Интеллектуальное устройство гарантированного электропитания на основе возобновляемых источников энергии

Полезная модель относится к преобразовательной технике и может использоваться для эффективного отбора мощности с солнечных панелей, преобразования и передачи полученной энергии в промышленную сеть и нагрузку потребителя. Также возможно получение энергии от дополнительного источника ВИЭ, зарядка энергией, полученной от ВИЭ или сети, аккумуляторных батарей и суперконденсаторов с дальнейшим преобразованием при необходимости в переменное напряжение промышленной частоты для обеспечения нагрузки потребителя гарантированным бесперебойным электропитанием.
Известно устройство на солнечных батареях, содержащее солнечный модуль, первый DC-DC преобразователь, аккумуляторную батарею, второй DC-DC преобразователь, контроллер и нагрузку (Патент РФ на изобретение №2503120 «Устройство на солнечных батареях», МПК H02M 3/156).
Недостатками данного устройства являются:
1. невозможность отслеживать несколько локальных точек максимальной мощности на ВАХ блока панелей;
2. отсутствие связи с промышленной сетью с целью обеспечить заряд аккумуляторной батареи при плохих погодных условиях, отсутствие возможности отдавать энергию в сеть.
Известна энергоустановка, содержащая батареи солнечных элементов, накопители энергии, DC/DC преобразователь напряжения, DC/AC преобразователь напряжения, автоматические выключатели (Патент РФ на изобретение №2397593 «Энергоустановка и способ её управления», МПК H02J 7/35, H01L 31/00).
Недостатками данного устройства являются:
1. отсутствие возможности отдавать энергию, получаемую с солнечных панелей, в промышленную сеть;
2. отсутствие возможности зарядить от промышленной сети аккумуляторную батарею, при отсутствии энергии с солнечных панелей.
Известно устройство и метод отслеживания точки максимальной мощности для инвертора при использовании солнечных панелей, состоящее из солнечных панелей, инвертора, системного контроллера и нагрузки (Патент US 7158395 B2 «Method and apparatus for tracking maximum power point for inverters, for example, in photovoltaic applications », МПК H02M 7/44).
Недостатками данного устройства являются:
1. отслеживание классического максимума на ВАХ блока панелей и его дрейфа при изменении температуры и равномерном изменении освещенности. Не отслеживание нескольких локальных максимумов на ВАХ блока панелей при частичном затенении, как следствие - неэффективный отбор мощности с блока солнечных панелей при частичном затенении;
2. не возможность использовать данное устройство как резервный источник питания при исчезновении напряжения сети.
Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому решению является система преобразования энергии с отслеживанием точки максимальной мощности, состоящая из блока отслеживания точки максимальной мощности (MPPT), шины постоянного тока, преобразователя мощности, контроллера преобразователя (Патент US 20130027997 A1 «Maximum power point tracking for power conversion system and method thereof», МПК H02M 7/44).
Недостатками данного устройства являются:
1. отслеживание классического максимума на ВАХ блока панелей и его дрейфа при изменении температуры и равномерном изменении освещенности. Не отслеживание нескольких локальных максимумов на ВАХ блока панелей при частичном затенении, вследствие чего - недобор мощности с блока солнечных панелей при частичном затенении;
2. отсутствие накопителя энергии (аккумуляторной батареи или супер конденсатора), а, следовательно, невозможность питать нагрузку данной системой при пропадании напряжения сети или при низкой выработке энергии солнечными панелями.
Технической проблемой заявленной полезной модели является определение всех зон локальных максимумов на ВАХ блока панелей, в том числе при частичном затенении, и отслеживание истинной точки максимальной мощности при реальных условиях эксплуатации; транслирование полученной энергии в сеть и нагрузку, а также заряд накопителя электроэнергии от блока солнечных панелей, от сети или иного возобновляемого источника энергии. В результате чего повышается эффективность отбора мощности с блока солнечных панелей при частичном затенении, повышается надежность обеспечения электропитанием потребителя электроэнергии.
