Комплектное устройство распределения и преобразования электроэнергии
ELECTRIC POWER DISTRIBUTION AND CONVERSION DEVICE

Техническое решение относится к области преобразовательной электронной техники и может быть использовано при создании инверторов для альтернативных источников электроэнергии.
Солнечные инверторы хорошо известны из уровня техники. Стандартными элементами для таких устройств являются: модуль постоянного тока (входной сигнал), инверторный модуль и модуль переменного тока (выходной сигнал) связанные с трансформатором.
Модуль постоянного тока включает в себя ряд фотоэлектрических элементов, которые обеспечивают вход постоянного тока (DC) на силовые инверторы. В модуле силовых инверторов используется ряд электронных ключей, в частности изолированных биполярных транзисторов (IGBT), для преобразования постоянного тока на входе в переменный ток (AC) на выходе.
Для инверторов, подающих электроэнергию в электрическую сеть, модуль переменного тока обеспечивает выход переменного тока в форме, соответствующей току электрической сети общественного потребления.
Очень часто солнечные электростанции устанавливают на значительных территориях со сложными климатическими условиями, что вызывает определенные сложности в их обслуживании и требует использования оборудования приспособленного к непрерывной автономной работе в сложных условия эксплуатации.
На данный момент используются множество подходов для повышения КПД работы фотоэлектрических элементов  солнечных панелей, в частности управление инверторными устройствами на основании определения точки максимальной мощности (ТММ).
Из уровня техники известна стринговая технология, которая базируется на многоканальности системы с определением ТММ для каждого канала. Преимуществами такой системы является повышенная надежность с увеличенным коэффициентом полезного действия за счет определения ТММ для каждого массива солнечных панелей, при этом большое количество отдельных каналов позволяет снизить зависимость системы от выхода одного или нескольких каналов из строя.
Еще одним известным вариантом технологии, применяемой в современных солнечных электростанциях, является использование комплектных устройств распределения и преобразования электроэнергии с центральным инвертором. Даная технология позволяет работать с большими массивами фотоэлектрических модулей (ФЭМ) но имеет существенный недостаток, связанный с использованием не большого количества каналов, что существенной снижает надежность системы, так как при отключении одного канала теряется 30-50% мощности системы.
Настоящее изобретение принципиально объединяет в себе два указанных подхода, обеспечивая многоканальность с большим количеством независимых каналов, каждый из которых работает с отдельным массивом ФЭМ, и объединен в единую систему со связью с общественной сетью посредством многообмоточного трансформатора с расщепленными вторичными обмотками. При всем этом устройство является мобильным и защищенным от воздействия внешних климатических факторов, что существенно упрощает его эксплуатацию.
Ведущие производители солнечных инверторов преимущественно помещают свои устройства в защищенный корпус в виде блок-бокса, что позволяет использовать комплектное устройство распределения и преобразования электроэнергии в различных климатических условиях, обеспечивая защиту от воздействия вредоносных факторов окружающей среды.
Из уровня техники известен многоуровневый повышающий трехфазный преобразователь постоянного напряжения в трехфазное промышленной частоты, патент РФ №2537506 от 19.11.2012, МПК H02M 7/497. Описанное в патенте №2537506 устройство содержит общий источник постоянного напряжения в виде солнечной батареи, соединенный с однофазным мостовым автономным инвертором, и трехфазный преобразователь частоты ячейкового типа, состоящий из многообмоточного трансформатора, выпрямительно-инверторных ячеек, системы управления, датчиков тока, напряжения и задатчика регулируемой величины. Однофазный мостовой автономный инвертор выполнен высокочастотным, к его выходу подключен трехфазный преобразователь частоты ячейкового типа, трансформатор которого выполнен высокочастотным однофазным многообмоточным и его вторичные обмотки соответственно соединены с входами однофазных выпрямительно-инверторных ячеек, состоящих из последовательно соединенных однофазных выпрямителя и инвертора. Вторичные обмотки согласующего трансформатора предназначены для подключения к электросети энергосистемы.
