МОБИЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ С РЕГУЛИРОВАНИЕМ НАПРЯЖЕНИЯ И ПЕРЕСТРОЙКОЙ ЧАСТОТЫ

Предлагаемое техническое решение относится к области электротехники, используется в мобильных устройствах энергоснабжения с регулированием напряжения и перестройкой частоты для резервного электроснабжения с возможностью использования разнородных источников электроэнергии: асинхронных генераторов (АГ) или синхронных генераторов (СГ), накопителей электроэнергии (НЭЭ) на базе аккумуляторных батарей (АБ), топливных элементов (ТЭ), фотоэлектрических установок (ФЭУ) и др.
Необходимость мобильных устройств диктуется задачей поддержания стабильного по напряжению и частоте электропитания потребителей в условиях слабой энергосистемы, например, удаленные источники генерации (сельские распределительные сети), либо сети с резкопеременной или вновь подключаемой нагрузкой, а также сети особо ответственных потребителей (спецобъекты, офисные центры, госпитали и др.).
Известно техническое решение по устройству «Разнородная система энергоснабжения» (ПАТЕНТ JP 2001177995 А, МПК: Н02j 3/28, опубликован 29.06.2001) [1], в котором используются ФЭУ и НЭЭ, присоединенные к энергосистеме через один или несколько преобразователей ас-dс, причем указанные преобразователи коммутируются выключателями, осуществляющими их попеременное подключение.
Однако, недостатком данного решения является его работа на фиксированной частоте, отсутствие регуляторов мощности и напряжения, что не гарантирует качество, а также отсутствует возможность работы на пассивную нагрузку.
Известно техническое решение по устройству «Аппараты и метод контроля потока мощности» (ПАТЕНТ US 5698969 А, МПК: G05F 1/70, опубликован 16.12.1997) [2], в котором применяется один или несколько параллельно соединенных преобразователей ас-dс-ас, регулирующих потоки активной и реактивной мощностей в одной или нескольких параллельных линиях, соединяющих две энергосистемы.
Однако недостатком данного технического решения является невозможность перестройки частоты, отсутствие возможности работы на пассивную нагрузку, невозможность присоединения разнородных источников электроэнергии.
Известно техническое решение «Многофункциональный энергетический комплекс (МЭК)» (ПАТЕНТ RU 5434 U1 МПК: Н02j 3/28, G05F 1/66, опубликован 27.06.2010), [3], в котором разнородные источники электроэнергии и накопитель электроэнергии присоединены ко входам сетевого и автономного преобразователей, нагруженных через свои трансформаторы на одну пассивную или активную нагрузку.
Однако недостатком данного технического решения является невозможность перестройки частоты, работа только на одну нагрузку, использование двух трансформаторов и статических преобразователей, что применимо для стационарных устройств, но увеличивает массогабаритные показатели мобильных устройств.
Наиболее близким аналогом к предложенному техническому решению является устройство «Резонансная система переменного тока для испытаний высоковольтных кабелей на месте применения», (каталог «Highvolt, Test with the best», стр.1, 2; 19-21) [4], которое содержит блок управления и питания, состоящего из статического преобразователя частоты и системы управления, трансформатор, резонансный реактор, и делитель напряжения. Выход статического преобразователя частоты соединен со входом трансформатора. Выход трансформатора соединен с резонансным реактором, выполняющим функцию фильтра низкой частоты, образованным последовательным резонансным контуром и испытываемым кабелем, в котором частота автоматически подстраивается под резонансную частоту* Испытуемый объект подключается к выходу делителя напряжения через блокирующее сопротивление. Статический преобразователь частоты преобразовывает трехфазное входное напряжение в однофазное выходное напряжение требуемой частоты. Испытываемое напряжение регулируется статическим преобразователем частоты и измеряется отколиброванной измерительной системой, состоящей из пикового вольтметра и делителя напряжения Трансформатор изолирует статический преобразователь частоты от испытательной цепи и повышает его выходное напряжение в зависимости от требуемого напряжения испытаний и потерь высоковольтного резонансного контура. В случае обрыва в истытываемом кабеле, в высоковольтной цепи могут вырабатываться высокие переходные напряжения. Блокирующее сопротивление защищает резонансный реактор от перенапряжений.
