РАСПРЕДЕЛЁННАЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ СЕТЬ
DISTRIBUTED ENERGY NETWORK

Область техники
Изобретение относится к устройству по распределению и передачи электрической энергии по сети потребителей из распределенных источников постоянного и переменного тока.
Уровень техники
Возросший в последнее время интерес к возобновляемым источникам энергии привел к активизации исследований в области создания систем распределенной энергетики. В составе таких систем наряду с традиционными источниками наиболее часто используются ветрогенераторы, фотоэлектрические панели, топливные элементы, аккумуляторные батареи. Для интегрирования этих энергосистем с потребителями, которые также являются распределенными, были предложены различные топологии, которые принимают во внимания различные требования, таки как требования к напряжению, току, условиям эксплуатации, надежности, безопасность, цене, качеству. В отдельности с помощью рассматриваемых источников генерации получается достаточно низкое напряжение, что вынуждает соединять из последовательно, а для получения необходимых параметров по току, их еще и необходимо соединять параллельно, что в конечном счете делает систему достаточно большую в размерах, что в отдельных случаях может быть критичным и не надежным. Надежность, отказоустойчивость и гарантированное электроснабжения потребителей является ключевыми критериями для таких распределенных энергетических сетей.
Так же известно, что выработка электроэнергии из каждого из рассмотренных источников зависит от внешних факторов. Таким образом два идентичных источника могут выдавать различные выходные характеристики. Аналогичным образом два идентичных источника, могу по-разному реагировать на условия эксплуатации и факторы среды, таких как нагрузка, температура и т.д.
Для того, чтобы стабилизировать параметры тока и напряжения в энергетических установках, объединенных в распределенную энергетическую сеть, необходимо использовать специальные преобразователи, которые могут позволить преобразовывать напряжение первичного источника в необходимое напряжение для сети. Помимо этого, такие системы должны быть устойчивые к аварийным ситуациям и гарантированно снабжать потребителя энергией.
Известен «Виртуальный инвертор для энергоблоков» патент США US 9755430 B2, который представляет собой регулятор производства энергии от множественных энергетических блоков, подключенных к электрической распределительной сети. С помощью данного блока производится контроль и координация энергетических потоков. Контроллер шлюза позволяет управлять множеством отдельных энергоблоков как единым энергоблоком. Контроллер шлюза может определять необходимые управляющие параметры энергоблоков, обеспечивающие желаемое поведение, например комбинированный переменный ток, вводимый в сеть, и выдавать команды энергоблокам на основе заданных управляющих параметров.
Инвертор это устройство, которое преобразует постоянный ток в переменный, при этом, чтобы энергетическая распределенная сеть была построена на таких устройствах, необходимо их синхронизировать друг с другом максимальным образом, при этом любой отклонение от ведущей частоты, которое может быть вызвано в результате скачка мощности в сети может вызвать дисбаланс в системе вплоть до выхода из строя ключевых преобразователей и нагрузки.
Известно «Распределенное накопление энергии и контроль качества электроэнергии в фотоэлектрических системах» патент США US 9882528 B2. Данное изобретение представляет собой электрическую систему, которая состоит из фотовольтайческих элементов, которые объединены с накоплением энергии и управляющим органом на каждой PV-панели. Накопитель энергии может представлять собой первичные или вторичные цилиндрические элементы, соединенные в батарею и/или массив конденсаторов (или су пер конденсаторов). Органы управления могут выполнять различные функции, включая, но не ограничиваясь проверку качества электроэнергии. Системы работает через интеграцию двунаправленных микро-инверторов, которые создают распределенную сеть переменного тока увеличенное, может накапливать энергию и контролирует двухсторонние потоки энергии между фотовольтаической системой и сетью.
Наиболее близким к предлагаемому решению является «Система и способ распределения питания по нескольким микросетям, имеющим шины постоянного и переменного тока» патент США US 10459473 B2. В патенте описаны системы и методы управления работой множества микросетевых модулей. Микросетевой модуль включает в себя трансформаторы и/или преобразователи мощности, необходимые для интеграции входных источников питания переменного или постоянного тока в соответствии с требуемыми характеристиками выходной мощности. Микросетевой модуль также включает в себя модуль управляющего программного обеспечения и модуль программного обеспечения маршрутизатора питания. Модуль программного обеспечения управления получает данные от датчиков в микросетевом модуле и управляет потоком мощности с помощью управляемых элементов. Модуль программного обеспечения маршрутизатора управляет работой маршрутизатора. Маршрутизатор может обнаруживать изменения потребности в питании внутри микросетевого модуля или от других микросетевых модулей. Мощность маршрутизатора может регулировать поток энергии между микросетевыми модулями в ответ на изменения в подаче питания на микросетевой модуль и изменения спроса на электроэнергию от микросетевого модуля.