К недостаткам указанного технического решения можно отнести использование однофазных выпрямителя и инвертора с их последовательным соединением, что может привести к значительной потере мощности устройства при выходе из строя одного из указанных элементов конструкции.
Также из патента на изобретение №2606383 от 01.09.2015, МПК H02M7/493 известен инвертор для солнечных электростанций содержащий блок солнечных батарей, подключенных к преобразователю энергии. Первый параллельно подключенный силовой модуль преобразователя энергии соединен с первой первичной обмоткой трансформатора, второй параллельно подключенный силовой модуль преобразователя энергии соединен с второй первичной обмоткой трансформатора, первичные обмотки трансформатора включены встречно по отношению друг к другу. Вторичная обмотка трансформатора параллельно подключена к последовательно соединенным резистору и суперконденсатору.
К недостаткам описанного технического решения можно отнести низкую надежность устройства, так как при выходе из строя одного из силовых модулей, инвертор теряет 50 % мощности.
В качестве ближайшего аналога взято техническое решение известное из заявки на изобретение DE102011083330A1 от 28.03.2013 МПК H02M7/497, согласно которому, устройство распределения и преобразования электроэнергии связанное посредством вводных блоков коммутации с массивами фотоэлектрических модулей (ФЭМ), включает центральный инверторный модуль (ЦИМ) с набором силовых ячеек инверторов с синусными фильтрами, трансформатор первичная обмотка которого, включена в сеть через выходную коммутационную ячейку, при этом вторичные обмотки соединены с соответствующими инверторами ЦИМ, посредством соединения в звезду со сдвигом по фазам. Указное устройство содержит 4 инвертора включенных со смещением фаз на 15°.
Недостатком указанного технического решения можно считать реализацию трансформатора с вторичными обмотками, выполненными со сдвигом фаз, что не позволяет реализовать синхронную работу отдельных каналов при разности токов на каждом из них, таким образом, при отключении одного канала устройство может потерять более 25% мощности.
Технической задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение является создание комплектного, многофункционального устройства распределения и преобразования электроэнергии, выполненного с возможностью работы нескольких независимых каналов с повышенным КПД, а также надежного и удобного в эксплуатации.
Технический результат, достигнутый от реализации заявляемого изобретения, заключается в расширении функциональности, увеличении надежности за счет реализации многоканальной схемы с синхронной работой каналов и возможностью перераспределения нагрузки между каналами, за счет чего, также обеспечивается повышение КПД.
Сущность заявляемого изобретения заключается в том, что комплектное устройство распределения и преобразования электроэнергии связанное посредством вводных блоков коммутации с массивами фотоэлектрических модулей (ФЭМ), включает центральный инверторный модуль (ЦИМ) с набором силовых ячеек инверторов с синусными фильтрами, трансформатор первичная обмотка которого, включена в сеть через выходную коммутационную ячейку, при этом число вторичных обмоток соответствует числу инверторов ЦИМ.
Согласно предпочтительному варианту реализации изобретения, каждый массив ФЭМ связан, с по меньшей мере, одним инвертором ЦИМ, каждый инвертор ЦИМ, связан с отдельной вторичной обмоткой из числа расцепленных синфазных вторичных обмоток трансформатора, образуя независимые каналы, выполненные с возможностью одновременной работы с токами разной величины и перераспределения токов между каналами, при этом одна из вторичных низковольтных обмоток связана с устройством предварительного пуска трансформатора, и выполнена с возможностью подключения периферийных устройств.
Также согласно возможным вариантам реализации изобретения одна из вторичных низковольтных обмоток связана с устройством предварительного пуска трансформатора и обеспечивает питание внутреннего оборудования всего устройства.
Независимые каналы обработки токов разной величины включают элементы снижения взаимного влияния обмоток трансформатора.
Вводные блоки коммутации содержат двойную систему фильтров от высокочастотных электромагнитных помех.
Вводные блоки коммутации содержат систему защиты от перенапряжения, основанную на варисторной схеме.
По входу и выходу инверторных ячеек установлены коммутационные устройства обеспечивающие выключение из работы отдельных каналов.
