понятно, что никель-металлогидридная батарея, включенная в стабилизатор напряжения данного варианта осуществления, обладает очень большой емкостью.

Как описано выше, было обнаружено, что эквивалентная емкость никель-металлогидридной батареи 10 данного варианта осуществления является очень большой. Посредством применения никель-металлогидридной батареи 10 в системе питания переменного тока, можно не использовать конденсатор постоянного тока, который требует большого пространства для установки.

1.2 Модифицированный пример 1-го варианта осуществления

Стабилизатор напряжения, показанный на фиг.1, представляет собой SVC, установленный на стороне питания трансформатора Скотта, который принимает трехфазную мощность переменного тока. Стабилизатор напряжения 1-го варианта осуществления может быть установлен в трансформаторе, который принимает однофазную мощность переменного тока. Фиг.6 представляет собой схему соединений стабилизатора напряжения в соответствии с 1-м вариантом осуществления настоящего изобретения, который установлен на стороне питания схемы питания переменного тока, соединенной с двумя трансформаторами 23а и 23b, которые принимают однофазную мощность переменного тока. Фиг.6В представляет собой схему соединений сравнительного примера схемы питания переменного тока, соединенной с двумя трансформаторами 23а и 23b, которые принимают однофазную мощность переменного тока.

В стабилизаторе напряжения, показанном на фиг.6А, линии питания содержат размыкатели 22а и 22b, которые способны прерывать подачу мощности из трансформаторов 23а и 23b, соответственно. Между трансформатором 23а и инвертором 6а расположен переключатель 24а, а между трансформатором 23b и инвертором 6b расположен переключатель 24b. Работа переключателей 24а и 24b описана в разделе «4. Пример применения настоящего изобретения».

Как показано на фиг.6А, посредством соединения стабилизатора напряжения 1-го варианта осуществления с двумя трансформаторами 23а и 23b, которые принимают однофазную мощность переменного тока, можно не использовать конденсатор постоянного тока. Однофазная мощность переменного тока может представлять собой двухфазную или трехфазную мощность переменного тока. Стабилизатор напряжения данного варианта осуществления может быть применен к конфигурации, в которой два однофазных трансформатора, соединенные в V-образной схеме, принимают трехфазную мощность переменного тока и подают мощность переменного тока в соответствующих направлениях.

2. 2-й вариант осуществления

Фиг.7 представляет собой схему соединений стабилизатора 202 напряжения в соответствии с 2-м вариантом осуществления настоящего изобретения. Стабилизатор 202 напряжения в соответствии с 2-м вариантом осуществления представляет собой трехфазный SVC, установленный на приемной стороне (трехфазной стороне) в трансформаторе Скотта 3 в тяговой подстанции переменного тока. R-фаза, S-фаза и T-фаза представляют собой входы на трехфазной стороне в трансформаторе Скотта 3, соответственно. Главная фаза и вспомогательная фаза представляют собой две однофазные мощности, образованные на стороне питания в трансформаторе Скотта 3, соответственно. SVC 202 2-го варианта осуществления включает в себя инвертор 6, соединенный на своей стороне переменного тока с трехфазными входами, соответственно, и никель-металлогидридную батарею 10, соединенную со стороной постоянного тока в инверторе 6.

Инвертор 6 аналогичен инвертору в соответствии с известным уровнем техники. Никель-металлогидридная батарея 10 расположена между и соединена с входным/выходным концом постоянного тока инвертора 6, который соединен с кабелем высокого напряжения на стороне постоянного тока, и с входным/выходным концом постоянного тока инвертора 6, который соединен с кабелем низкого напряжения на стороне постоянного тока.

В кондиционере 202 мощности 2-го варианта осуществления, никель-металлогидридная батарея 10 соединена с инвертором 6, установленным на трехфазной стороне, чтобы обеспечить компенсацию реактивной мощности и регулировать активную мощность. Это позволяет не использовать конденсатор постоянного тока.

Поскольку никель-металлогидридная батарея 10 обладает большой емкостью и надлежащим образом функционирует как конденсатор, в отличие от конфигурации, описанной в патентном документе 1, стабилизатор 202 напряжения данного варианта осуществления способен поддерживать требуемое напряжение на трехфазной стороне без использования конденсатора постоянного тока.