Недостатками прототипа являются:
- низкая надежность электроснабжения в случае отказа одного из узлов генерации, а также обрыве линии электропередач
- малое количество потребителей, которые можно подключить к электроснабжению в предлагаемой схеме.
Раскрытие изобретения
Технической проблемой, на решение которой направлено заявляемое изобретение является создание надежной отказоустойчивой сети электроснабжения со множеством пользователей с собственными источниками генерациями.
Техническим результатом заявленного изобретения является создание отказоустойчивой распределенной энергетической сети, с возможностью подключения неограниченного количества потребителей с номинальным напряжением 220 В, как постоянного тока, так и переменного тока.
Для достижения технического результата, предложена распределенная энергетическая сеть, состоящая из микросетевых модулей и источников напряжения соединенных в распределенную сеть путем разветвления токопроводящих шин при этом микросетевые модули на входных токопроводящих шинах содержат двунаправленные преобразователи 750 В/220 В, макросетевые модули на входных токопроводящих шинах содержат двунаправленные преобразователи 1500 В/750 В, соседние шины в микросетевых модулях дополнительно соединены, источниками и потребителями напряжения являются пользователи с собственными источниками генерации электроэнергии, подключенные к токопроводящим шинам микросетевых модулей, соединяющим двунаправленные преобразователи 750 В/220 В, каждый микросетевой модуль связан посредством шин с тремя аналогичными, а крайние связаны с 2 аналогичными и с двунаправленными преобразователями.
Крайние токопроводящие шины энергетической сети могут быть подключены к аналогичным сегментам сети.
Крайние токопроводящие линии могут соединять соседние макросетевые модули, образуя замкнутый контур.
Совокупность приведенных выше существенных признаков приводит к тому, что: - К каждому микросетевому модулю и к каждому макросетевому модулю энергия по токопроводящим шинам может подводиться с трех сторон, что повышает надежность электроснабжения этих модулей;
- Токопроводящие шины внутри микросетевого модуля позволяют обеспечить надежность электроснабжения и передачи энергии пользователей, подключенных к этим токопроводящим шинам;
- Возможно формирование сети с пользователями постоянного тока в комбинации с пользователями переменного тока, как путем создания новых микросетевых модулей, так и путем включения существующих микросетевых модулей, коммутированных по переменному току в создаваемую распределенную электросеть, коммутируемую по постоянному току;
- К каждому макросетевому и микросетевому модулю напряжение подводится с большим номиналом, попадая на двунаправленный преобразователь, который понижает напряжение и адаптирует его под параметры макросетевого модуля, откуда распределяется и попадает на двунаправленные преобразователи микросетевого модуля понижается и адаптируется под параметры пользователей, что уменьшает потери при транспортировке электроэнергии по токопроводящим шинам между микросетевыми и макросетевыми модулями.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 изображена схема макросетевого модуля, где цифрами обозначены:
1, 2, 3, 22, 23, 24, 25, 26 и 27 - микросетевые модули
28 - макросетевой модуль
59, 60, 61, 5, 6, 10, 11, 15-21, 86, 88, 90 - токопроводящие шины
85, 87, 89 - двунаправленные преобразователи
На фиг. 2 и 3 изображены схемы соединения макросетевых модулей, где цифрами обозначены:
28-31, 41-49 - макросетевые модули
60, 5, 6, 7-9, 32-37, 47-58 - токопроводящие шины
На Фиг. 4 изображена схема микросетевого модуля (1, 2, 3, 22, 23, 24, 25, 26 и 27), где цифрами обозначены:
4, 13, 14 - двунаправленные преобразователи
59, 61-67, 88 - токопроводящие шины
На фиг. 5 показана возможная схема соединения макросетевых модулей (28-31, 41-49), где цифрами обозначены:
4, 5, 6, 32, 33, 34, 35, 36, 37 - токопроводящие шины
28, 29, 30, 31 - макросетевые модули
На фиг. 6 показана возможная схема соединения макросетевых модулей (28-31, 41-49), где цифрами обозначены:
4, 5, 6, 33, 49, 51, 34, 35, 54, 56, 36, 37, 7, 9, 32, 8, 47, 48,50, 52, 53, 55, 57, 58, 77, 78, 79, 80, 81, 82, 83, 84, 85 - токопроводящие шины
28, 29, 30, 31, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 68, 69, 70, 71, 72, 73, 74, 75, 76 - макросетевые модули.