Согласно предпочтительному варианту реализации, первичная высоковольтная обмотка включена в сеть посредством соединения в звезду с возможностью перекоммутации в треугольник при переходе на сеть с другим номинальным напряжением.
Независимые каналы обработки токов разной величины выполнены с возможностью работы с токами с разным сдвигом фаз относительно основной гармоники сетевого напряжения.
Сущность заявляемого изобретения поясняется, но не ограничивается следующими графическими материалами:
фиг.1 – комплектное устройство распределения и преобразования электроэнергии, общий вид;
фиг.2 – принципиальная схема комплектного устройства распределения и преобразования электроэнергии;
фиг.3 – суммирующий трансформатор с расщепленными обмотками;
фиг.4 – схема устройства предварительного заряда трансформатора.
Комплектное устройство распределения и преобразования электроэнергии предназначено для преобразования электрической энергии, получаемой от источника постоянного тока, в переменный ток для передачи его в энергетическую систему частотой 50 Гц, напряжением 10 кВ и более.
В качестве источника напряжения могут быть использованы:
• солнечные батареи на базе фотоэлектрических модулей;
• аккумуляторные батареи;
• батареи суперконденсаторов;
• генераторы постоянного тока.
Техническое решение может применяться на электрогенерирующих станциях. Конструкция описанного варианта реализации технического решения оптимизирована по трудозатратам на монтаж, ввод в эксплуатацию и обслуживание. Исполнение блок-бокса не требует дополнительной строительной документации и проведения экспертиз для установки на объекте.
Заявляемое устройство осуществляет преобразование постоянного тока напряжением 680...975 В, в трехфазное напряжение 10 кВ и более, промышленной частоты.
В техническом решении реализован принцип «постоянный-переменный ток» с одним выходным силовым трансформатором. Преобразование из постоянного в переменный ток выполняется силовыми блоками (ячейками), построенными на IGBT транзисторах.
Согласно предпочтительному варианту реализации изобретения, корпус устройства реализован в виде блок – бокса 1 состоящего из основания 2 рамной конструкции с навесными стеновыми сендвич-панелями.
Корпус устройства разделен на отсеки:
• оператора 3;
• вводной коммутации 4;
• выводной ячейки 5;
• силовых ячеек инверторов 6 и трансформатора 7 с общей системой обогрева и вентиляции и микропроцессорной системой регулирования;
• вентиляции инверторов 8 и трансформатора 9.
Один из возможных вариантов функциональной схемы заявляемого технического решения изображен на фиг.2. Согласно приведенному варианту схемы ее условно можно разделить на четыре блока.
Первым по входу со стороны массивов ФЭМ 10 является блок коммутационных вводов 11, который содержит двойную систему фильтров 12 от высокочастотных электромагнитных помех (ЭМС), датчики измерения входного тока 13, реле 14 контроля изоляции цепи постоянного тока, защитные устройства 15 от перенапряжения, основанные на варисторной схеме, обеспечивающие защиту от удара молнии.
Вторым от массивов ФЭМ в схему включен блок 16 инверторов, который содержит коммутационные устройства 17, установленные по входу и выходу инверторных ячеек 18, обеспечивающие выключение из работы отдельных каналов. Такое выполнение дает возможность перераспределять токовую нагрузку между инверторами при их неполной загрузке, приблизив ее к номинальным значениям, используя, таким образом, часть инверторных модулей с оптимальной загрузкой и обеспечивая повышение КПД.
