АВТОНОМНАЯ ВЕТРО-ДИЗЕЛЬ-ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА

Автономная ветро-дизель-электрическая установка
Полезная модель относится к электроэнергетике и, в частности, к автономным электростанциям, вырабатывающим электроэнергию стабилизированной частоты и стабилизированного напряжения переменного тока при переменной скорости вращения первичных двигателей, а именно ветряного двигателя и двигателя внутреннего сгорания (ДВС). Изобретение также можно отнести к комбинированным ветро-дизель-электрическим установкам, предназначенным для автономного электроснабжения.
Известна ветро-дизель-электрическая установка для автономного электроснабжения потребителей (Патент РФ № 2139444 на изобретение. МПК F03D9/00, 1998г.), содержащая подключенные к шинам потребителей асинхронную электрическую машину и синхронную электрическую машину, асинхронная электрическая машина, выполненная с короткозамкнутой обмоткой ротора, подключена к шинам потребителей с помощью автоматического выключателя и соединена с ветродвигателем, снабженным системой регулирования угла поворота лопастей ветроколеса для стабилизации частоты вращения, синхронная электрическая машина также подключена к шинам потребителей с помощью автоматического выключателя, снабжена инерционным маховиком на валу и соединена с поршневым двигателем внутреннего сгорания посредством управляемой разобщительной муфты.
Недостатком установки является то, что для пуска ветроустановки необходимо к ее валу приложить пусковой момент, поэтому пуск осуществляется от маховичной синхронной машины дизель-генераторной установки.
Недостатком устройства является также неполное использование по мощности ресурсов ветроколеса, при резком уменьшении скорости ветра асинхронная машина, приводимая во вращение ветрогенератором, отключается от шин потребителей.
Еще одним недостатком данной системы является наличие провалов по частоте и амплитуде напряжения на шинах потребителей, при подключенной ветроэнергетической части установки на эти шины, в период запуска ДВС и включения разобщительной муфты. Наличие инерционного маховика на валу синхронной машины, приводимой во вращение ДВС, способствует уменьшению провалов по частоте и амплитуде напряжения, однако инерционный маховик не исключает полностью эти провалы в переходных режимах работы установки.
Наиболее близкой по техническому решению является автономная электростанция (Патент РФ № 45056 на полезную модель. МПК H02J 3/00, 3/46, 2004 г.), содержащая ДВС, установленный на его валу синхронный генератор, преобразователь частоты на выходе синхронного генератора и управляемый коммутатор, включенный между выходами синхронного генератора и преобразователя частоты, преобразователь частоты выполнен в виде последовательно включенных выпрямителя и инвертора, к выходу выпрямителя подключен дополнительно введенный накопитель энергии, электростанция содержит также ветряной или гидравлический двигатель с установленным на его валу синхронным генератором, который через выпрямитель подключен к выходу выпрямителя в составе преобразователя частоты.
Недостатком этого устройства является неполное использование по мощности ресурсов ветряного двигателя. Параллельная работа синхронного генератора, приводимого во вращение ветряным двигателем и синхронного генератора, приводимого во вращение ДВС, возможна только в том случае, если напряжение на выходе выпрямителя генератора, соединенного с ветряным двигателем, будет равно напряжению на выходе выпрямителя генератора, соединенного с ДВС. При низких скоростях ветра, а, следовательно, и низких оборотах ветряного двигателя и соединенного с ним синхронного генератора, даже воздействуя на  напряжение обмотки  возбуждения синхронного генератора, невозможно обеспечить на выходе генератора номинальное напряжение. Таким образом, при низких скоростях ветра потребители будут обеспечиваться электроэнергией только от генератора, соединенного с ДВС.
Еще одним недостатком является повышенный расход топлива ДВС (низкий КПД) и пониженный срок его службы, связанные с отсутствием оптимального с точки зрения потребления топлива выбора скорости вращения ДВС при пониженной нагрузке.
Решаемая задача - повышение эффективности автономной ветро-дизель-электрической установки, работающей в условиях меняющихся в широких пределах мощности нагрузки и скорости ветрового потока.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является снижение потребления топлива ДВС путем выбора оптимальной скорости  вращения вала ДВС, соответствующей мощности его нагрузки, более полное использование энергии ветрового потока, в том числе и при малых скоростях ветра.
