Активная система тягового электроснабжения Российский патент 2023 года по МПК B60M3/02 H02J3/28 

Описание патента на изобретение RU2790590C1

Изобретение относится к электротехнике, в частности к электрифицированным железным дорогам переменного тока и может быть использовано для повышения энергоэффективности системы тягового электроснабжения переменного тока. Электрифицированные железные дороги являются потребителем первой категории с двусторонним питанием тяговой сети. Уровень напряжения на токоприемнике электроподвижного состава является одним из важнейших показателей работы системы электроснабжения. Так как снижение напряжения ниже минимально допустимого уровня приведет к выходу из строя оборудования электроподвижного состава.

Известна система электроснабжения электрифицированных железных дорог переменного тока 25 кВ [Электроснабжение железных дорог: учебник для студентов университета (УрГУПС) / Э.В. Тер-Оганов, А.А. Пышкин. -Екатеринбург: Изд-во УрГУПС, 2014. - 432 с.]. Известное устройство содержит систему внешнего электроснабжения, состоящую из электрических станций и электросетевого оборудования; тяговую сеть, включающую силовые трансформаторы тяговых подстанций и контактную сеть с постом секционирования.

Известное устройство работает следующим образом. Электрические станции внешнего электроснабжения вырабатывают электроэнергию, которая через электросетевое оборудование поступает на первичные обмотки силовых трансформаторов тяговых подстанций. Силовые трансформаторы тяговых подстанций понижают напряжение системы внешнего электроснабжения до класса напряжения 27,5 кВ и подают электроэнергию в тяговую сеть. Тяговая сеть передает электроэнергию до токоприемников электроподвижного состава. Данная система электроснабжения обеспечивает движение поездов. Однако уровень напряжения на токоприемнике электроподвижного состава снижается при его удалении от тяговых подстанций, особенно при движении по участкам со сложным профилем и/или интенсивными размерами движения. Поэтому необходимо применение средств усиления системы тягового электроснабжения. Также недостатком данной системы тягового электроснабжения является неравномерность нагрузки в тяговой сети, приводящая к дополнительным потерям электроэнергии и снижению напряжения на токоприемниках электроподвижного состава.

Известно устройство усиления системы тягового электроснабжения [Патент №2726498 С1 Российская Федерация, МПК В60М 3/02, H02J 3/28. Способ усиления системы тягового электроснабжения: №2020107766: за-явл. 20.02.2020: опубл. 14.07.2020 / Ю.Л. Беньяш], которое принято за прототип.

Известное устройство содержит систему внешнего электроснабжения, состоящую из электрических станций и электросетевого оборудования; тяговую сеть, включающую силовые трансформаторы тяговых подстанций и контактную сеть с постом секционирования; электроподвижной состав; альтернативный источник энергии, являющийся гидроаккумулирующей электростанцией, состоящей из насосной и генераторной части, повышающего трансформатора, верхнего и нижнего водоемов.

Известное устройство работает следующим образом. Электрические станции внешнего электроснабжения вырабатывают электроэнергию, которая через электросетевое оборудование поступает на первичные обмотки силовых трансформаторов тяговых подстанций. Трансформаторы тяговых подстанций понижают напряжение системы внешнего электроснабжения до класса напряжения 27,5 кВ и подают электроэнергию в тяговую сеть. Тяговая сеть передает электроэнергию до токоприемников электроподвижного состава. Гидроаккумулирующая тяговая электростанция имеет два основных режима работы. Первый режим насосный, это закачка воды в верхний водоем, при этом он является дополнительной нагрузкой для внешней сети. Данный режим возникает при наличии минимума нагрузки внешней сети. Второй режим - это выдача запасенной энергии путем генерации электроэнергии и передачи ее в тяговую сеть через повышающий трансформатор при появлении максимумов нагрузки в контактной сети. В этом случае воду спускают из верхнего водоема в нижний водоем, для работы генераторов. Сочетание этих двух режимов и выравнивает потребление электроэнергии во времени. Расположение гидроаккумулирующей тяговой электростанции на линии приводит к выравниванию нагрузки не только для оборудования станции, но и в тяговой сети, что улучшает режим напряжения в ней и уменьшает потери энергии. При одной и той же мощности, отбираемой от первичного источника энергии, с гидроаккумулирующей тяговой электростанцией можно передать нагрузке большую пиковую мощность, то есть усилить электроснабжение тяговой сети.

