АВТОНОМНАЯ СИСТЕМА БЕСПЕРЕБОЙНОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ, ИСПОЛЬЗУЮЩАЯ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫЙ ИСТОЧНИК ЭНЕРГИИ

Полезная модель «Автономная система бесперебойного электроснабжения, использующая возобновляемый источник энергии» относится к энергетике, в частности к автономным системам электроснабжения трехфазным переменным током объектов, удаленных от систем централизованного электроснабжения, при использовании возобновляемых видов энергии, в т.ч. энергии ветра, например, на компрессорных станциях магистрального транспорта газа и для вдольтрассовых потребителей.
Известны системы преобразования механической энергии ветротурбины (патенты РФ №2171913, МПК F03D 9/00, 2000 г., №2173928, МПК Н02М 5/40, 1999 г., №2153752, МПК H02J 3/28, 1999 г.) в энергию трехфазного переменного тока потребителя.
Однако в них каждая из ступеней преобразования энергии содержит цепь последовательных преобразований, причем преобразуется вся энергия, вырабатываемая ветротурбиной на первой ступени и передаваемая потребителю на второй, что сопровождается соответствующими потерями энергии.
Известны системы автономного электроснабжения с дизелем и ветряной турбиной в качестве первичных двигателей. Одна из таких систем, наиболее близкая к заявленной полезной модели по применяемым устройствам и принятая в качестве прототипа, представлена в патенте на изобретение РФ №2262790, МПК H02J 7/34, H02J 3/38, F03D 9/00, 2004 г. Данная автономная система состоит из подсистемы ветротурбогенератора, подсистемы синхронного компенсатора и подсистемы дизель-генераторной установки, соединенных между собой и потребителем электроэнергии блоком переключения. Заявляемая модель способна функционировать при выходе из работы (по разным причинам), как минимум, одной из подсистем, обеспечивая бесперебойное электроснабжение потребителя электроэнергии.
Подсистема ветротурбогенератора состоит из ветротурбины, жестко связанной через мультипликатор с многоскоростной асинхронной машиной, управляемой блоком выбора режима ветротурбогенератора в функции скорости ветра, что дает возможность выбора оптимальных рабочих скоростей вращения ветротурбины, тем самым обеспечивается максимум вырабатываемой подсистемой мощности.
Подсистема синхронного компенсатора состоит из асинхронного двигателя, статор которого соединен с выходом автономного инвертора напряжения, последний по цепи постоянного тока соединен с аккумуляторной батареей. Синхронный компенсатор механически связан через обгонную муфту с двигателем, что обеспечивает разгон компенсатора до околосинхронной скорости и выход его на рабочий режим. Выход датчика скорости вращения синхронного компенсатора соединен со входом системы автоматического регулирования (CAP) скорости вращения синхронного компенсатора. Выход последней соединен со входом управления двухкомплектного реверсивного тиристорного преобразователя постоянного тока, включенного между статором синхронного компенсатора и аккумуляторной батареей, что дает возможность управления током заряда или разряда аккумуляторной батареи в функции скорости вращения синхронного компенсатора, чем обеспечивается стабилизация частоты напряжения питания электропотребителей при широком диапазоне изменения мощности, снимаемой с ветротурбины.
Подсистема дизель-генераторной установки состоит из синхронного дизельного генератора, вал которого соединен с выходным валом дизеля, статор - с блоком переключения. Вход датчика активной мощности дизель-генераторной установки соединен с выходами датчика напряжения и датчика тока, подключенных к статору синхронного генератора. CAP активной мощности дизельного генератора, соединенная с выходом датчика активной мощности дизельного генератора и входом управления тиристорного преобразователя, обеспечивает регулирование активной составляющей тока синхронного генератора и за счет этого оптимизацию режима работы ДГУ. Синхронный компенсатор и синхронный дизельный генератор снабжены системами самовозбуждения.
Однако данная система не учитывает тот факт, что мощность электропитания потребителей разных категорий в отдельные моменты времени (особенно при запусках двигательной нагрузки) может быть соизмерима с максимальной мощностью, вырабатываемой данной автономной системой. Поэтому в целях повышения надежности и стабильности работы ответственных потребителей и защиты от развала системы при пиковых нагрузках необходимо предусмотреть устройство разгрузки системы и категорирования потребителей (УРП) без завышения установленной мощности каждого из существующих энергоисточников.
Решаемая задача - обеспечение надежности и стабильности работы автономной системы бесперебойного электроснабжения в широком диапазоне изменения потребляемой мощности.
Техническим результатом использования данной автономной системы электроснабжения является строгое соблюдение параметров вырабатываемой энергии при различных параметрах нагрузки у потребителя.
Указанный результат достигается тем, что в автономную систему бесперебойного электроснабжения, использующая возобновляемый источник энергии, содержащую, по крайней мере, одну ветротурбину переменной скорости вращения, жестко связанную с генератором переменного тока, вспомогательный электрический потребитель, выполненный в виде аккумуляторной батареи, соединенный с генератором переменного тока устройством регулирования мощности, дизель, механически связанный с синхронным генератором, образующие дизель-генераторную установку, с сформированием двух независимых источника электроснабжения, соединенных между собой блоком переключения, функцию одного из них выполняет дизель-генераторная установка, снабженная системой автоматического регулирования активной мощности, функцию другого - синхронный компенсатор с устройством разгона и системой автоматического регулирования скорости, аккумуляторная батарея, соединенная с синхронным компенсатором посредством двухкомплектного реверсивного тиристорного преобразователя постоянного тока, который при превышении мощности ветротурбины над мощностью нагрузки управляется в системе автоматической стабилизации скорости синхронного компенсатора, а в режиме, когда мощность ветротурбины меньше мощности нагрузки и аккумуляторная батарея разряжена, - в системе стабилизации активной мощности дизель-генераторной установки; функцию генератора переменного тока выполняет многоскоростная асинхронная машина, управляемая блоком выбора режима, задающего его рабочую скорость в функции активной мощности, введено устройство разгрузки потребителей, вход которого соединен с выходом блока переключения, а выход - с входом узла потребителей электроэнергии.