Осуществление
Совокупность микросетевых модулей 1-3, 22-27 и токопроводящих шин 60, 5, 6, 10-21, 86, 88, 90 и двунаправленных преобразователей 85, 87, 89 образует макросетевой модуль 28 фиг. 1. Тем самым макросетевой модуль 28 включает в себя токопроводящую шину 60, соединенную с двунаправленным преобразователем 87, соединенным с токопроводящей шиной 88, которая соединена с микросетевым модулем 1, который посредством токопроводящей шины 59, соединен с микросетевым модулем 24, посредством токопроводящей шины 61 соединен с микросетевым модулем 25, который посредством токопроводящей шины 20 соединен с микросетевым модулем 24. Микросетевой модуль 25 посредством токопроводящей шины 15 соединен с микросетевым модулем 26. Микросетевой модуль 26, посредством токопроводящей шины 16 соединен с микросетевым модулем 2, посредством токопроводящей шине 21 соединен с микросетевым модулем 27, который посредством токопроводящей шины соединен с микросетевым модулем 2, который соединен с токопроводящей шиной 90, которая соединена с двунаправленный преобразователем 89, который соединен с токопроводящей шиной 5. Микросетевой модуль 27 посредством токопроводящей шины 18 соединен с микросетевым модулей 22, который посредством токопроводящей шины 10 соединен с микросетевым модулем 3, посредством токопроводящей шины 19 соединен с микросетевым модулем 23, который посредством токопроводящей шины 11 соединен с микросетевым модулем 3, который соединен с токопроводящей шиной 86, которая соединена с двунаправленным преобразователем 85, который соединен с токопроводящей шиной 6. Микросетевой модуль 23 посредством токопроводящей шины 12 соединен с микросетевым модулем 24.
Внутри фиг. 4 микросетевого модуля 1 токопроводящая шина 88 подключена к двунаправленному преобразователю 13, который соединен с токопроводящей шиной 63, к которой подсоединены токопроводящие шины 65, 66 и шины 62, 64 причем так что шина 66 дополнительно соединяет шины 63 и 64, а шина 65 дополнительно соединяет шины 62 и 63 Токопроводящая шина 59 подключена к двунаправленному преобразователю 4, который соединен с токопроводящей шиной 62, к которой подсоединены токопроводящие шины 63, 64, 65, 67 последняя дополнительно соединяет шины 62 и 64. Токопроводящая шина 61 подключена к двунаправленному преобразователю 14, который соединен с токопроводящей шиной 64, к которой подсоединены токопроводящие шины 62, 63, 66, 67.
Макросетевой модуль 28 по фиг. 2 посредством токопроводящей шины 6 соединен с макросетевым модулем 29, который соединен с токопроводящими шинами 32 и 33. Макросетевой модуль 28 посредством токопроводящей шины 5 соединен с макросетевым модулем 31, который соединен с токопроводящими шинами 36 и 37. Макросетевой модуль 28 посредством токопроводящей шины 60 соединен с макросетевым модулем 30, который соединен с токопроводящими шинами 34 и 35.
Токопроводящие шины 35 и 53 (фиг. 3) соединены с макросетевым модулем 41, который посредством токопроводящей шины 54 соединен с макросетевым модулем 42, который соединен с токопроводящей шиной 55 и посредством токопроводящей шины 56 соединен с макросетевым модулем 43, который соединен с токопроводящей шиной 57 и посредством токопроводящей шины 36 соединен с макросетевым модулем 31, который посредством токопроводящей шины 37 соединен с макросетевым модулем 44, который соединен с токопроводящей шиной 58 и посредством токопроводящей шины 7 соединен с макросетевым модулем 45, который соединен с токопроводящей шиной 8 и посредством токопроводящей шины 9 соединен с макросетевым модулем 46, который соединен с токопроводящей шиной 47 и посредством токопроводящей шины 32, соединен с макросетевым модулем 29, который посредством токопроводящей шины 33 соединен с макросетевым модулем 38, который соединен с токопроводящей шиной 48 и посредством токопроводящей шины 49 соединен с макросетевым модулем 39, который соединен с токопроводящей шиной 50 и посредством токопроводящей шины 51 соединен с макросетевым модулем 40, который соединен с токопроводящей шиной 52 и посредством токопроводящей шины 34 соединен с макросетевым модулем 30, который соединен с токопроводящей шиной 35.
