УСТРОЙСТВО НАКОПЛЕНИЯ ЭНЕРГИИ Российский патент 2019 года по МПК H02J7/00 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

[0001] Варианты осуществления настоящего изобретения относятся к устройству накопления энергии.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[0002] В системе питания постоянным током, являющейся системой электропитания электрической железной дороги постоянного тока, как утверждается, имеется большое изменение нагрузки и большое изменение напряжения контактного провода. В последнее время, рекуперативный вагон с рекуперативным торможением, который возвращает сгенерированную энергию (рекуперативную энергию) на питающую сторону посредством двигателя, функционирующего в качестве генератора энергии, когда движущийся вагон замедляется (тормозится), стал все больше внедряться также на электрических железных дорогах постоянного тока.

[0003] Рекуперативная энергия, возвращаемая на питающую сторону, нуждается в нагрузке, которая поглощает (использует) рекуперативную энергию, такой как ускоряющийся вагон, существующий в ее окрестности. В случае, когда такая нагрузка не существует, вагон с рекуперативным торможением может приводить к рекуперативной несостоятельности.

[0004] С другой стороны, система питания постоянным током создает источник питания постоянного тока из системы электропитания переменного тока с использованием диодного выпрямителя и поэтому должен быть установлен рекуперативный инвертор для возвращения рекуперативной энергии в систему электропитания переменного тока.

[0005] Кроме того, если не существует нагрузки, потребляющей энергию, генерируемую рекуперативным инвертором, если рекуперативный инвертор установлен, то энергия перетекает в обратном направлении в вышестоящую сеть передачи (в систему электропитания электроэнергетической компании), что приводит к тому что оператор железной дороги не может получить эффект уменьшения количества оплачиваемой электроэнергии.

[0006] С другой стороны, для поглощения рекуперативной энергии вагона, в некоторых случаях, в систему питания постоянным током устанавливают средство накопления энергии. В этом случае, избыточная рекуперативная энергия вагона с рекуперативным торможением может быть поглощена средством накопления энергии, и энергия, аккумулируемая в средстве накопления энергии, может быть разряжена для уменьшения энергии, подводимой к трансформаторной станции для питания. Дополнительно, установка средства накопления энергии делает возможным подавление изменений в напряжении контактного провода.

[0007] С другой стороны, необходимо подсоединить преобразователь для преобразования напряжения между аккумуляторной батареей, используемой для средства накопления энергии, и контактным проводом.

[0008] Примером общепринятой технологии, использующей преобразователь для преобразования напряжения между аккумуляторной батареей и контактным проводом, является технология заряда и разряда аккумуляторной батареи посредством схемы повышающего/понижающего прерывателя, которая повышает напряжение элемента накопления энергии и соединяет его с питающей линией. В этой технологии выход преобразователя и энергия, протекающая через питающую линию, становятся равными друг другу, и становится необходимым преобразователь, имеющий схему повышающего/понижающего прерывателя, эквивалентную по номинальной выходной энергии средству накопления энергии.

[0009] Эта технология имеет проблему, состоящую в неограниченном токе, протекающем к контактному проводу через диод противотока схемы повышающего прерывателя, когда напряжение контактного провода уменьшается, если напряжение аккумуляторной батареи не установлено так, что оно является меньшим, чем минимальное изменяемое значение напряжения контактного провода.

[0010] Таким образом, необходимо установить напряжение аккумуляторной батареи равным напряжению, меньшему, чем наименьшее предельное значение изменения в напряжении контактного провода, что требует высокого номинального тока преобразователя. Дополнительно, эта технология обусловливает шум из катушки индуктивности и поэтому нуждается в принятии контрмер против шума в устройстве или здании, где устройство установлено.

[0011] В противоположность изложенному выше существует технология вставки преобразователя последовательно с преобразователем, чтобы сделать напряжение смещения, генерируемое преобразователем, управляемым стабилизированным напряжением. В этой технологии, каждый из преобразователей может быть уменьшен в размере, поскольку преобразователь несет нагрузку для продольной компенсации.

ССЫЛКА НА ДОКУМЕНТ ПРЕДШЕСТВУЮЩЕГО УРОВНЯ ТЕХНИКИ

[0012] Ссылка 1: JP-A 2001-287572

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

ЗАДАЧИ, РЕШАЕМЫЕ ИЗОБРЕТЕНИЕМ

[0013] Однако, в описанной выше общепринятой технологии дополнительно к преобразователю для продольной компенсации, выдающему стабилизированное напряжение, обеспечена схема управления током, для подавления напряжения, когда напряжение контактного провода увеличивается вплоть до значения напряжения, превышающего номинальное значение, соединенная последовательно с аккумуляторной батареей, что приводит к увеличению в размере этого средства, поскольку требуются два преобразователя энергии.

[0014] Дополнительно, в случае этой технологии трудно обеспечить безопасность, вследствие конфигурации, в которой аккумуляторная батарея соединена последовательно с конденсатором, причем потенциал аккумуляторной батареи увеличивается относительно потенциала рельса и, таким образом, изоляция на стороне аккумуляторной батареи должна быть усилена для предотвращения короткого замыкания на землю.

[0015] Задачей, решаемой настоящим изобретением, является обеспечение устройства накопления энергии, способного улучшить безопасность и улучшить управляемость средства накопления энергии и при этом справиться с изменением нагрузки и изменением напряжения контактного провода.

СРЕДСТВО ДЛЯ РЕШЕНИЯ ЗАДАЧ

[0016] Устройство накопления энергии в одном варианте осуществления включает в себя элемент накопления энергии, источник регулируемого напряжения, соединитель с катушкой индуктивности, датчик тока, и схему управления. Элемент накопления энергии соединен с электрической линией постоянного тока, имеющей первый электрод и второй электрод, и выполнен заряжаемым из электрической линии постоянного тока и разряжаемым в нее. Источник регулируемого напряжения подсоединен последовательно между первым электродом электрической линии постоянного тока и положительным электродом элемента накопления энергии и способен генерировать постоянное напряжение в диапазоне разностей между выходными напряжениями электрической линии постоянного тока и элемента накопления энергии. Соединитель с катушкой индуктивности подсоединен между первым электродом электрической линии постоянного тока и источником регулируемого напряжения. Датчик тока регистрирует ток, протекающий через соединитель с катушкой индуктивности. Схема управления управляет источником регулируемого напряжения с использованием тока, зарегистрированного датчиком тока, для настройки разности между выходными напряжениями всей схемы и заряжающего элемента.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0017] Фиг. 1 является схемой, иллюстрирующей конфигурацию устройства накопления энергии в первом варианте осуществления;

Фиг. 2 является схемой, иллюстрирующей конфигурацию устройства накопления энергии во втором варианте осуществления.

Фиг. 3 является схемой, иллюстрирующей конфигурацию устройства накопления энергии в третьем варианте осуществления.

Фиг. 4 является схемой, иллюстрирующей конфигурацию устройства накопления энергии в четвертом варианте осуществления.

Фиг. 5 является схемой, иллюстрирующей конфигурацию примера полупроводникового выключателя.

Фиг. 6 является схемой, иллюстрирующей первый пример конфигурации (пятый вариант осуществления) схемы управления устройства накопления энергии.

Фиг. 7 является схемой, иллюстрирующей второй пример конфигурации (пятый вариант осуществления) схемы управления устройства накопления энергии.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ

[0018] Далее, варианты осуществления будут подробно описаны со ссылкой на чертежи.

(Первый вариант осуществления)

Устройство накопления энергии в одном варианте осуществления будет описано со ссылкой на фиг. 1.

