АВТОНОМНАЯ ДВУХАГРЕГАТНАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ
AUTONOMOUS TWO-UNIT POWER PLANT

Изобретение относится к устройствам для передачи электроэнергии между сетями, с частотами, отличающимися одна от другой, и может быть использована в автономных источниках электрической энергии.
Известны автономные одноагрегатные источники электрической энергии типа АД и АБ, содержащие синхронный генератор с приводом от двигателя внутреннего сгорания с регулятором частоты вращения, обеспечивающим синхронную частоту [1].
Их недостатком является низкая энергоэффективность поскольку минимальный удельный расход топлива наблюдается лишь при нагрузке близкой к номинальной нагрузке и небольшой диапазон мощностей нагрузок.
Известны автономные двухагрегатные электростанции типа ЭСД2×… и ЭСБ2×…, содержащие по два электроагрегата (ЭА) с синхронными генераторами и двигателями внутреннего сгорания, работающими с постоянной частотой вращения [2].
Двухагрегатные электростанции позволяют расширить диапазон нагрузок. Однако их энергоэффективность остается невысокой поскольку минимальный удельный расход топлива наблюдается лишь при нагрузке близкой к номинальной мощности одного ЭА и номинальной мощности электростанции при работе двух ЭА.
Наиболее близким по технической сущности к изобретению является автономная электростанция, содержащая последовательно соединенные ДВС с переменной частотой вращения, синхронный генератор и трансформатор, датчик частоты вращения вала ДВС, причем преобразователь частоты выполнен в виде блоков: управляемого выпрямителя с подключенным к нему блоком стабилизации напряжения, сумматора сигналов и регулятора напряжения, конденсаторной батареи, датчика тока и инвертора напряжения, а к блоку возбуждения синхронного генератора подключен выход блока задания экономичной частоты вращения вала ДВС [3].
Электростанция имеет минимальный удельный расход топлива при любой нагрузке. Однако диапазон изменения мощности нагрузки ограничен мощностью единственного ЭА.
Цель изобретения - повышение энергоэффективности в более широком диапазоне мощностей нагрузки.
Цель изобретения достигается тем, что автономная двухагрегатная электростанция, содержащая первый ЭА с переменной частотой вращения вала ДВС, который соединен с регулятором частоты и валом синхронного генератора, связанного индуктором с блоком возбуждения, а якорем с входом управляемого выпрямителя, выход которого через сглаживающий фильтр-накопитель связан с входами блока возбуждения, блока стабилизации напряжения и датчика мощности, соединенного выходом с силовым входом автономного инвертора напряжения, управляющий вход которого подключен к выходу задатчика частоты, а выход - к входу трансформатора, подключенного выходом к нагрузке, кроме того выход датчика мощности соединен с информационным входом блока формирования экономической частоты, первый выход которого связан со вторым входом блока возбуждения, а второй - с входом уставки регулятора частоты вращения, связанного с топливной системой ДВС, причем выход блока стабилизации напряжения подключен к управляющему входу выпрямителя, снабжена датчиком активной мощности, выключателем, синхронизатором, задающим регистром, первым, вторым и третьим числовыми компараторами, сумматором, первым и вторым логическими элементами И, вторым ЭА с постоянной частотой вращения вала ДВС, который соединен с валом второго синхронного генератора, индуктор которого подключен к выходу второго блока возбуждения, а якорь - к второму входу синхронизатора, входу второго блока возбуждения и через датчик активной мощности - к входным зажимам выключателя, связанного выходными зажимами с нагрузкой, входом управления включением - с выходом синхронизатора, а входом управления отключением - с вторым входом блока автоматического управления второго ЭА и выходом БОЛЬШЕ третьего числового компаратора, разряды второго входа которого соединены с соответствующими разрядами выхода сумматора, разряды первого входа - с соответствующими разрядами первого входа первого числового компаратора, выхода задающего регистра и второго входа второго числового компаратора, разряды первого входа которого связаны с соответствующими разрядами информационного выхода датчика активной мощности и первого входа сумматора, разряды второго входа которого соединены с соответствующими разрядами выхода датчика мощности первого ЭА и разрядами второго входа первого числового компаратора, выходы МЕНЬШЕ и РАВНО которого подключены к второму входу первого логического элемента И и первому входу блока автоматического управления второго ЭА, связанного информационным входом с ДВС, первым выходом - с исполнительными элементами системы управления ДВС, а вторым выходом - с первым входом первого логического элемента И, выход которого соединен с третьим входом синхронизатора, первый вход которого связан с выходом трансформатора, кроме того выход МЕНЬШЕ третьего числового компаратора подключен к первому входу второго логического элемента И, второй вход которого подключен к выходу МЕНЬШЕ второго числового компаратора, а выход - к входу увеличения уставки регулятора частоты вращения вала ДВС второго ЭА, вход уменьшения уставки которого связан с выходом БОЛЬШЕ второго числового компаратора, информационный вход - с валом ДВС, а выход - с топливной системой ДВС второго ЭА.
