СИСТЕМА БЕСПЕРЕБОЙНОГО ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ

Решение относится к энергетике, в частности, к бесперебойному энергоснабжению потребителей, как подключенных, так и не подключенных к единой энергетической системе, а также к системам, работающим с возобновляемыми источниками электрической энергии, имеющим различные параметры выходного напряжения и может быть использовано при организации бесперебойного снабжения электрической энергией ответственных потребителей.
Известна система бесперебойного энергоснабжения, реализующая способ бесперебойного энергоснабжения Гусарова В.А. (патент РФ №2257656 H02J 328, опубликованный 27.07.2005) (фиг. 2 патента).
Система бесперебойного энергоснабжения содержит источники электроэнергии, в том числе, по меньшей мере, один возобновляемый (ВИЭ) - солнечную батарею (СБ), генератор электроэнергии, ДВС с устройством подачи топлива, аккумуляторные батареи, инвертор напряжения накопленной энергии, силовой коммутатор, нагрузку, блок управления.
Реализована система с неизменной структурой. Инвертор напряжения и питающая сеть подключены к нагрузке через силовой коммутатор раздельно.
Использованы два силовых коммутатора, мотор-генератор постоянного тока, выпрямитель с зарядным устройством. В описанной схеме, как пример, задействован только один ВИЭ-СБ, хотя указано, что их может быть несколько.
Однако эта система имеет следующие недостатки. При переключении силового коммутатора возможны провалы питающего напряжения на нагрузке; возможны перенапряжения на инверторе при наличии индуктивной составляющей тока нагрузки; зависимость изменения напряжения на нагрузке при изменении параметров электросети; невозможность работы инвертора параллельно с сетью. Все это снижает надежность работы системы.
Не решен вопрос включения других источников ВИЭ.
В качестве прототипа принята система бесперебойного энергоснабжения по патенту РФ №78012 H02J 3/28, опубликованному 24.03.2008, содержащая основной и резервный источники электроэнергии, в том числе, по меньшей мере, один возобновляемый - солнечную батарею, генератор электроэнергии, двигатель внутреннего сгорания с устройством подачи топлива, аккумуляторные батареи, инвертор напряжения накопленной энергии, силовой коммутатор, нагрузку, блок управления, подключение каждого возобновляемого источника электроэнергии к аккумуляторной батарее осуществлено через конвертор напряжений, связанный с блоком управления, а аккумуляторные батареи подключены через инвертор к силовому коммутатору, а последний через стабилизатор - к электросети; устройство подачи топлива - двигатель внутреннего сгорания - генератор переменного тока образуют цепь резервного питания, вход которой подключен к блоку управления, а выход - через силовой коммутатор - к нагрузке; в качестве второго возобновляемого источника электроэнергии использован ветроэлектрогенератор.
Однако эта система бесперебойного энергоснабжения имеет следующие недостатки. Предложенная структура имеет жесткие связи и определенный выбор источников питания. В качестве возобновляемых источников энергии выбраны ветроэлектрогенератор, солнечная батарея. Отсутствует возможность изменения состава источников энергии. Присутствует резервная цепь с двигателем внутреннего сгорания, который является не возобновляемым источником. Все это уменьшает область применения предложенной системы.
Решаемая задача - повышение потребительских качеств системы энергоснабжения.
Технический результат - подключение к нагрузке ВИЭ с различными параметрами.
Этот технический результат достигается тем, что в систему бесперебойного энергоснабжения, содержащую основной и резервный источники электроэнергии, генератор электроэнергии, инвертор напряжения накопленной энергии, систему управления, введено устройство автоматического включения резерва, к входам которого подключены выходы основного и резервного источников питания и выход адаптивной системы управления, соединенной с инвертором напряжения накопленной энергии, инвертором напряжения первичной энергии, вход которого соединен с выходом устройства автоматического включения резерва, и установленным между инверторами емкостным накопителем энергии, которые образуют преобразователь напряжения, к выходу емкостного накопителя энергии перед инвертором напряжения накопленной энергии подключен фотоэлектрогенератор.
Сравнение заявленного решения с прототипом позволило установить, что оно отличается от последнего применением универсального преобразователя, использованием емкостного накопителя вместо аккумуляторных батарей, средствами подключения основного и резервного источников, средствами управления, средством подключения нагрузки, и, следовательно, соответствует критерию новизна.
Предлагаемая система бесперебойного энергоснабжения приведена на чертеже.
Она содержит:
1 - основной источник питания,
2 - резервный источник питания,
3 - устройство автоматического включения резерва (АВР),
4 - инвертор напряжения первичной энергии,
5 - емкостный накопитель энергии,
6 - фотоэлектрогенератор,
7 - инвертор напряжения накопленной энергии,
8 - преобразователь напряжения,
9 - контактор,
10 - адаптивная система управления.