Техническая проблема решается за счет того, что в интеллектуальном устройстве гарантированного электропитания на основе возобновляемых источников энергии, состоящем из блока солнечных панелей, блока датчиков тока и напряжения блока солнечных панелей, DC/DC преобразователя напряжения, шины постоянного тока, блока датчиков тока и напряжения шины постоянного тока, обратимого инвертора, LC-фильтра, блока датчиков тока и напряжения на выходе преобразователя, фильтра радиопомех, блока датчиков тока и напряжения на нагрузке, нагрузки, управляемого коммутатора сети, блока датчиков тока и напряжения сети, сети, блока управления DC/DC преобразователем напряжения с функцией слежения за всеми локальными максимумами на ВАХ блока панелей, блока управления обратимым инвертором, микропроцессорного блока управления и коммутации, двунаправленного DC/DC преобразователя напряжения для заряда/разряда аккумуляторной батареи, аккумуляторной батареи, двунаправленного DC/DC преобразователя напряжения для заряда/разряда блока суперконденсаторов, блока суперконденсаторов, возобновляемого источника энергии (ВИЭ), DC/DC преобразователя напряжения ВИЭ к напряжению шины постоянного тока, блока управления АБ, БСК, дополнительным ВИЭ.
Техническим результатом, достигаемым при использовании предложенного устройства, является увеличение получаемой от блока солнечных панелей энергии при частичном затенении за счет определения всех зон локальных максимумов на ВАХ блока панелей и отбор мощности в точке истинного максимума.
Повышение гибкости и функциональности энергосистемы потребителя, построенной на данном преобразователе.
Устройство гарантированного электропитания может выступать как источник микрогенерации, полученной от ВИЭ энергии в сеть; как источник питания от ВИЭ нагрузки потребителя; как гарантированный источник электропитания потребителя при пропадании энергии от сети.
Увеличение надежности гарантированного электропитания потребителя происходит, в том числе, за счет использования накопителей энергии, которые получают по заданному алгоритму энергию от солнечных панелей, сети или иного ВИЭ, а при пропадании напряжения сети, уменьшении получаемой энергии от солнечных панелей или иного ВИЭ - обеспечивают бесперебойное питание потребителя, за счет подмешивания энергии с накопителя к энергии, получаемой от солнечных панелей или иного ВИЭ на общей шине постоянного тока, с дальнейшим преобразованием в переменное напряжение и питанием нагрузки потребителя.
Заявленное решение поясняется графическими материалами, где на фиг. 1 представлена структурная схема интеллектуального устройства гарантированного электропитания.
На схеме показано: блок солнечных панелей (1), блок датчиков тока и напряжения блока солнечных панелей (2), DC/DC преобразователь напряжения (3), шина постоянного тока (4), блок датчиков тока и напряжения шины постоянного тока (5), обратимый инвертор (6), LC-фильтр (7), блок датчиков тока и напряжения на выходе преобразователя (8), фильтр радиопомех (9), блок датчиков тока и напряжения на нагрузке (10), нагрузка (11), управляемый коммутатор сети (12), блок датчиков тока и напряжения сети (13), сеть (14), блок управления DC/DC преобразователем напряжения с функцией слежения за всеми локальными максимумами на ВАХ блока панелей (15), блок управления обратимым инвертором (16), микропроцессорный блок управления и коммутации (17), двунаправленный DC/DC преобразователь напряжения для заряда/разряда аккумуляторной батареи (18), аккумуляторная батарея (АБ) (19), двунаправленный DC/DC преобразователь напряжения для заряда/разряда блока суперконденсаторов (20), блок суперконденсаторов (БСК) (21), DC/DC преобразователь напряжения ВИЭ к напряжению шины постоянного тока (22), дополнительный возобновляемый источник энергии (ВИЭ) (23), блок управления АБ, БСК, дополнительным ВИЭ (24).
Устройство работает следующим образом.
