УСТРОЙСТВО БЕСПЕРЕБОЙНОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ, РАБОТАЮЩЕЙ НА НЕСТАБИЛЬНЫХ ИСТОЧНИКАХ ЭНЕРГИИ

Полезная модель относится к электроэнергетике, в частности к области электроснабжения потребителей, подключенных к электроэнергетической системе, работающей на нестабильных возобновляемых источниках энергии (ветро, гидро, фото и т.п. электрические станции).
Известно принятое за прототип устройство бесперебойного электроснабжения потребителей электроэнергетической системы, работающей на нестабильных источниках энергии - патент РФ №2208890, содержащее нестабильный источник энергии с генератором переменного тока, выходом подключенного к выпрямителю, выход которого соединен последовательно с «вольтдобавкой», вход питания которой соединен с выходом широтно-импульсного преобразователя, входная диагональ которого подключена к аккумуляторной батарее, а общий выход выпрямителя и вольтдобавки подключен через стабилизатор к нагрузке и к аккумулятору так, что вход и выход «вольтдобавки» гальванически развязаны через трансформатор широтно-импульсного преобразователя, который включен в выходную диагональ широтно-импульсного преобразователя. В качестве нагрузки может выступать инвертор, если потребитель использует энергию переменного тока промышленной сети.
Общими существенными признаками прототипа, совпадающими с существенными признаками предлагаемого устройства, являются наличие нестабильного источника энергии с генератором переменного тока, широтно-импульсного преобразователя с питанием от аккумуляторной батареи.
Известное устройство бесперебойного электроснабжения потребителей электроэнергетической системы, работающей на нестабильных источниках энергии позволяет использовать практически весь диапазон энергии, производимой нестабильным источником, однако в случае продолжительного отсутствия, например, ветровой энергии, могут возникать перебои с питанием потребителя, а, кроме того, в известном устройстве происходит двойное преобразование энергии переменного тока в энергию постоянного тока и затем наоборот, что существенно усложняет и удорожает устройство, поскольку, требуется инвертор, цена которого составляет до 10% стоимости всей системы.
Предлагаемым устройством решается техническая задача повышения надежности электроснабжения потребителя и уменьшения числа преобразований электроэнергии при сохранении высокого коэффициента использования энергии.
Для решения данной технической задачи устройство бесперебойного электроснабжения потребителей электроэнергетической системы, содержит нестабильный источник энергии с генератором переменного тока, соединенным с сетью потребителя промышленной частоты посредством ключа, управляемого пороговым устройством, дизельный двигатель, который снабжен устройством автоматического включения, входом соединенным с выходом контроллера заряда аккумуляторной батареи, и который через обгонную муфту соединен с синхронной электромашиной, подключенной к сети потребителя, при этом на один вал с синхронной электромашиной подключен двигатель постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов, якорем подключенный к 4-х квадрантному широтно-импульсному преобразователю, выход которого соединен с аккумуляторной батареей, а управляющий вход которого соединен с выходом фазочувствительного выпрямителя, один вход которого соединен с выходом задающего генератора промышленной частоты, а другой вход соединен с выходом датчика частоты сети потребителя.
Отличительными признаками предлагаемого устройства являются - подключение нестабильного источника энергии с генератором переменного тока посредством ключа, управляемого пороговым устройством, наличие дизельного двигателя, который снабжен устройством автоматического включения, входом соединенным с выходом контроллера заряда аккумуляторной батареи, и который через обгонную муфту соединен с дополнительно введенной синхронной электромашиной, подключенной к сети потребителя, при этом на один вал с синхронной электромашиной подключен дополнительно введенный двигатель постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов, якорем подключенный к 4-х квадрантному широтно-импульсному преобразователю, выполненному 4-х квадрантным; выход широтно-импульсного преобразователя соединен с аккумуляторной батареей, а управляющий вход соединен с выходом фазочувствительного выпрямителя, один вход которого соединен с выходом задающего генератора промышленной частоты, а другой вход соединен с выходом датчика частоты сети потребителя. Фазочувствительный выпрямитель, задающий генератор промышленной частоты и датчик сети потребителя также введены дополнительно.
Предложенное техническое решение могут найти применение, например, в энергетике, для бесперебойного электроснабжения ответственных потребителей, подключенных к электроэнергетической системе, работающей на нестабильных возобновляемых источниках энергии (ветро, гидро, фото и т.п. электрические станции).
Предлагаемое техническое решение поясняется схемой. На схеме изображено. Нестабильный источник энергии - ветроэнергетическая установка (ВЭУ) 1 с генератором переменного тока 2, соединен с сетью промышленной частоты (трехфазной) потребителя 3 посредством ключа 4, управляемого пороговым устройством 5. Дизельный двигатель 6, который снабжен устройством автоматического включения (на схеме не обозначено), входом соединенным с выходом контроллера заряда 7 аккумулятора 8, и
который через обгонную муфту 9 соединен с синхронной электромашиной 10, подключенной к сети потребителя 3. При этом на один вал с синхронной электромашиной 10 подключен двигатель постоянного тока 11 с возбуждением от постоянных магнитов, якорем подключенный к 4-х квадрантному широтно-импульсному преобразователю 12, выход которого соединен с аккумулятом 8, а управляющий вход которого соединен с выходом фазочувствительного выпрямителя 13, один вход которого соединен с выходом задающего генератора промышленной частоты 14, а другой вход соединен с выходом датчика частоты сети 15 потребителя 3.