3. 3-й вариант осуществления

Фиг.8 представляет собой схему соединений стабилизатора 402 напряжения в соответствии с 3-м вариантом осуществления настоящего изобретения. Стабилизатор 402 напряжения в соответствии с 3-м вариантом осуществления представляет собой однофазный стабилизатор напряжения питания (SFC). Однофазный стабилизатор напряжения питания (SFC) выполнен так, что инверторы 6m и 6t установлены в главной фазе и вспомогательной фазе в неравностороннем трансформаторе Скотта, который осуществляет однофазное питание посредством отклоненной фазы, образованной посредством прямого соединения главной фазы и вспомогательной фазы в трансформаторе Скотта 3, и данные два инвертора 6m и 6t соединены друг с другом.

На фиг.8, R-фаза, S-фаза и T-фаза представляют собой входы на трехфазной стороне трансформатора Скотта 3, соответственно. Главная фаза и вспомогательная фаза представляют собой две фазы, образованные посредством трансформатора Скотта 3, соответственно. Стабилизатор 402 напряжения в соответствии с 3-м вариантом осуществления включает в себя инверторы 6m и 6t, соединенные с главной фазой и вспомогательной фазой, соответственно, и никель-металлогидридную батарею 10, соединенную с инверторами 6m и 6t. Инверторы 6m и 6t аналогичны инверторам в стабилизаторе напряжения в соответствии с известным уровнем техники.

В стабилизаторе 402 напряжения 3-го варианта осуществления, никель-металлогидридная батарея 10 соединена с инверторами 6m и 6t, предусмотренными в главной фазе и вспомогательной фазе, соответственно, чтобы обеспечить компенсацию реактивной мощности и регулировать активную мощность. Это позволяет не использовать конденсатор постоянного тока.

Поскольку никель-металлогидридная батарея 10 обладает большой емкостью и надлежащим образом функционирует как конденсатор, в отличие от конфигурации, описанной в патентном документе 1, стабилизатор 402 напряжения данного варианта осуществления способен поддерживать напряжение на линии питания без использования конденсатора постоянного тока.

4. Пример применения настоящего изобретения

Ниже будут описаны примеры применения настоящего изобретения.

Фиг.12А представляет собой схематичный вид схемы питания переменного тока, включающей в себя тяговую подстанцию А, тяговую подстанцию В, тяговую подстанцию С и два разделительных поста (SP) 51 и 52. Предполагается, что каждая тяговая подстанция включает в себя железнодорожный статический стабилизатор напряжения (RPC) 2а, который представляет собой обычный SVC. Фиг.12В представляет собой схематичный вид схемы питания переменного тока, включающей в себя тяговую подстанцию А, тяговую подстанцию В, тяговую подстанцию С и два разделительных поста (SP) 51 и 52, когда повреждение, при котором прекращается прием мощности, возникает в тяговой подстанции А в схеме питания переменного тока, показанной на фиг.12А. Фиг.12С представляет собой схему соединений обычного RPC 2а, показывающую состояние, в котором повреждение, при котором прекращается прием мощности, возникает в тяговой подстанции.

Вначале предположим, что повреждение, при котором прекращается прием мощности, возникает в тяговой подстанции В в схеме питания переменного тока, показанной на фиг.12А. Вследствие этого, состояние соединения в схеме питания переменного тока изменяется до состояния, показанного на фиг.12В. То есть, как показано на фиг.12В, разделительный пост 51 между тяговой подстанцией А и тяговой подстанцией В электрически соединяет участок от тяговой подстанции А до разделительного поста 51 с участком от разделительного поста 51 до тяговой подстанции В, и электропоезд продолжает двигаться в состоянии, когда участок от тяговой подстанции А до тяговой подстанции В является одним вспомогательным участком питания. В данном случае вспомогательный участок питания снабжается электрической мощностью только от тяговой подстанции А.

Аналогичным образом, разделительный пост 52 между тяговой подстанцией В и тяговой подстанцией С электрически соединяет участок от тяговой подстанции В до разделительного поста 52 с участком от разделительного поста 52 до тяговой подстанции С, и электропоезд продолжает двигаться в состоянии, когда участок от тяговой подстанции В до тяговой подстанции С является одним вспомогательным участком питания. В данном случае вспомогательный участок питания снабжается электрической мощностью только от тяговой подстанции С.