Напряжение и ток с блока солнечных панелей (1) через блок датчиков тока и напряжения с солнечных панелей (2) поступает на DC/DC преобразователь напряжения (3). Информация о напряжении и токе с солнечных панелей поступает на блок управления DC/DC преобразователем напряжения с функцией слежения за всеми локальными максимумами на ВАХ блока панелей (15), в соответствии с заданным алгоритмом, блок формирует управляющие сигналы для работы DC/DC преобразователя, в результате чего, с солнечных панелей отбирается максимально возможная мощность при данной температуре, освещённости и частичном затенении панелей. Полученная электроэнергия поступает на шину постоянного тока (4). С шины постоянного тока через блок датчиков тока и напряжения шины постоянного тока напряжение и ток поступают на обратимый инвертор (6), который в режиме прямого преобразования преобразует постоянное напряжение и ток в переменные напряжение и ток, например с помощью широтно-импульсной модуляции. Далее силовой ШИМ сигнал поступает на вход LC-фильтра (7), после которого отфильтрованный сигнал низкой частоты сети поступает на вход блока датчиков тока и напряжения на выходе преобразователя (8). После чего сигнал поступает на вход фильтра радиопомех (9). Далее выходной ток и напряжения поступают на нагрузку (11) через блок датчиков тока и напряжения на нагрузке (10), а также в сеть (14) через управляемый коммутатор сети (12) и блок датчиков тока и напряжения сети (13). Управление обратимым инвертором осуществляет блок управления обратимым инвертором (16), к которому поступает информация о токе и напряжении на шине постоянного тока, а также на выходе преобразователя. Управление полной работой устройства осуществляет микропроцессорный блок управления и коммутации (17), к которому поступает информация от блока управления DC/DC преобразователем напряжения (15), блока управления инвертором (16), с блоков датчиков тока и напряжения на выходе преобразователя, на нагрузке и сети.
Также возможно наличие в системе аккумуляторной батареи (19) и блока двунаправленного DC/DC преобразователя напряжения для заряда/разряда аккумуляторной батареи (18).
Также возможно наличие в системе блока суперконденсаторов (БСК) (21) и двунаправленного DC/DC преобразователя напряжения для заряда/разряда блока суперконденсаторов (20).
Также возможно наличие в системе как минимум одного дополнительного возобновляемого источника энергии (ВИЭ) (23) и DC/DC преобразователя напряжения ВИЭ к напряжению шины постоянного тока (22).
При в ведении в систему АБ, БСК или дополнительного ВИЭ - система гарантированного электропитания содержит блок управления АБ, БСК и дополнительным ВИЭ (24).
Рассмотрим варианты работы устройства при различных конфигурациях.
1. Без АБ, БСК и дополнительного ВИЭ.
Энергия с солнечных панелей отбирается в точке максимальной мощности и преобразуется в переменное напряжение сети. Далее микроконтроллер анализирует ток и напряжение на нагрузке и сети. Если энергии получаемой от солнечных панелей достаточно для питания нагрузки преобразователь отключает сеть от нагрузки и питание происходит только от солнечных панелей. Если нагрузка потребляет меньше, чем вырабатывает блок солнечных панелей (БСП), то преобразователь направляет часть энергии полученной от БСП нагрузке, а часть в сеть. Если энергия, потребляемая нагрузкой, превосходит энергию, вырабатываемую БСП, то преобразователь отдает всю энергию, полученную от БСП в нагрузку, а недостающую энергию для нагрузки потребляет от сети. При отсутствии нагрузки, вся энергия, получаемая от БСП, поступает в сеть.
2. С АБ и (или) БСК.
