МОДУЛЬНАЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ УСТАНОВКА
MODULAR ELECTRIC POWER PLANT

Изобретение 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).
Модульная электроэнергетическая установка предназначена для работы в системах электроснабжения общего назначения, при организации бесперебойного электроснабжения потребителей переменного и постоянного тока, локализации основных функций по объединению, согласованию и преобразованию энергии различных источников в одном электроэнергетическом модуле. Использование аккумулированной в накопителе суммарной электрической энергии постоянного тока, полученной в результате преобразования энергии каждого работающего первичного возобновляемого источника, преобразование электрической энергии постоянного тока в трехфазный переменный ток для потребителей, и возврата избытков электрической энергии в трехфазную питающую сеть переменного тока высокого качества и стабилизацией выходного фазного напряжения по величине и частоте при колебаниях входного напряжения в широком диапазоне. Автономная и бесперебойная работа электроэнергетической установки при отсутствии сетевого трехфазного переменного тока обеспечивается за счет аккумулированной электрической энергии постоянного тока в накопителе энергии и аварийной работе электроэнергетической установки при полном разряде накопителя энергии за счет электрической энергии двигатель-генераторной установки.
Известна автономная гибридная система электропитания для электрооборудования и способ управления системой (пат. РФ№2589889, опубл. 10.07.2016, МПК H02J 3/38). Система включает нестабильный источник питания, модуль накопления электроэнергии и газовую электрохимическую энергетическую установку, и характеризуется тем, что нестабильный источник питания представляет собой возобновляемый источник энергии или электрораспределительную сеть.
Электрохимическая энергетическая установка включает топливный элемент для питания оборудования и заряда модуля накопления, электроэнергии, когда модуль накопления электроэнергии способен вырабатывать мощность, равную второму пороговому значению мощности, и пока мощность модуля накопления электроэнергии, заряжаемого за счет электрохимической энергетической установки, не достигнет первого порогового значения мощности, электролизную установку для вырабатывания топлива, когда источник способен вырабатывать мощность, превосходящую рабочую мощность оборудования, а модуль накопления электроэнергии способен вырабатывать мощность, являющуюся, по меньшей мере, равной первому пороговому значению мощности, и бак для накопления топлива, выработанного электролизной установкой, и переноса топлива в батарею.
Недостатком известной автономной гибридной системы электропитания для электрооборудования является необходимость производства водорода методом электролиза, что ведет к значительному усложнению процесса эксплуатации и ужесточению предъявляемых нормативных требований к помещению, оборудованию, обслуживанию, ремонту, вентиляции, контролю, сигнализации, наличию и качеству расходных материалов (воды, электролита, азота) и т.д. Электролизные установки относятся к взрывоопасным, пожароопасным помещениям, где необходим постоянный контроль основных параметров (величину давления, процентное содержание водорода в кислороде, кислорода в водороде и т.д.). К недостаткам также следует отнести низкий общий КПД такой установки (30-40%), обусловленный необходимостью преобразования электрической энергии в водород и обратно в электрическую энергию и усложнение конструкции (наличие в установках трубопроводов, насосов, клапанов, газоанализаторов, датчиков давления, турбины и т.д.), что ведет к общему снижению надежности электроснабжения.
Известно устройство электропитания, совмещенное УЭПС с универсальным входом (МПК H02J 9/04 патент РФ №145010, опубл. 10.09.2014 г.), характеризующееся наличием четырех устройств автоматического ввода резерва, AC/DC преобразователями напряжения, автономной аккумуляторной батареей, устройством автоматического заряда аккумуляторной батареи, DC/DC преобразователями напряжения, устройством индикации состояния и устройством диагностики. УЭПС-УВ снабжено основным и резервным однофазными и/или трехфазными вводами электроснабжения.
Недостатками известного устройства электропитания является низкая эффективность устройства при наличии напряжения на шине гарантированного питания, преобразователи напряжения AC/DC 2 работают в режиме постоянного преобразования, преобразователи напряжения DC/АС 3, DC/AC 4, DC/DC 8 работают в режиме холостого хода, при этом все потребители переменного тока получают электропитание от шины гарантированного питания, что ведет к снижению КПД установки из-за потерь электрической энергии на преобразование и охлаждение преобразователей. Значительное число преобразователей напряжения в данном устройстве усложняет конструкцию и управление коммутацией электрических потоков и снижает общую надежность устройства.
Известна электроэнергетическая система на возобновляемых источниках энергии (МПК H02J 3/32 патент RU №2476970, опубл. 27.02.2013 г.), принятая за прототип, содержащая два генератора, два выпрямителя, аккумуляторную батарею и инвертор, при этом вход первого генератора соединен с ветродвигателем, а выход первого генератора - с первым выпрямителем, вход второго генератора соединен с гидротурбиной, а выход второго генератора связан со вторым выпрямителем. Датчик ветра, датчик воды, датчик температуры и датчик солнечной радиации подключены к входу первой системы управления, к выходу которой подключены входы трех контроллеров заряда и один из входов второй системы управления. Вход первого контроллера заряда соединен с солнечными панелями, вход второго контроллера заряда соединен с выходом первого выпрямителя, вход третьего контроллера заряда соединен с выходом второго выпрямителя. Выходы трех контроллеров заряда подключены к входу аккумуляторной батареи и входу инвертора, выход которого соединен с нагрузкой, подключенной к входу второй системы управления вместе с выходом аккумуляторной батареи, при этом к выходу второй системы управления подключен вход регулятора балласта, выход которого связан с балластной нагрузкой.