Обычно в схеме питания переменного тока, когда повреждение, при котором прекращается прием мощности, возникает в тяговой подстанции В, приводятся в действие размыкатели 22m и 22t, предусмотренные между тяговой подстанцией В и линиями питания, чтобы прекратить подачу электрической мощности, как показано на фиг.12С. В результате этого электропоезд может двигаться на участке между тяговой подстанцией А и тяговой подстанцией В и на участке между тяговой подстанцией В и тяговой подстанцией С, однако скорость движения будет в значительной степени ограничена, поскольку подаваемая мощность уменьшена наполовину.

На фиг.9а показана схема питания переменного тока, включающая в себя примерное применение стабилизатора напряжения настоящего изобретения. Схема питания переменного тока устраняет проблему, связанную с ограничением скорости в том случае, когда возникает повреждение в тяговой подстанции в обычной схеме питания переменного тока. Верхняя часть фиг.9А представляет собой схематичное изображение схемы питания переменного тока, включающей в себя тяговую подстанцию А, тяговую подстанцию В, тяговую подстанцию С и два разделительных поста (SP) 51 и 52, а нижняя часть фиг.9А показывает схему соединений стабилизатора напряжения настоящего изобретения, который включен в каждую тяговую подстанцию. Стабилизатор напряжения аналогичен железнодорожному статическому стабилизатору напряжения (RPC), показанному на фиг.1. Стабилизатор напряжения включает в себя никель-металлогидридную батарею 10 вместо конденсатора 20, расположенного между кабелями на сторонах постоянного тока инверторов 6m и 6t, соединенных с главной фазой и вспомогательной фазой, соответственно, в конфигурации, показанной на фиг.12С. Стабилизатор напряжения, показанный на фиг.9а, помимо размыкателей 22m и 22t, включает в себя переключатели 24m и 24t.

Верхняя часть фиг.9В показывает состояние соединений участков питания, когда повреждение, при котором прекращается прием мощности, возникает в тяговой подстанции В в схеме питания переменного тока, показанной на фиг.9А. Как показано в верхней части фиг.9В, разделительный пост 51 между тяговой подстанцией А и тяговой подстанцией В электрически соединяет участок от тяговой подстанции А до разделительного поста 51 с участком от разделительного поста 51 до тяговой подстанции В. Разделительный пост 52 между тяговой подстанцией В и тяговой подстанцией С электрически соединяет участок от тяговой подстанции В до разделительного поста 52 с участком от разделительного поста 52 до тяговой подстанции С.

Нижняя часть фиг.9В показывает состояние стабилизатора напряжения в том случае, когда повреждение, при котором прекращается прием мощности, возникает в тяговой подстанции В. В стабилизаторе напряжения, изображенном в нижней части фиг.9В, переключатели 24m и 24t находятся в положении «выключено», а размыкатели 22m и 22t не приведены в действие (т.е. мощность подается). Следовательно, правый участок питания и левый участок питания тяговой подстанции В соединены друг с другом посредством стабилизатора напряжения, расположенного между ними, и снабжаются мощностью от никель-металлогидридной батареи 10. Таким образом, участок от тяговой подстанции А до тяговой подстанции В и участок от тяговой подстанции В до тяговой подстанции С являются вспомогательными участками питания посредством обеспечения соединения разделительных постов 51 и 52. Кроме того, тяговая подстанция А и тяговая подстанция С приводятся в электрически параллельное состояние питания, в результате чего электрический вагон, двигающийся на вспомогательных участках питания, может продолжать нормальное движение.

5. Применение в разделительном посту

Стабилизатор напряжения настоящего изобретения выполнен с возможностью применения в разделительных постах. Фиг.10 представляет собой вид конфигурации схемы питания переменного тока, включающей в себя устройство 50 питания переменного тока, в котором применяется стабилизатор напряжения настоящего изобретения. Схема питания переменного тока, показанная на фиг.10, включает в себя нижнюю линию 120 и верхнюю линию 140. Кроме того, схема питания переменного тока, показанная на фиг.10, включает в себя тяговые подстанции (SS) 40а и 40b и разделительный пост (SP) для распределения питания. В действительности они расположены вдоль электрифицированной железнодорожной линии. Мертвый участок 110 расположен между правой и левой схемами питания относительно тяговой подстанции (SS) 40а и относительно тяговой подстанции (SS) 40b. Участок между тяговой подстанцией (SS) 40а и разделительным постом (SP) 200 и участок между тяговой подстанцией (SS) 40b и разделительным постом (SP) 200 называются «участками подачи». Конфигурация, показанная на фиг.10, представляет собой часть схемы питания переменного тока, при этом может быть предусмотрено больше тяговых подстанцией (SS) 40а и 40b и больше разделительных постов (SP) 200.