Этот технический результат достигается тем, что в ветро-дизель-электрической установке, содержащей последовательно включенные ДВС, генератор переменного тока, преобразователь частоты, состоящий из выпрямителя и инвертора, а также ветряной двигатель, последовательно с которым включены генератор переменного тока и выпрямитель, на выходах выпрямителей установлены преобразователи напряжения стабилизирующего типа с датчиками тока и напряжения, выходы преобразователей напряжения стабилизирующего типа подключены к шине стабилизированного напряжения, к которой подключен инвертор; в состав системы автоматического управления (САУ) включен задатчик экономичного режима (ЗЭР) работы ДВС, выполненный в виде блоков: контроллера обучения и управления, блока сопряжения и сбора данных, причем, входы блока сопряжения и сбора данных соединены с датчиком расхода топлива, с датчиками тока и напряжения преобразователя напряжения стабилизирующего типа, подключенного к выходу выпрямителя, который подключен к выходу генератора переменного тока, соединенного с валом ДВС, блок сопряжения и сбора данных также соединен с выходом датчика частоты напряжения, вход которого соединен с выходом генератора переменного тока, соединенного с валом ДВС, первый выход блока сопряжения и сбора данных соединен с регулятором скорости вращения ДВС, а второй - с входом контроллера обучения и управления.
ЗЭР обеспечивает автоматическое изменение скорости вращения ДВС при изменении мощности нагрузки ДВС с целью оптимизации расхода топлива.
Блок сопряжения и сбора данных включает в свой состав:
- цепи согласования и терминалы подключения сигналов с датчиков тока, напряжения и расхода топлива ДВС;
- цепи согласования и терминал подключения к регулятору скорости вращения вала ДВС;
- цепи согласования и терминалы подключения коммуникационной шины для отладки и управления контроллера обучения и управления.
Контроллер обучения и управления  автоматически (при отсутствии характеристик ДВС) определяет оптимальное с точки зрения потребления топлива  значение частоты вращения вала ДВС для текущего значения мощности нагрузки на данном временном интервале вне зависимости от меняющихся внешних условий работы ДВС, степени его износа, марки и качества используемого топлива. Алгоритм работы контроллера обучения и управления основан на аппарате нейронных сетей.
САУ обеспечивает:
- стабилизацию действующего значения и частоты выходного напряжения ветро-дизель-электрической установки при изменении мощности нагрузки и скорости ветра;
- параллельную работу каналов преобразования ветровой и тепловой энергии ДВС ветро-дизель-электрической установки;
- распределение нагрузки между каналами преобразования ветровой и тепловой энергии ДВС с учетом скорости ветрового потока.
Установка на выходе выпрямителя, подключенного к выходу генератора переменного тока, соединенного  с валом ветряного двигателя, преобразователя напряжения  стабилизирующего типа, выход которого подключен к шине стабилизированного постоянного напряжения; установка на выходе выпрямителя, подключенного к выходу генератора переменного тока, соединенного с валом ДВС, преобразователя напряжения стабилизирующего типа, включающего в свой состав датчики тока и напряжения; включение в состав САУ ЗЭР, выполненного в виде блоков: контроллера обучения и управления, блока сопряжения и сбора данных, причем, входы блока сопряжения и сбора данных соединены с датчиком расхода топлива, с датчиками тока и напряжения преобразователя стабилизирующего типа, подключенного к выходу выпрямителя, подключенного к выходу генератора переменного тока, соединенного  с валом ДВС, блок сопряжения и сбора данных также соединен с выходом датчика частоты напряжения, вход которого подключен к выходу генератора переменного тока, соединенного с валом ДВС, первый выход блока сопряжения и сбора данных соединен с регулятором скорости вращения ДВС, а второй - с входом контроллера обучения и управления, выгодно отличает предлагаемое устройство от известного, так как обеспечивает отбор максимально возможной мощности от ветряного двигателя при текущем значении скорости ветрового потока, меняющейся в широких пределах,  а также оптимальный расход топлива ДВС.
Сущность изобретения поясняется чертежом фиг. 1, где показана функциональная схема устройства.
Устройство включает в свой состав канал 1 преобразования энергии ветра в электрическую энергию, канал 2 преобразования тепловой энергии ДВС в электрическую энергию, канал 3 накопления энергии, выходной канал 4, САУ 5, шину 6 стабилизированного постоянного напряжения и датчик 7 напряжения.