Существенным недостатком известной электроэнергетической системы на возобновляемых источниках энергии является низкая надежность обеспечения потребителей электроэнергией, предопределенная отсутствием резервных или аварийных источников электрической энергии. В случаях отсутствия или недостаточного количества электрической энергии первичных возобновляемых источников для питания нагрузки и снижении емкостного заряда аккумуляторной батареи до минимально допустимой величины, может произойти аварийное отключение системы электроснабжения. Другим фактором, значительно снижающим надежность, является утилизация излишков мощности с помощью балластной нагрузки, что ведет к значительным потерям электроэнергии и общему снижению КПД электроэнергетической системы, а отсутствие фильтров на выходе инвертора, который соединен с нагрузкой, ведет к снижению качества вырабатываемой электрической энергии.
Признаки, совпадающие с заявляемым объектом: разнотипные возобновляемые источники энергии, включая, по меньшей мере, один ветровой генератор, фотоэлектрическую батарею, гидрогенератор, соединенные с входами контроллеров заряда, выходы контроллеров заряда подключены к входу накопителя энергии, входу автономного инвертора, и устройству управления.
Задачей предлагаемого изобретения является создание модульной электроэнергетической установки, обеспечивающей высокую надежность электроснабжения потребителей постоянного и переменного тока с электропитанием от возобновляемых источников и рекуперацию в сеть излишков энергии, поступающей от них с одновременным повышением симметрии сети.
Технический результат, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, заключается в повышении надежности и качества электроснабжения потребителей путем введения новых функциональных узлов, новых связей между ними и организации управления фазными группами автономного инвертора с учетом асимметрии питающей сети.
Технический результат достигается тем, что в модульной электроэнергетической установке, содержащей разнотипные возобновляемые источники энергии с выходами на постоянном и переменном токе, соединенные с входами универсального зарядного контроллера, автономным инвертором, накопителем энергии и устройством управления, дополнительно введены преобразователь DC/DC и/или фильтр электромагнитной совместимости, трехфазный трансформатор, первый, второй и третий блоки фазных датчиков тока и напряжения, двунаправленный трехфазный счетчик электрической энергии, первый, второй и третий коммутаторы и двигатель - генератор, причем выход каждого возобновляемого источника энергии соединен с одним из входов универсального зарядного контроллера, выход универсального зарядного контроллера через накопитель энергии и преобразователь DC/DC и/или фильтр электромагнитной совместимости соединен с нагрузкой постоянного тока и с входом автономного инвертора, фазные группы выхода автономного инвертора через первый фильтр соединены с первичными обмотками повышающего трехфазного трансформатора, выход которого через второй фильтр, первый блок фазных датчиков токов и напряжений и первый коммутатор соединен через промежуточную цепь трехфазного переменного тока с нагрузкой переменного тока и пятым входом универсального зарядного контроллера, промежуточная цепь трехфазного переменного тока через второй коммутатор, второй блок датчиков токов и напряжений и двунаправленный трехфазный счетчик электрической энергии соединена с внешней трехфазной сетью, через третий коммутатор и третий блок фазных датчиков токов и напряжений соединена с двигатель-генератором, управляющий вход/выход универсального зарядного контроллера соединен с устройством управления, которое через первый, второй, третий, четвертый пятый и шестой входы соединено соответственно с накопителем энергии, двунаправленным трехфазным счетчиком электрической энергии, пультом управления, первым, вторым и третьим блоками фазных датчиков токов и напряжений, а первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой выходы устройства управления соединены соответственно с автономным инвертором, первым, вторым, и третьим коммутаторами, двигатель-генераторной установкой, преобразователем DC/DC и/или фильтром электромагнитной совместимости.
Рационально в модульной электроэнергетической установке накопитель энергии выполнять преимущественно в виде блока конденсаторов большой емкости или аккумуляторной батареи.
Целесообразно в модульной электроэнергетической установке в состав возобновляемых источников энергии включать гидрогенераторы, установленные на трубопроводах поступающей в помещение воды, работающие за счет разности давлений и спортивный тренажер, механически связанный с генератором электрической энергии.
Рекомендуется в модульной электроэнергетической установке автономный инвертор выполнять с двухтактными транзисторными ключами в выходном каскаде.
Целесообразно в модульной электроэнергетической установке автономный инвертор выполнять с индивидуальным управлением широтно-импульсной модуляцией коммутационными элементами фазных групп, разделенных по принципу формирования переменного тока каждой фазы.
Рационально в модульной электроэнергетической установке фазные группы автономного инвертора соединять с первичными обмотками повышающего трехфазного трансформатора преимущественно через первый фильтр.
Рекомендуется в модульной электроэнергетической установке выходные обмотки повышающего трансформатора соединять с первым блоком датчиков токов и напряжений преимущественно через второй фильтр.
