Способ и устройство определения зарядной характеристики системы накопления электроэнергии в системе тягового электроснабжения Российский патент 2022 года по МПК H01M10/44 B60M3/00 

Изобретение относится к электрифицированному железнодорожному транспорту, а именно к системе тягового электроснабжения, содержащей системы накопления электроэнергии, расположенные на линейных устройствах контактной сети.

Предлагаемое устройство предназначено для автономного управления системой накопления на линейных объектах контактной сети и позволяет регулировать зарядную характеристику для снижения потерь электроэнергии в контактной сети.

Известно устройство гибридного накопителя электроэнергии для системы тягового электроснабжения постоянного тока [2], в котором управление режимами работы осуществляется с помощью системы автоматического регулирования.

Недостатком данного устройства является отсутствие возможности регулирования зарядной характеристики на основе данных об изменении степени заряженности системы накопления за заданный период времени.

Известно устройство для автоматического регулирования системы тягового электроснабжения, которое позволяет регулировать мощность и напряжение в системе тягового электроснабжения, содержащей системы накопления [3]. Управление системой накопления осуществляется в зависимости от уровня напряжения и потребляемой мощности в границах межподстанционных зон.

Недостатком данного устройств является отсутствие возможности регулирования зарядной характеристики на основе данных об изменении степени заряженности.

Известен способ и устройство зарядки электронного устройства [1] (прототип), эффект которого проявляется в увеличении срока службы аккумуляторной батареи за счет снижения тока зарядки, определяемого на основе информации о периоде времени, в течение которого ранее выполнялась зарядка.

Недостатком указанного способа является отсутствие возможности изменять зарядную характеристику с учетом допустимых потерь напряжения и электроэнергии в контактной сети системы тягового электроснабжения.

Целью изобретения является повышение энергетической эффективности системы тягового электроснабжения путем автоматического регулирования зарядной характеристики системы накопления электроэнергии.

Технический результат предлагаемого способа заключается в снижении потерь мощности и энергии в контактной сети при заряде системы накопления и достигается за счет регулирования зарядной характеристики системы накопления по данным о значениях степени заряженности за соответствующий период времени измерений с учетом ограничений зарядной характеристики.

Косвенный эффект, достигаемый от реализации способа, - увеличение срока службы накопителей электрохимического вида за счет снижения уровня зарядного тока по условиям устойчивой работы системы тягового электроснабжения.

Достижение заявленных результатов обеспечивается путем введения в устройство следующих блоков: регистрации графика степени заряженности - для определения параметров зарядной характеристики системы накопления; расчета статистических показателей степени заряженности - для определения показателей и записи зарядной характеристики.

Рассмотрим реализацию способа определения зарядной характеристики на примере устройства и порядка расчетов.

На фиг. 1 приведено устройство реализации способа определения зарядной характеристики, состоящего из следующих блоков:

1 - блок управления режимами работы системы накопления;

2 - блок хранения данных зарядной характеристики;

3 - блок считывания/передачи данных о зарядной характеристике;

4 - блок данных передачи текущих значений электрических величин (напряжения, ток, степень заряженности);

5 - блок хранения данных об измерениях и результатах вычислений;

6 - блок расчета статистических показателей степени заряженности;

7 - блок регистрации графика степени заряженности.

Блок управления режимами работы системы накопления 1 реализует общее управления в зависимости от результатов измерений и потоков мощности в системе. Зарядная характеристика для реализации управления системы накопления блоком 1 хранится в блоке 2. На основе данных текущих измерений электрических величин (тока, напряжения, степени заряженности), которые поступают в блок памяти 5, выполняется регистрация данных за период измерений (блок 7) и обеспечивается работа блока вычислений 6. Полученная зарядная характеристика из блока 6 передается в блок памяти 5 и далее через блок считывания/передачи 3 в блок хранения данных зарядной характеристики для перезаписи.

Предлагаемый способ определения зарядной характеристики реализуется с помощью следующего алгоритма расчета (фиг. 2).

Блок построения зарядной характеристики входит в состав блока управления режимами работы системы накопления. При создании условий для перехода системы накопления в режим заряда (1) данные измерений (2) используются для определения тока заряда по текущей зарядной характеристики (3). После определения и изменения тока заряда осуществляется регистрация показателей режима (4) (степень заряженности и соответствующее время). Если заданный период времени не завершен (5), то выполняется проверка сохранения условий заряда (9) и цикл заряда повторяется. В случае, если период времени завершен, то выполняется определение показателей режима за заданный период времени, на основании которых перестраивается зарядная характеристика (7) и выполняется обновление зарядной характеристики (8) для реализации процесса заряда в новом цикле.

Построение линейно зарядной характеристики осуществляется на основе текущего значения напряжения на шинах линейного устройства, к которым подключена система накопления, пороговых значений напряжения и максимального допустимого зарядного тока.

Если текущее измеренное напряжение удовлетворяет неравенству, заряд не осуществляется:

где U_i и U_min - текущее и пороговое минимальное значения напряжения.

Перестроение характеристики осуществляется за счет изменения угла наклона линейной характеристики путем изменения максимального порогового напряжения. При этом ток заряда при выполнении неравенства

определяется по формуле:

где U_max - максимальное пороговое напряжение;

I_max - максимальный ток системы накопления.