Каждая из тяговых подстанций (SS) 40а и 40b включает в себя трехфазный-двухфазный трансформатор 300 и подает двухфазные электрические мощности главной фазы и вспомогательной фазы в правую и левую схемы питания, соответственно. Во время нормального движения, размыкатель 220, предусмотренный в каждой из главной фазы и вспомогательной фазы, не приводится в действие, и схема замкнута. Когда возникает повреждение в тяговой подстанции (SS) 40а или 40b, или в системе питания, размыкатель 220 приводится в действие и размыкает схему.

Разделительный пост (SP) 200 включает в себя размыкатель 60. Размыкатель 60 нормально разомкнут. Если возникает повреждение в любой одной из левой тяговой подстанции (SS) 40а и правой тяговой подстанции (SS) 40b разделительного поста 200, и таким образом прекращается подача мощности из левой тяговой подстанции (SS) 40а или правой тяговой подстанции (SS) 40b, то размыкатель 60 замыкается, и мощность выдается из левой тяговой подстанции (SS) 40а или правой тяговой подстанции (SS) 40b, в которой повреждение не возникает, в участок питания, в котором расположена левая тяговая подстанция (SS) 40а или правая тяговая подстанция (SS) 40b, в которой возникает повреждение, за пределами разделительного поста (SP) 200.

Как показано на фиг.10, устройство 50 питания переменного тока, расположенное в разделительном посту (SP) 200 данного варианта осуществления, включает в себя два инвертора (AC-DC и DC-AC преобразователя) 6а и 6b, которые преобразуют мощность переменного тока в схеме питания в мощность постоянного тока и преобразуют мощность постоянного тока в мощность переменного тока, и никель-металлогидридную батарею 10, расположенную между и соединенную с кабелем высокого напряжения (положительного) и кабелем низкого напряжения (отрицательного) на сторонах постоянного тока двух инверторов (AC-DC и DC-AC преобразователей) 6а и 6b. То есть никель-металлогидридная батарея 10 расположена между и соединена с входными/выходными концами постоянного тока инверторов 6а и 6b, которые соединены с общим кабелем высокого напряжения (положительного) на стороне постоянного тока, и с входными/выходными концами постоянного тока инверторов 6а и 6b, которые соединены с общим кабелем низкого напряжения (отрицательного) на стороне постоянного тока.

Инвертор 6а соединен на своей стороне переменного тока с кабелем 4а переменного тока, соединенным с воздушной линией, преобразует мощность переменного тока в мощность постоянного тока и выдает мощность постоянного тока в общий кабель (общий кабель высокого напряжения и общий кабель низкого напряжения) 7. Инвертор 6а также выполнен с возможностью преобразования мощности постоянного тока в общем кабеле 7 на стороне постоянного тока в мощность переменного тока и подачи мощности переменного тока в кабель 4а переменного тока. В данном случае, как описано выше, никель-металлогидридная батарея 10 функционирует как конденсатор, а также как вторичная батарея. Данные функции реализуются посредством переключающих элементов, встроенных в инвертор, как должно быть хорошо известно. Инвертор 6b функционирует таким же образом и выполнен с возможностью преобразования мощности переменного тока в мощность постоянного тока и преобразования мощности постоянного тока в мощность переменного тока.

Вольтметр 5а и вольтметр 5b закреплены на кабелях 4а и 4b и соединены с инверторами 6а и 6b, соответственно. Кроме того, блок 9 управления предусмотрен для инверторов 6а и 6b и соединен с вольтметрами 5а и 5b. Когда электрического заряда, накопленного в никель-металлогидридной батарее 10, недостаточно, и напряжение никель-металлогидридной батареи 10 низкое, мощность переменного тока в кабелях 4а и 4b переменного тока преобразуется в мощность постоянного тока посредством выпрямительного действия инверторов 6а и 6b, и заряжает никель-металлогидридную батарею 10.