Рекомендуется модульную электроэнергетическую установку выполнять
преимущественно в виде четырех унифицированных модулей: модуля переменного тока, преобразовательного модуля, зарядного модуля и модуля постоянного тока.
Рационально в модульной электроэнергетической установке выполнять соединение выхода пульта управления с устройством управления и нагрузкой переменного тока.
Предлагаемое изобретение поясняется чертежами, где
на фиг. 1 схематически представлена электрическая схема установки,
на фиг. 2 отображена структурная схема,
на фиг. 3 показана схема соединения фазных групп автономного инвертора с первичными обмотками повышающего трансформатора,
на фиг. 4 изображена модульная компоновка установки на основе типизации и конструктивной унификации.
Модульная электроэнергетическая установка (фиг. 1) содержит разнотипные возобновляемые источники энергии с выходами на постоянном и переменном токе, такие, как ветровой генератор 1, преобразующий кинетическую энергию ветрового потока в электрическую, фотоэлектрическую батарею 2, преобразующую солнечное излучение в электрическую энергию, гидрогенератор 3, преобразующий кинетическую энергию водного потока в электрическую энергию. В состав установки может быть включен спортивный тренажер, (на чертеже не показан) механически связанный с электрогенератором 4, преобразующий энергию мышечной силы в электрическую энергию. Выход 5 ветрового генератора 1 соединен с первым входом универсального зарядного контроллера 9, объединяющего функции универсального зарядного контроллера, выполненного с возможностью отбора мощности в одном из рабочих режимов от промежуточной цепи трехфазного переменного тока 25 и осуществления гарантированного питания электрической энергией нагрузки постоянного тока 14. Выход 6 фотоэлектрической батареи 2 соединен со вторым входом универсального зарядного контроллера 9, выход 7 гидрогенератора 3 соединен с третьим входом универсального зарядного контроллера 9, выход 8 электрогенератора спортивного тренажера 4 соединен с четвертым входом универсального зарядного контроллера 9. Выход постоянного тока 10 универсального зарядного контроллера 9 соединен с накопителем энергии 11 и через выход 12 постоянного тока и преобразователь DC/DC 13 и/или фильтр электромагнитной совместимости, соединен с питающим входом 37 автономного инвертора 15 и нагрузкой постоянного тока 14. Накопитель энергии 11 выполняется преимущественного в виде блока конденсаторов большой емкости или аккумуляторной батареи.
Преобразователь DC/DC 13 применяется в случае использовании источника-накопителя 11, выполненного в виде блока конденсаторов большой емкости. Независимо от величины напряжения емкостного заряда он преобразует энергию постоянного тока накопителя энергии 11, напряжение которого может изменяться в широких пределах, в энергию постоянного тока со стабильным напряжением, равным требуемому номинальному значению напряжения нагрузки постоянного тока 14 и входного напряжения автономного инвертора 15.
В случае применения в качестве накопителя энергии 11 аккумуляторной батареи, для сглаживания пульсаций напряжения при преобразовании переменного тока от возобновляемых источников энергии на входе накопителя энергии 11 может устанавливаться фильтр электромагнитной совместимости (на чертежах не показан).
В структурной схеме фиг. 2 направление электрических потоков показаны стрелками, кроме того, дополнительно отображена внутренняя шина постоянного тока 38 универсального зарядного контроллера 9.
Коммутационные элементы автономного инвертора 15 разделены на фазные группы 16, 17, 18 и в одном из вариантов реализации выполнены в виде силовых IGBT транзисторов и соединены (фиг. 3) через первый фильтр 19 с входом повышающего трехфазного трансформатора 20. В качестве коммутационных элементов могут быть использованы управляемые тиристоры, биполярные транзисторы, силовые IGBT транзисторы и другие элементы, обладающие минимальным значением остаточного напряжения в открытом состоянии. Через второй фильтр 21, первый блок фазных датчиков токов и напряжений 23 и первый коммутатор 24 выход повышающего трансформатора 20 соединен с промежуточной цепью трехфазного переменного тока 25, к которой подсоединены нагрузка переменного тока 26 и пятый вход 27 универсального зарядного контроллера 9. К промежуточной цепи переменного тока 25 через третий коммутатор 34 и третий блок датчиков токов и напряжений 33 подключен двигатель-генератор 32. Наличие первого 19 и второго 21 фильтров позволяет значительно снизить содержание гармоник в промежуточной цепи трехфазного переменного тока 25, возникающих при переключении коммутационных элементов 16,17.18 автономного инвертора 15.
Через второй коммутатор 31, второй блок датчиков тока и напряжения 30 и двунаправленный счетчик электрической энергии 29 промежуточная цепь трехфазного переменного тока 25 соединена с внешней трехфазной сетью 28, что позволяет в некоторых режимах работы установки передавать в нее излишки электроэнергии, вырабатываемой возобновляемыми источниками энергии 1, 2, 3, 4, либо потреблять энергию из внешней трехфазной сети 28 при нехватке мощности возобновляемых источников энергии 1, 2, 3, 4. Управляющий вход/выход универсального зарядного контроллера 9 соединен с устройством управления 35, которое через первый, второй, третий, четвертый пятый и шестой входы соединено соответственно с накопителем энергии 11, двунаправленным трехфазным счетчиком электрической энергии 29, пультом управления 36, первым блоком фазных датчиков токов и напряжений 23, вторым блоком фазных датчиков токов и напряжений 30, третьим блоком фазных датчиков токов и напряжений 33, а первый, второй, третий, четвертый, пятый, и шестой выходы устройства управления 35 соединены соответственно с автономным инвертором 15, первым коммутатором 24, вторым коммутатором 31, третьим коммутатором 34, двигатель-генераторной установкой 32, преобразователем DC/DC 13 или при использовании аккумуляторных батарей с фильтром электромагнитной совместимости.