Система питания постоянным током, являющаяся системой электропитания электрической железной дороги постоянного тока, образует электрическую линию 1 постоянного тока посредством контактного провода в качестве линии передачи энергии, рельса, и вагона (не показан), например, поезда. В этой электрической линии 1 постоянного тока, контактный провод является электрической линией с некоторым потенциалом на стороне положительного электрода и имеет положительный электрод 1а в качестве первого электрода. Рельс является электрической линией с некоторым потенциалом на стороне отрицательного электрода и имеет отрицательный электрод 1b в качестве второго электрода.

[0019] К электрической линии 1 постоянного тока подсоединены диодный выпрямитель и вагон, способный к рекуперации (вагон с рекуперативным торможением). Вагон с рекуперативным торможением называется также вагонной нагрузкой.

[0020] Как показано на фиг. 1, устройство 2 накопления энергии в этом варианте осуществления имеет элемент 10 накопления энергии, источник 9 регулируемого напряжения, соединитель с катушкой индуктивности 4, датчик 24 тока, схему 25 управления и т.д.

[0021] Элемент 10 накопления энергии является аккумуляторной батареей, способной заряжаться от электрической линии 1 постоянного тока и разряжаться в нее, и имеет характеристики, близкие к характеристикам источника постоянного напряжения, а именно, так называемой батареи. Элемент 10 накопления энергии может быть, например, конденсатором, имеющим большую электростатическую емкость, а не аккумуляторной батареей.

[0022] Источник 9 регулируемого напряжения подсоединен последовательно между положительным электродом 1а электрической линии 1 постоянного тока и положительным электродом элемента 10 накопления энергии. Источник 9 регулируемого напряжения является преобразователем переменного напряжения в постоянное, который генерирует напряжение, например, посредством преобразования внешнего переменного напряжения в постоянное напряжение, а именно, инверторной схемой. Источник 9 регулируемого напряжения является источником регулируемого напряжения с малоразмерной схемной конфигурацией, способным генерировать постоянное напряжение в диапазоне разности между электрической линией 1 постоянного тока и элементом 10 накопления энергии.

[0023] Соединитель с катушкой индуктивности 4 подсоединен к схеме между положительным электродом 1а электрической линии 1 постоянного тока и источником 9 регулируемого напряжения. Соединитель с катушкой индуктивности 4 является катушкой индуктивности (катушкой, изготовленной посредством наматывания изолированного провода в спиральной форме), подсоединенной последовательно между электрической линией 1 постоянного тока и источником 9 регулируемого напряжения для соединения источника 9 регулируемого напряжения с электрической линией 1 постоянного тока, и обеспеченной для устранения пульсаций, содержащихся в токе от источника 9 регулируемого напряжения. Датчик 24 тока подсоединен к схеме между соединителем с катушкой индуктивности 4 и источником 9 регулируемого напряжения. Датчик 24 тока регистрирует ток, протекающий через соединитель с катушкой индуктивности 4.

[0024] Схема 25 управления настраивает разность между выходным напряжением всей схемы (напряжение между положительным электродом 1а и отрицательным электродом 1b электрической линии 1 постоянного тока) и выходным напряжением элемента 10 накопления энергии, с использованием тока, регистрируемого датчиком 24 тока, в результате чего осуществляется управление возбуждением источника 9 регулируемого напряжения так, чтобы устройство 2 накопления энергии могло выдать требуемый ток. Схема 25 управления осуществляет управление возбуждением источника 9 регулируемого напряжения так, чтобы выходное напряжение источника 9 регулируемого напряжения стало меньшим, чем напряжение элемента 10 накопления энергии.

[0025] Управление возбуждением, упомянутое здесь, означает изменение напряжения, генерируемого источником 9 регулируемого напряжения, посредством управления источником 9 регулируемого напряжения. Источник 9 регулируемого напряжения может генерировать как положительное, так и отрицательное напряжение. Следует отметить, что подробная конфигурации источника 9 регулируемого напряжения будет описана в следующем и последующих вариантах осуществления.

[0026] Когда напряжение электрической линии 1 постоянного тока становится большим, чем напряжение элемента 10 накопления энергии, схема 25 управления осуществляет управление возбуждением источника 9 регулируемого напряжения для генерирования отрицательного напряжения. Схема 25 управления дополнительно осуществляет управление возбуждением источника 9 регулируемого напряжения так, чтобы выходное напряжение источника 9 регулируемого напряжения стало меньшим, чем напряжение элемента 10 накопления энергии.

[0027] В первом варианте осуществления, когда происходит изменение нагрузки или изменение напряжения в электрической линии 1 постоянного тока, изменяющаяся нагрузка или напряжение регистрируются в виде тока датчиком 24 тока. Таким образом, схема 25 управления осуществляет управление возбуждением источника 9 регулируемого напряжения для настройки разности между выходными напряжениями электрической линии 1 постоянного тока и элемента 10 накопления энергии согласно току, зарегистрированному датчиком 24 тока, и, посредством этого, заставляет источник 9 регулируемого напряжения генерировать напряжение, соответствующее этому изменению (избытку или недостатку), таким образом, обеспечивается возможность стабильной подачи энергии в электрическую линию 1 постоянного тока.

[0028] Как описано выше, согласно первому варианту осуществления малоразмерный источник 9 регулируемого напряжения, способный генерировать постоянное напряжение в диапазоне разности между электрической линией 1 постоянного тока и элементом 10 накопления энергии, установлен в устройстве 2 накопления энергии, и схема 25 управления осуществляет управление возбуждением источника 9 регулируемого напряжения для генерирования постоянного напряжения в диапазоне этой разности, что позволяет уменьшить размер всего устройства 2 накопления энергии, включающего в себя источник 9 регулируемого напряжения, и при этом справиться с изменением напряжения или изменением нагрузки контактного провода системы питания постоянным током, и улучшить управляемость средства накопления энергии и при этом уменьшить стоимость введения этого средства в устройство накопления энергии.

[0029] Следовательно, конструирование вышеупомянутого устройства 2 накопления энергии позволяет управлять током в соединителе с катушкой индуктивности 4 согласно командам тока и уменьшить энергоемкость источника 9 регулируемого напряжения, поскольку источник 9 регулируемого напряжения должен генерировать в это время только энергию, соответствующую разности между напряжением выходной точки и выходным напряжением элемента 10 накопления энергии.

[0030] (Второй вариант осуществления)

Далее, со ссылкой на фиг. 2-5 будут описаны варианты осуществления со второго по шестой, в которых реализован первый вариант осуществления. Прежде всего, со ссылкой на фиг. 2 будет описан второй вариант осуществления. Следует отметить, что во втором и последующих вариантах осуществления те же самые конфигурации, что и конфигурации в первом варианте осуществления, будут обозначены теми же самыми ссылочными позициями, что и в первом варианте осуществления, и их описание будет опущено.

Как показано на фиг. 2, второй вариант осуществления имеет первый выключатель 3, полупроводниковый выключатель 5, датчик 6 напряжения, источник 9 регулируемого напряжения, контактор 11, второй выключатель 12, плавкий предохранитель 13, первый датчик 20 напряжения, блок 22 регистрации состояния элемента накопления энергии в качестве блока регистрации состояния, диод 23 и т.д.

[0031] Первый выключатель 3 подсоединен между электрической линией 1 постоянного тока и элементом 10 накопления энергии, и схема 25 управления управляет открыванием первого выключателя 3 для разделения электрической линии 1 постоянного тока и элемента 10 накопления энергии. Датчик 6 напряжения регистрирует напряжение между выходными концами устройства 2 накопления энергии. Первый датчик 20 напряжения регистрирует напряжение на стороне электрической линии 1 постоянного тока.

[0032] Второй выключатель 12 подсоединен к схеме между источником 10 регулируемого напряжения и элементом 9 накопления энергии. Плавкий предохранитель 13 подсоединен между вторым выключателем 12 и источником 10 напряжения. Следует отметить, что обеспечение плавкого предохранителя 13 является несущественным, но предпочтительным для дополнительного улучшения безопасности схемы.