Недостатками устройства являются большие габариты и масса мобильного устройства, невозможность продолжительной работы, поскольку испытательная система может быть развернута на месте применения в течении 1 часа, работа осуществляется только на одну нагрузку или от одного источника электроэнергии, низкое качество фильтрации напряжения из-за требуемой широкой полосы фильтра низкой частоты (ФНЧ) и статического преобразователя частоты (СПЧ) в диапазоне частот, различающихся на порядок.
Технической задачей предложенного технического решения является создание мобильного устройства энергоснабжения с регулированием напряжения и перестройкой частоты, способного работать от разнородных источников электропитания на нагрузку высокого напряжения (ВН), а также от одного источника электропитания на две нагрузки, в цепи: высокого напряжения ВН и в цепи низкого напряжения (НН).
Технический результат, достигнутый в заявленном техническом решении, заключается в уменьшении габаритов и массы устройства, способности работать от разнородных источников электроэнергии, а также от одного источника электроэнергии на две нагрузки, в цепи: ВН и в цепи НН, с учетом возможности регулирования напряжения и перестройкой частоты.
Поставленная задача решается благодаря тому, что мобильное устройство энергоснабжения с регулированием напряжения и перестройкой частоты содержит блок управления и питания, состоящий из статического преобразователя частоты СЧП и системы управления (СУ), трансформатор (ТР), резонансный реактор, выполняющий функцию фильтра низкой частоты ФНЧ, делитель напряжения. В предложенном техническом решении трехфазный трансформатор выполнен с обмотками, среднего напряжения (СН), ВН и НН. Обмотка НН через делитель низкого напряжения (ДНН), соединенный с датчиком тока (ДТ) в цепи НН присоединена к выключателю (В) в цепи НН. Выводы делителя низкой частоты ДНН и датчика тока ДТ в цепи НН соединены со входами системы управления СУ. Выход системы управления СУ связан со входом статического преобразователя частоты СПЧ и входом фильтра низкой частоты ФНЧ. Другие выходы системы управления СУ присоединены к выключателям, к входу выключателя в цепи ВН и к входу выключателя в цепи НН.
Трансформатор ТР имеет обмотки: среднего напряжения СН, высокого напряжения ВН, низкого напряжения НН.
Для облегчения конструкции трансформатор выполнен двухобмоточным, имеющим обмотки среднего напряжения СН и высокого напряжения ВН. Обмотка низкого напряжения НН создана с помощью отпайки от обмотки среднего напряжения СН, что существенно упрощает конструкцию, снижает габариты и массу трансформатора ТР.
Предложенное техническое решение поясняется рисунком (фиг 1), где приведена структурная схема мобильного устройства энергоснабжения с регулированием напряжения и перестройкой частоты. Жирным пунктиром показаны элементы и связи, отличающие предложенное техническое решение от наиболее близкого аналога.
Устройство содержит:
1 статический преобразователь частоты, СПЧ;
2 фильтр низкой частоты, ФНЧ;
3 - трансформатор, ТР;
4 - делитель высокого напряжения, ДВН;
5 - делитель низкого напряжения, ДНН;
6 - датчик тока ДТ в цепи ВН;
7 - датчик тока ДТ в цепи НН;
8 - выключатель В в цепи ВН;
9 - выключатель В в цепи НН;
10 - система управления, СУ;
11 - шкаф высокого напряжения, ШВН;
12 - шкаф низкого напряжения, ШНН.