Двигатель-генераторная установка 32 запускается при минимальном значении энергии, вырабатываемой возобновляемыми источниками энергии 1, 2, 3, 4, запасенной накопителем энергии 11, что исключает возникновение перебоев снабжения электроэнергией нагрузок постоянного 14 и переменного тока 26.
Работает модульная электроэнергетическая установка следующим образом.
В память устройства управления 35 заносятся номинальные электрические характеристики основных компонентов модульной электроэнергетической установки, включая характеристики: повышающего трансформатора 20, возобновляемых источников энергии 1, 2, 3, 4, значение емкости накопителя энергии 11, при использовании аккумуляторной батареи в виде накопителя энергии в память устройства управления 35 заносится табличная зависимость величины емкостного заряда и значений тока при зарядно-разрядных циклах от величины напряжения, значение максимальной мощности нагрузок переменного 26 и постоянного 14 токов, а также алгоритм выбора приоритетных режимов работы установки при минимальных или пиковых нагрузках переменного 26 и постоянного 14 тока.
Основные преимущества модульной электроэнергетической установки заключаются в различных режимах работы, зависящих от величины емкостного заряда источника накопителя 11, величины электрической энергии нестабильных возобновляемых источников энергии 1, 2, 3, 4, величины потребляемой электрической энергии потребителями постоянного 14 и переменного 26 тока в данный момент времени.
1. Начальный режим работы.
В зависимости от уровня емкостного заряда источника накопителя 11 и величины электрической энергии нестабильных возобновляемых источников энергии 1, 2, 3, 4 возможны два варианта реализации начального режима работы:
- начальный режим работы с потреблением энергии возобновляемых источников;
- начальный режим работы с потреблением энергии из внешней трехфазной сети.
Тот или иной вариант задается с пульта управления 36, либо устанавливается устройством управления 35.
В первом варианте начального режима работы при превышении минимального уровня емкостного заряда источника - накопителя энергии 11, контролируемого устройством управления 35 через вход 10, и устойчивой генерации электрической энергии возобновляемыми источниками энергии 1, 2, 3, 4, емкостной постоянный ток накопителя энергии 11 преобразуется преобразователем DC/DC 13, поступает на нагрузку постоянного тока 14 и одновременно через вход 37 на автономный инвертор 15. Устройство управления 35 с помощью ШИМ автономного инвертора 15 формирует симметричное синусоидальное трехфазное напряжение, с помощью второго блока датчиков тока и напряжений 30 на стороне внешней трехфазной сети 28 осуществляет мониторинг текущих значений фазных напряжений сети 28 и углов сдвига фаз между ними. На основе полученной измерительной информации устройство управления 35 формирует управляющий сигнал для коммутационных элементов фазных групп 16, 17, 18 автономного инвертора 15. Фазное корректирование осуществляется путем изменения длительности промежутков времени, в течение которых открываются коммутационные элементы фазных групп 16, 17, 18, в результате чего минимизируется разностный сдвиг фаз между промежуточной цепью 25 переменного тока и внешней трехфазной сетью 28, что обеспечивает синхронизацию модульной электроэнергетической установки с внешней трехфазной сетью 28. Энергетическая установка может быть переведена в один из вариантов автономного режима работы, либо какой- либо вариант режима совместной работы с внешней трехфазной сетью, обеспечивающих бесперебойное питание нагрузки переменного тока 26 и нагрузки постоянного тока 14.
Во втором варианте начального режима работы электрическая энергия трехфазной сети переменного тока 28 через трехфазный двунаправленный счетчик электрической энергии 29, второй блок датчиков тока и напряжения 30, служащий для контроля параметров внешней трехфазной сети переменного тока 28, и второй коммутатор 31 поступает в промежуточную цепь переменного тока 25. Питание нагрузки переменного тока 26 осуществляется через нормально замкнутые контакты второго коммутатора 31 и промежуточную цепь переменного тока 25. Питание нагрузки постоянного тока 14, обеспечивается за счет преобразования трехфазного переменного тока промежуточной цепи 25, передаваемого через вход 27 универсального зарядного контроллера 9 в регулируемый постоянный ток выхода 10 зарядного контроллера 9. Зарядный ток от универсального зарядного контроллера 9 передается на накопитель энергии 11 и через выход 12 постоянного тока поступает на вход преобразователя DC/DC 13 и/или фильтр электромагнитной совместимости, и питает нагрузку постоянного тока 14. Питание электроэнергетической установки при этом осуществляется от внешней трехфазной сети 28 и частично от нестабильных возобновляемых источников энергии 1, 2, 3, 4.