Еще один вариант осуществления сегмента сети чье устройство соответствует описанию, данному по фиг. 2 токопроводящая шина 33 соединена с токопроводящей шиной 34, токопроводящая шина 35 соединена с токопроводящей шиной 36, токопроводящая шина 37 соединена с токопроводящей шиной 32 вариант данного сегмента энергетической сети показан на фиг. 5.
В сегменте сети, чье устройство соответствует описанию данному по фиг. 3 токопроводящая шина 50, соединена с макросетевым модулем 68, токопроводящая шина 52, соединена с макросетевым модулем 69, токопроводящая шина 53, соединена с макросетевым модулем 70, токопроводящая шина 55, соединена с макросетевым модулем 71, токопроводящая шина 57 соединена с макросетевым модулем 72, токопроводящая шина 58, соединена с макросетевым модулем 73, токопроводящая шина 8 соединена с макросетевым модулем 74, токопроводящая шина 47 соединена с макросетевым модулем 75, токопроводящая шина 48 соединена с макросетевым модулем 76. Макросетевой модуль 68, посредством токопроводящей шины 78 соединен с макросетевым модулем 69, который посредством токопроводящей шины 79 соединен с макросетевым модулем 70, который посредством токопроводящей шины 80 соединен с макросетевым модулем 71, который посредством токопроводящей шины 81 соединен с макросетевым модулем 72, который посредством токопроводящей шины 82 соединен с макросетевым модулем 73, который посредством токопроводящей шины 83 соединен с макросетевым модулем 74, который посредством токопроводящей шины 84 соединен с макросетевым модулем 75, который посредством токопроводящей шины 85 соединен с макросетевым модулем 76, который посредством токопроводящей шины 77 соединен с макросетевым модулем 68 вариант данного сегмента энергетической сети показан на фиг. 6.
Возможны два варианта.
1) Соединение крайних по фиг. 3 токопроводящих шин 8, 47, 48, 50, 52, 53, 55, 57, 58 к другим макросетевым модулям по типу 28 изображенному на фиг. 1. источниками напряжение при этом являются пользователи с собственными источниками генерации, которые могут быть подключены к токопроводящим шинам 62, 63, 64, 65, 66, 67, которые расположены внутри каждого микросетевого модуля по типу 1 изображенному на фиг. 4. То есть на фиг. 3 изображен, по сути, энергетический остров, к которому есть возможность подключения условно говоря неограниченного количества макросетевых модулей по указанной на фиг. 3 схеме.
2) Второй вариант подразумевает замкнутый контур, при котором крайние токопроводящие шины соединяют соседние макросетевые модули, образуя замкнутый контур в первом масштабе фиг. 5 и в увеличенной версии фиг. 6. В данном исполнении получившийся энергетический остров не имеет возможности подключения других макросетевых модулей, при этом источниками напряжения в данной сети также как и в первом варианте являются пользователи с собственными источниками генерации, которые могут быть подключены на токопроводящие шины внутри микросетевого модуля по типу 1.
Все микросетевые модули и потребители связаны между собой по информационной сети Ethernet и управляется благодаря заложенному алгоритму в собственный программный модуль, выдавая в качестве экспортера энергии и получая в качестве импортера энергии по согласованию с другими микросетевыми модулями необходимые параметры тока и напряжения. При этом, каждый микросетевой модуль в своем составе имеет устройства аварийного отключения от сети при аварийной ситуации внутри микросетевого модуля локализуя аварийный участок, при этом подвод энергии к микросетевому модулю обеспечивается с трех сторон и обрыв одной из шин электропередач или выход из строя какого-то из микросетевых модулей не приводит к отключению питания потребителей внутри микросетевого модуля, и энергия может перетекать по другим шинам электропередач в обход аварийного участка. Аналогичным образом построены макросетевые модули, подвод энергии к которым обеспечивается с трех сторон.