В устройстве 50 питания переменного тока данного варианта осуществления, когда напряжение в кабеле 4а переменного тока уменьшается, и возникает состояние, в котором «напряжение, показываемое вольтметром 5а», меньше «напряжения, показываемого вольтметром 5b», блок 9 управления управляет переключающим элементом, встроенным в инвертор 6а, так, что мощность постоянного тока преобразуется в мощность переменного тока, и мощность переменного тока подается в кабель 4а переменного тока, тем самым предотвращая падение напряжения в кабеле 4а переменного тока. Кроме того, блок 9 управления управляет переключающим элементом, встроенным в инвертор 6b, так, что мощность переменного тока из кабеля 4b переменного тока преобразуется в мощность постоянного тока, чтобы обеспечить компенсацию потери мощности постоянного тока, преобразованной инвертором 6а в мощность переменного тока.

С другой стороны, когда напряжение в кабеле 4а переменного тока увеличивается и возникает состояние, в котором «напряжение, показываемое вольтметром 5а», больше «напряжения, показываемого вольтметром 5b», блок 9 управления управляет переключающим элементом, встроенным в инвертор 6а, так, что мощность переменного тока из кабеля 4а переменного тока преобразуется в мощность постоянного тока, тем самым предотвращая увеличение напряжения в кабеле 4а переменного тока. Одновременно блок 9 управления управляет переключающим элементом, встроенным в инвертор 6b, так, что мощность постоянного тока, выпрямленная инвертором 6а, преобразуется в мощность переменного тока, и мощность переменного тока выдается в кабель 4b переменного тока.

Аналогичная операция осуществляется, когда уменьшается или увеличивается напряжение в кабеле 4b переменного тока. При сравнении напряжения, показываемого вольтметром 5а, и напряжения, показываемого вольтметром 5b, может быть надлежащим образом установлен гистерезис, чтобы избежать частых переключений.

Как описано выше, устройство 50 питания переменного тока работает так, чтобы исключить разницу между напряжением в кабеле 4а переменного тока и напряжением в кабеле 4b переменного тока.

По сравнению с обычным устройством питания переменного тока, содержащим конденсатор вместо никель-металлогидридной батареи 10, никель-металлогидридная батарея 10 данного варианта осуществления способна накапливать очень большое количество электрических зарядов, поскольку она является вторичной батареей. Поскольку в никель-металлогидридной батарее 10 может быть аккумулировано большее количество электрической мощности из кабеля 4а переменного тока, способность поглощать рекуперативную электрическую мощность является высокой.

В устройстве 50 питания переменного тока данного варианта осуществления, если в какой-то момент (например, при движении электропоезда посредством потребления мощности) возникает необходимость в высокой электрической мощности в любом одном из правого и левого участков питания разделительных постов (SP) 200, то напряжение на данном участке питания становится ниже, чем напряжение на другом участке питания. Затем, как описано выше, инверторы 6а и 6b приводятся в действие, вынуждая электрическую мощность перемещаться в участок питания, где напряжение ниже, чем в другом участке питания. Это предотвращает падение напряжения в воздушной линии в участке питания, который требует электрической мощности.

В том случае, если рекуперативная электрическая мощность генерируется в любом одном из правого и левого участков питания разделительных постов (SP) 200, напряжение на данном участке питания становится выше. Затем, как описано выше, инверторы 6а и 6b приводятся в действие так, что большая часть электрической мощности в участке питания, где напряжение является более высоким, аккумулируется в никель-металлогидридной батарее 10, и часть электрической мощности передается на другой участок питания. Это предотвращает повышение напряжения в воздушной линии в участке питания, где генерируется рекуперативная электрическая мощность. Кроме того, поскольку генерируемая рекуперативная электрическая мощность может быть аккумулирована в никель-металлогидридной батарее 10, рекуперативная электрическая мощность может быть использована эффективно без потерь. Кроме того, поскольку возможность поглощать рекуперативную электрическую мощность является высокой, можно предотвратить подавление рекуперации.