Описание работы предлагаемого устройства удобнее вести для трех режимов:
1. Энергия ветра больше номинальной мощности.
2. Энергия ветра отсутствует (ВЭУ не вырабатывает электроэнергии).
3. Энергия ветра меньше номинальной мощности.
1-й режим. В этом режиме при избыточной энергии ветра, избыточная мощность, вырабатываемая генератором переменного тока 2 поступает в сеть потребителя 3, при этом синхронная электромашина 10 переводится в режим двигателя, созданием на ее валу момента Мг. Возникающий при этом электромагнитный момент равен противодействующему тормозному моменту на валу синхронной электромашины 10. Мэ.м.=Мторм. Данный тормозной момент реализуется двигателем постоянного тока 11. В данном режиме ключ 4 открыт всегда. Двигатель 11 в этом режиме через широтно-импульсный преобразователь 12 подключен к аккумулятору 8 так, что обеспечивает рекуперативный режим между двигателем 11 и аккумулятором 8. Т.е. энергия с двигателя 11 идет в аккумулятор 8, заряжая последний, а ток заряда регулируется из условия поддержания частоты сети. При этом частота сети измеряется датчиком частоты сети 15 и сравнивается с частотой задающего генератора 14 на фазочувствительном преобразователе 13, выход которого управляет широтно-импульсным преобразователем 12 так, что при увеличении частоты сети увеличивается ток заряда аккумулятора 8. Больший
зарядный ток, который генерируется двигателем 11, находящемся в режиме «генератора», создает больший момент на его валу, а значит и на валу синхронной электромашины 10, тем самым изменяя ее угол между напряжением и током. За счет изменения угла между током и напряжением в сети будет уменьшаться частота согласно уравнению синхронной машины 10.
где f - частота сети, р - число полюсов, Е и U - э.д.с. генератора и напряжения сети, Θ - угол между Е и U.
Здесь описано векторное регулирование частоты сети. Чтобы оно реализовалось, необходимо выбирать электрическую машину 10 мощностью большей номинальной мощности генератора переменного тока 2 ВЭУ 1. для других случаев это «нонсенс», но для случая бесперебойного питания ответственных потребителей, когда резервный источник на случай отсутствия ветра выбирается из этих условий и «нонсенс» исчезает.
При увеличении тормозного момента на валу синхронной электромашины 10 ротор машины замедляет частоту своего вращения и значение Θ начинает возрастать, что приводит к увеличению электромагнитного момента, а значит и потребление из сетимашиной 10 увеличивается. Т.е. при увеличении энергии ветра автоматически растет потребление независимо от ответственного потребителя 11. При этом обгонная муфта 9 дизеля 6 размыкает его вал от синхронной электромашины 10 и дизеля 6, который выключен и не оказывает влияния на работу системы.
2-й режим. В этом режиме при отсутствии энергии ветра (ветер мал для вращения ветроколеса или ВЭУ отключена по другим причинам) включается дизель 6 и он вращает вал синхронной электромашины 10, которая в этом режиме переводится в режим генератора и обеспечивает питание сети. В течении времени переходного процесса, пока дизель 6 не наберет требуемые номинальные обороты и момент на валу синхронной
электромашины 10 обеспечивает двигатель 11, регулируемый исходя из поддержания частоты сети.
3-й режим. В этом режиме при недостаточной энергии ветра, недостаток энергии компенсируется энергией аккумулятора 8, запасенной в режиме, когда энергия ветра была избыточной.
Это происходит следующим образом. При уменьшении энергии, вырабатываемой генератором 2 ВЭУ 1, потребитель 11 не обращая на это внимания, потребляет номинальный ток, но из-за уменьшения момента на валу генератора 2 последний начинает сбавлять скорость, т.е. частота сети должна была бы падать. Но датчик частоты сети 15 при этом выдаст также уменьшение частоты и на фазочувствительном преобразователе 13 увеличится сигнал рассогласования между задающим генератором 14 и датчиком частоты сети 15. При этом широтно-импульсный преобразователь 12 увеличит длительность подключения двигателя постоянного тока 11 к аккумуляторной батарее 8 и на валу синхронной электромашины 10 увеличивается механический момент, который возвращает скорость вращения генераторов 2 и 10 в исходное стабильное состояние, но уже при других значениях их токов.
При полной потере мощности энергии ветра ключ 4 закроется и сеть полностью переходит на питание от синхронной электромашины 10, а далее следует переход в режим 2 с включением дизеля 6 и зарядкой аккумулятора 8, если последний разряжен.