2. Режим автономной работы электроэнергетической установки.
В первом варианте режима автономной работы устройство управления 35 выдает команду на размыкание контактов второго коммутатора 30 и переводит установку в автономный режим. Энергия возобновляемых источников энергии 1, 2, 3, 4 поступает через входы 5, 6, 7, 8 на входы универсального зарядного контроллера 9, преобразуется в ток заряда и через выход 10 поступает на накопитель энергии 11. В качестве накопителя энергии 11 могут быть использованы аккумуляторные батареи или конденсаторы большой емкости, ионисторы. В предпочтительном варианте в качестве накопителя энергии 11 используется блок конденсаторов с малой утечкой, от которого нестабильное напряжение постоянного тока подается через выход 12 накопителя энергии 11 на вход преобразователя DC/DC 13, а с его выхода стабилизированное напряжение передается для питания нагрузки постоянного тока 14 и на вход 37 автономного инвертора 15 для дальнейшего преобразования. С помощью широтно-импульсной модуляции фазных групп 16, 17, 18 автономного инвертора 15 энергия постоянного тока емкостного накопителя энергии 11 преобразуется в трехфазный переменный ток, который через первый фильтр 19, повышающий трансформатор 20, второй фильтр 21, первый блок датчиков токов и напряжений 23, через замкнутые контакты первого коммутатора 24 и промежуточную цепь переменного тока 25 передается в нагрузку переменного тока 26. От первого 23 и второго 30 блока датчиков тока и напряжения устройство управления 35 получает информацию о мгновенных значениях величин фазных токов и напряжений повышенного отфильтрованного переменного тока выхода 22, внешней трехфазной сети 28 и уровня заряда накопителя энергии 11, и вырабатывает управляющее воздействие на широтно-импульсную модуляцию коммутационных элементов фазных групп 16,17,18 автономного инвертора 15.
В случае возникновения асимметрии величин фазных токов нагрузки переменного тока 26 устройство управления 35 с помощью широтно-импульсной модуляции фазных групп 16, 17, 18 автономного инвертора 15 изменяет ток каждой фазы, выравнивая фазные токи нагрузки 26, уменьшая фазную асимметрию и смещение электрической нейтрали 39.
Устройство управления 35 синхронизирует выход 22 с внешней трехфазной сетью 28 и обеспечивает готовность электроэнергетической установки к совместной параллельной работе с внешней трехфазной сетью 28.
Во втором варианте режима автономной работы электроэнергетической установки при нехватке энергии, вырабатываемой возобновляемыми источниками энергии 1, 2, 3, 4 величина емкостного заряда накопителя энергии 11 снижается до минимально допустимого уровня, в случае отсутствия или при возникновении нестабильности сетевого напряжения 28, устройство управления 35 включает двигатель-генератор 32. На основе измерительной информации, получаемой от первого 23 и третьего 33 блоков датчиков тока и напряжения устройство управления 35 вырабатывает управляющее воздействие для автономного инвертора 15 и синхронизации его с выходом трехфазного переменного тока двигатель-генератора 32, замыкает силовые контакты третьего коммутатора 34 и подключает двигатель-генератор 32 к промежуточной цепи переменного тока 25. При этом емкостной заряд источника-накопителя 11 пополняется путем передачи энергии от двигатель-генератора 32 через промежуточную цепь постоянного тока 25 на пятый вход 27 универсального зарядного контроллера 9, формирующего ток заряда источника-накопителя 11. Питание нагрузки переменного тока 26 осуществляется от двигатель-генератора 32 через промежуточную цепь переменного тока 25 и замкнутый третий коммутатор 34. Одновременно энергия от двигатель-генератора 32 через замкнутый третий коммутатор 34 и промежуточную цепь переменного тока 25 поступает на пятый вход 27 универсального зарядного контроллера 9, где преобразуется в зарядный ток накопителя энергии 11 и через преобразователь DC/DC 13 поступает на нагрузку постоянного тока 14, восполняя недостающую мощность возобновляемых источников энергии 1, 2, 3, 4.
Питание электроэнергетической установки при этом осуществляется от возобновляемых источников энергии 1,2, 3,4 и двигатель-генератора 32.
В третьем варианте режима автономной работы, в случае применения в качестве накопителя энергии 11 аккумуляторных батарей и наличии достаточного количества генерируемой энергии возобновляемых источников энергии 1, 2, 3, 4 для питания нагрузок переменного 26 и постоянного тока 14, что определяется с помощью первого блока датчиков тока и напряжений 23 и универсального зарядного контроллера 9, контролирующего значения электрической энергии выходов 5, 6, 7, 8 возобновляемых источников энергии 1, 2, 3, 4, по управляющему воздействию устройства управления 35 универсальное зарядное устройство 9 снижает величину напряжения выхода постоянного тока 10 до величины напряжения аккумуляторных батарей 11, и тем самым прекращает их зарядный цикл. Далее напряжение передается для питания нагрузки постоянного тока 14 и на вход 37 автономного инвертора 15 для дальнейшего преобразования. Посредством широтно-импульсной модуляции фазных групп 16, 17, 18 автономного инвертора 15 энергия постоянного тока емкостного накопителя энергии 11 преобразуется в трехфазный переменный ток, который через первый фильтр 19, повышающий трансформатор 20, второй фильтр 21, первый блок датчиков токов и напряжений 23, через замкнутые контакты первого коммутатора 24 и промежуточную цепь переменного тока 25 передается в нагрузку переменного тока 26. Питание электроэнергетической установки при этом осуществляется от возобновляемых источников энергии 1, 2, 3, 4 без зарядки аккумуляторных батарей 11, увеличивая их ресурс.
