PL229395B1 - Sposób i układ magazynowania energii elektrycznej na potrzeby trakcji prądu stałego na liniach kolejowych - Google Patents

Abstract

Sposób polega na tym, że wytwarza się napięcie niższe od napięcia panującego na szynie kolejowej, a z sieci trakcyjnej, względnie energetycznej pobiera się energię do wytworzenia napięcia stałego, o potencjale niższym od potencjału szyny kolejowej, które to napięcie doprowadza się do układu ładowania baterii akumulatorów litowych, stanowiących magazyn energii dla sieci trakcyjnej w chwilach jej dużego obciążenia, a prąd ładowania kontroluje się przez zmianę rezystancji w układzie ładowania. Sieć trakcyjna (1), przykładowo +3 kV, poprzez zespół wyłącznikowo-odłącznikowy (2) jest połączona z biegunem dodatnim baterii akumulatorów litowych (3), a jej biegun ujemny jest poprzez diodę (D1) i tranzystor (T1) połączony z szyną kolejową (4), a także poprzez diodę (D2) i rezystor zmienny (Rz) jest połączony z szyną obniżonego napięcia (-U), która jest przyłączona do urządzenia (6) wytwarzającego napięcie stałe (-U), połączonego z szyną kolejową (4).

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób i układ magazynowania energii elektrycznej na potrzeby trakcji prądu stałego na liniach kolejowych.

Znane jest magazynowanie energii elektrycznej na potrzeby trakcji prądu stałego za pomocą kondensatorów wysokoenergetycznych, zwanych superkondesatorami lub ultrakondesatorami pozwalających na stosunkowo krótkotrwałe wsparcie obciążenia sieci na odcinku linii kolejowej, tramwajowej, metra, jakie występuje przy rozruchu pojazdu szynowego, zwłaszcza przy pojazdach z rekuperacją energii.

Magazynowanie energii elektrycznej za pomocą wspomnianych kondensatorów również jest stosowane w nowoczesnych tramwajach, trolejbusach, względnie w metrze, dla krótkotrwałego przejazdu w przypadku awarii zasilania, jak również w celu odzyskania energii elektrycznej z energii hamowania.

Znane jest także magazynowanie energii w systemach energetycznych prądu przemiennego z zastosowaniem baterii akumulatorów kwasowych oraz falowników, dzięki którym zmagazynowana energia w postaci prądu przemiennego jest oddawana do sieci energetycznej.

Polski patent PL 176986 B1 ujawnia główne i awaryjne zasilanie urządzeń sterowania ruchem kolejowym, gdzie prostowane jest napięcie trójfazowe przemienne. Wyprostowane napięcie ładuje baterię oraz trafia do konwertera zamieniającego napięcie stałe w trójfazowe. W przypadku zaniku napięcia trójfazowego na wejściu układu baterie podtrzymują działanie urządzeń sterujących.

Z amerykańskiego zgłoszenia patentowego LJS2013/0181522 A1 znany jest układ do zarządzania mocą. Układ ten dostarcza moc do odbiornika, a jednocześnie ładuje akumulator i kontroluje stan naładowania akumulatorów. Układ ten może być stosowany do urządzeń zasilanych np. z USB.

Natomiast polski patent PL 201960 B1 ujawnia układ konwertera dla siłowni telekomunikacyjnych. Układ ten zapewnia zasilanie z sieci elektrycznej prądu przemiennego do urządzeń jednocześnie ładując baterie. W przypadku zaniku napięcia w sieci elektrycznej prądu przemiennego urządzenia zasilane są z baterii. Układ, w przypadku obecności napięcia w sieci elektrycznej prądu przemiennego, okresowo rozładowuje baterie w celu zapewnienia ich długiej żywotności.

Nierozwiązanym problemem jest natomiast magazynowanie energii w kolejowej sieci trakcyjnej zasilanej prądem stałym, przykładowo w Polsce sieci 3 kV.

Dlatego też zadaniem wynalazku jest opracowanie sposobu magazynowania energii elektrycznej, który by pozwalał na jej wykorzystanie do chwilowego zasilania trakcji elektrycznej prądu stałego, w celu ograniczenia mocy szczytowej, pobieranej na danym odcinku szlaku kolejowego, podczas ruchu pojazdu szynowego.

Zadanie, w odniesieniu do sposobu zostało rozwiązane według wynalazku, w którym sposób magazynowania energii elektrycznej na potrzeby trakcji prądu stałego na liniach kolejowych zasilanych napięciem nominalnym 0,6-3 kV, za pomocą baterii akumulatorów charakteryzuje się tym, że wytwarza się napięcie niższe od napięcia panującego na szynie kolejowej i z sieci trakcyjnej, względnie energetycznej, pobiera się energię do wytworzenia napięcia stałego, o potencjale niższym od potencjału szyny kolejowej. Napięcie doprowadza się do układu ładowania baterii akumulatorów litowych, stanowiących magazyn energii dla sieci trakcyjnej w chwilach jej dużego obciążenia. Prąd ładowania kontroluje się przez zmianę rezystancji w układzie ładowania.