Канал 1 преобразования энергии ветра в электрическую энергию состоит из последовательно включенных ветряного двигателя 8, генератора 9 переменного тока, выпрямителя 10, преобразователя напряжения 11 стабилизирующего типа. К выходу выпрямителя 10 подключен блок 12 отбора излишней мощности, выводы которого соединены с балластной нагрузкой или альтернативным накопителем энергии 13.  Преобразователь напряжения 11 стабилизирующего типа снабжен датчиком 14 тока  и датчиком 15 напряжения. Выход выпрямителя 10 соединен с датчиком 16 напряжения.
Канал 2 преобразования тепловой энергии ДВС в электрическую энергию состоит из последовательно соединенных ДВС 17, генератора 18 переменного тока, выпрямителя 19, преобразователя напряжения 20 стабилизирующего типа. ДВС 17 снабжен регулятором 21 скорости вращения и датчиком 22 расхода топлива. К выходу  генератора переменного тока 18 подключен датчик 23 частоты напряжения. Преобразователь напряжения 20 стабилизирующего типа  снабжен датчиком 24 тока и датчиком 25 напряжения.
Канал 3 накопления энергии состоит из последовательно соединенных датчика 26 тока и накопителя энергии 27, в качестве которого могут использоваться, например, аккумуляторные или конденсаторные батареи.
Каналы 1, 2 и 3 соединены с шиной 6 стабилизированного постоянного напряжения, к которой подключен датчик 7 напряжения.
К шине 6 подключен выходной канал 4, состоящий из последовательно соединенных датчика тока 28, инвертора напряжения 29 и выходных выводов 30, предназначенных для подключения электрической нагрузки переменного напряжения стабилизированной частоты и амплитуды.
САУ 5 включает в свой состав ЗЭР 31, который состоит из блока 32 сопряжения и сбора данных, а также контроллера 33 обучения и управления. Входы блока 32 сопряжения и сбора данных соединены с датчиком 22 расхода топлива, датчиком 23 частоты напряжения, датчиком 24 тока и датчиком 25 напряжения. Первый выход блока 32 сопряжения и сбора данных соединен с регулятором 21 скорости вращения ДВС 17, а второй - с входом контроллера 33 обучения и управления.
Входы САУ 5 соединены с датчиком 7 напряжения, датчиком 14 тока, датчиком 15 напряжения, датчиком 16 напряжения, датчиком 26 тока, датчиком 28 тока, а выходы - с преобразователями напряжения 11 и 20 стабилизирующего типа, блоком 12 отбора излишней мощности, инвертором напряжения 29.
Устройство работает следующим образом.
Канал 1.
Ветряной двигатель 8, приводимый во вращение воздушным потоком, вращает генератор 9 переменного тока,  к выходу которого подключен выпрямитель 10, посредством которого напряжение переменной частоты и амплитуды с выхода генератора 9 переменного тока  преобразуется в постоянное напряжение.  Уровень выходного напряжения выпрямителя 10 измеряется с помощью датчика 16 напряжения, выход которого подключен к входу САУ 5.
Мощность на выходе ветроколеса 8, а, следовательно, и на выходе генератора 9 переменного тока  пропорциональна скорости вращения ветроколеса 8, которая в свою очередь зависит от ветрового потока. Если ветровой поток такой, что мощность, вырабатываемая генератором 9 переменного тока, больше мощности нагрузки, то часть мощности, равная мощности нагрузки передается через преобразователь напряжения 11 стабилизирующего типа на шину 6 стабилизированного напряжения, а излишек мощности отводится в блок 12 отбора излишней мощности, подключенный к выходу выпрямителя 10.
Сигналы управления преобразователем напряжения 11 стабилизирующего типа формируются на выходе САУ 5. САУ 5, в соответствии с сигналами, полученными с датчиков 14, 15, 16, 24, 25, 26, 7, 28, воздействует на преобразователь напряжения 11 стабилизирующего типа, обеспечивая стабилизацию напряжения на заданном уровне и регулирование потока энергии на выходе канала 1 преобразования энергии от ветряного двигателя 8 (на выходе преобразователя напряжения 11 стабилизирующего типа).
Сигнал управления блоком 12 отбора излишней мощности формируется на выходе  САУ 5 в зависимости от разницы сигнала с датчика 16 напряжения на выходе выпрямителя 10 и задания по напряжению, введенного в САУ 5. Блок 12 отбора излишней мощности  получает энергию от выпрямителя 10 в том случае, когда мощность, вырабатываемая генератором 9 переменного тока, больше мощности нагрузки. Во всех остальных случаях блок 12 отбора излишней мощности отключен от выхода выпрямителя 10 с помощью сигнала на выходе  САУ 5.