При наличии в системе АБ и (или) БСК общий алгоритм работы, описанный выше, не меняется, однако появляются дополнительные варианты работы системы. При наличии энергии от БСП и частичном ее расходовании на нагрузку, остальная энергия идет на зарядку АБ и (или) БСК. После их полного заряда энергия идет в сеть. При пропадании напряжения сети микроконтроллер управления и коммутации отключает сеть от системы и нагрузки, и питание нагрузки потребителя идет от БСП. При недостатке энергии получаемой от БСП на шину постоянного тока поступает запасенная энергия от АБ и (или) БСК, которая далее преобразуется в переменное напряжение промышленной частоты для питания нагрузки потребителя. Если энергии получаемой от БСП недостаточно для нагрузки и поддержания заряда АБ и (или) БСК в заряженном состоянии в определенном интервале времени, то по заданному алгоритму (например, в ночное время) инвертор работает в обратном режиме - заряжая шину постоянного тока от промышленной сети, а далее преобразователи напряжения заряжают АБ и БСК до заданного уровня.
3. Введение в устройство дополнительного источника ВИЭ.
Дополнительный источник ВИЭ через преобразователь своего напряжения к напряжению шины постоянного тока подключается к шине постоянного тока и обеспечивает ее работу в двух возможных описанных выше вариантах (с накопителями энергии и без них). В зависимости от рода дополнительного ВИЭ блок управления АБ, БСК и дополнительным ВИЭ осуществляет управление энергией от дополнительного ВИЭ, а также от АБ и БСК. Данный блок также соединен с микроконтроллерным блоком управления и коммутации для программирования и управления системой в целом. В зависимости от рода дополнительного ВИЭ можно программно выставить приоритет питания нагрузки и заряда АБ и БСК от сети или дополнительного ВИЭ, в том числе с учетом ночной тарификации электроэнергии из сети.
Рассмотрим работу блока солнечных панелей при различных условиях эксплуатации. На фиг. 2 представлено семейство вольтамперных характеристик солнечной панели в зависимости от температуры и изменения равномерной освещённости панели. Вольт-амперная характеристика (ВАХ) имеет классический вид: на начальном этапе идет линейный рост мощности с увеличением напряжения, далее достигается экстремум, после которого идет спад получаемой мощности с ростом напряжения на солнечной панели. Видим, что на ВАХ панели в данном случае присутствует только один экстремум, который при изменении температуры и равномерном изменении излучения дрейфует по ВАХ в ограниченной области.
При росте температуры напряжение в точке максимальной мощности падает. Экстремум функции мощности на ВАХ смещается вниз и влево. При понижении температуры: напряжение растет в точке экстремума, точка максимальной мощности смещается по ВАХ вверх и вправо. При уменьшении равномерной освещенности панели ток в точке максимальной мощности падает, и экстремум мощности смещается вниз. При увеличении равномерной освещенности панели, растет ток, следовательно, точка максимальной мощности смещается вверх.
Известны различные алгоритмы отслеживания точки максимальной мощности. Например, возмущения и наблюдения или метод возрастающей проводимости. Суть метода возмущения и наблюдения показана на фиг. 3. Измеряется напряжение и ток на блоке солнечных панелей (БСП). Вычисляется мощность Р0. Далее изменяется выходное напряжение БСП посредством управления преобразователем (положительное приращение по напряжению). Измеряются ток и напряжение. В результате появляется точка мощности Р1. Сравнивается Р1 и Р0, если Р1 больше, то приращение по напряжению остается и далее происходит следующий шаг. Увеличивается напряжение на блоке панелей. Измеряется ток. Вычисляется мощность Р2. Далее также Р3 и Р4. Если новая мощность ниже предыдущей, то знак приращения изменяется. Также существуют адаптивные алгоритмы, у которых шаг приращения не постоянный, а изменяется, в зависимости от приближения к экстремуму. Шаг уменьшается в районе экстремума для уменьшения пульсаций снимаемой мощности с блока солнечных панелей.
В результате имеем, при плавном изменении температуры и равномерном изменении освещенности панели классический алгоритм поиска точки максимальной мощности отслеживает как экстремум дрейфует по ВАХ солнечной панели в заданной области, в принципе не исследуя, что происходит во всем диапазоне работы блока солнечных панелей. Один раз, найдя максимум – он его и отслеживает.
