УСТРОЙСТВО СОГЛАСОВАНИЯ МОЩНОСТИ

Область техники
Предлагаемая полезная модель относится к области систем управления электропитанием и может быть использована в системах основного электропитания, в частности, для реализации модели ценозависимого электропотребления, а также в системах аварийного и резервного электропитания потребителей постоянного тока для повышения эффективности их использования. В частности, полезная модель может быть реализована в системах электропитания телекоммуникационного оборудования операторов сотовой связи.
Уровень техники
Из уровня техники известны средства обеспечения бесперебойного энергоснабжения (например, RU 2444105 С1, 27.02.2012 - [1]), позволяющие предоставлять потребителям питание по переменному либо постоянному току, включающее сеть переменного тока, преобразователь, аккумулятор и средство управления. При этом средство управления выполнено с возможностью отключения потребителей переменного или постоянного тока в зависимости от уровня заряда аккумулятора и мощности сети переменного тока, т.е. по существу направлено на защиту преобразователя и аккумулятора от повреждений.
Также известны системы хранения электрической энергии, выполненные с возможностью работы в составе автономных электрических систем, от солнечных батарей или ветряных генераторов, работающие в режимах заряд/разряд:
- https://www.tesla.com/powerwall [2];
- https://wattsbattery.com/?language=ru [3].
В качестве общего недостатка указанных технических решений можно указать отсутствие возможности обеспечения адаптивного управления элементами системы электропитания постоянного тока.
Кроме того, рассматриваемые аналоги не предназначены (отсутствуют технические возможности), для параллельной регулируемой (по величине выдаваемой мощности) работы с энергосистемами бесконечной мощности.
Под электрической сетью бесконечной мощности в уровне техники понимается совокупность производственных и иных имущественных объектов электроэнергетики, связанных единым процессом производства и передачи электрической энергии в условиях централизованного оперативно-диспетчерского управления в электроэнергетике.
По составу используемых технических средств в качестве наиболее близкого аналога заявленной полезной модели можно принять средство, известное из источника [1].
Однако существо заявленной полезной модели как технического решения, относящегося к устройству, заключается в создании устройства управления, по меньшей мере, перечисленной выше совокупностью средств для обеспечения согласования мощности указанным ниже образом с достижением технического результата, который в явном виде для специалиста следует из приведенных ниже разделов описания.
В общем виде технический результат может быть выражен в виде возможности осуществления регулируемой параллельной работы двух и более источников электрической энергии на единую нагрузку на постоянном токе, что позволяет повысить эффективность использования системы электропитания в целом, в том числе источников электрической энергии, аккумуляторов/накопителей электрической энергии. Другие технические результаты, проявляющиеся при использовании заявленной полезной модели, явным образом находятся в причинно-следственной связи с указанным выше результатом.
Раскрытие полезной модели
Для реализации указанного выше и других взаимосвязанных технических результатов предлагается устройство согласования мощности для системы электропитания потребителей постоянного тока, выполненное с возможностью получения и обработки информации: от блока аккумуляторных батарей для мониторинга параметров их напряжения и емкости; от преобразователя; от дополнительных источников постоянного тока в случае их подключения к электрической цепи системы электропитания постоянного тока; от каналообразующего оборудования внешней информационной сети передачи данных; от датчика величины переменного напряжения в цепи внешнего сетевого электропитания; от, по меньшей мере, одного датчика величины постоянного напряжения, установленного в цепи отрицательной полярности на выводах аккумуляторных батарей и источников постоянного тока, причем устройство согласования мощности выполнено с возможностью управления реле разрешения заряда и разряда, обеспечивающего подключение цепи отрицательной полярности к отрицательному выводу блока аккумуляторных батарей через узел коммутации, причем выводы отрицательной и положительной полярности имеют электрическое соединение с блоком аккумуляторных батарей и устройством согласования мощности для осуществления питания устройства согласования мощности как от внешнего источника электроснабжения, так и от блока аккумуляторных батарей, кроме того устройство согласования мощности выполнено с возможностью управления режимом работы защитного автоматического выключателя, который установлен в цепи отрицательной полярности так, что обеспечивается возможность отключения вывода отрицательной полярности аккумуляторных батарей от выводов отрицательной полярности системы электропитания потребителей постоянного тока, причем устройство согласования мощности обеспечивает возможность подключения блока аккумуляторных батарей к нагрузке в режиме ее параллельного питания, как от сети внешнего источника электроснабжения, так и от блока аккумуляторных батарей, а также в режиме падения напряжения в сети внешнего источника электроснабжения и/или при полном его отсутствии.