Синхронизатор и выключатель обеспечивают включение ЭА станции на параллельную работу. Датчик активной мощности и сумматор формируют код величины суммарной нагрузки станции. Задающий регистр, первый числовой компаратор и их связи определяют момент ввода в работу второго ЭА. Второй числовой компаратор, второй логический элемент И и их связи обеспечивают прием номинальной нагрузки вторым ЭА. Третий числовой компаратор и его связи служат для вывода из работы второго ЭА после снижения нагрузки.
На фиг. 1 представлена схема автономной двухагрегатной электростанции, на фиг. 2 - диаграммы нагрузки и эпюры сигналов на основных элементах схемы.
ном1
ном2
н
Электростанция (фиг. 1) содержит первый ЭА 1 с переменной частотой, который имеет: ДВС 2, синхронный генератор 3, регулятор частоты вращения (РЧВ) 4 вала ДВС, блок 5 формирования экономичной частоты вращения, блок 6 возбуждения генератора, управляемый выпрямитель 7, блок 8 стабилизации напряжения, сглаживающий фильтр-накопитель 9, датчик мощности 10, автономный инвертор напряжения 11, задатчик 12 частоты, трансформатор 13. Второй ЭА 14 имеет ДВС 15 с постоянной частотой вращения вала, РЧВ 16, синхронный генератор 17 с блоком 18 возбуждения, датчик 19 активной мощности и выключатель 20. Датчик мощности 10 и датчик активной мощности 19 имеют цифровые выходы. Кроме того схема содержит синхронизатор 21, первый 22, второй 23 и третий 24 числовые компараторы, задающий регистр 25, сумматор 26, нагрузку 27, блок 28 автоматического управления вторым ЭА, первый 29 и второй 30 логические элементы И. ЭА 1 и 14 имеют одинаковые номинальные мощности Р=Р=Р. В программу работы блока 5 заложены оптимальные зависимости частоты вращения вала ДВС 2 от мощности нагрузки, соответствующие минимальному удельному расходу топлива.
н
.
Электростанция работает следующим образом. В регистре 25 (фиг. 1) устанавливают код Х25 соответствующий номинальной мощности ЭА Р. Для ЭА 1 номинальная частота устанавливается задатчиком 12, а для ЭА 14 РЧВ 16. Номинальные напряжения ЭА 1 и 14 задаются блоками возбуждения 6 и 18. Первым вводится в работу ЭА 1. При этом в зависимости от значения мощности нагрузки блок 5 выдает РЧВ 4 уставку оптимальной частоты с точки зрения минимального потребления топлива. При каждом изменении мощности уставка корректируется. В результате с изменением мощности нагрузки меняется частота вращения вала ДВС и он постоянно находится в наиболее экономичном режиме работы.
В виду того, что частота вращения вала ДВС 2 (фиг. 1) меняется в зависимости от мощности нагрузки, то амплитуда и частота переменного напряжения генератора 3 будут также изменяться в зависимости от мощности нагрузки.
Стабилизация амплитуды переменного напряжения на уровне номинального значения для генератора 3 осуществляется следующим образом.
Выпрямитель 7 (фиг. 1) преобразует выходное переменное напряжение генератора 3 в постоянное напряжение заданной величины, которое стабилизируется блоком 8 стабилизации напряжения. Выходное напряжение выпрямителя 7 сглаживается фильтром-накопителем 9, который кроме того компенсирует пики и провалы напряжения в динамических режимах. Сглаженное напряжение преобразуется инвертором 11 в переменное напряжение синусоидальной формы с амплитудой равной постоянному напряжению выпрямителя 7, которое поддерживается на одном уровне благодаря блоку 8 стабилизации напряжения. Трансформатор 13 увеличивает это напряжение до номинального значения.