То есть, посредством использования инверторов 6а и 6b и никель-металлогидридной батареи 10, электрическая мощность из двух тяговых подстанций (SS) 40а и 40b с разными фазами может подаваться на участок подачи, подсоединенный параллельно.

Например, предположим, что в примере, показанном на фиг.10, электропоезд движется в режиме ускорения как раз в левой стороне в разделительном посте (SP) на участке подачи между левой тяговой подстанцией (SS) 40а и разделительным постом (SP) 200. Данный ускоряющийся электропоезд может принимать электрическую мощность, требующуюся для ускорения как из левой тяговой подстанции (SS) 40а, так и из правой тяговой подстанции (SS) 40b. Другими словами, в данном варианте осуществления, зависимость от электрической мощности из левой тяговой подстанции (SS) 40b уменьшается примерно наполовину. Таким образом, нагрузка равномерно распределяется между тяговыми подстанциями, тем самым предотвращая падение напряжения на участке питания, где транспортное средство движется в режиме ускорения.

Многочисленные модификации и альтернативные варианты осуществления настоящего изобретения будут очевидными для специалистов в данной области техники с учетом вышеприведенного описания. Следовательно, описание должно рассматриваться только как пояснительное, и приведено для того, чтобы указать специалистам в данной области техники предпочтительный вариант осуществления изобретения. Детали конструкции и/или функции могут быть изменены по существу без отхода от сущности изобретения.

Перечень ссылочных позиций

2, 202, 402 стабилизатор напряжения 3 трансформатор Скотта 4m, 4t линия питания 5m, 5t вольтметр 6, 6m, 6t, 6a, 6b инвертор 7 общий кабель 8, 8m, 8t электропоезд 9 блок управления 10 никель-металлогидридная батарея 22а, 22b, 22m, 22t размыкатель 23a, 23b трансформатор 24a, 24b, 24m, 24t переключатель 51, 52 разделительный пост (SP) 65 электродный компонент 67 рама 69 первая крышка 72 вторая крышка

Изобретение относится к системам питания для использования в электрифицированном железнодорожном транспорте. Стабилизатор напряжения для системы питания, который стабилизирует нагрузку активной мощности, содержит первый AC-DC и DC-AC преобразователь для осуществления преобразования между мощностью переменного тока и мощностью постоянного тока; и никель-металлогидридную батарею, расположенную между и соединенную с кабелем высокого напряжения на стороне постоянного тока первого AC-DC и DC-AC преобразователя и кабелем низкого напряжения на стороне постоянного тока первого AC-DC и DC-AC преобразователя. Технический результат - снижение массогабаритных параметров устройства. 9 з.п. ф-лы, 12 ил.

1. Стабилизатор напряжения для системы питания, содержащий:
первый AC-DC и DC-AC преобразователь для осуществления преобразования между мощностью переменного тока и мощностью постоянного тока; и
никель-металлогидридную батарею, расположенную между и соединенную с кабелем высокого напряжения на стороне постоянного тока первого AC-DC и DC-AC преобразователя и кабелем низкого напряжения на стороне постоянного тока первого AC-DC и DC-AC преобразователя,
причем никель-металлогидридная батарея включает в себя проводящий материал, содержащий углерод, и выполнена с возможностью функционировать как двухслойный электрический конденсатор.

2. Стабилизатор напряжения по п.1, дополнительно содержащий: первый трансформатор, который принимает мощность переменного тока из линии электропитания переменного тока и подает мощность переменного тока на линию питания; причем сторона переменного тока первого AC-DC и DC-AC преобразователя соединена со стороной приема мощности или стороной подачи мощности в первом трансформаторе.

3. Стабилизатор напряжения по п.2, в котором первым трансформатором является трансформатор, который преобразует принимаемое трехфазное напряжение переменного тока в два двухфазных напряжения переменного тока с разностью по фазе 90° и подает два двухфазных напряжения переменного тока.

4. Стабилизатор напряжения по п.1, в котором никель-металлогидридная батарея имеет многослойную структуру.