Указанная выше совокупность существенных признаков заявленного устройства представлена с привлечением внешних признаков, не относящихся непосредственно к заявленному устройству, но являющихся необходимыми для возможности описания функций устройства, предназначенного для применения в составе системы электропитания потребителей постоянного тока.
Как станет далее понятно специалисту, именно указанная совокупность признаков является необходимой и достаточной для достижения сформулированного выше технического результата.
Следующий раздел описания предназначен для подтверждения возможности осуществления заявленной полезной модели с помощью технических средств, ставших известными на дату приоритета заявки.
Осуществление полезной модели
Рассмотренные выше аналоги не обладают техническими возможностями для параллельной регулируемой (по величине выдаваемой мощности) работы с энергосистемами бесконечной мощности. У существующих аналогов отсутствуют средства автоматического управления, такие как устройства согласования мощности, позволяющие без коммутационно регулировать уровень потребления электрической энергии от нескольких параллельно работающих источников электрической энергии (мощности), в зависимости от полученных системой управления информационных параметров.
В качестве иллюстративного примера можно рассматривать уровень стоимости электрической энергии (мощности), которые имеет в текущий момент времени каждый из параллельно работающих источников электрической энергии. В частности, рассматриваемые аналоги не имеют каналов связи с внешней информационной сетью, предназначенных для получения данных о стоимостных параметрах электрической энергии (мощности) с целью регулирования объема покупки электрической энергии (мощности) от электрической сети бесконечной мощности.
Следует отметить, что предложенное решение не имеет своей целью ограничение только указанным выше параметром стоимости энергии. Существенной является сама возможность приема извне информации, относящейся к энергии, а также возможность управления устройствами системы на основе обработки принятой информации. В качестве иных параметров можно рассматривать (но не ограничиваясь этим) информацию о графике отключения энергии, информацию о метеопрогнозе, а также информацию, вводимую удаленно пользователем системы электропитания потребителей постоянного тока. Иные возможные параметры рассмотрены ниже.
Техническое решение предполагает наличие специализированного микропроцессорного блока управления, аккумуляторов электрической энергии/накопителей электрической энергии, системы контроля заряда и разряда, автономных источников генерации электрической энергии (при наличии), преобразователей электрической энергии, датчиков и исполнительных механизмов, а также специального программного обеспечения, реализующего алгоритмы автоматического управления.
Специализированный микропроцессорный блок управления (устройство согласования мощности) характеризуется высокими интеграционными показателями (т.е. способен осуществлять информационный обмен с разными видами устройств и систем питания), высокой надежностью и быстродействием. Структура устройства может являться модульной и предполагать наличие одного процессорного модуля и набора интерфейсных модулей, подключаемых к процессорному модулю по единой шине обмена данными. Состав интерфейсных модулей может подбираться исходя из характеристик устройств и систем питания. Системное программное обеспечение позволяет выполнять алгоритмы программируемой логики в режиме реального времени.
Функция автоматического контроля заряда и разряда аккумуляторов электрической энергии/накопителей электрической энергии обеспечивает автоматический контроль емкости в процессе разряда и автоматический режим заряда с балансировкой ячеек.
Автономные источники генерации электрической энергии (при наличии) обеспечивают подачу напряжения в систему питания через входящие в их состав блоки преобразования и обеспечивают, в зависимости от режима, зарядку аккумуляторных батарей или компенсацию нагрузки.
Датчики и исполнительные механизмы характеризуются высокими показателями точности и быстродействия, а также простотой установки в существующие системы питания.
Алгоритмы управления характеризуются высокой адаптивностью, т.е. пересчетом параметров работы системы питания исходя из текущих значений напряжения, тока, температуры и ценовых показателей на каждой итерации цикла управления.
На фиг. 1 показан предпочтительный вариант осуществления заявленной полезной модели в части ее включения в состав системы электропитания.
Согласно фиг. 1 система электропитания содержит выводы отрицательной и положительной полярности (10) для подключения к ним нагрузки (7), аккумуляторов электрической энергии/накопителей электрической энергии (5), устройства согласования мощности (1), реле разрешения заряда и разряда аккумуляторов электрической энергии/накопителей электрической энергии (2), защитного автоматического выключателя (3), датчика величины постоянного тока (4). При этом устройство согласования мощности выполнено с возможностью получения и обработки данных по каналам связи (9) от аккумуляторов электрической энергии/накопителей электрической энергии (5) для мониторинга параметров их напряжения и емкости, от каналообразующего оборудования внешней информационной сети передачи данных (6), датчика величины переменного напряжения в цепи внешнего сетевого электропитания (не показан), датчика величины постоянного тока (4). Реле разрешения заряда и разряда (2) выполнено с возможностью подключения цепи отрицательной полярности к отрицательному выводу аккумуляторов электрической энергии/накопителей электрической энергии через узел коммутации (11). Система электропитания также содержит выводы для параллельного подключения автономных источников генерации электрической энергии в случае их подключения к электрической цепи системы электропитания постоянного тока (12) через диод (13). Узел коммутации (11) содержит диод и отрицательный контактный вывод аккумуляторов электрической энергии/накопителей электрической энергии. Устройство согласования мощности (1) обеспечивает возможность регулирования баланса мощности, выдаваемой преобразователем AC/DC (8).