Реализация
В первом варианте реализации микросетевые модули 1-3, 22-27 имеют 3 двунаправленных преобразователя постоянного тока 750 В/220 В 4, 13, 14, которые соединены между токопроводящими шинами постоянного тока 220 В, которые имеют, но не ограничиваются 10 потребителей, которые могут иметь собственные источники генерации энергии, накопители энергии и нагрузку или могут иметь только нагрузку.
Напряжение 1500 В постоянного тока поступает по токопроводящей шине 60 на двунаправленный преобразователь постоянного тока 1500 В/750 В 87, откуда по токопроводящей шине 88 поступает на микросетевой модуль 1, в котором в двунаправленном преобразователе 750 В/220 В постоянного тока 13, напряжение 750 В преобразуется в 220 В и распределяется по объединению потребителей, которые могут быть подключены к токопроводящим линиям 62, 63, 64, 65, 66, 67, затем напряжение через двунаправленный преобразователь 750 В/220 В постоянного тока 4, 14 преобразуется из 220 В в 750 В и распределяется по токопроводящим шинам 59 и 61 и подается на микросетевые модули 24 и 25, где аналогичным образом напряжение попадает в двунаправленный преобразователь постоянного тока 750 В/220 В, где оно преобразуется из 750 В в 220 В и распределятся по объединению потребителей, из микросетевых модулей 24 и 25, которые объединены между собой токопроводящей шиной 750 В, напряжение 750 В постоянного тока поступает по токопроводящим шинам 12 и 15 на микросетевые модули 23 и 26 из которых напряжение 750 В постоянного тока токопроводящим шинам 11, 19, 21 и 26 поступает на микросетевые модули 3, 22, 27 и 2, при этом напряжение 750 В постоянного тока посредством токопроводящей шины 10 поступает на микросетевой модуль 22 из которого по токопроводящей шине 750 В постоянного тока поступает на микросетевой модуль 27 из которого по токопроводящей шине 750 В постоянного тока поступает на микросетевой модуль 2 из которого напряжение посредством токопроводящей шины 90 поступает на двунаправленный преобразователь постоянного тока 750 В/1500 В 89 из которого посредством токопроводящей шины 5 поступает за пределы макросетевого модуля 28. Токопроводящие шины 1500 В постоянного тока 5, 6, 60 являются одновременно входящими и выходящими за пределы макросетевого модуля 28, определение входа или выхода зависит от того, в каком направлении на данном этапе работы течет ток, что зависит от того, является ли на данном этапе макросетевой модуль 28 потребителем или генератором или элементом транзита энергии с частичным потреблением или частичной генерации электроэнергии в сеть. Таким образом макросетевой модуль 28 имеет одновременно три входа и выхода для электроэнергии 5, 6 и 60, что позволяет в случае обрыва одной из токопроводящей шины обеспечить электроснабжения макросетевого модуля 28 по двум оставшимся, при обрыве двух токопроводящих шин обеспечить энергией макросетевой модуль 28 по одной оставшейся. Таким образом устроена распределенная сеть объединяющая в себе макросетевые модули 28-46, 68-76 чье внутреннее устройство аналогично устройству макросетевого модуля 28 и токопроводящие шины постоянного тока 1500 В, 7-9, 32-37, 47-58, при этом токопроводящие шины 8, 47, 48, 50, 52, 53, 55, 57 и 58 обеспечивают подключение других аналогичных макросетевых модулей по указанной на Фигуре 3 схеме.
В втором варианте реализации по меньшей мере один микросетевой модуль по типу 28 имеет три двунаправленных преобразователя 750 В/380 В 4, 13, 14, которые соединены между токопроводящими шинами переменного тока, которые имеют, но не ограничиваются 10 потребителей, которые могут иметь собственные источники генерации энергии, накопители энергии и нагрузку или могут иметь только нагрузку.
Напряжение 750 В постоянного тока поступает по токопроводящей шине 88 на микросетевой модуль 1, в котором в двунаправленном преобразователе 750 В/380 В 13 750 В постоянного тока преобразуется в 380 В переменного тока и распределяется по токопроводящим шинам переменного тока 62-67 на потребителей, затем напряжение 380 В через двунаправленные преобразователи 750 В/380 В 4, 14 преобразуется из 380 В переменного тока в 750 В постоянного тока и распределяется по токопроводящим шинам 59 и 61 и подается на микросетевые модули 24 и 25. Остальные микросетевые модули коммутируются по постоянному току 750 В.