Однако режим работы системы тягового электроснабжения определяет график движения поездов, по которому электроподвижной состав двигается с одинаковыми интервалами движения, а режим максимума и минимума нагрузки внешней системы, как правило, с графиком движения поездов не связан. Снижение уровня напряжения на токоприемнике электроподвижного состава до минимального значения при этом происходит не только в часы максимальных нагрузок. Снижение напряжения наблюдается на участках со сложным профилем или при равнинном профиле, но при протяженных меж-подстанционных зонах или при больших массах электроподвижных составов. Таким образом, потребление электроэнергии из тяговой сети гидроаккумулирующими тяговыми электростанциями в насосном режиме при проходе электроподвижного состава приведет к снижению напряжения ниже минимально допустимого уровня, что приведет к выходу из строя оборудования электроподвижного состава. Кроме того, включение источника электроэнергии в тяговую сеть переменного тока при отсутствии синхронизации приводит к возникновению уравнительного тока между тяговыми подстанциями и этим источником, а если включение происходит в противофазе, то в тяговой сети возникает режим короткого замыкания, который приведет к отключению участков сети и отсутствию электроснабжения электроподвижного состава. Также к недостаткам данного устройства относятся большие капитальные затраты на сооружение водоемов; необходимость электроснабжения насосов, так как в насосном режиме данная система потребляет электроэнергию, создавая дополнительные потери и загрузку внешней и тяговой сети.

Задачей предлагаемого изобретения является: повышение уровня напряжения на токоприемниках электроподвижного состава, уменьшение потерь электроэнергии и повышение надежности электроснабжения при обеспечении графика движения поездов.

Задача решается за счет того, что введены блок преобразования сигнала напряжения, на измерительный вход которого поступает сигнал напряжения с измерительного оборудования поста секционирования контактной сети, цифровой выход блока преобразования сигнала напряжения подключен к первому цифровому входу блока управления, второй цифровой вход блока управления соединен с цифровым выходом аккумуляторной батареи, третий цифровой вход блока управления получает сигнал с выхода устройств РЗА (релейной защиты и автоматики), а цифровой выход блока управления присоединен к цифровому входу инвертора, при этом вход инвертора подключен к выходу аккумуляторной батареи, вход которой соединен с выходом возобновляемого источника энергии, выполненного на основе преобразователя энергии солнца и/или ветра в электрическую энергию, а выход инвертора через LC-фильтр подключен к первичной обмотке повышающего трансформатора, вторичная обмотка которого подключена к тяговой сети.

Устройство содержит систему внешнего электроснабжения 1, состоящую из электрических станций и электросетевого оборудования; тяговую сеть 2, включающую силовые трансформаторы тяговых подстанций 3, контактную сеть 4 с постом секционирования 5; активную энергетическую установку 6, состоящую из альтернативного источника энергии 7, аккумуляторной батареи 8, инвертора 9, LC-фильтра 10, повышающего трансформатора 11, блока управления 12, блока преобразования сигнала напряжения 13 и электроподвижной состав 14 (Фиг. 1).

Элементы устройства соединены следующим образом.

Система внешнего электроснабжения 1 через высоковольтные линии электропередачи подключена к первичным обмоткам силовых трансформаторов тяговых подстанций 3. Вторичные обмотки силовых трансформаторов тяговых подстанций 3 подключены к контактной сети 4. Участки контактной сети 4 соединены постом секционирования 5. Выход активного источника энергии 7 подключен к входу аккумуляторной батареи 8. Выход аккумуляторной батареи 8 подключен к входу инвертора 9. Выход инвертора 9 через LC-фильтр 10 подключен к входу первичной обмотки повышающего трансформатора 11, выводы вторичной обмотки повышающего трансформатора 11 подключены к тяговой сети на посту секционирования 5. Выход с измерительного трансформатора напряжения поста секционирования 5 подключен к входу блока преобразования сигнала напряжения 13. Цифровой выход блока преобразования сигнала 13 напряжения подключен к первому цифровому входу блока управления 12. Цифровой выход аккумуляторной батареи 8 подключен ко второму цифровому входу блока управления 12. Цифровые выходы устройств РЗА подключены к третьему цифровому входу блока управления 12. Цифровой выход блока управления 12 подключен к цифровому входу инвертора 9.

Устройство работает следующим образом.