Силовые ячейки инверторов связаны с синусными фильтрами 19. Блок инверторов 16 связан с блоком суммирующего трансформатора 20 (фиг.2,3) первичная высоковольтная обмотка 21, которого включена в сеть посредством соединения в звезду с возможностью перекоммутации в треугольник при переходе на сеть с другим номинальным напряжением. Вторичная низковольтная обмотка 22 трансформатора выполнена расщепленной и содержит n потенциально отделенных друг от друга синфазных вторичных обмоток, причем n≥3 и соответствует числу силовых инверторов центрального инверторного модуля (ЦИМ). Каждый массив ФЭМ 10 связан, с по меньшей мере, одним инвертором ЦИМ представленными силовыми инверторными ячейками 18 и ячейками синусного фильтра 19, каждый инвертор ЦИМ, связан с отдельной вторичной обмоткой 22 из числа расцепленных синфазных вторичных обмоток трансформатора, образуя независимые каналы, выполненные с возможностью одновременной работы с токами разной величины, при этом входное напряжение поступающее от массивов ФЭМ является общим для всех каналов. Независимые каналы обработки токов разной величины включают элементы 23 снижения взаимного влияния обмоток трансформатора, путем увеличения индуктивности отдельно взятых обмоток. Указанные элементы 23 согласно одному из возможных вариантов реализации, представленные в виде катушек индуктивности, магнитно не связанных между собой. Такой вариант выполнения позволяет обеспечить стабильную синхронную работу всех каналов независимо от значения тока в каждом из них.
Одна из вторичных обмоток 24 связана с устройством 25 предварительного пуска трансформатора, схема которого приведена на фиг.4 и выполнена с возможностью подключения периферийных устройств и обеспечивает питание всего внутреннего оборудования. Указанное устройство 25 при пуске обеспечивает на выходе трансформатора те же напряжения, что и со стороны питающей сети, чем способствует безударному включению трансформатора в сеть общественного питания.
Применение многоканального инвертора в сочетании с многообмоточным выходным трансформатором под общим управлением центрального контроллера допускает одновременную работу каналов инвертирования в разных режимах, с разными заданиями по активному и реактивному току. Эти возможности реализуются при проверках и испытаниях оборудования блок-бокса прямо на месте установки и эксплуатации.
На выходе устройства в функциональную схему включен блок 26 выходной коммутации, который содержит измерительный трансформатор 27 позволяющий измерять напряжение сети, а также измеритель высокого напряжения 28.
Реализация заявляемой схемы устройства в ходе эксплуатации позволяет реализовать, по меньшей мере, следующие возможности:
- определение основной гармоники напряжения с реализацией регулирования и синхронизации с сетью напряжения общественного потребления, при этом независимые каналы обработки токов разной величины выполнены с возможностью работы с токами с разным сдвигом фаз относительно основной гармоники сетевого напряжения;
- безударный пуск трансформатора на холостом ходу, при котором, за время не более t ≤ 2с, происходит намагничивание сердечника трансформатора при одновременном ограничении пусковых токов. После этого, трансформатор подключается к сети 10 кВ с помощью высоковольтного выключателя;
- точную синхронизацию инверторов и системы генерации в целом, по высоковольтной и низковольтной сторонам силового трансформатора;
- коммутацию силовых аппаратов в нейтральных режимах посредством чего реализуют, оперативное отключение силовых коммутационных аппаратов без бросков тока, при перекоммутации силовых ячеек инверторов. Включения контакторов постоянного тока выполняются при равенстве напряжений на выводах массива ФЭМ и напряжений на входах ячеек инверторов без существенных бросков тока. Принцип нейтрального режима позволяет уменьшить длительность переходных процессов в силовой части при сборке/разборке силовой схемы или переходах из режима в режим. В целом, это продлевает срок службы оборудования устройства преобразования и распределения энергии.
Согласно описанному варианту реализации, заявляемое техническое решение выполнено с возможностью работы по двум входам ТММ, работая с двумя массивами ФЭМ, также возможны варианты работы устройства с количеством массивов ФЭМ равным N, где N – количество каналов ЦИМ соответствующих количеству низковольтных вторичных обмоток трансформатора n.
Реализация заявляемого изобретения способствует достижению указанного технического результата, обеспечивая повышение функциональности, предоставляя широкие возможности работы преобразования энергии с генерацией, передачей и поглощением активной и реактивной мощности. Также заявляемое техническое решение позволяет повысить надежность за счет реализации многоканальной схемы с синхронной и независимой работой каналов, при этом наличие возможности перераспределения токовой нагрузки между каналами, обеспечивается повышение коэффициента полезного действия (КПД).