[0033] Контактор 11 соединен с отрицательным электродом элемента 10 накопления энергии. Обеспечение контактора 11 является несущественным, но предпочтительным, как и в случае вышеупомянутого плавкого предохранителя 13.

[0034] Блок 22 регистрации состояния элемента накопления энергии регистрирует состояния (состояние заряда -(SOC), температуру и т.д.) элемента 10 накопления энергии. Схема 25 управления осуществляет управление возбуждением источника 9 регулируемого напряжения согласно состояниям SOC и температуры элемента 10 накопления энергии, регистрируемым блоком 22 регистрации состояния элемента накопления энергии.

[0035] Более конкретно, когда состояния SOC и температуры элемента 10 накопления энергии являются более высокими, чем заданные пороговые значения (уровни при нормальном возбуждении), установленные заранее, генерируемое напряжение источника 9 регулируемого напряжения подавляется (уменьшается) в направлении снижения SOC или температуры. Первый датчик 20 напряжения регистрирует напряжение электрической линии 1 постоянного тока (напряжение между положительным электродом 1а и отрицательным электродом 1b).

[0036] Диод 23 имеет катодный конец, подсоединенный к схеме между соединителем с катушкой индуктивности 4 и источником 9 регулируемого напряжения, и анодный конец, подсоединенный к схеме на стороне отрицательного электрода элемента 10 накопления энергии. Короче говоря, диод 23 установлен между электродами элемента 10 накопления энергии.

[0037] Установка диода 23 между электродами элемента 10 накопления энергии делает возможным подавление увеличения напряжения конденсатора в третьей схеме 21 и защиту схемы от перенапряжения при замыкании на землю. Кроме того, например, могут быть подсоединены диоды 23 и резисторный элемент, подсоединенный последовательно с диодом 23.

[0038] Датчик 6 напряжения подсоединен между первым выключателем 3 и элементом 10 накопления энергии и регистрирует напряжение на стороне элемента 10 накопления энергии между первым выключателем 3 и элементом 10 накопления энергии.

[0039] Полупроводниковый выключатель 5 подсоединен между положительным электродом 1а электрической линии 1 постоянного тока и источником 9 регулируемого напряжения и может пропускать ток в положительном направлении (прямом направлении) и/или обратном направлении и выключать протекание тока, под управлением схемы 25 управления. Другими словами, полупроводниковый выключатель 5 может переключаться между тремя состояниями, такими как состояние, в котором ток проходит в одном из прямого и обратного направлений, состояние, в котором ток проходит в обоих направлениях, и состояние выключения, в котором ток не проходит ни в одном из направлений.

[0040] Источник 9 регулируемого напряжения включает в себя первый блок 17 регистрации тока, второй датчик 8 напряжения, множество первых схем 14, соединенных со стороной положительного электрода электрической линии 1 постоянного тока, множество вторых схем 16, подсоединенных параллельно элементу 10 накопления энергии, трансформатор 15 и т.д.

[0041] Источник 9 регулируемого напряжения соединен последовательно с элементом 10 накопления энергии, и схема 25 управления изменяемым образом управляет напряжением, выдаваемым источником 9 регулируемого напряжения, для управления посредством этого током, который должен проходить к стороне электрической линии 1 постоянного тока.

[0042] Множество третьих схем 21, соединенных с трансформатором 15, обеспечено для первых схем 14, соответственно, и они подсоединены параллельно. Третья схема 21 имеет переключающий элемент, конденсатор, катушку индуктивности 18 и т.д.

[0043] Третья схема 21 является однофазной мостовой схемой, и, например, для этого используется IGBT-элемент и т.п. Элемент, образующий мостовую схему, не ограничивается IGBT-элементом, а может быть, например, MOSFET.

[0044] Третья схема 21 соединена с трансформатором 15 через катушку индуктивности 18. Конфигурация третьей схемы 21 является такой же, как конфигурация второй схемы 16. Мостовая схема, способная генерировать отрицательное напряжение, обеспечена в схеме на стороне электрической линии 1 постоянного тока третьей схемы 21.

[0045] Подсоединение соединителя с катушкой индуктивности 4 между первым выключателем 3 и источником 9 регулируемого напряжения здесь делает возможным уменьшение скорости нарастания тока (ΔI/Δt) для облегчения выключения первого выключателя 3. Дополнительно, соединитель с катушкой индуктивности 4 образует схему LC-фильтра, вместе с конденсаторами в третьей схеме 21 и второй схеме 16 для подавления гармоник.

[0046] Второй датчик 8 напряжения регистрирует напряжение, выдаваемое элементом 10 накопления энергии. Схема 25 управления управляет зарядом/разрядом элемента 10 накопления энергии посредством изменения генерируемого напряжения источника 9 регулируемого напряжения так, чтобы выходное напряжение элемента 10 накопления энергии, зарегистрированное вторым датчиком 8 напряжения, достигло заданного порогового значения напряжения заряда/разряда, установленного или указанного заранее. Схема 25 управления осуществляет управление возбуждением источника 9 регулируемого напряжения так, чтобы выходное напряжение источника 9 регулируемого напряжения стало меньшим, чем напряжение элемента 10 накопления энергии, зарегистрированное вторым датчиком 8 напряжения.

[0047] Первый блок 17 регистрации тока регистрирует ток, протекающий через элемент 10 накопления энергии. Схема 25 управления настраивает выходное напряжение источника 9 регулируемого напряжения согласно току, зарегистрированному первым блоком 17 регистрации тока, для управления током.

[0048] В то время, когда большой ток течет из элемента 10 накопления энергии, первый блок 17 регистрации тока регистрирует ток, и схема 25 управления осуществляет управление возбуждением источника 9 регулируемого напряжения для подавления тока, посредством чего обеспечивается возможность предотвращения расплавления плавкого предохранителя 13 и открывания второго выключателя 12, для устойчивой и безопасной работы всего устройства 2 накопления энергии.

[0049] Дополнительно, схема 25 управления изменяет выходное напряжение источника 9 регулируемого напряжения для подавления тока, протекающего через элемент 10 накопления энергии, с использованием температуры и SOC элемента 10 накопления энергии, регистрируемых блоком 22 регистрации состояния элемента накопления энергии. Более конкретно, когда зарегистрированное состояние (например, температура) элемента 10 накопления энергии превышает заданное пороговое значение, схема 25 управления осуществляет управление возбуждением для уменьшения генерируемого напряжения источника 9 регулируемого напряжения.

[0050] Схема 25 управления осуществляет управление возбуждением источника 9 регулируемого напряжения согласно SOC элемента 10 накопления энергии, зарегистрированному блоком 22 регистрации состояния элемента накопления энергии. Более конкретно, когда зарегистрированное SOC элемента 10 накопления энергии превышает заданное пороговое значение (например, 90%), схема 25 управления осуществляет управление возбуждением для уменьшения генерируемого напряжения источника 9 регулируемого напряжения.

[0051] Это делает возможным уменьшение тока согласно управляющему значению SOC и температуры элемента 10 накопления энергии для защиты элемента 10 накопления энергии от перенапряжения (перегрева).

[0052] С другой стороны, в электрической линии 1 постоянного тока может произойти короткое замыкание, в зависимости от индуктивности соединителя с катушкой индуктивности 4 и емкости элемента 10 накопления энергии.

[0053] Было обнаружено, что в вышеупомянутом случае имеет место явление, состоящее в том, что первый выключатель 3 не может зарегистрировать избыточный ток и поэтому не может выключить выброс тока. Таким образом, второй датчик 24 тока регистрирует скорость изменения тока, протекающего через электрическую линию 1 постоянного тока, и выключатель 3 размыкается для выключения тока.