На фиг. 2 представлен дополнительный вариант осуществления подключения заявленного устройства в состав системы электропитания. В данном варианте управление режимом работы двух и более источников электрической энергии осуществляется блоком управления посредством регулирования уровня напряжения на DC/DC преобразователе (14), реализованном в составе узла коммутации аккумуляторов электрической энергии / накопителей электрической энергии. В этом случае DC/DC преобразователь (14) выступает в качестве узла коммутации и содержит отрицательный и положительный контактные выводы аккумуляторов электрической энергии/накопителей электрической энергии. Устройство согласования мощности (1) обеспечивает возможность регулирования баланса мощности, выдаваемой преобразователем DC/DC (14). Следует отметить, что такой вариант подключения не приводит к конструктивному изменению заявленного решения, поскольку, как показано выше, предложенное устройство само по себе обеспечивает указанные варианты подключения, а признаки, характеризующие элементы системы и соответствующие связи между ними, являются внешними признаками по отношению к заявленной полезной модели и их наличие в формуле необходимо для описания функциональных возможностей заявленного устройства согласования мощности.
В системе электропитания, оснащенной устройством согласования мощности, узел коммутации содержит диод и отрицательный контактный вывод блока аккумуляторных батарей, причем диод своим анодом подключен к отрицательному выводу блока аккумуляторных батарей, а его катод имеет возможность быть подключенным к клемме реле разрешения заряда и разряда аккумуляторных батарей в случае включения режима разряда аккумуляторных батарей, причем в случае включения режима параллельной работы или заряда аккумуляторных батарей к клемме реле разрешения заряда и разряда подключается отрицательный вывод блока аккумуляторных батарей и, соответственно, катод диода в данном режиме не подключен к клемме реле.
Основной особенностью схемы является независимость аккумуляторов электрической энергии/накопителей электрической энергии в комплекте с устройством согласования мощности от схемы системы электропитания, инкапсуляция всех функций в отдельном модуле и возможность присоединения данного модуля к существующим системам электропитания без необходимости внесения в них изменений и остановки их работы.
Предложенное техническое решение функционирует согласно заданному алгоритму.
В частности, алгоритм параллельной работы двух и более источников электрической энергии является адаптивным и с заданной частотой регулирует баланс мощности, выдаваемой источниками электрической энергии на единую нагрузку. Регулировка баланса происходит посредством регулирования уровня напряжения на преобразователях (AC/DC или DC/DC), рассчитываемого на основе ряда параметров.
Основными входными параметрами алгоритма являются:
- текущее время и дата;
- расписание времени работы и объема загрузки каждого источника электрической энергии, разработанное для каждого часа в году (статический параметр);
- текущее напряжение аккумуляторов электрической энергии / накопителей электрической энергии;
- текущая емкость аккумуляторов электрической энергии / накопителей электрической энергии;
- текущий ток нагрузки;
- значение среднечасового потребления по дням расчетного месяца за периоды (статистические данные, пересчитываемые ежедневно).
Кроме того, заявленное устройство работает в нескольких режимах, среди которых можно выделить: режим инициализации, режим разряда аккумуляторов электрической энергии/накопителей электрической энергии, режим заряда аккумуляторов электрической энергии/накопителей электрической энергии, аварийный режим.
Заявленное устройство обеспечивает режим параллельной работы двух и более источников электрической энергии включает одновременное питание нагрузки, как от аккумуляторов электрической энергии/накопителей электрической энергии, так и от внешних источников электрической энергии, причем алгоритм управления данным режимом является адаптивным и осуществляется блоком управления посредством регулирования уровня напряжения на преобразователе (AC/DC), запитанном от внешних источников электрической энергии.
В другом варианте осуществления управление режимом работы двух и более источников электрической энергии осуществляется посредством регулирования уровня напряжения на DC/DC преобразователе, реализованном в составе узла коммутации аккумуляторов электрической энергии / накопителей электрической энергии.