Электрические станции системы внешнего электроснабжения 1 вырабатывают электроэнергию, которая через электросетевое оборудование системы внешнего электроснабжения 1 поступает на первичные обмотки силовых трансформаторов тяговых подстанций 3. Силовые трансформаторы тяговых подстанций 3 понижают напряжение системы внешнего электроснабжения 1 до класса напряжения 27,5 кВ и подают электроэнергию в тяговую сеть 2. Тяговая сеть 2 передает электроэнергию до токоприемников электроподвижного состава 14. Тем временем на активной энергетической установке 6 возобновляемые источники энергии 7 преобразуют энергию ветра и/или солнечного света в электроэнергию, которая накапливается аккумуляторной батареей 8. Информация об уровне заряда аккумуляторной батареей 8 передается в блок управления 12. Блок преобразования сигнала напряжения 13 поста секционирования 5 постоянно преобразовывает аналоговый сигнал напряжения, измеренный на посту секционирования 5, в цифровой сигнал с информацией о величине напряжения и его фазе. Блок преобразования сигнала напряжения 13 передает цифровой сигнал с информацией о величине напряжения и его фазе в блок управления 12. Блок управления 12 производит сравнение величины напряжения с заданным значением уставки. В момент снижения уровня напряжения на посту секционирования ниже допустимого значения уставки блок управления 12 подает сигналы на включение инвертора 9. Инвертор 9 из постоянного напряжения аккумуляторной батареи 8 посредством широтно-импульсной модуляции создает сигнал переменного напряжения. Полученное модулированное переменное напряжение имеет фазу напряжения тяговой сети на посту секционирования 5 и после фильтрации в LC-фильтре 10 поступает на повышающий трансформатор 11. Повышающий трансформатор 11 трансформирует сигнал напряжения до класса 27,5 кВ и передает накопленную электроэнергию в тяговую сеть 2. Ближайший от поста секционирования 5 электроподвижной состав 14 потребляет энергию, выработанную активным источником энергии 7. При возникновении аварийных режимов устройства РЗА подают сигнал на отключение активной энергетической установки 6.

Таким образом, разгружается тяговая сеть 2 между силовыми трансформаторами тяговых подстанций 3 и электроподвижным составом 14. При этом повышается уровень напряжения и энергоэффективность тяговой сети, что увеличивает надежность электроснабжения при обеспечении графика движения поездов.

В результате выполнения поставленной задачи неожиданным эффектом явилось изменение токораспределения в тяговой сети, благодаря дополнительному источнику электроэнергии в виде активной энергетической установки, приводящему: во-первых, к снижению необходимости применения РПН силовых трансформаторов тяговых подстанций, что повысит срок службы трансформаторного оборудования; во-вторых, к разгрузке электросетевого оборудования и электрических станций системы внешнего электроснабжения; в-третьих, повышению устойчивости и надежности внешней энергосистемы, а в дефицитных энергосистемах стабилизации значения частоты.

Похожие патенты RU2790590C1

название год авторы номер документа
Устройство регулирования мощности секционной установки поперечной емкостной компенсации поста секционирования контактной сети перемененного тока 2021
  • Герман Леонид Абрамович
RU2761459C1
Способ регулирования статического генератора реактивной мощности 2023
  • Герман Леонид Абрамович
  • Чивенков Александр Иванович
  • Галкин Константин Владимирович
RU2819464C1
СИСТЕМА ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ УСТРОЙСТВОМ РАЗДЕЛА ПИТАНИЯ ТЯГОВОЙ СЕТИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ 2003
  • Кващук В.А.
  • Кондратьев Ю.В.
  • Черемисин В.Т.
RU2248282C2
Устройство для дугозащитного шунтирования воздушного промежутка контактной сети переменного тока 1990
  • Балабанов Владимир Николаевич
SU1791186A1
Устройство для электроснабжения электрифицированного транспорта 1989
  • Руденский Владимир Владимирович
  • Добровольскис Теодорос Пранцишкович
  • Соколов Сергей Дмитриевич
  • Перова Наталия Александровна
SU1643225A1
Способ управления электроподвижным составом и системой тягового электроснабжения 2021
  • Третьяков Евгений Александрович
  • Пономарев Евгений Владимирович
  • Денисов Илья Николаевич
  • Авдиенко Егор Геннадьевич
  • Шатохин Андрей Петрович
  • Истомин Станислав Геннадьевич
  • Доманов Кирилл Иванович
  • Богунов Кирилл Вадимович
RU2778164C1
СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПОТЕРЬ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ НА ТЯГУ НА ТЯГОВЫХ ПОДСТАНЦИЯХ ПОСТОЯННОГО ТОКА ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА 2014
  • Каштанов Алексей Леонидович
  • Незевак Владислав Леонидович
  • Никифоров Михаил Михайлович
  • Ушаков Сергей Юрьевич
  • Черемисин Василий Титович
RU2573098C2
СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ УСТРОЙСТВОМ РАЗДЕЛА ПИТАНИЯ ТЯГОВОЙ СЕТИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ЖЕЛЕЗНЫХ ДОРОГ 2004
  • Кващук Валентин Андреевич
  • Кондратьев Юрий Владимирович
  • Лапенко Николай Михайлович
  • Черемисин Василий Титович
RU2291069C2
Устройство управления комбинированной установкой поперечной емкостной компенсации 2022
  • Герман Леонид Абрамович
  • Максимова Александра Альбертовна
  • Карабанов Артем Александрович
RU2790740C1
СПОСОБ ЧАСТИЧНО НЕСЕЛЕКТИВНОЙ ЗАЩИТЫ ТЯГОВОЙ СЕТИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА 2016
  • Герман Леонид Абрамович
  • Пупынин Владимир Николаевич
  • Субханвердиев Камиль Субханвердиевич
  • Сотов Алексей Александрович
RU2647108C1