К выходу блока 12 подключена балластная нагрузка (или альтернативный накопитель энергии) 13. На балластной нагрузке (альтернативном накопителе) 13 рассеивается (накапливается) излишняя энергия.
Канал 2.
Если мощность нагрузки превышает мощность, вырабатываемую генератором 9 переменного тока, САУ 5 вводит в работу канал 2 преобразования энергии от ДВС 17. Блок 12 отбора излишней мощности в этом режиме не работает. На время ввода канала 2 в работу недостаток энергии компенсируется за счет канала 3 накопления энергии.
ЗЭР 31 в данном режиме обеспечивает отбор максимально возможной мощности при текущей скорости ветрового потока с вала ветроколеса 8, а также осуществляет компенсацию недостающей мощности с канала 2 преобразования тепловой энергии ДВС посредством включения на параллельную работу преобразователей напряжения 11 и 20 стабилизирующего типа с распределением нагрузки между ними (см. Розанов Ю.К. Основы силовой электроники. - М.: Энергоатомиздат, 1992. - 296с.: ил.).
ДВС 17 приводит во вращение генератор 18 переменного тока, к выводам которого подключен выпрямитель 19. Регулирование скорости вращения вала ДВС 17 осуществляется с помощью регулятора 21 скорости вращения  ДВС 17, управление которым осуществляется ЗЭР 31.
ЗЭР 31 обеспечивает автоматическое изменение скорости вращения ДВС 17 при изменении мощности нагрузки ДВС 17 с целью оптимизации расхода топлива.
Блок 32 сопряжения и сбора данных, входящий в состав ЗЭР 31, осуществляет согласование выходных цепей датчика 22 расхода топлива, датчика 23 частоты напряжения, датчика 24 тока и датчика 25 напряжения с входными цепями контроллера 33 обучения и управления, а также согласование выходных цепей блока 33 обучения и управления с входной цепью регулятора 21 вращения ДВС 17.
Контроллер 33 обучения и управления  автоматически (при отсутствии характеристик ДВС) определяет оптимальное с точки зрения потребления топлива  значение частоты вращения вала ДВС 17 для текущего значения мощности нагрузки на данном временном интервале вне зависимости от меняющихся внешних условий работы ДВС, степени его износа, марки и качества используемого топлива. Алгоритм работы контроллера обучения и управления основан на аппарате нейронных сетей.
Поскольку скорость вращения вала ДВС 17 будет изменяться в зависимости от мощности нагрузки, то амплитуда и частота переменного напряжения генератора 18 переменного тока  будет также изменяться в зависимости от мощности нагрузки ДВС 17.
Выходное напряжение генератора 18 переменного тока  переменной частоты и амплитуды посредством выпрямителя 19 преобразуется в постоянное напряжение, уровень которого изменяется в зависимости от скорости вращения генератора 18.
Роль регулятора потока мощности в канале 2 преобразования энергии от ДВС 17 выполняет преобразователь напряжения 20 стабилизирующего типа, подключенный к выходу выпрямителя 19. Сигнал управления преобразователем напряжения 20 стабилизирующего типа формируется САУ 5. САУ 5, в соответствии с сигналами, полученными от датчиков 24, 25 воздействует на преобразователь напряжения 20, обеспечивая стабилизацию напряжения на заданном уровне.
Канал 3.
Накопитель энергии 27 в данной установке выполняет роль резервного источника энергии, а также демпфера колебаний напряжений. Накапливая энергию от канала 1 и канала 2 или отдавая ее потребителю, накопитель энергии 27 компенсирует скачки (пики или провалы) напряжения, вызванные либо приложением/снятием нагрузки потребителей, либо выводом из действия канала 1 или канала 2.
Информация о напряжении и токе в САУ 5 от накопителей энергии 27 поступает соответственно с датчика 7 напряжения шины 6 стабилизированного постоянного напряжения  и датчика 26 тока  канала накопления энергии 3.
Распределение нагрузки между каналами 1 и 2 выполняет САУ 5 на основании информации от датчиков 14, 15, 24, 25, 7, 26, 28.
Канал 3 кратковременно питает нагрузку в режиме, когда канал 1 частично или полностью не обеспечивает ее энергией, а также на время пуска ДВС 17.
Канал 4.
Выходной канал 4 преобразует стабилизированное постоянное напряжение шины 6 в переменное напряжение стабильной частоты и амплитуды с помощью инвертора напряжения 29, сигналы управления которым формируются САУ 5. Нагрузка подключается к выходным выводам 30 автономной ветро-дизель-электрической установки.