Zadaniem wynalazku jest również opracowanie układu do magazynowania energii elektrycznej, który by pozwalał na jej wykorzystanie do chwilowego zasilania trakcji elektrycznej prądu stałego, w celu ograniczenia mocy szczytowej, pobieranej na danym odcinku szlaku kolejowego podczas ruchu pojazdu szynowego.

Zadanie, w odniesieniu do układu zostało rozwiązane według wynalazku, w którym układ magazynowania energii elektrycznej na potrzeby trakcji prądu stałego na liniach kolejowych zasilanych napięciem nominalnym 0,6—3 kV, zawierający baterię akumulatorów, charakteryzuje się tym, że sieć trakcyjna poprzez zespół wyłącznikowo-odłącznikowy jest połączona z biegunem dodatnim baterii akumulatorów litowych. Jej biegun ujemny poprzez jedną diodę i tranzystor jest połączony z szyną kolejową, a także poprzez drugą diodę i zmienny rezystor jest połączony z szyną obniżonego napięcia, która jest przyłączona do urządzenia wytwarzającego napięcie stałe, połączonego z szyną kolejową.

Korzystnie urządzenie wytwarzające napięcie stałe jest połączone z przetwornicą, połączoną poprzez zespół wyłącznikowo-odłącznikowy z siecią trakcyjną oraz z szyną kolejową, względnie przetwornica jest bezpośrednio połączona z siecią energetyczną.

PL 229 395 Β1

Korzystnie urządzenie wytwarzające napięcie stałe jest połączone z siecią energetyczną.

Ogólną zaletą wynalazków jest obniżenie mocy szczytowej podstacji trakcyjnej na danym odcinku zasilania, a więc efektywne odciążenie systemu energetycznego podczas ruchu pojazdu szynowego, który to ruch jest związany z fazą jego rozruchu i przejazdu ze stałą prędkością. Faza rozruchu pojazdu szynowego wiąże się z potrzebą dostarczenia w stosunkowo krótkim okresie czasu znacznej mocy, a faza przejazdu ze stałą prędkością wymaga dostarczenia znacznie mniejszej mocy.

Ponieważ dostarczanie mocy do danego odcinka zasilania jest związane z zamówieniem odpowiedniej mocy szczytowej u dostawcy energii elektrycznej, to uzyskuje się znaczne oszczędności w opłatach, wynikające z możliwości zamówienia mniejszej mocy szczytowej.

Proces ładowania baterii akumulatorów odbywa się wyłącznie w okresach, gdy sieć trakcyjna na danym odcinku zasilania nie jest obciążona.

Okazało się, że w chwili odbierania energii z sieci trakcyjnej przez pojazd szynowy, jej znaczna część może być dostarczona przez układ według wynalazku.

W efekcie następuje zmniejszenie obciążenia w zasilającej sieci energetyki zawodowej, jest zapewniona większa stabilność napięcia na danym odcinku sieci trakcyjnej, szczególnie przy zastosowaniu układu według wynalazku na końcu odcinka sieci trakcyjnej.

Ponadto, układ według wynalazku w łatwy i prosty sposób nadaje się do zastosowania w dowolnym odcinku sieci trakcyjnej prądu stałego i to niezależnie od tego czy na danym odcinku sieci trakcyjnej jest dostęp do sieci energetycznej.

Układ według wynalazku również może być łatwo zastosowany na szlakach kolei WKD (modernizowanej na napięcie 3 kV) lub szlakach tramwajowych zasilanych napięciem 600 V, także przy pojazdach szynowych stosujących rekuperację energii hamowania.

Układ według wynalazku jest uwidoczniony w przykładach wykonania na schematycznym rysunku, na którym fig. 1 przedstawia zasilanie układu z sieci energetycznej, a fig. 2 - zasilanie układu z sieci trakcyjnej.

Sieć trakcyjna 1, przykładowo + 3 kV jest poprzez zespół wyłącznikowo-odłącznikowy 2 połączona z biegunem dodatnim baterii akumulatorów 3. Biegun ujemny baterii akumulatorów 3 jest połączony przez diodę D1 i tranzystor T1 z szyną kolejową 4, jak również przez diodę D2 i rezystor zmienny Rz z szyną obniżonego napięcia 5 (-U). Bateria akumulatorów 2 jest utworzona z akumulatorów litowych, względnie i innych mających podobne właściwości. Nie ma to wpływu na działanie układów.