[0054] Дополнительно, полупроводниковый выключатель 5 может быть установлен для выключения тока, протекающего через схему, соединенную с полупроводниковым выключателем 5. Полупроводниковый выключатель 5 может выключать ток быстрее и поэтому подавляет выброс тока.

[0055] Конденсатор 19 может быть установлен между стороной положительного электрода на электрической линии 1 постоянного тока, с которой соединен источник 9 регулируемого напряжения, и стороной отрицательного электрода элемента 10 накопления энергии, для увеличения тока короткого замыкания, протекающего через первый выключатель 3, посредством тока, текущего от конденсатора 19, для автоматического выключения первого выключателя 3 избыточным током.

[0056] Дополнительно, для защиты от перенапряжения, осуществляемой на основе напряжений, регистрируемых первым датчиком 20 напряжения и вторым датчиком 8 напряжения, полупроводниковый выключатель 5 может выключать ток, протекающий через схему. Дополнительно, открывание/закрывание механических выключателей, таких как первый выключатель 3 и второй выключатель 12, после операции полупроводникового выключателя 5, обеспечивает операцию выключения без выключения тока, что обеспечивает, таким образом, преимущество, состоящее в том, что контактор 11 с меньшей долей вероятности станет шероховатым.

[0057] Дополнительно, потери источника 9 регулируемого напряжения увеличиваются, если операция переключения источника 9 регулируемого напряжения выполняется все время, поэтому операция переключения источника 9 регулируемого напряжения должна быть остановлена, когда заряд/разряд является ненужным.

[0058] Однако, когда операция источника 9 регулируемого напряжения останавливается в конфигурации фиг. 2, элемент 10 накопления энергии может быть прямо соединенным с электрической линией 1 постоянного тока, что приводит к тому, что током, протекающим через элемент 10 накопления энергии, невозможно больше управлять.

[0059] В этом втором варианте осуществления, поскольку схема 25 управления управляет источником 9 регулируемого напряжения, соединенным последовательно с элементом 10 накопления энергии, для генерирования отрицательного напряжения, когда напряжение электрической линии 1 постоянного тока становится меньшим, чем напряжение элемента 10 накопления энергии, током, протекающим через электрическую линию 1 постоянного тока, можно управлять, заставляя источник 9 регулируемого напряжения генерировать отрицательное напряжение в этом втором варианте осуществления, тогда как общепринятая схема повышающего прерывателя имеет проблему, состоящую в токе, протекающем через электрическую линию 1 постоянного тока через диод противотока повышающего прерывателя без управления.

[0060] Протекание тока без управления является синонимом невозможности управления током, протекающим через элемент 10 накопления энергии, и можно предотвратить расплавление плавкого предохранителя 13, соединенного с элементом 10 накопления энергии, и расцепить второй выключатель 12 подобно тому, как было указано выше.

[0061] Для предотвращения неуправляемого состояния в общепринятом средстве накопления энергии напряжение элемента 10 накопления энергии должно быть установлено меньшим, чем наименьшее напряжение, которое может быть сгенерировано в электрической линии 1 постоянного тока, так что элемент 10 накопления энергии должен быть настроен на низкое напряжение. Это требует схемы усиления большого тока для разряда тока в электрическую линию 1 постоянного тока, и, в результате, требует, как само собой разумеющееся, заряда/разряда в устойчивом состоянии при высоком напряжении электрической линии 1 постоянного тока, что приводит к необходимости высоковольтной схемы с большими токами, которая увеличивает размер устройства.

[0062] Следовательно, в этом втором варианте осуществления использование элемента 10 накопления энергии с высоким напряжением для заряда/разряда может уменьшить размер схемы заряда/разряда. В этом случае желательно установить соотношение между напряжением элемента 10 накопления энергии и выходным напряжением источника 9 регулируемого напряжения так, чтобы источник 9 регулируемого напряжения выдавал напряжение, меньшее, чем напряжение элемента 10 накопления энергии, для уменьшения размера источника 9 регулируемого напряжения.

[0063] Поскольку в этом втором варианте осуществления установлен полупроводниковый выключатель 5, схема 25 управления выключает полупроводниковый выключатель 5 и посредством этого разделяет сторону электрической линии 1 постоянного тока и источник 9 регулируемого напряжения для выключения прохождения тока и одновременно осуществляет управление возбуждением источника 9 регулируемого напряжения для остановки возбуждения источника 9 регулируемого напряжения, в результате чего останавливается операция переключения источника 9 регулируемого напряжения.

[0064] Условиями остановки операции переключения источника 9 регулируемого напряжения являются ток и напряжение. Схема 25 управления останавливает возбуждение источника 9 регулируемого напряжения в момент времени, когда зарегистрированное значение тока, выдаваемого элементом 10 накопления энергии, зарегистрированное датчиком 17 тока, падает в пределах заданного диапазона, в момент времени, когда ток, выдаваемый элементом 10 накопления энергии в электрическую линию 1 постоянного тока, зарегистрированный датчиком 24 тока, падает в пределах заданного диапазона, или в момент времени, когда напряжение элемента 10 накопления энергии, зарегистрированное датчиком 8 напряжения, падает в пределах заданного диапазона.

[0065] Источник 9 регулируемого напряжения дополнительно снабжен блоком 28 регистрации состояния нагрузки. Блок 28 регистрации состояния нагрузки контролирует температуру элементов, образующих источник 9 регулируемого напряжения, и ток и напряжение, выдаваемые источником 9 регулируемого напряжения, и определяет его состояние нагрузки (рабочее состояние). Информация о состоянии нагрузки выводится к схеме 25 управления. Схема 25 управления осуществляет управление возбуждением так, чтобы напряжение, выдаваемое источником 9 регулируемого напряжения, изменялось согласно заданному пороговому значению состояния нагрузки.

[0066] Когда скорости изменения тока, зарегистрированного датчиками 17, 24 тока, превышают заданные значения, схема 25 управления выключает по меньшей мере один из полупроводникового выключателя 5 и выключателя 3.

[0067] Полупроводниковый выключатель 5 дополнительно выполнен так, чтобы два полупроводниковых переключателя (полупроводниковый переключатель 51 и полупроводниковый переключатель 52) были подсоединены противоположно, как показано на фиг. 5, для образования функции управления током в одном направлении, в обоих направлениях, и выключения, так что схема 25 управления переключает элемент, подлежащий управлению, согласно направлениям тока заряда и тока разряда элемента 10 накопления энергии.

[0068] В этом случае, например, во время заряда, полупроводниковый переключатель 52 включен, а полупроводниковый переключатель 51 выключен. Напротив, во время разряда, полупроводниковый переключатель 51 включен, а полупроводниковый переключатель 52 выключен. Благодаря тому, что полупроводниковые переключатели 51, 52 заставляют выполнять такие операции, ток заряда протекает через элемент 10 накопления энергии, когда напряжение электрической линии 1 постоянного тока является большим, чем напряжение на стороне источника 9 регулируемого напряжения полупроводникового выключателя 5, а именно, напряжение, получаемое посредством добавления напряжения источника 9 регулируемого напряжения к напряжению элемента 10 накопления энергии, например, во время заряда.

[0069] Кроме того, когда напряжение электрической линии 1 постоянного тока становится меньшим, ток заряда в обратном направлении блокируется диодом полупроводникового переключателя 51 и больше не течет.

[0070] Подобным образом, во время разряда схема 25 управления делает напряжение на стороне элемента 10 накопления энергии большим, чем напряжение электрической линии 1 постоянного тока посредством управления возбуждением источника 9 регулируемого напряжения для разряда энергии, аккумулированной в элементе 10 накопления энергии, в электрическую линию 1 постоянного тока. В этом событии полупроводниковый переключатель 51 включается, а полупроводниковый переключатель 52 выключается, схемой 25 управления. Таким образом, ток из устройства 2 накопления энергии протекает через электрическую линию 1 постоянного тока.

