RU2790590C1

RU2790590C1 - Active traction power supply system

Info

Publication number: RU2790590C1
Application number: RU2022111663A
Authority: RU
Inventors: Андрей Михайлович Константинов; Юлия Андреевна Константинова; Василий Игоревич Кольцов; Артем Вадимович Малых
Filing date: 2022-04-27
Publication date: 2023-02-27

Abstract

FIELD: railways power supply systems.

SUBSTANCE: invention relates to a traction power supply system for railways. The active traction power supply system comprises an external power supply system, traction substations, a traction network, an electric rolling stock and an active power plant, which consists of a renewable energy source and a step-up transformer. The active power plant also contains a voltage signal conversion unit, the output of which is connected to the first input of the control unit, the second input of the control unit is connected to the battery output, the third input of the control unit receives a signal from the output of relay protection and automation devices. The output of the control unit is connected to the input of the inverter, while the input of the inverter is connected to the output of the storage battery, the input of which is connected to the output of a renewable energy source based on a converter of solar and/or wind energy into electrical energy. The inverter output through an LC filter is connected to the primary winding of a step-up transformer, the secondary winding of which is connected to the traction network.

EFFECT: improving energy efficiency, the voltage level in the traction network and the reliability of power supply.

1 cl, 1 dwg

Description

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.The invention relates to electrical engineering, in particular to electrified AC railways and can be used to improve the energy efficiency of an AC traction power supply system. Electrified railways are the consumer of the first category with two-way supply of the traction network. The voltage level at the current collector of the electric rolling stock is one of the most important indicators of the operation of the power supply system. Since a decrease in voltage below the minimum allowable level will lead to failure of the equipment of the electric rolling stock.

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.A known power supply system for electrified railways AC 25 kV [Power supply of railways: a textbook for university students (UrGUPS) / E.V. Ter-Oganov, A.A. Pyshkin. - Ekaterinburg: Publishing House of UrGUPS, 2014. - 432 p.]. The known device contains an external power supply system, consisting of power stations and power grid equipment; traction network, including power transformers of traction substations and a contact network with a sectioning post.

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.Known device works as follows. Power stations of external power supply generate electricity, which is fed through the power grid equipment to the primary windings of power transformers of traction substations. Power transformers of traction substations reduce the voltage of the external power supply system to a voltage class of 27.5 kV and supply electricity to the traction network. The traction network transmits electricity to the current collectors of the electric rolling stock. This power supply system ensures the movement of trains. However, the voltage level at the current collector of the electric rolling stock decreases as it moves away from the traction substations, especially when driving through areas with a complex profile and/or heavy traffic. Therefore, it is necessary to use means of strengthening the traction power supply system. Also, the disadvantage of this system of traction power supply is the uneven load in the traction network, leading to additional losses of electricity and a decrease in voltage on the current collectors of the electric rolling stock.

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.A device for amplifying the traction power supply system is known [Patent No. 2726498 C1 Russian Federation, IPC V60M 3/02, H02J 3/28. Method for strengthening the traction power supply system: No. 2020107766: Appl. 02/20/2020: publ. 07/14/2020 / Yu.L. Benyash], which is taken as a prototype.

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.The known device contains an external power supply system, consisting of power stations and power grid equipment; traction network, including power transformers of traction substations and a contact network with a sectioning post; electric rolling stock; an alternative energy source, which is a pumped-storage power plant, consisting of a pumping and generator part, a step-up transformer, upper and lower reservoirs.

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.Known device works as follows. Power stations of external power supply generate electricity, which is fed through the power grid equipment to the primary windings of power transformers of traction substations. Traction substation transformers reduce the voltage of the external power supply system to a voltage class of 27.5 kV and supply electricity to the traction network. The traction network transmits electricity to the current collectors of the electric rolling stock. Hydrostorage traction power plant has two main modes of operation. The first mode is pumping, this is the pumping of water into the upper reservoir, while it is an additional load for the external network. This mode occurs when there is a minimum load of the external network. The second mode is the release of stored energy by generating electricity and transferring it to the traction network through a step-up transformer when load peaks appear in the contact network. In this case, water is drained from the upper reservoir to the lower reservoir, for the operation of generators. The combination of these two modes evens out the consumption of electricity over time. The location of a pumped-storage traction power plant on the line leads to load balancing not only for the station equipment, but also in the traction network, which improves the voltage mode in it and reduces energy losses. With the same power taken from the primary energy source, with a pumped-storage traction power plant, it is possible to transfer a greater peak power to the load, that is, to increase the power supply to the traction network.

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.However, the mode of operation of the traction power supply system determines the train schedule, according to which the electric rolling stock moves at the same intervals of movement, and the mode of maximum and minimum load of the external system, as a rule, is not associated with the train schedule. The decrease in the voltage level at the current collector of the electric rolling stock to the minimum value occurs not only during the hours of maximum loads. The decrease in voltage is observed in areas with a complex profile or with a flat profile, but with extended inter-substation zones or with large masses of electric rolling stock. Thus, the consumption of electricity from the traction network by pumped-storage traction power plants in the pumping mode during the passage of the electric rolling stock will lead to a decrease in voltage below the minimum allowable level, which will lead to the failure of the equipment of the electric rolling stock. In addition, the inclusion of an electric power source in the AC traction network in the absence of synchronization leads to the occurrence of an equalizing current between the traction substations and this source, and if the connection occurs in antiphase, then a short circuit occurs in the traction network, which will lead to disconnection of network sections and the absence of power supply of electric rolling stock. Also, the disadvantages of this device include large capital costs for the construction of reservoirs; the need to supply pumps with electricity, since in the pumping mode this system consumes electricity, creating additional losses and loading the external and traction networks.