Исследования и практика использования блоков солнечных панелей соединенных параллельно, последовательно или параллельно последовательно показали появление в ВАХ блока панелей нескольких локальных максимумов при частичном затенении части панелей из всего блока.
Для примера рассмотрим последовательное соединение шести солнечных панелей. Напряжение точки максимальной мощности каждой панели при нормальных условиях и стандартном уровне освещенности 33 В, ток 8 А. На фиг. 4 видим ВАХ блока из шести последовательно соединенных солнечных панелей при равномерной освещённости. На рисунке видим один экстремум на уровне 198 В, мощность 1500 Вт. При затенении трех из шести панелей, возникает ситуация, когда рабочий ток затененных панелей не более 1 А, а рабочий ток незатененных панелей 8 А. Но т.к. затененные и не затененные панели соединены последовательно, то ВАХ блока панелей будет иметь два экстремумами (фиг. 5).
На фиг. 5 видим, что экстремум, соответствующий напряжению 198 В, фактически ушел вниз и находится на уровне 200 Вт. При этом левее его на ВАХ появился новый максимум на уровне напряжения 100 В и мощности 750 Вт. Физически смысл первого экстремума на уровне напряжения 198 В заключается в том, что ток затененных участков протекает по всем шести панелям, в результате общая мощность равна 200 Вт. Физический смысл второго экстремума на уровне 100 В заключается в том, что при протекании тока равного току незатененных панелей, затененные панели шунтируются запирающими диодами панелей, в результате напряжение блока панелей уменьшается до напряжения суммы незатененных панелей, при этом мощность составляет 750 Вт.
Классический алгоритм поиска точки максимальной мощности настроившись на один максимум при равномерном освещении (точка А, фиг. 6), будет дрейфовать с ним вниз (точка Б, фиг. 6) при частичном затенении панелей. И не отследит появление нового максимума (точка С, фиг. 6). Соответственно устройство будет работать неэффективно, и отбирать мощность в разы меньшую, чем это возможно с блока солнечных панелей.
1
2
N-1
N
Для решения данной проблемы в заявленном устройстве предусмотрен блок управления DC/DC преобразователем напряжения с функцией слежения за всеми локальными максимумами на ВАХ блока панелей, который обеспечивает отбор мощности с истинного максимума на данный момент времени. Один из возможных вариантов реализаций данной функции следующий. Блок управления DC/DC преобразователем напряжения делит входной диапазон напряжений на N отсчетов по напряжению (см. фиг. 7). Диапазон начинается на уровне минимального напряжения одной панели, и заканчивается на уровне максимального суммарного напряжения включенных в блок панелей. Далее для каждой точки измеряется ток и высчитывается мощность (Р, Р…Р, Р). В результате данной операции микроконтроллер «узнает» зоны всех локальных максимумов. И далее выбрав максимальное значение на данный момент времени, применяет адаптивный алгоритм поиска и слежения за точкой максимальной мощности, например метод возмущения и наблюдения. Далее через определенное установленное время блок управления отключает алгоритм возмущения и наблюдения. Проходит по всем N отсчетам входного напряжения, измеряет N мощностей. И принимает решение, не появился ли на ВАХ блока панелей новый максимум, превышающий тот, на котором работал преобразователь в последний интервал времени. Если нет, то блок управления включает метод возмущения и наблюдения в старой точке максимальной мощности. Если найден новый интервал с максимумом, то поиск максимальной мощности по классическому алгоритму ведется в новом диапазоне.
Данный алгоритм работы позволяет отслеживать как изменение температуры, уменьшение равномерной освещенности панелей, так и частичное затенение панелей с появлением локальных максимумов. Оперативно настраиваясь на истинную точку максимальной мощности заявленный алгоритм, позволяет увеличить количество получаемой энергии от массива солнечных панелей при реальных условиях эксплуатации. Это имеет первостепенное значение как для систем автономного электропитания без сети, так и для систем с сетью, т.к. в конечном итоге влияет на количество полученной энергии от солнечных панелей и на окупаемость системы в целом.