Иллюстрации к изобретению RU 2 790 590 C1

Реферат патента 2023 года Активная система тягового электроснабжения

Изобретение относится к системе тягового электроснабжения железных дорог. Активная система тягового электроснабжения содержит систему внешнего электроснабжения, тяговые подстанции, тяговую сеть, электроподвижной состав и активную энергетическую установку, которая состоит из возобновляемого источника энергии и повышающего трансформатора. Активная энергетическая установка также содержит блок преобразования сигнала напряжения, выход которого подключен к первому входу блока управления, второй вход блока управления соединен с выходом аккумуляторной батареи, третий вход блока управления получает сигнал с выхода устройств релейной защиты и автоматики. Выход блока управления присоединен к входу инвертора, при этом вход инвертора подключен к выходу аккумуляторной батареи, вход которой соединен с выходом возобновляемого источника энергии, выполненного на основе преобразователя энергии солнца и/или ветра в электрическую энергию. Выход инвертора через LC-фильтр подключен к первичной обмотке повышающего трансформатора, вторичная обмотка которого подключена к тяговой сети. Технический результат заключается в повышении энергоэффективности, уровня напряжения в тяговой сети и надежности электроснабжения. 1 ил.

Формула изобретения RU 2 790 590 C1

Активная система тягового электроснабжения, содержащая систему внешнего электроснабжения, состоящую из электрических станций и электросетевого оборудования, тяговые подстанции, содержащие силовые трансформаторы, тяговую сеть, включающую контактную сеть с постом секционирования, электроподвижной состав, активную энергетическую установку, которая состоит из возобновляемого источника энергии и повышающего трансформатора, отличающаяся тем, что введены блок преобразования сигнала напряжения, на измерительный вход которого поступает сигнал напряжения с измерительного оборудования поста секционирования контактной сети, цифровой выход блока преобразования сигнала напряжения подключен к первому цифровому входу блока управления, второй цифровой вход блока управления соединен с цифровым выходом аккумуляторной батареи, третий цифровой вход блока управления получает сигнал с выхода устройств релейной защиты и автоматики, а цифровой выход блока управления присоединен к цифровому входу инвертора, при этом вход инвертора подключен к выходу аккумуляторной батареи, вход которой соединен с выходом возобновляемого источника энергии, выполненного на основе преобразователя энергии солнца и/или ветра в электрическую энергию, а выход инвертора через LC-фильтр подключен к первичной обмотке повышающего трансформатора, вторичная обмотка которого подключена к тяговой сети.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2023 года RU2790590C1

УСТРОЙСТВО ХРАНЕНИЯ ЭНЕРГИИ 2015
  • Ноги Масаюки
  • Сатаке Нобухико
RU2660207C1
СПОСОБ УСИЛЕНИЯ СИСТЕМЫ ТЯГОВОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ 2020
  • Беньяш Юрий Леонидович
RU2726498C1
СПОСОБ БЕСПЕРЕБОЙНОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ, РАБОТАЮЩЕЙ НА ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКАХ ЭНЕРГИИ 1999
  • Аккуратов А.В.
  • Кузнецов С.Н.
  • Гликин В.Б.
  • Шилин В.Л.
RU2153752C1
JP 2012166646 A, 06.09.2012.

RU 2 790 590 C1

Авторы

Константинов Андрей Михайлович

Константинова Юлия Андреевна

Кольцов Василий Игоревич

Малых Артем Вадимович

Даты

2023-02-27Публикация

2022-04-27Подача