Выходы основного 1 и резервного 2 источников питания и выход адаптивной системы управления 10 подключены к входам устройства 3 - АВР, которое включает датчики напряжений основного 1 и резервного 2 источников питания и цепи коммутации.
Выходы адаптивной системы управления 10 соединены так же с блоками преобразователя 8 напряжения: инвертором 7 напряжения накопленной энергии, инвертором 4 напряжения первичной энергии и установленным между ними емкостным накопителем энергии 5. Инвертор 4 напряжения первичной энергии включает LC-фильтры с накопительными индуктивностями, соединенные с цепями коммутации АВР, универсальный преобразователь и цепи коммутации анодных и катодных групп.
Инвертор 7 напряжения накопленной энергии включает LC-фильтры и датчики напряжений, соединенные с контактором 9.
Между емкостным накопителем энергии 5 и инвертором 7 напряжения накопленной энергии подключен фотоэлектрогенератор - солнечная батарея.
Использована адаптивная система управления на базе промышленного компьютера.
Система бесперебойного энергоснабжения работает следующим образом.
В нормальном режиме работы нагрузка 11 получает питание через контактор 9 от преобразователя напряжения 8. Инвертор 7 напряжения накопленной энергии преобразователя 8 выполняет преобразование постоянного напряжения емкостного накопителя 5 в трехфазное переменное частотой 50 Гц и содержит фильтры для сглаживания пульсаций входных и выходных токов и напряжений. Фотоэлектрогенератор 6 подключается по цепи промежуточного преобразования постоянного тока в буферном режиме и предназначен для подзаряда емкостного накопителя при низких скоростях воздушных потоков. Основной источник питания 1 и резервный источник питания 2 подключаются к входным цепям устройства 3 АВР, энергия от которого поступает к инвертору 4 напряжения первичной энергии преобразователя напряжения 8. В качестве основных источников определены ветроустановка и солнечные батареи, а в качестве резервного источника питания - топливные элементы. В схеме учтена возможность применения ветроэлектрогенераторов как с переменным выходным напряжением, так и с постоянным без конструктивного изменения входных цепей.
Устройство 3 АВР оснащено датчиками напряжения, позволяющими определить системой управления характер и величины входных напряжений основного 1 и резервного 2 источников питания.
Преобразователь 8 выполнен по схеме двойного преобразования: трехфазный инвертор 4 напряжения первичной энергии с нулевым проводом; емкостной накопитель 5; инвертор 7 напряжения накопленной энергии.
Трехфазный инвертор 4 напряжения первичной энергии в отличие от инвертора 7 содержит дополнительные узлы: входные LC фильтры с изменяемыми параметрами, с накопительными индуктивностями, с цепями их коммутации; цепи коммутации анодной и катодной групп транзисторных ключей. По командам адаптивной системы управления 10 инвертор 4 в зависимости от характера и величины входных напряжений может работать в режимах активного выпрямителя, инвертора напряжения или конвертора постоянного напряжения. Инвертор 4 может выполнять функции как понижающего, так и повышающего преобразователя напряжений.
Конденсаторы емкостного накопителя 5 сглаживают пульсации выходного напряжения инвертора 4, обеспечивая питание постоянным напряжением инвертора напряжения даже при кратковременных провалах напряжений основного 1 и резервного 2 источников питания.
Контактор 9 коммутации выходных цепей универсального преобразователя и цепей потребителей электрической энергии осуществляет отключение потребителей в случаях: отсутствия питания по входным цепям всех ВИЭ; при снижении напряжения емкостного накопителя ниже установленной величины; в случае аварийных режимов работы в сети потребителей.
Адаптивная система управления 10 предназначена для выполнения следующих функций и их последовательности: анализ величин и характеров входных и выходных напряжений, напряжений плеч емкостного накопителя 5; формирование команд выполнения коммутаций цепей инвертора 4; формирование команд на подключение (отключение) основного 1 или резервного 2 источников питания; формирование импульсов управления транзисторными ключами инвертора 4; плавный заряд емкостного накопителя 5 при первом включении; стабилизацию величин напряжений плеч емкостного накопителя 5 в установленном диапазоне; формирование импульсов управления транзисторными ключами инвертора 4; стабилизацию напряжений сети потребителей; контроль параметров аварийных режимов работы преобразователя 8.
Направление потока мощности преобразователя 8 может быть изменено на обратное при наличии дополнительных цепей электропитания потребителей на выходах основного (резервного) источников питания, а также самостоятельной сети электропитания основных потребителей. В этом случае инвертор 4 работает в режиме активного выпрямителя и заряжает конденсаторы емкостного накопителя 5, а инвертор 4 - в режиме инвертора напряжения.
Применение заявленного изобретения в энергетике при организации автономного энергоснабжения и электроснабжения ответственных потребителей обеспечивает его соответствие критерию промышленная применимость.