В первом, втором и третьем вариантах режима автономной работы обеспечивается высокая надежность электроснабжения потребителей постоянного и переменного тока с электропитанием от возобновляемых источников энергии 1, 2, 3, 4, заряда накопителя энергии 13 с возможностью включения при необходимости двигатель-генератора 32.
3. Режимы совместной работы электроэнергетической установки с внешней трехфазной сетью.
Режим с отдачей энергии во внешнюю трехфазную сеть.
В этом режиме при максимальном заряде накопителя энергии 11 и устойчивой генерации электрической энергии возобновляемыми источниками энергии 1, 2, 3, 4, аккумулированный постоянный емкостной ток преобразуется преобразователем DC/DC 13, передается в нагрузку постоянного тока 14 и на вход 37 автономного инвертора 15, где с помощью широтно-импульсной модуляции фазных групп 16, 17, 18 преобразуется в трехфазный переменный ток, который через первый фильтр 19, повышающий трансформатор 20, второй фильтр 21, первый блок датчиков тока и напряжения 23 подается через замкнутые контакты первого коммутатора 24 в промежуточную цепь переменного тока 25. Устройство управления 35 от первого 23 и второго 30 блоков датчиков тока и напряжения получает информацию о мгновенных значениях величин фазных напряжений повышенного отфильтрованного переменного тока выхода 22 и внешней трехфазной сети 28, вырабатывает управляющее воздействие на широтно-импульсную модуляцию фазных групп 16, 17, 18 коммутационных элементов автономного инвертора 15 и синхронизирует выход 22 с внешней трехфазной сетью 28. Фазное корректирование осуществляется путем изменения ширины импульса по заданному алгоритму и изменения величины фазного сдвига выходного напряжения автономного инвертора 15, что обеспечивает синхронизацию фазного напряжения выхода 22 повышающего трансформатора 20 с входом/выходом внешней трехфазной сети 28. По сигналу устройства управления 35 замыкаются силовые контакты первого коммутатора 24, и повышающий трансформатор 20 включается в параллельную работу с внешней трехфазной сетью 28 через промежуточную цепь переменного тока 25. Через замкнутые силовые контакты первого коммутатора 24 и промежуточную цепь трехфазного переменного тока 25 осуществляется питание нагрузки переменного тока 26, одновременно через замкнутые силовые контакты второго коммутатора 31, блок датчиков тока и напряжения 30 и двунаправленный счетчик электрической энергии 29 излишки энергии модульной энергетической установки передаются во внешнюю трехфазную сеть 28.
Устройство управления 35 от первого 23 и второго 30 блоков датчиков тока и напряжения получает информацию о мгновенных значениях величин фазных напряжений и токов повышенного отфильтрованного переменного тока выхода 22 и внешней трехфазной сети 28 и вырабатывает управляющее воздействие на широтно-импульсную модуляцию фазных групп 16, 17, 18 коммутационных элементов и при возникновении асимметрии в сети 28 перераспределяет токи фаз, передаваемые автономным инвертором 15 во внешнюю трехфазную сеть 28, увеличивая отдаваемый ток в наиболее нагруженную фазу сети 28, что приводит к уменьшению асимметрии сети и выравниванию электрической нейтрали, а при значительной номинальной мощности предлагаемой установки практически полностью устраняется фазная асимметрия сети 28.
При снижении величины емкостного заряда накопителя энергии 11 ниже определенного уровня, система управления 35 размыкает силовые контакты второго коммутатора 31, отключает трехфазную сеть переменного тока 28, переводя электроэнергетическую установку в автономный режим работы.
Питание электроэнергетической установки осуществляется от емкостного заряда накопителя энергии 11 и энергии работающих возобновляемых источников энергии 1, 2, 3, 4.
Режим с потреблением энергии из внешней трехфазной сети.
В этом режиме при автономной работе электроэнергетической установки и снижении величины емкостного заряда накопителя энергии 11 до минимального уровня, устройство управления 35 с использованием измерительной информации, полученной с помощью первого 23 и второго 30 блоков датчиков тока и напряжения формирует управляющее воздействие для автономного инвертора 15, который синхронизирует выход 22 повышающего трансформатора 20 с внешней трехфазной сетью 28. Далее устройство управления 35, замыкает силовые контакты второго коммутатора 31 и осуществляет подключение промежуточной цепи переменного тока 25 энергетической установки к трехфазной сети переменного тока 28 и их синхронную работу. Устройство управления 15 размыкает силовые контакты первого коммутатора 24, отключает повышающий трансформатор 20 от параллельной работы с последующим отключением автономного инвертора 15. Питание нагрузки переменного тока 26 обеспечивается непосредственно от внешней трехфазной сети 28, а нагрузки постоянного тока 14 осуществляется за счет емкостного заряда накопителя энергии 11 или с помощью преобразования трехфазного переменного тока входа 27 универсального зарядного контроллера 9 в постоянный ток выхода 10.