Задачей предлагаемого изобретения является: повышение уровня напряжения на токоприемниках электроподвижного состава, уменьшение потерь электроэнергии и повышение надежности электроснабжения при обеспечении графика движения поездов.The objective of the invention is to increase the voltage level on the pantographs of electric rolling stock, reduce power losses and increase the reliability of power supply while ensuring the schedule of trains.

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.The problem is solved due to the fact that a voltage signal conversion unit is introduced, the measuring input of which receives a voltage signal from the measuring equipment of the contact network sectioning post, the digital output of the voltage signal conversion unit is connected to the first digital input of the control unit, the second digital input of the control unit is connected to the digital battery output, the third digital input of the control unit receives a signal from the output of relay protection and automation devices, and the digital output of the control unit is connected to the digital input of the inverter, while the input of the inverter is connected to the output of the battery, the input of which is connected to the output of the renewable source energy, made on the basis of a converter of solar and / or wind energy into electrical energy, and the output of the inverter through an LC filter is connected to the primary winding of a step-up transformer, the secondary winding of which is connected to the traction network.

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).The device contains an external power supply system 1, consisting of power plants and power grid equipment; traction network 2, including power transformers of traction substations 3, contact network 4 with sectioning post 5; an active power plant 6, consisting of an alternative energy source 7, a battery 8, an inverter 9, an LC filter 10, a step-up transformer 11, a control unit 12, a voltage signal conversion unit 13 and an electric rolling stock 14 (Fig. 1).

Элементы устройства соединены следующим образом.The elements of the device are connected as follows.

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.External power supply system 1 is connected through high-voltage power lines to the primary windings of power transformers of traction substations 3. Secondary windings of power transformers of traction substations 3 are connected to the contact network 4. Sections of the contact network 4 are connected by a sectioning post 5. The output of the active energy source 7 is connected to the battery input 8. The output of the storage battery 8 is connected to the input of the inverter 9. The output of the inverter 9 through the LC filter 10 is connected to the input of the primary winding of the step-up transformer 11, the outputs of the secondary winding of the step-up transformer 11 are connected to the traction network at the sectioning post 5. The output from the measuring transformer of the voltage of the post sectioning 5 is connected to the input of the voltage signal conversion unit 13. The digital output of the voltage signal conversion unit 13 is connected to the first digital input of the control unit 12. The digital output of the battery 8 is connected to the second digital input of the unit and control 12. The digital outputs of the RPA devices are connected to the third digital input of the control unit 12. The digital output of the control unit 12 is connected to the digital input of the inverter 9.

Устройство работает следующим образом.The device works as follows.

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.Power stations of the external power supply system 1 generate electricity, which, through the power grid equipment of the external power supply system 1, is supplied to the primary windings of power transformers of traction substations 3. Power transformers of traction substations 3 lower the voltage of the external power supply system 1 to a voltage class of 27.5 kV and supply electricity to the traction substation. network 2. The traction network 2 transmits electricity to the current collectors of the electric rolling stock 14. Meanwhile, at the active power plant 6, renewable energy sources 7 convert wind and/or sunlight energy into electricity, which is stored by the battery 8. Information about the charge level of the battery 8 is transmitted to the control unit 12. The voltage signal conversion unit 13 of the sectioning post 5 constantly converts the analog voltage signal measured at the sectioning post 5 into a digital signal with information about the voltage value ion and its phase. The voltage signal conversion unit 13 transmits a digital signal with information about the voltage value and its phase to the control unit 12. The control unit 12 compares the voltage value with the set value. At the moment the voltage level at the sectioning post drops below the allowable setpoint value, the control unit 12 sends signals to turn on the inverter 9. The inverter 9 from the DC voltage of the battery 8 creates an AC voltage signal by means of pulse-width modulation. The resulting modulated alternating voltage has a voltage phase of the traction network at the sectioning post 5 and, after filtering in the LC filter 10, is fed to the step-up transformer 11. The step-up transformer 11 transforms the voltage signal to a class of 27.5 kV and transfers the accumulated electricity to the traction network 2. The closest from sectioning post 5, the electric rolling stock 14 consumes the energy generated by the active energy source 7. In the event of emergency modes, the RPA devices give a signal to turn off the active power plant 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.Thus, the traction network 2 is unloaded between the power transformers of the traction substations 3 and the electric rolling stock 14. This increases the voltage level and energy efficiency of the traction network, which increases the reliability of power supply while ensuring the train schedule.

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.As a result of completing the task, an unexpected effect was a change in the current distribution in the traction network, due to an additional source of electricity in the form of an active power plant, leading: firstly, to reducing the need to use on-load tap-changers of power transformers of traction substations, which will increase the service life of transformer equipment; secondly, to the unloading of power grid equipment and power plants of the external power supply system; thirdly, to increase the stability and reliability of the external power system, and in scarce power systems to stabilize the frequency value.

Claims

An active traction power supply system containing an external power supply system consisting of power stations and power grid equipment, traction substations containing power transformers, a traction network including a contact network with a sectioning post, an electric rolling stock, an active power plant, which consists of a renewable energy source and a step-up transformer, characterized in that a voltage signal conversion unit is introduced, the measuring input of which receives a voltage signal from the measuring equipment of the contact network sectioning post, the digital output of the voltage signal conversion unit is connected to the first digital input of the control unit, the second digital input of the control unit is connected to the digital output battery, the third digital input of the control unit receives a signal from the output of relay protection and automation devices, and the digital output of the control unit is connected to the digital input of the inverter, when In this case, the input of the inverter is connected to the output of the storage battery, the input of which is connected to the output of a renewable energy source made on the basis of a converter of solar and / or wind energy into electrical energy, and the output of the inverter through an LC filter is connected to the primary winding of a step-up transformer, the secondary winding of which is connected to the traction network.