[0071] Напротив, когда напряжение электрической линии 1 постоянного тока становится большим, чем напряжение устройства 2 накопления энергии, ток разряда блокируется диодом полупроводникового переключателя 52 и больше не течет. Таким образом, полупроводниковый выключатель 5 используется для управления зарядом/разрядом.

[0072] С другой стороны, когда происходит короткое замыкание электрической линии 1 постоянного тока, напряжение конденсатора в третьей схеме 21 иногда увеличивается и генерирует перенапряжение. Возникновение перенапряжения вызывает пробой элементов и делает невозможным продолжение работы при последующем перезапуске.

[0073] Поэтому в этом варианте осуществления установлен диод 23 для подавления увеличения напряжения конденсатора в третьей схеме 21, в результате чего обеспечивается возможность применения переключающего элемента с низким выдерживаемым напряжением в третьей схеме 21 для уменьшения потерь при переключениях источника 9 регулируемого напряжения и обеспечивается возможность увеличения частоты переключений для уменьшения размера трансформатора 15. Также становится возможным подавление шума посредством высокочастотного переключения.

[0074] Следует отметить, что конфигурация схемы, в которой нагрузка, такая как резистор, соединена последовательно с диодом 23, может быть использована для потребления энергии, аккумулированной в соединителе с катушкой индуктивности 4, резистором.

[0075] В этой конфигурации схемы в качестве переключающего элемента источника 9 регулируемого напряжения может быть применен IGBT-элемент или MOSFET, и может быть использовано SiC-устройство для уменьшения потерь и уменьшения размера развязывающего трансформатора.

[0076] В случае использования SiC-устройства, если используется модуль, имеющий SiC-элемент (кристалл) с большой площадью, через которую может протекать большой ток, то модуль становится дорогостоящим, поскольку сам SiC-элемент имеет плохую производительность.

[0077] По этой причине множество SiC-элементов с малой площадью и высокой производительностью, а именно, SiC-модули с малой допустимой токовой нагрузкой соединены параллельно для обеспечения допустимой токовой нагрузки, в результате чего реализуется источник 9 регулируемого напряжения, недорогой и меньший в размере, чем общепринятая схема повышающего прерывателя с использованием IGBT-элемента.

[0078] Здесь будет описана функция управления схемы 25 управления.

Схема 25 управления выдает команду для заряда/разряда источника 9 регулируемого напряжения на основе состояний элемента 10 накопления энергии (температуры и SOC элемента накопления энергии) и на основе напряжения электрической линии 1 постоянного тока, для осуществления посредством этого управления напряжением и управления током источника 9 регулируемого напряжения.

[0079] Схема 25 управления отдает команду для напряжения, которое элемент 10 накопления энергии должен выдать, согласно состоянию, например, SOC элемента 10 накопления энергии. Что касается команды для напряжения, команды для напряжения, которые являются разными для разряда и заряда, могут непрерывно отдаваться одновременно. Следует отметить, что схема 25 управления может управлять током или энергией, которые элемент 10 накопления энергии должен выдать, на основе напряжения электрической линии 1 постоянного тока и SOC элемента 10 накопления энергии.

[0080] Следует отметить, что схема 25 управления установлена за пределами источника 9 регулируемого напряжения в примере на фиг. 2 и может быть установлена в пределах источника 9 регулируемого напряжения, и функция схемы 25 управления может быть поделена между блоком команд заряда/разряда и блоком управления преобразователем, так что блок команд заряда/разряда может быть установлен за пределами источника 9 регулируемого напряжения, а блок управления преобразователем может быть установлен в пределах источника 9 регулируемого напряжения.

[0081] Дополнительно, схема 25 управления может выдать управляющую команду уменьшения тока элемента 10 накопления энергии. Это является уменьшающим сигналом для подавления тока, протекающего через элемент 10 накопления энергии, когда температура элемента 10 накопления энергии увеличивается за пределы или уменьшается ниже заданного диапазона. Это позволяет использовать элемент 10 накопления энергии без повышенного старения.

[0082] Дополнительно, когда выдаваемый ток или энергия, или напряжение, выдаваемое элементом 10 накопления энергии, становится величиной в заданном диапазоне, возбуждение (операция переключения) источника 9 регулируемого напряжения останавливается для подавления потерь источника 9 регулируемого напряжения, в результате чего обеспечивается возможность образования отдельно обеспечиваемого охладителя (не показан) в источнике 9 регулируемого напряжения, с низкой радиационной способностью для уменьшения размера.

[0083] Следует отметить, что схема, образованная из второй схемы 16, третьей схемы 21, и трансформатора 15, в этом варианте осуществления может быть образована с использованием LC-резонансной схемы, составленной из катушки индуктивности L и конденсатора C, что является общеизвестной технологией.

[0084] Как описано выше, согласно второму варианту осуществления источник 9 регулируемого напряжения должен генерировать только энергию (выдать энергию заряда/разряда), соответствующую выходному напряжению источника 9 регулируемого напряжения, подлежащему добавлению к напряжению элемента 10 накопления энергии (напряжение, равное разности между напряжением электрической линии 1 постоянного тока и напряжением элемента 10 накопления энергии), может быть использован источник 9 регулируемого напряжения с низкими номинальными параметрами, и может быть образована схема заряда/разряда, уменьшенная в размере по сравнению со схемой заряда/разряда в стандартном режиме повышающего прерывателя.

[0085] Другими словами, источник 9 регулируемого напряжения, такой как инвертор, требуемый для заряда/разряда элемента 10 накопления энергии, может быть уменьшен в размере, и может быть уменьшен шум элемента 10 накопления энергии, и непрерывность работы, требуемая для работы в качестве средства-источника накопления энергии, может поддерживаться даже после события замыкания на землю на стороне питания постоянным током.

[0086] Следовательно, введение малоразмерного устройства накопления энергии улучшает безопасность и улучшает управляемость средства накопления энергии и при этом позволяет справиться с изменением нагрузки и изменением напряжения контактного провода.

[0087] (Третий вариант осуществления)

Третий вариант осуществления будет описан со ссылкой на фиг. 3. Третий вариант осуществления является конфигурацией, позволяющей справиться со случаем, когда потенциал на стороне отрицательного электрода электрической линии 1 постоянного тока является меньшим, чем потенциал земли. Более конкретно, третий вариант осуществления является случаем, когда потенциал на электрической линии 1b на стороне отрицательного электрода электрической линии 1 постоянного тока является меньшим, чем потенциал земли в схеме, показанной на фиг. 3.

[0088] Как показано на фиг. 3, третий вариант осуществления включает в себя конденсатор 19, датчик 30 напряжения, третий выключатель 31, делящий напряжение резистор 32, и катушку индуктивности 34.

[0089] Конденсатор 19 установлен между электродами элемента 10 накопления энергии, как и в случае диода 23. Конденсатор 19 имеет один конец, соединенный со схемой между соединителем с катушкой индуктивности 4 и источником 9 регулируемого напряжения, и другой конец, соединенный со схемой на стороне отрицательного электрода элемента 10 накопления энергии. Дополнительно, конденсатор 19 подсоединен между электродами элемента 10 накопления энергии для образования LC-фильтра вместе с соединителем с катушкой индуктивности 4 для подавления посредством этого гармоник.

[0090] Конкретно, гармоники, генерируемые на стороне элемента 10 накопления энергии второй схемой 16, возможно, проходят через плавкий предохранитель 13 и обеспечивают старение плавкого предохранителя 13. Таким образом, LC-фильтр, образованный как в третьем варианте осуществления, подавляет ток гармоник, в результате чего предотвращается расплавление плавкого предохранителя 13.