Питание электроэнергетической установки в этом режиме осуществляется от сети трехфазного переменного тока 28 и емкостного заряда накопителя энергии 11. При превышении минимального уровня емкостного заряда накопителя энергии 11, контролируемого устройством управления 35, размыкаются силовые контакты второго коммутатора 31, отключается питание установки от трехфазной сети переменного тока 28, одновременно замыкаются силовые контакты первого коммутатора 24, включается в работу автономный инвертор 15 и повышающий трансформатор 20. Энергетическая установка переводится в автономный режим работы, осуществляя бесперебойное питание нагрузки переменного тока 26 и нагрузки постоянного тока 14 за счет емкостного заряда накопителя энергии 11 и электрической энергии возобновляемых источников энергии 1, 2, 3, 4.
4. Режим работы с раздельным питанием нагрузок переменного и постоянного тока от внешней трехфазной сети и возобновляемых источников энергии.
В этом режиме при автономной работе электроэнергетической установки и снижении величины емкостного заряда накопителя энергии 11 до минимального уровня, устройство управления 35 с использованием измерительной информации, полученной с помощью первого 23 и второго 30 блоков датчиков тока и напряжения формирует управляющее воздействие для автономного инвертора 15, который синхронизирует выход 22 повышающего трансформатора 20 с внешней трехфазной сетью 28. Далее устройство управления 35, замыкает силовые контакты второго коммутатора 31 и осуществляет подключение промежуточной цепи переменного тока 25 энергетической установки к трехфазной сети переменного тока 28 и их синхронную работу. Устройство управления 35 размыкает силовые контакты первого коммутатора 24, отключает повышающий трансформатор 20 от параллельной работы с последующим отключением автономного инвертора 15 и тем самым исключает потери энергии на холостом ходу трансформатора 20. Питание нагрузки переменного тока 26 обеспечивается непосредственно от внешней трехфазной сети 28, а нагрузки постоянного тока 14 осуществляется за счет емкостного заряда накопителя энергии 11 или с помощью преобразования трехфазного переменного тока входа 27 универсального зарядного контроллера 9 в постоянный ток выхода 10.
Питание электроэнергетической установки в этом режиме осуществляется от сети трехфазного переменного тока 28 и возобновляемых источников энергии 1, 2, 3, 4.
Перевод энергетической установки из одного режима в другой осуществляется устройством управления автоматически за короткий промежуток времени, что обеспечивает высокую надежность электроснабжения потребителей постоянного 14 и переменного 26 тока.
На фиг. 4 представлена модульная компоновка устройства, выполненная на основе типизации и конструктивной унификации, где
а - модуль переменного тока, включающий аппарат защиты входов переменного тока 40, двунаправленный счетчик электрической энергии 29, первый, второй и третий блоки фазных датчиков тока и напряжений 23, 30, 33, первый, второй и третий коммутаторы 24, 31, 34, аппарат защиты нагрузок переменного тока 41.
b - преобразовательный модуль, включающий преобразователь DC/DC 13, автономный инвертор 15, первый фильтр 19, повышающий трансформатор 20, второй фильтр 21.
с - зарядный модуль, включающий устройство управления 35, универсальный зарядный контроллер 9.
d - модуль постоянного тока, включающий аппарат защиты выходов возобновляемых источников энергии 42, преобразователи напряжения возобновляемых источников энергии 43, аппарат защиты накопителя энергии 44, аппарат защиты нагрузки постоянного тока 45.
Рационально при небольшой номинальной мощности автономной модульной электроэнергетической установки объединять преобразовательный модуль (b) и зарядный модуль (с).
Использование источника-накопителя 11 в виде блока конденсаторов большой емкости с преобразователем DC/DC 13, позволяет значительно повысить ресурс накопителя энергии 11. Конденсатор большой емкости (ионистор) как накопитель электрической энергии, выдерживает большое количество зарядно-разрядных циклов, обеспечивает большие токи отдачи, быстрый заряд, низкую токсичность материалов, высокую эффективность, широкий диапазон температур, малую деградацию. Его ресурс зависит только от сохранения физических свойств используемого в конденсаторе диэлектрика. Энергия в конденсаторах (ионисторах) запасается за счет физического накопления заряда, в отличие от аккумуляторов, работа которых основана на химических реакциях, поэтому количество циклов перезаряда конденсаторов (ионисторов) практически неограниченно, что в целом увеличит надежность и эффективность установки.
В режиме питания нагрузки переменного тока 26 и нагрузки постоянного тока 14 от двигатель-генератора 32, осуществляется регулируемый отбор части электрической энергии универсальным зарядным контроллером 9 от промежуточной цепи трехфазного переменного тока 28 для емкостного заряда накопителя энергии 11, что позволяет увеличить нагрузку на двигатель-генератор 32 вплоть до номинальной. При этом уменьшается время работы двигатель-генератора 32 в режиме холостого хода при малых значениях мощностей нагрузок переменного 26 и постоянного 14 тока. Это происходит до полного заряда накопителя энергии 11 с последующим отключением двигатель-генератора 32 и приводит к повышению общего КПД генерации, топливной эффективности и увеличению ресурса двигатель-генератора 32.