Szyna obniżonego napięcia 5 (-U) jest połączona z urządzeniem 6 wytwarzającym napięcie stałe U1, które jest również połączone z szyną kolejową 4. Urządzenie 6 jest zasilane bezpośrednio z sieci energetycznej (fig. 1) albo zasilane z sieci trakcyjnej 1 poprzez przetwornicę 7 (fig. 2), która jest również połączona z szyną kolejową 4. Przetwornica 7 jest zasilana z sieci trakcyjnej 1 poprzez zespół wyłącznikowo-odłącznikowy 8.

Ponieważ diody D1, D2, tranzystory T1, T2 oraz rezystor zmienny Rz pracują przy niewielkich napięciach zaporowych, dlatego też w trakcie przełączania nie są poddawane działaniom krytycznych warunków, co zapewnia ich bezawaryjne działanie.

Układ według wynalazku, może być również bezproblemowo stosowany na szlakach torowych zasilanych napięciem stałym niższym od 3 kV, a więc przykładowo napięciem 600 V z jakim są zasilane tramwaje, względnie obecnie kolej WKD.

Dzięki takiemu układowi do magazynowania energii elektrycznej, bateria akumulatorów 3 jest ładowana w okresach, gdy dany odcinek trakcji nie jest obciążony ruchem pojazdu szynowego, względnie gdy jego obciążenie energetyczne jest niewielkie. Korzystnie ładowanie baterii akumulatorów 3 odbywa się prądem o wartości nieprzekraczającej 1C, gdzie C oznacza pojemność baterii akumulatorów 3. Po osiągnięciu przez baterię akumulatorów 3 stanu naładowania proces ładowania jest automatycznie przerywany. Podczas fazy rozruchu pojazdu szynowego i jazdy ze stałą prędkością, a więc w chwili odbierania energii z danego odcinka sieci trakcyjnej znacząca część odbieranej energii jest pokrywana przez baterię akumulatorów 3, względnie dostarczana z baterii akumulatorów 3.

W efekcie jest ograniczony pobór mocy szczytowej z podstacji, a więc nie istnieje potrzeba zamawiania u dostawcy energii elektrycznej ilości energii odpowiadającej ilości wymaganej przez pobieraną moc szczytową przed modernizacją, czyli przed zastosowaniem układu według wynalazku. A więc w punkcie zasilania (podstacji) danego odcinka trakcji ogranicza się moc szczytową w proporcji, wynikającej z częstotliwości kursowania pojazdów szynowych, proporcji pomiędzy prądem pobieranym

PL 229 395 Β1 podczas fazy rozruchu pojazdu szynowego, a prądem pobieranym podczas jazdy ze stałą prędkością oraz czasem obciążenia sieci trakcyjnej i czasem bez obciążenia, czyli podczas przerw w ruchu.

W miejscach, w których nie ma możliwości korzystania z zawodowej sieci energetycznej, zasilanie przetwornicy 7 z powodzeniem następuje z sieci trakcyjnej 3 kV lub 600 V.

Claims (4)

1. Sposób magazynowania energii elektrycznej na potrzeby trakcji prądu stałego na liniach kolejowych zasilanych napięciem nominalnym 0,6-3 kV, za pomocą baterii akumulatorów (3), znamienny tym, że wytwarza się napięcie (-U) niższe od napięcia panującego na szynie kolejowej (4) i z sieci trakcyjnej (1), względnie energetycznej, pobiera się energię do wytworzenia napięcia stałego (U1), o potencjale niższym od potencjału szyny kolejowej (4), które to napięcie (U1) doprowadza się do układu ładowania baterii akumulatorów litowych (3), stanowiących magazyn energii dla sieci trakcyjnej (1) w chwilach jej dużego obciążenia, a prąd ładowania kontroluje się przez zmianę rezystancji (Rz) w układzie ładowania.

2. Układ magazynowania energii elektrycznej na potrzeby trakcji prądu stałego na liniach kolejowych zasilanych napięciem nominalnym 0,6-3 kV, zawierający baterię akumulatorów (3), znamienny tym, że sieć trakcyjna (1) poprzez zespół wyłącznikowo-odłącznikowy (2) jest połączona z biegunem dodatnim baterii akumulatorów litowych (3), a jej biegun ujemny poprzez diodę (D1) i tranzystor (T1) jest połączony z szyną kolejową (4), a także poprzez diodę (D2) i zmienny rezystor (Rz) jest połączony z szyną obniżonego napięcia (5), która jest przyłączona do urządzenia (6) wytwarzającego napięcie stałe (U1), połączonego z szyną kolejową (4).

3. Układ według zastrz. 2, znamienny tym, że urządzenie (6) wytwarzające napięcie stałe (U1) jest połączone z przetwornicą (7), połączoną, poprzez zespół wyłącznikowo-odłącznikowy (8), z siecią trakcyjną (1) oraz z szyną kolejową (4).

4. Układ według zastrz. 2, znamienny tym, że urządzenie (6) wytwarzające napięcie stałe (U1) jest połączone z siecią energetyczną (1).