[0091] Обычно, когда протекает ток гармоник, должен быть использован плавкий предохранитель 13 с высокими номинальными параметрами, для предотвращения перегорания плавкого предохранителя 13 и продления срока службы плавкого предохранителя 13. Образование LC-фильтра, описанного выше, для подавления гармоник, позволяет использовать плавкий предохранитель 13 с низкими номинальными параметрами, что способствует уменьшению размера и стоимости устройства.

[0092] Два датчика 30 напряжения обеспечены между положительным электродом 1а и отрицательным электродом 1b электрической линии 1 постоянного тока, а точка 30а заземления обеспечена между датчиками 30 напряжения. Следует отметить, что датчики 30 напряжения предназначены для регистрации потенциалов электродов относительно точки 30а заземления, соответственно, и разность потенциалов между положительным электродом и отрицательным электродом электрической линии 1 постоянного тока может быть прямо измерена без заземления.

[0093] Делящий напряжение резистор 32 делит выходное напряжение устройства 2 накопления энергии, и его точка 32а деления напряжения заземлена. Третий выключатель 31 соединен со стороной отрицательного электрода электрической линии 1 постоянного тока. Катушка индуктивности 34 соединена со схемой между стороной отрицательного электрода электрической линии 1 постоянного тока и стороной отрицательного электрода элемента 10 накопления энергии. Эта катушка индуктивности 34 является такой же, что и соединитель с катушкой индуктивности 4, установленный на стороне положительного электрода.

[0094] В третьем варианте осуществления, когда потенциал на стороне отрицательного электрода электрической линии 1 постоянного тока является меньшим, чем потенциал земли, датчики 30 напряжения регистрируют напряжения, деленные делящим напряжение резистором 32, и уведомляют схему 25 управления об этих напряжениях, и схема 25 управления управляет третьим выключателем 31 для выключения схемы на стороне отрицательного электрода электрической линии 1 постоянного тока, в результате чего схема нормально выключается при протекании избыточного тока.

[0095] Схема 25 управления выключает третий выключатель 31, когда скорости изменения токов, регистрируемых датчиками 17, 24 тока, превышают заданные значения.

[0096] Согласно этому третьему варианту осуществления, можно справиться со случаем, когда потенциал на стороне отрицательного электрода электрической линии 1 постоянного тока является меньшим, чем потенциал земли, без использования полупроводникового выключателя.

[0097] Следует отметить, что схема, образованная из второй схемы 16, третьей схемы 21, и трансформатора 15, в этом варианте осуществления может быть образована с использованием LC-резонансной схемы, составленной из катушки индуктивности L и конденсатора C, что является общеизвестной технологией.

[0098] (Четвертый вариант осуществления)

Четвертый вариант осуществления будет описан со ссылкой на фиг. 4. Четвертый вариант осуществления включает в себя второй источник 26 энергии. Второй источник 26 энергии соединен с третьей схемой 21 через трансформатор 15. В этом случае подача энергии от второго источника 26 энергии к источнику 9 регулируемого напряжения осуществляется так, что источник 9 регулируемого напряжения генерирует энергию, подлежащую вводу/выводу на сторону электрической линии 1 постоянного тока/со стороны электрической линии 1 постоянного тока.

[0099] Третья схема 21 является схемой трехфазного инвертора, и трансформатор 15 и второй источник 26 энергии также являются трехфазными. Использование не однофазных вышеупомянутых элементов, а трехфазных, как описано выше, позволяет подавить пульсации конденсатора в третьей схеме 21. Это делает возможным увеличение постоянного напряжения, которое источник 9 регулируемого напряжения может выдать на сторону электрической линии 1 постоянного тока, при уменьшении емкости конденсатора, таким образом, реализуется малоразмерная схема.

[0100] Дополнительно, третья схема 21, используемая в этом примере, является схемой, способной осуществлять обратное преобразование, и может увеличивать максимальную способность к рекуперации, поскольку рекуперативная энергия для источника питания переменного тока добавляется к входной энергии для устройства 2 накопления энергии, как рекуперативная энергия из электрической линии 1 постоянного тока для устройства 2 накопления энергии. Это может способствовать уменьшению в размере устройства в применении, в котором номинальные параметры устройства выбирают в зависимости от величины рекуперативной энергии.

[0101] Согласно четвертому варианту осуществления взятие энергии, подлежащей подаче на источник 9 регулируемого напряжения, генерирующий постоянное напряжение, в виде трехфазного переменного тока от внешнего второго источника 26 энергии, способствует уменьшению в размере устройства в применении, в котором номинальные параметры устройства выбирают в зависимости от величины рекуперативной энергии.

[0102] (Пятый вариант осуществления)

Схема 25 управления осуществляет управление возбуждением источника 9 регулируемого напряжения согласно току, регистрируемому датчиком 24 тока в конфигурации схемы устройства 2 накопления энергии, показанной на фиг. 1, и может осуществлять управление возбуждением источника 9 регулируемого напряжения с учетом также элементов, отличных от тока. Примеры этого будут описаны ниже.

[0103] Схема 25 управления в первом примере имеет вычитатель 41 и пропорционально-интегральный регулятор 42 (далее называемый «PI-регулятором 42»), как показано на фиг. 6.

[0104] Вычитатель 41 принимает разность между командой S1 тока, вводимой из системы более высокого уровня (не показана) и т.п., и зарегистрированным током S2, зарегистрированным датчиком 24 тока, и выдает сигнал S3 отклонения тока для PI 42.

[0105] Следует отметить, что то, что введено из системы более высокого уровня в схему 25 управления, в некоторых случаях является не командой S1 тока, а командой питания, и в этом случае команда питания преобразуется в команду S1 тока посредством деления команды питания на напряжение в выходной точке.

[0106] PI-регулятор 42 генерирует команду S4 регулируемого напряжения с использованием введенного сигнала S3 отклонения тока, и выдает команду S4 регулируемого напряжения для источника 9 регулируемого напряжения. Следует отметить, что здесь используется пропорционально-интегральный регулятор 42, но может быть использован пропорционально-интегрально-дифференциальный регулятор (PID-регулятор).

[0107] Схема 25 управления во втором примере имеет вычитатель 41, пропорциональный регулятор 43 (далее называемый «P-регулятором 43»), сумматор 44, и вычитатель 45, как показано на фиг. 7.

[0108] Вычитатель 41 принимает разность между командой S1 тока, вводимой из системы более высокого уровня (не показана) и т.п., и зарегистрированным током S2, зарегистрированным датчиком 24 тока, и выдает сигнал S3 отклонения тока для P-регулятора 43.

[0109] P-регулятор 43 умножает введенный сигнал S3 отклонения тока на предопределенный коэффициент усиления для генерирования сигнала S5 отклонения тока, и выдает сигнал S5 отклонения тока для сумматора 44.

[0110] Сумматор 44 суммирует введенный сигнал S5 отклонения тока с выходным напряжением всего устройства 2 накопления энергии (далее называемым «напряжением V1 выходной точки»), зарегистрированным датчиком 6 напряжения, для генерирования первого сигнала S6, и выдает первый сигнал S6 для вычитателя 45.

[0111] Вычитатель 45 принимает разность между введенным первым сигналом S6 и выходным напряжением V2 элемента 10 накопления энергии, зарегистрированным вторым датчиком 8 напряжения, для генерирования команды S4 регулируемого напряжения, и выдает команду S4 регулируемого напряжения для источника 9 регулируемого напряжения.

[0112] Согласно пятому варианту осуществления схема 25 управления выполнена, как описано выше, для осуществления управления возбуждением источника 9 регулируемого напряжения с учетом не только тока, протекающего через соединитель с катушкой индуктивности 4, но и команды S1 тока из системы более высокого уровня, напряжения V1 выходной точки, и выходного напряжения V2 элемента 10 накопления энергии, и может, таким образом, управлять источником 9 регулируемого напряжения с более высокой точностью. Дополнительно, можно преодолеть нестабильность выходного сигнала схемы, возникающую в начальной операции.