0
1
В результате на выходе ЭА 1 напряжение и частота соответствует номинальным значениям, а ДВС 2 работает в режиме минимального расхода топлива в диапазоне нагрузок от нуля до номинальной мощности (фиг. 2 интервал времени t-t).
1
н
1
2
2
2
2
н
(2)
(2)
(2)
Когда мощность нагрузки превышает номинальную мощность ЭА 1 (фиг. 2 момент времени t) код X10 на выходе датчика мощности 10, поступающий на второй вход компаратора 22, оказывается меньше кода Х25, поступающего с выхода задатчика 25 на первый вход компаратора 22. При этом появляется сигнал Х22 (фиг. 2) на выходе компаратора 22, который подготавливает логический элемент И 29 по второму входу и поступая на вход блока 28 автоматического управления ЭА 14 производит его пуск. Сигнал о готовности приема нагрузки с блока 28 автоматического управления поступает на первый вход логического элемента И 29 и сигналом с его выхода включается синхронизатор 21. В момент выполнения условий синхронизма сигнал с выхода синхронизатора 21 включает выключатель 20, который подключает ЭА 14 к нагрузке 27. При этом ЭА 14 принимает некоторую мощность нагрузки, и с выхода датчика 19 код X19 (фиг. 2) активной мощности поступает на первый вход компаратора 23, на втором входе которого присутствует код Х25 номинальной мощности ЭА Р. Поскольку в начальный момент времени (фиг. 2 момент времени t) нагрузка ЭА 14 меньше номинальной, то появляется сигнал Х23 на втором выходе компаратора 23, который подготавливает логический элемент И 30 по второму входу. Сумматор 26 складывает коды мощностей электроагрегата 1 X10 и электроагрегата 14 X19, вычисляя код Х26 мощности Р нагрузки 27, поступающий на второй вход компаратора 24. Так как мощность нагрузки превышает номинальную мощность ЭА появляется сигнал Х24 на втором выходе компаратора 24, который через логический элемент И30 поступает на вход увеличения уставки РЧВ 16. На ЭА 14 увеличивается подача топлива и активная мощность Р. Увеличение мощности Р происходит до момента t (фиг. 2), когда устанавливается номинальная мощность Р=Р и ЭА 14 переходит в экономичный режим работы. При этом сигнал Х23 на втором выходе компаратора 23 исчезает. Логический элемент И 30 закрывается по второму входу, снимая сигнал с входа увеличения уставки РЧВ 16, предотвращая дальнейший прием нагрузки. Если мощность ЭА 14 по какой-либо причине превысила номинальное значение, появляется сигнал на первом выходе компаратора 23, который поступает на вход уменьшения уставки РЧВ 14, и мощность снижается до номинальной величины. Таким образом, при работе ЭА 14 имеет номинальную нагрузку и минимальный удельный расход топлива.
н
3
(1)
Когда нагрузка станции снижается и становится меньше номинальной мощности ЭА Р, (фиг. 2, момент времени t) появляется сигнал Х24(1) на выходе компаратор 24, который, поступая на выключатель 20, отключает его. Одновременно сигнал Х24 с выхода компаратора 24 поступает на второй вход блока 28 управления ДВС 15, который останавливается. После чего вся нагрузка переходит на ЭА 1, который при любой нагрузке работает в режиме экономии топлива.
ном
н
Таким образом, станция во всем диапазоне нагрузок от нуля до номинальной мощности (Р=2Р) работает в режиме минимального удельного расхода топлива.
Источники информации
1. Алексеев А.П., Кудряшев Г.Ф., Чекменев Е.Е. Дизельные и карбюраторные электроагрегаты и станции: Справочник. - М.: Машиностроение, 1973. - 544 с.
2. Емельянов И.А., Овчинников И.П. Многоагрегатные передвижные электростанции: Справочник. - М.: Воениздат, 1987, - 104 с.
3. Патент на изобретение RU 2412513, МКП H02J 3/34, 2011.