В предложенном техническом решении статический преобразователь частоты СПЧ 1подключен к входу фильтра низкой частоты ФНЧ 2, выход которого присоединен к входу обмотки СН трансформатора ТР 3. Выход обмотки ВН трансформатора ТР 3 подключен через делитель высокого напряжения ДВН 4, соединенный с датчиком тока ДТ 6 в цепи ВН, к выключателю В 8 в цепи ВН. Делитель ДВН 4 и датчик тока ДТ 6 в цепи ВН подключены к входам системы управления СУ 10. Шкаф высокого напряжения ШВН 11 содержит делитель высокого напряжения ДВН 4, датчик тока ДТ 6 в цепи ВН и выключатель В 8 в цепи ВН. Выход обмотки НН трансформатора ТР 3 подключен через делитель низкого напряжения ДНН 5, соединенный с датчиком тока ДТ 7 в цепи НН, к выключателю В 9 в цепи НН. Выходы делителя низкого напряжения ДНН 5 и датчика тока ДТ 7 в цепи НН подключены к входам системы управления СУ 10. Шкаф низкого напряжения ШНН 12 содержит делитель низкого напряжения ДНН 5, датчик тока ДТ 7 в цепи НН и выключатель В 9 в цепи НН. Один из выходов системы управления СУ 10 подключен к входу статического преобразователя частоты СПЧ 1 и к входу фильтра низкой частоты ФНЧ 2. Другие выходы системы управления СУ 10 подключены к выключателям, к входу выключателя В 8 в цепи ВН и к входу выключателя В 9 в цепи НН.
Фильтр низкой частоты ФНЧ 2 включен в цепь СН, чтобы уменьшить содержание гармоник в трансформаторе ТР 3 и снизить габариты ФНЧ 2 за счет снижения на нем уровня напряжения. ФНЧ 2 должен быть узкополосным и его подстройка должна быть в ограниченном диапазоне частот относительно основной частоты статического преобразователя частоты СПЧ 1, т.е. отклонение которой: (1÷3) %.
Основная частота мобильного устройства составляет (50÷60) Гц (±0,1)% для сетевого питания, 400 Гц (±1%) для бортового питания или любой другой в диапазоне (50÷500) Гц. Диапазон регулирования напряжения (0÷130) % относительно номинальных напряжений. Габариты и мощность устройства определяются в первую очередь трансформатором и для стандартного 10-футового контейнера на автомобильной тяге, мощность масляного трансформатора составляет - 1000 кВА, напряжения обмоток: НН - 0,4 кВ; СН - (0,7÷1,0) кВ; ВН - (6÷10) кВ; масса контейнера с оборудованием не более 8 тонн.
Предлагаемое мобильное устройство имеет широкое назначение. Например, в первом варианте использования - это работа от двух источников электроэнергии, от источника электроэнергии СН и источника электроэнергии НН, на одну нагрузку в цепи ВН. При этом ко входу устройства со стороны статического преобразователя частоты СПЧ в цепи СН подключается дизель-генератор, возможно подключение ветрового генератора или любой другой источник электроэнергии с нестабильными частотой и напряжением. Со стороны источника электроэнергии НН через выключатель В 9 в цепи НН подключается инвертор фотоэлектрических установок ФЭУ или накопитель электроэнергии НЭЭ, частота и фаза которого синхронизирована и синфазирована с системой управления СУ. Выходное напряжение устройства снимается с выключателя 8 в цепи ВН и в случае пропадания основного источника электроэнергии от СПЧ выходное напряжение ВН сохраняется неизменным. При этом мощность обмотки СН и мощность обмотки НН и примыкающего оборудования должна быть одинаковой.
Во втором варианте использования предлагаемое устройство работает от одного источника сетевого питания со значительным отклонением частоты и уровня рабочего напряжения, которое стабилизируется статическим преобразователем частоты СПЧ и преобразуется с помощью трансформатора ТР в два напряжения, в ВН и НН, причем ВН - (6÷10) кВ используется для питания собственных нужд либо в других технологических устройствах, а НН - на уровне 220 В используется для питания освещения, сигнализации, защиты, управления и других целей.