Целесообразно в электроэнергетической установке для отопления и подогрева горячей воды одновременно использовать электронагревательные приборы переменного и постоянного тока, с приоритетом нагрузки постоянного тока, включая сеть освещения, образуя две независимые цепи электропитания, обеспечивая резервирование электроснабжения, повышение надежности функционирования и уменьшение количества преобразований, что способствует повышению КПД электроэнергетической установки.
Рационально в электроэнергетической установке применять дистанционные коммутаторы 24, 31, 34, выполненные в виде электронных бесконтактных коммутаторов, обеспечивающих бесшумность переключений, увеличение ресурса электроэнергетической установки, т.к. ресурс бесконтактных коммутаторов практически неограничен, они не требуют ремонта и технического обслуживания и повышают надежность функционирования электроэнергетической установки в целом.
Поскольку автономный инвертор 15 выполнен с индивидуальным управлением широтно-импульсной модуляции для фазных групп 16, 17, 18 IGBT транзисторов, разделенных по принципу формирования переменного тока каждой фазы, а начала и концы а, х, b, у, с, z, первичных обмоток трехфазного повышающего трансформатора 20 электрически связаны с выходом автономного инвертора 15 и образуют независимое фазное подключение, возможно формирование электрических соединений первичных обмоток повышающего трансформатора 20 в треугольник или звезду.
Заявляемым устройством решаются основные технические задачи автономных систем электроснабжения, работающих на нестабильных возобновляемых источниках энергии включая: локализацию основных функций по объединению, согласованию и преобразованию энергии различных источников в одном электроэнергетическом модуле, повышение надежности электроснабжения потребителей, увеличение автономности функционирования, уменьшение числа преобразований электроэнергии при сохранении высокого коэффициента использования энергии, использование накопленной емкостной энергии источника-накопителя для питания нагрузки постоянного тока, получение качественной электрической энергии переменного тока, передачу избытков преобразованной электрической энергии возобновляемых источников энергии в питающую сеть переменного тока, стабилизацию выходного напряжения по величине и частоте при колебаниях входного напряжения в широком диапазоне, регулирование фазной выходной мощности повышающего трансформатора, уменьшение асимметрии сети и выравнивание электрической нейтрали сетевого напряжения, повышение топливной эффективности и ресурса двигатель-генераторной установки. Разделение электроэнергетической установки на модули на основе типизации и конструктивной унификации, обеспечивает взаимозаменяемость компонентов, допускает модернизацию, наращивание мощности, совместимость с другими источниками возобновляемой энергии включая их зарядные устройства, а также возможность технического обслуживания и ремонта отдельных частей без отключения самой установки.
Применение заявляемого изобретения в энергетике при организации электроснабжения ответственных потребителей переменного и постоянного тока с использованием электрической энергии возобновляемых источников может обеспечить высокую надежность электроснабжения потребителей постоянного и переменного тока с электропитанием от возобновляемых источников и рекуперацию в сеть излишков энергии, поступающей от них с одновременным повышением симметрии сети.
Ссылочный лист обозначений на чертежах.
1. Ветровой генератор,
2. Фотоэлектрическая батарея,
3. гидрогенератор,
4. Тренажер с электрогенератором,
5. Выход ветрового генератора,
6. Выход фотоэлектрической батареи.
7. Выход гидрогенератора,
8. Выход тренажера с электрогенератором,
9. Универсальный зарядный контроллер,
10. Выход постоянного тока универсального зарядного контроллера,
11. Накопитель энергии,
12. Выход постоянного тока накопителя энергии,
13. Преобразователь DC/DC и/или фильтр электромагнитной совместимости,
14. Нагрузка постоянного тока,
15. Автономный инвертор,
16. 17, 18 фазные группы автономного инвертора,
19. Первый фильтр,
20. Повышающий трехфазный трансформатор,
21. Второй фильтр,
22. Выход второго фильтра,
23. Первый блок датчиков токов и напряжений.
24. Первый коммутатор,
25. Промежуточная цепь переменного тока,
26. Нагрузка переменного тока,
27. Пятый вход универсального зарядного контроллера,
28. Внешняя трехфазная сеть,
29. Двунаправленный счетчик электрической энергии,
30. Второй блок датчиков токов и напряжений,
31. Второй коммутатор,
32. Двигатель генератор,
33. Третий блок датчиков токов и напряжений,
34. Третий коммутатор,
35. устройство управления,
36. Пульт управления,
37. Вход автономного инвертора,
38. Шина постоянного тока универсального зарядного контроллера,
39. Электрическая нейтраль,
40. Аппарат защиты входов переменного тока,
41. Аппарат защиты нагрузок переменного тока,
42. Аппарат защиты выходов возобновляемых источников энергии,
43. Преобразователи напряжения возобновляемых источников энергии,
44. Аппарат защиты накопителя энергии,
45. Аппарат защиты нагрузки постоянного тока.