Если текущее значение напряжения удовлетворяет неравенству:

заряд выполняется максимальным током заряда I_max.

Преобладание заряда в графике степени заряженности характеризуется возможностью снижения тока заряда в зависимости от продолжительности времени, в течение которого степень заряженности равна максимальной. Указанный показатель предлагается использовать для изменения максимального порогового напряжения по итогам обработки данных измерений за период времени (например, сутки) путем применения соответствующего коэффициента:

где i - период измерений;

t_max - суммарное время за период измерений, в течение которого степень заряженности была равна или превышала максимальный уровень.

В случае преобладания разряда увеличивается время, в течение которого степень заряженности близка к минимальным или нулевым значениям. В этом случае предлагается применять соответствующий коэффициент:

где t_min - суммарное время за период измерений, в течение которого степень заряженности была равна или ниже минимального уровня.

Аналогичный коэффициент вводится для оценки средней степени заряженности:

где SoC_{m i} - среднее значение степени заряженности за i-й период измерений.

На основе расчетов коэффициентов определяется максимальное пороговое напряжение для построения зарядной характеристики:

при условии, что

где k_i - коэффициент, корректирующий значение максимального порогового напряжения, на i-м периоде времени:

Начальные значения приведенных выше коэффициентов на начальном шаге принимаются равными единице.

Механизм изменения зарядной характеристики проиллюстрирован на фиг. 3. Ограничение слева на рисунке заштриховано и соответствует максимальным потерям напряжения в контактной сети. Напряжение U_min соответствует минимальному напряжению, при котором система накопления переходит в режим заряда. Зарядная характеристика в диапазоне напряжений от U_min до U_max определяет изменение тока заряда в зависимости от изменения напряжения. Скорость изменения тока заряда определяется значением U_max. Чем выше указанное напряжение, тем ниже скорость изменения тока заряда. При изменении условий работы системы накопления значение U_max корректируется. Стрелками на графике показана условные направления корректировки напряжения U_max, показывающие изменение характеристики в зависимости от показателей работы системы накопления.

Определение зарядной характеристики с применением указанных характеристик позволяет в условиях изменения нагрузки в границах межподстанционной зоны подстраивать зарядную характеристику таким образом, чтобы степень заряженность была близка к целевому значению, а уровень тока заряда был по возможности ниже. Реализация данного подхода построения зарядной характеристики позволяет снизить нагрузочные потери в контактной сети и за счет снижения тока заряда обеспечить продление срока службы используемой в системе накопления электроэнергии аккумуляторной батареи.

Библиографический список

1. Пат. на изобретение №2522425 РФ. Электронное устройство, способ зарядки электронного устройства, устройство контроля зарядки и способ контроля зарядки / Курода Ехэй, Исиока Осаму, Яги Нобутака, Амэмия Редзи, Баку Кэндзи (JP) - 2012103913/07; Заявл. 03.08.2010; опубл. 10.07.2014. Бюл. №19.

2. Пат. на полезную модель №202 369. Гибридный накопитель электроэнергии для системы тягового электроснабжения постоянного тока / В.Л. Незевак, В.Т. Черемисин, С.С. Самолинов (РФ). - 2020135222; Заявл. 26.10.2020; опубл. 15.02.2020. Бюл. №5.

3. Пат. на изобретение №2735158 РФ. Устройство для автоматического регулирования системы тягового электроснабжения / В.Л. Незевак, В.Т. Черемисин, Ю.В. Плотников (РФ) - 2020113761; Заявл. 03.04.2020; опубл. 28.10.2020. Бюл. №31.

Использование: в системе тягового электроснабжения электрифицированного железнодорожного транспорта. Технический результат - снижение потерь мощности в контактной сети при заряде системы накопления энергии. Технический результат достигается за счет регулирования зарядной характеристики системы накопления по данным о значениях степени заряженности за соответствующий период времени измерений с учетом ограничений зарядной характеристики. Устройство определения зарядной характеристики системы автоматического регулирования напряжения и мощности в системе тягового электроснабжения содержит блок управления режимами работы системы накопления, блок хранения данных зарядной характеристики, блок считывания и передачи данных зарядной характеристики, блок данных передачи текущих значений электрических величин, блок хранения данных об измерениях и результатах вычислений, блок считывания и передачи данных зарядной характеристики. Дополнительно введены блок расчета статистических показателей степени заряженности и блок регистрации графика степени заряженности, подключенные к входам и выходам блока хранения данных об измерениях и результатах вычислений. 3 ил.

Устройство определения зарядной характеристики системы автоматического регулирования напряжения и мощности в системе тягового электроснабжения, содержащее блок управления режимами работы системы накопления, реализующий общее управление в зависимости от результатов измерений и потоков мощности в системе, вход и выход которого соединены с блоком хранения данных зарядной характеристики, другие вход и выход которого соединены с входом и выходом блока считывания и передачи данных зарядной характеристики, блок данных передачи текущих значений электрических величин, соединенный с блоком хранения данных об измерениях и результатах вычислений, который соединен с блоком считывания и передачи данных зарядной характеристики, отличающееся тем, что дополнено блоком расчета статистических показателей степени заряженности и блоком регистрации графика степени заряженности, подключенными к входам и выходам блока хранения данных об измерениях и результатах вычислений.