Работа алгоритма заявленной полезной модели заключается в управлении физическими параметрами с учетом статических и динамических данных получаемых из внешней информационной системы и от системы электропитания объекта. Уровень напряжения на преобразователе (AC/DC или DC/DC в другом из вариантов) рассчитывается с учетом: текущего времени и даты, уровней цен на электрическую энергию и мощность с привязкой ко времени суток, дням недели, месяцам; текущего напряжения блока аккумуляторных батарей; текущей емкости аккумуляторных батарей; текущего напряжения автономных источников генерации электрической энергии; текущего тока нагрузки; значения среднего потребления по дням недели за периоды разных уровней цен на электрическую энергию и мощность.
Для увеличения эффективности работы системы электропитания в целом, в заявленном устройстве предусмотрено взаимодействие с инженерными системами объекта установки.
В качестве иллюстративного примера приводится пример функционирования заявленного устройства применительно к снижению стоимости покупки электроэнергии.
Устройство согласования мощности, в составе систем электропитания, позволяет использовать экономическую характеристику энергетической системы (электрической сети) бесконечной мощности: разная стоимость электрической энергии (мощности) в разные периоды времени. Загрузка каждого параллельно работающего источника электрической энергии регулируется по заданному алгоритму, при этом алгоритм устройства согласования мощности в каждый момент времени определяет источник электрической энергии с наиболее низкой стоимостью электроэнергии и загружает его в объеме и на время, рассчитанное исходя из статических и динамических данных получаемых из внешней информационной системы и от системы электропитания объекта. Устройство согласования мощности позволяет осуществить ценозависимое электропотребление в системах основного электропитания, выполняет параллельную регулируемую работу двух и более источников электрической энергии, автоматически определяя источник с наименее низкой стоимостью электрической энергии (мощности) и без осуществления коммутаций переводит на него электрическую нагрузку, в режим параллельной регулируемой работы.
Алгоритм устройства согласования мощности автоматически регулирует параллельную загрузку источников электрической энергии в объеме и времени, определяя и загружая источник электрической энергии с наиболее низкой стоимостью электроэнергии (мощности), в том числе с использованием данных получаемых из внешней информационной сети: прогнозные данные цены электрической энергии и мощности единой энергетической системы, привязанные к каждому периоду времени. Таким образом, уменьшая количество потребления (покупки) электроэнергии (мощности), а также неотъемлемых услуг рынка электроэнергии в периоды времени, когда стоимость электроэнергии (мощности)является более высокой. Из разницы стоимости электроэнергии (мощности) в разные периоды времени формируется экономический результат, уменьшаются затраты на покупку электрической энергии. При этом сохраняется заданное гарантированное время работы объекта в автономном режиме и не происходит коммутаций источников электрической энергии. Не уменьшается интегральное количество потребляемой электрической энергии (мощности).
Для корректной работы алгоритмов устройства согласования мощности в указной части необходимы данные об уровнях цены электрической энергии и мощности единой энергетической системы, привязанные к каждому периоду времени. Получение данных из внешней информационной сети происходит по каналам передачи данных беспроводной сети.
Таким образом, специалисту будут очевидны преимущества заявленной полезной модели, которые позволяют:
- осуществлять мониторинг работы системы электропитания с расчетом и фиксацией контрольных параметров режимов потребления;
- осуществлять взаимодействие с источниками информации по текущим и прогнозируемым уровням цен на электрическую энергию и мощность;
- рассчитывать необходимые объемы мощности и промежутки времени работы каждого источника электрической энергии (мощности);
- осуществлять расчет остаточной емкости аккумуляторов или накопителей электрической энергии по параметрам тока, напряжения и температуры;
- управлять зарядом и разрядом накопителей электроэнергии в составе системы электропитания с заданными параметрами по потребляемому и выдаваемому току;
- осуществлять пошаговое управление уровнем напряжения системы питания для частичного или полного перераспределения нагрузки на аккумуляторы и/или накопители электроэнергии;
- осуществлять защиту аккумуляторов или накопителей электрической энергии от перезаряда, глубокого разряда, небаланса напряжения между отдельными элементами, перенапряжения и перегрева;
- осуществлять управление инженерными и климатическими подсистемами системы электропитания для увеличения коэффициента полезного действия аккумуляторов электрической энергии или накопителей электрической энергии.
Перечисленные преимущества очевидно позволяют повысить эффективность использования системы электропитания в целом, что является техническим результатом, как это указано выше.
Кроме того, представленные выше сведения изложены с полнотой, позволяющей специалисту в данной области техники осуществить заявленную полезную модель посредством существующих в уровне техники средств и методов.