5. Стабилизатор напряжения по п.2, дополнительно содержащий:
второй AC-DC и DC-AC преобразователь для осуществления преобразования между мощностью переменного тока и мощностью постоянного тока;
причем первым трансформатором является трансформатор, который преобразует принимаемое трехфазное напряжение переменного тока в двухфазные напряжения переменного тока и подает двухфазные напряжения переменного тока;
первый AC-DC и DC-AC преобразователь соединен с линией питания, которая принимает одно из двухфазных напряжений, подаваемых из первого трансформатора;
второй AC-DC и DC-AC преобразователь соединен с линией питания, которая принимает другое из двухфазных напряжений, подаваемых из первого трансформатора; и
никель-металлогидридная батарея расположена между и соединена с общим кабелем высокого напряжения между стороной постоянного тока первого AC-DC и DC-AC преобразователя и стороной постоянного тока второго AC-DC и DC-AC преобразователя и кабелем низкого напряжения между стороной постоянного тока первого AC-DC и DC-AC преобразователя и стороной постоянного тока второго AC-DC и DC-AC преобразователя.

6. Стабилизатор напряжения по п.5, дополнительно содержащий:
первый переключатель, расположенный между первым трансформатором и первым AC-DC и DC-AC преобразователем;
второй переключатель, расположенный между первым трансформатором и вторым AC-DC и DC-AC преобразователем.

7. Стабилизатор напряжения по п.2, дополнительно содержащий:
второй трансформатор, который принимает мощность переменного тока из линии электропитания переменного тока и подает мощность переменного тока на линию питания; и
второй AC-DC и DC-AC преобразователь для осуществления преобразования между мощностью переменного тока и мощностью постоянного тока;
причем каждый из первого трансформатора и второго трансформатора представляет собой трансформатор, который принимает однофазное напряжение переменного тока;
первый AC-DC и DC-AC преобразователь соединен с линией питания, которая принимает напряжение переменного тока, подаваемое из первого трансформатора;
второй AC-DC и DC-AC преобразователь соединен с линией питания, которая принимает напряжение переменного тока, подаваемое из второго трансформатора;
никель-металлогидридная батарея расположена между и соединена с кабелем высокого напряжения между стороной постоянного тока первого AC-DC и DC-AC преобразователя и стороной постоянного тока второго AC-DC и DC-AC преобразователя и кабелем низкого напряжения между стороной постоянного тока первого AC-DC и DC-AC преобразователя и стороной постоянного тока второго AC-DC и DC-AC преобразователя.

8. Стабилизатор напряжения по п.7, дополнительно содержащий:
первый переключатель, предусмотренный между первым трансформатором и первым AC-DC и DC-AC преобразователем; и
второй переключатель, предусмотренный между вторым трансформатором и вторым AC-DC и DC-AC преобразователем.

9. Стабилизатор напряжения по п.1,
в котором никель-металлогидридная батарея выполнена из одного или более батарейных модулей;
каждый из батарейных модулей включает в себя множество единичных батарей, каждая из которых включает в себя пластинчатый токосъемник положительного электрода и пластинчатый токосъемник отрицательного электрода, которые предусмотрены друг против друга; разделитель, расположенный между токосъемником положительного электрода и токосъемником отрицательного электрода; элемент положительного электрода, находящийся в контакте с токосъемником положительного электрода, элемент отрицательного электрода, находящийся в контакте с токосъемником отрицательного электрода; причем множество единичных батарей пакетированы вместе так, что токосъемник положительного электрода одной из смежных единичных батарей и токосъемник отрицательного электрода другой из смежных единичных батарей являются противоположными друг другу, и батарейный модуль имеет между смежными единичными батареями проход, через который протекает газообразная или жидкая теплопередающая среда.

10. Стабилизатор напряжения по п.1, дополнительно содержащий:
второй AC-DC и DC-AC преобразователь для осуществления преобразования между мощностью переменного тока и мощностью постоянного тока;
причем сторона переменного тока первого AC-DC и DC-AC преобразователя соединена с концевым участком первого участка подачи;
сторона переменного тока второго AC-DC и DC-AC преобразователя соединена с концевым участком второго участка подачи, который электрически изолирован от первого участка подачи; и
никель-металлогидридная батарея расположена между и соединена с общим кабелем высокого напряжения между стороной постоянного тока первого AC-DC и DC-AC преобразователя и стороной постоянного тока второго AC-DC и DC-AC преобразователя и кабелем низкого напряжения между стороной постоянного тока первого AC-DC и DC-AC преобразователя и стороной постоянного тока второго AC-DC и DC-AC преобразователя.