[0113] Следует отметить, что конфигурация схемы 25 управления в этом пятом варианте осуществления является применимой не только к первому варианту осуществления, но и к другим вариантам осуществления со второго по четвертый.

[0114] (Шестой вариант осуществления)

Предполагается, что электрическая линия 1 постоянного тока является, например, питающей линией и рельсом электрической железной дороги постоянного тока, в каждом из вариантов осуществления, показанных на фиг. 1-4, и электрическая линия 1 постоянного тока электрической железной дороги постоянного тока не ограничена только такой конфигурацией, а также может быть выполнена так, что обратный ток не протекает через этот рельс, а протекает через рельс, предназначенный для обратной линии, который обеспечен отдельно от этого рельса, в некоторых случаях. В отличие от вышеупомянутого электрическая линия 1 постоянного тока может быть шиной постоянного тока, в которой, например, множественные элементы для генерирования солнечной энергии соединены параллельно, и электрическая линия 1 постоянного тока включает в себя их линии.

[0115] Каждый из вариантов осуществления, показанных на фиг. 1-4, является примером, в котором отрицательный электрод элемента 10 накопления энергии соединен со стороной отрицательного электрода 1b электрической линии 1 постоянного тока, но сторона положительного электрода элемента 10 накопления энергии может быть соединена со стороной положительного электрода электрической линии 1 постоянного тока, и сторона отрицательного электрода источника 9 регулируемого напряжения может быть соединена со стороной отрицательного электрода электрической линии 1 постоянного тока.

[0116] В этом случае, выдерживаемое напряжение между выводом элемента, используемого для источника 9 регулируемого напряжения, и землей, может быть уменьшено. Кроме того, когда выдерживаемое напряжение между выводом элемента и землей может быть не выдержано, каждое ребро охлаждения для охлаждения элемента должно быть изолировано для изолирования этого потенциала от земли. Приближение потенциала на стороне источника 9 регулируемого напряжения к потенциалу земли устраняет потребность в изолировании ребра охлаждения, в результате чего уменьшается размер источника 9 регулируемого напряжения, включающего в себя ребро охлаждения.

[0117] Согласно этому шестому варианту осуществления можно уменьшить выдерживаемое напряжение между выводом элемента, используемого для источника 9 регулируемого напряжения, и землей, посредством соединения стороны положительного электрода элемента 10 накопления энергии со стороной положительного электрода электрической линии 1 постоянного тока и соединения стороны отрицательного электрода источника 9 регулируемого напряжения со стороной отрицательного электрода электрической линии 1 постоянного тока.

[0118] Согласно по меньшей мере одному из описанных выше вариантов осуществления можно реализовать устройство 2 накопления энергии, способное уменьшить размер и шум средства для соединения элемента 10 накопления энергии и электрической линии 1 постоянного тока и способное продолжать работу даже после возникновения замыкания на землю в электрической линии 1 постоянного тока.

[0119] В то время как были описаны некоторые варианты осуществления, эти варианты осуществления были представлены только в качестве примеров, и не предназначены для ограничения объема настоящего изобретения. Действительно, новые варианты осуществления, описанные здесь, могут быть осуществлены во многих других формах; кроме того, различные опущения, замены и изменения в форме вариантов осуществления, описанных здесь, могут быть реализованы, не выходя за рамки сущности настоящего изобретения. Сопутствующая формула изобретения и ее эквиваленты, как предполагается, охватывают такие формы или модификации, попадающие в пределы объема и сущности настоящего изобретения. Следует отметить, что описанное выше устройство накопления энергии может быть использовано посредством установки его на линии передачи электроэнергии постоянного тока (или соединения с ней) системы генерирования солнечной энергии, такой как солнечная мега-система.

ОБЪЯСНЕНИЕ ССЫЛОЧНЫХ ПОЗИЦИЙ

[0120] 1 - электрическая линия постоянного тока, 1а - положительный электрод, 1b - отрицательный электрод, 1b - электрическая линия, 2 - устройство накопления энергии, 3 - первый выключатель, 4 - соединитель с катушкой индуктивности, 5 - полупроводниковый выключатель, 6 - датчик напряжения, 8 - второй датчик напряжения, 9 - источник регулируемого напряжения, 10 - элемент накопления энергии, 11 - контактор, 12 - второй выключатель, 13 - плавкий предохранитель, 14 - первая схема, 15 - трансформатор, 16 - вторая схема, 17 - блок регистрации тока, 17 - конденсатор, 18 - катушка индуктивности, 19 - конденсатор, 20 - датчик напряжения, 21 - третья схема, 22 - блок регистрации состояния элемента накопления энергии, 23 - диод, 24 - второй датчик тока, 25 - схема управления, 26 - второй источник энергии, 30 - первый датчик напряжения, 30а - точка заземления, 31 - третий выключатель, 32 - делящий напряжение резистор, 34 - катушка индуктивности, 41 - вычитатель, 42 - пропорционально-интегральный регулятор (PI-регулятор), 43 - пропорциональный регулятор (P-регулятор), 44 - сумматор, 45 - вычитатель, 51, 52 - полупроводниковый переключатель.

Использование: в области электротехники. Технический результат - обеспечение устройства накопления энергии, способного улучшить безопасность и улучшить управляемость средства накопления энергии и при этом справиться с изменением нагрузки и изменением напряжения контактного провода. Устройство накопления энергии в одном варианте осуществления включает в себя элемент накопления энергии, источник регулируемого напряжения, соединитель с катушкой индуктивности, датчик тока и схему управления. Элемент накопления энергии соединен с электрической линией постоянного тока, имеющей первый электрод и второй электрод, и выполнен заряжаемым из электрической линии постоянного тока и разряжаемым в нее. Источник регулируемого напряжения подсоединен последовательно между первым электродом электрической линии постоянного тока и положительным электродом элемента накопления энергии и способен генерировать постоянное напряжение в диапазоне разностей между выходными напряжениями электрической линии постоянного тока и элемента накопления энергии. Соединитель с катушкой индуктивности подсоединен между первым электродом электрической линии постоянного тока и источником регулируемого напряжения. Датчик тока регистрирует ток, протекающий через соединитель с катушкой индуктивности. Блок регистрации состояния нагрузки контролирует состояние нагрузки источника регулируемого напряжения. Схема управления управляет источником регулируемого напряжения с использованием тока, регистрируемого датчиком тока, для настройки разности между выходными напряжениями всей схемы и элемента накопления энергии и управляет источником регулируемого напряжения согласно состоянию нагрузки источника регулируемого напряжения, зарегистрированному блоком регистрации состояния нагрузки. 4 н. и 15 з.п. ф-лы, 7 ил.

1. Устройство накопления энергии, содержащее:

элемент накопления энергии, соединенный с электрической линией постоянного тока, имеющей первый электрод и второй электрод, и выполненный заряжаемым из электрической линии постоянного тока и разряжаемым в нее;

источник регулируемого напряжения, подсоединенный последовательно между первым электродом электрической линии постоянного тока и положительным электродом элемента накопления энергии и способный генерировать постоянное напряжение в диапазоне разностей между выходными напряжениями электрической линии постоянного тока и элемента накопления энергии;

соединитель с катушкой индуктивности, подсоединенный между первым электродом электрической линии постоянного тока и источником регулируемого напряжения;

датчик тока, выполненный с возможностью регистрации тока, протекающего через соединитель с катушкой индуктивности;

блок регистрации состояния нагрузки, выполненный с возможностью контроля состояния нагрузки источника регулируемого напряжения; и

схему управления, выполненную с возможностью управления источником регулируемого напряжения с использованием тока, зарегистрированного датчиком тока, для настройки разности между выходными напряжениями всей схемы и элемента накопления энергии и управления источником регулируемого напряжения согласно состоянию нагрузки источника регулируемого напряжения, зарегистрированному блоком регистрации состояния нагрузки.