Подстройка частоты фильтра низкой частоты ФНЧ необходима для компенсации его емкости при эксплуатации и изменении температуры, а перестройка основной частоты связана с видом нагрузки.
Мобильное устройство энергоснабжения с регулированием напряжения и перестройкой частоты работает следующим образом.
От трехфазной сети: дизель-генератор (ДТ) или ветровая электроустановка (ВЭУ) напряжение СН: - 0,7 кВ, поступает на вход статического преобразователя частоты СПЧ 1 с системой управления СУ 10. Это напряжение в статическом преобразователе частоты СПЧ 1 преобразуется в стабильное относительно значений уставок: напряжения, Uуст., и частоты, fуст., подаваемых на вход системы управления СУ 10. В фильтре низкой частоты ФНЧ 2 напряжение фильтруется, ликвидируя высшие гармоники, и поступает на вход трансформатора ТР 3. Подключенный к обмотке ВН шкаф высокого напряжения ШВН 11 с делителем высокого напряжения ДВН 4 и датчиком тока ТД 6 в цепи ВН и выключателем В 8 в цепи ВН выдает ВН на нагрузку в цепи ВН.
Присоединенный к обмотке НН трансформатора ТР 3 шкаф низкого напряжения ШНН 12 с делителем низкого напряжения ДНН 5 и датчиком тока ТД 7 в цепи НН через выключатель В 9 в цепи НН выдает напряжение НН на другую нагрузку. В случае аварии сигналы, от датчика высокого напряжения ДВН 6 или от датчика низкого напряжения ДНН 7, поступают на входы системы управления СУ 10 и запирают вентили статического преобразователя частоты СПЧ 1. При отклонении напряжения или частоты от соответствующих значений уставок происходит их подстройка изменением частоты широтной импульсной модуляции (ШИМ) или коэффициента модуляции инвертора, либо угла управления выпрямителя статического преобразователя частоты СПЧ 1 для стабилизации напряжения.
Первоначально устройство запускается плавным изменением углов управления выпрямителя статического преобразователя частоты СПЧ 1, после чего отпираются вентили инвертора СПЧ 1. При сбросе нагрузки СПЧ 1 реверсируется и выдает мощность в питающую систему.
Технический результат предлагаемого устройства в эксплуатации определяется: уменьшением габаритов и массы устройства, способностью работать от разнородных источников электроэнергии, а также от одного источника электроэнергии на две нагрузки с учетом возможности регулирования напряжения и перестройки частоты.
Предлагаемое техническое решение позволяет: повысить надежность энергоснабжения, уменьшить число аварий в энергосистеме, использовать автономные источники в виде: ветровой электроустановки ВЭУ, фотоэлектрической установки ФЭУ, накопителя электроэнергии НЭЭ.
Применение предлагаемого устройства позволит уменьшить массогабаритные показатели, а в случае применения сухого трансформатора повысить пожаро- и взрывобезопасность, существенно снизить стоимость за счет применения унифицированных элементов.
Исходя из вышеизложенного задача по созданию устройства, позволяющего снизить габариты и массу устройства, способного работать от разнородных источников, а также от одного источника на две нагрузки с учетом возможности регулирования напряжения и перестройки частоты, выполнена.
Источники информации, принятые во внимание при составлении заявки:
[1] - ПАТЕНТ JP 2001177995 А, МПК Н02j 3/28, опубликован 29.06.2001 г;
[2] - ПАТЕНТ US 85698969, МПК G05F 1/70, опубликован 16.12.1997 г
[3] - ПАТЕНТ RU 95434 U1 МПК: H01j 3/28, G05F 1/66, 67, опубликован. 27.06.2010;
[4] - Каталог ««Highvolt, Test with the best», стр. 1, 2; 19÷21.