2. Устройство накопления энергии, содержащее:

элемент накопления энергии, соединенный с электрической линией постоянного тока, имеющей первый электрод и второй электрод, и выполненный заряжаемым из электрической линии постоянного тока и разряжаемым в нее;

источник регулируемого напряжения, подсоединенный последовательно между первым электродом электрической линии постоянного тока и положительным электродом элемента накопления энергии и способный генерировать постоянное напряжение в диапазоне разностей между выходными напряжениями электрической линии постоянного тока и элемента накопления энергии;

соединитель с катушкой индуктивности, подсоединенный между первым электродом электрической линии постоянного тока и источником регулируемого напряжения;

датчик тока, выполненный с возможностью регистрации тока, протекающего через соединитель с катушкой индуктивности; и

схему управления, выполненную с возможностью управления источником регулируемого напряжения с использованием тока, зарегистрированного датчиком тока, для настройки разности между выходными напряжениями всей схемы и элемента накопления энергии так, что ток, протекающий через элемент накопления энергии, имеет некоторое постоянное значение или меньше.

3. Устройство накопления энергии, содержащее:

элемент накопления энергии, соединенный с электрической линией постоянного тока, имеющей первый электрод и второй электрод, и выполненный заряжаемым из электрической линии постоянного тока и разряжаемым в нее;

источник регулируемого напряжения, подсоединенный последовательно между первым электродом электрической линии постоянного тока и положительным электродом элемента накопления энергии и способный генерировать постоянное напряжение в диапазоне разностей между выходными напряжениями электрической линии постоянного тока и элемента накопления энергии;

соединитель с катушкой индуктивности, подсоединенный между первым электродом электрической линии постоянного тока и источником регулируемого напряжения;

датчик тока, выполненный с возможностью регистрации тока, протекающего через соединитель с катушкой индуктивности; и

схему управления, выполненную с возможностью управления источником регулируемого напряжения с использованием тока, зарегистрированного датчиком тока, для настройки разности между выходными напряжениями всей схемы и элемента накопления энергии, причем

схема управления останавливает источник регулируемого напряжения в момент времени, когда зарегистрированное значение тока, выдаваемого элементом накопления энергии, зарегистрированное датчиком тока, падает в пределах заданного диапазона, в момент времени, когда ток, выдаваемый элементом накопления энергии и источником регулируемого напряжения в электрическую линию постоянного тока, зарегистрированный блоком регистрации тока, падает в пределах заданного диапазона, или в момент времени, когда напряжение элемента накопления энергии падает в пределах заданного диапазона.

4. Устройство накопления энергии, содержащее:

элемент накопления энергии, соединенный с электрической линией постоянного тока, имеющей первый электрод и второй электрод, и выполненный заряжаемым из электрической линии постоянного тока и разряжаемым в нее;

источник регулируемого напряжения, подсоединенный последовательно между первым электродом электрической линии постоянного тока и положительным электродом элемента накопления энергии и способный генерировать постоянное напряжение в диапазоне разностей между выходными напряжениями электрической линии постоянного тока и элемента накопления энергии;

соединитель с катушкой индуктивности, подсоединенный между первым электродом электрической линии постоянного тока и источником регулируемого напряжения;

датчик тока, выполненный с возможностью регистрации тока, протекающего через соединитель с катушкой индуктивности; и

схему управления, выполненную с возможностью управления источником регулируемого напряжения с использованием тока, зарегистрированного датчиком тока, для настройки разности между выходными напряжениями всей схемы и элемента накопления энергии, причем

схема управления управляет источником регулируемого напряжения согласно зарегистрированной температуре элемента накопления энергии.

5. Устройство накопления энергии по любому из пп. 1-4, причем

схема управления управляет так, что источник регулируемого напряжения генерирует отрицательное напряжение, когда напряжение электрической линии постоянного тока становится большим, чем напряжение элемента накопления энергии.

6. Устройство накопления энергии по любому из пп. 1-4, причем

схема управления управляет так, что выходное напряжение источника регулируемого напряжения становится меньшим, чем напряжение элемента накопления энергии.

7. Устройство накопления энергии по любому из пп. 1-6, причем

схема управления управляет источником регулируемого напряжения для подавления тока, протекающего через элемент накопления энергии, когда зарегистрированное состояние элемента накопления энергии превышает заданный порог.

8. Устройство накопления энергии по любому из пп. 1-4, причем

схема управления принимает команду питания от системы более высокого уровня и изменяет напряжение, генерируемое источником регулируемого напряжения, на основе команды питания, для управления зарядом/разрядом элемента накопления энергии.

9. Устройство накопления энергии по любому из пп. 1-4, причем

схема управления выдает команду заряда/разряда для источника регулируемого напряжения на основе состояния элемента накопления энергии и напряжения электрической линии постоянного тока для управления так, что выходные напряжения элемента накопления энергии и источника регулируемого напряжения соответствуют команде заряда/разряда.

10. Устройство накопления энергии по любому из пп. 1-4, причем

схема управления управляет так, что источник регулируемого напряжения подает энергию в электрическую линию постоянного тока с использованием устройства накопления энергии как источника энергии.

11. Устройство накопления энергии по любому из пп. 1-4, причем

схема управления управляет зарядом и разрядом источника регулируемого напряжения согласно напряжению электрической линии постоянного тока и изменяет порог напряжения электрической линии постоянного тока, при котором устройство накопления энергии запускает заряд, и порог напряжения электрической линии постоянного тока, при котором устройство накопления энергии запускает разряд, согласно зарегистрированному состоянию заряда элемента накопления энергии.

12. Устройство накопления энергии по любому из пп. 1-4, причем

источник регулируемого напряжения включает в себя IGBT-элемент или MOSFET.

13. Устройство накопления энергии по любому из пп. 1-4, дополнительно содержащее:

выключатель, подсоединенный между вторым электродом электрической линии постоянного тока и отрицательным электродом элемента накопления энергии.

14. Устройство накопления энергии по любому из пп. 1-4, дополнительно содержащее:

полупроводниковый выключатель, подсоединенный между первым электродом электрической линии постоянного тока и источником регулируемого напряжения и выполненный управляемым схемой управления для пропускания тока в прямом направлении или обратном направлении и для выключения протекания тока.

15. Устройство накопления энергии по п. 14, причем

схема управления управляет источником регулируемого напряжения для остановки источника регулируемого напряжения, когда полупроводниковый выключатель выключен.

16. Устройство накопления энергии по п. 14, причем

схема управления выключает полупроводниковый выключатель, когда выходное напряжение всей схемы превышает заданный порог.

17. Устройство накопления энергии по п. 14, причем

схема управления выключает полупроводниковый выключатель, когда скорость изменения тока, зарегистрированного блоком регистрации тока, превышает заданный порог.

18. Устройство накопления энергии по любому из пп. 1-4, дополнительно содержащее:

диод, имеющий катодный конец, подсоединенный к схеме между соединителем с катушкой индуктивности и источником регулируемого напряжения, и анодный конец, подсоединенный к схеме на стороне отрицательного электрода элемента накопления энергии, или диод и резистор, соединенный последовательно с этим диодом.

19. Устройство накопления энергии по любому из пп. 1-4, дополнительно содержащее:

конденсатор, имеющий один конец, соединенный со схемой между соединителем с катушкой индуктивности и источником регулируемого напряжения, и другой конец, соединенный со схемой на стороне отрицательного электрода элемента накопления энергии.