Соблюдение параметров вырабатываемой энергии и надежность работы автономной системы электроснабжения потребителей обеспечивается, таким образом, устройством разгрузки потребителей при пиковом потреблении электроэнергии установками различных категорий.
Функциональная схема системы представлена на чертеже, где приняты следующие обозначения: 1 - подсистема ветротурбогенератора; 2 - подсистема синхронного компенсатора; 3 - подсистема дизель-генераторной установки (ДГУ); 4 - потребитель электроэнергии; 5 - блок переключения; 6 - ветротурбина; 7 - мультипликатор; 8 - многоскоростная асинхронная машина; 9 - блок выбора режима ветротурбогенератора; 10 - разгонный асинхронный двигатель; 11 - автономный инвертор напряжения; 12 - аккумуляторная батарея; 13 - синхронный компенсатор; 14 - обгонная муфта; 15 - датчик скорости вращения синхронного компенсатора; 16 - CAP скорости вращения синхронного компенсатора; 17 - двухкомплектный реверсивный тиристорный преобразователь постоянного тока; 18 - синхронный дизельный генератор; 19 - дизель; 20 - датчик активной мощности дизельного генератора; 21 - датчик напряжения; 22 - датчик тока; 23 - CAP активной мощности дизельного генератора; 24 - система самовозбуждения синхронного генератора; 25 - устройство разгрузки потребителей.
Система состоит из подсистемы 1 ветротурбогенератора, подсистемы 2 синхронного компенсатора, подсистемы 3 дизель-генераторной установки, соединенных между собой и потребителем электроэнергии 4 блоком переключения 5. Заявляемая система способна функционировать при выходе из работы (по разным причинам), как минимум, одной из подсистем, обеспечивая бесперебойное электроснабжение потребителя электроэнергии 4.
Подсистема 1 ветротурбогенератора состоит из ветротурбины 6, жестко связанной через мультипликатор 7 с многоскоростной асинхронной машиной 8, управляемой блоком 9 выбора режима ветротурбогенератора в функции скорости ветра, что дает возможность выбора оптимальных рабочих скоростей вращения ветротурбины 6, тем самым обеспечивается максимум вырабатываемой подсистемой 1 мощности.
Подсистема 2 синхронного компенсатора состоит из асинхронного двигателя 10, статор которого соединен с выходом автономного инвертора напряжения 11, последний по цепи постоянного тока соединен с аккумуляторной батареей 12. Синхронный компенсатор 13 механически связан через обгонную муфту 14 с двигателем 10, что обеспечивает разгон компенсатора 13 до околосинхронной скорости и выход его на рабочий режим. Выход датчика 15 скорости вращения синхронного компенсатора 13 соединен со входом CAP 16 скорости вращения синхронного компенсатора. Выход последней соединен со входом управления двухкомплектного реверсивного тиристорного преобразователя 17 постоянного тока, включенного между статором синхронного компенсатора 13 и аккумуляторной батареей 12, что дает возможность управления током заряда или разряда аккумуляторной батареи 12 в функции скорости вращения синхронного компенсатора 13, чем обеспечивается стабилизация частоты напряжения питания электропотребителей при широком диапазоне изменения мощности, снимаемой с ветротурбины 6.
Подсистема 3 дизель-генераторной установки состоит из синхронного дизельного генератора 18, вал которого соединен с выходным валом дизеля 19, статор - с блоком переключения 5. Вход датчика 20 активной мощности дизель-генераторной установки соединен с выходами датчика 21 напряжения и датчика 22 тока, подключенных к статору синхронного генератора 18. CAP 23 активной мощности дизельного генератора, соединенная с выходом датчика 20  активной мощности дизельного генератора и входом управления тиристорного преобразователя 17, обеспечивает регулирование активной составляющей тока синхронного генератора 18 и за счет этого оптимизацию режима работы ДГУ. Синхронный компенсатор 13 и синхронный дизельный генератор 18 снабжены системами самовозбуждения 24. Устройство разгрузки потребителей 25 по величинам вырабатываемой и потребляемой мощности определяет необходимость отключения менее ответственных потребителей.
Система автономного электроснабжения работает следующим образом.
Разогнав синхронный компенсатор 13 до номинальной скорости с помощью устройства разгона 10-11 и включив систему самовозбуждения 24 синхронного компенсатора, устанавливают номинальное напряжение на зажимах его статора. Нагрузка 4 при этом должна быть отключена, как отключенным должен быть и тиристорный преобразователь 17. Затем включают систему управления 16 тиристорным преобразователем 17 и подают напряжение на его силовую схему, одновременно отключая питание автономного инвертора 11 напряжения. Операции подачи напряжения на силовую часть тиристорного преобразователя 17 и одновременного снятия питания с автономного инвертора 11 напряжения осуществляется в автоматическом режиме.
Далее синхронный компенсатор 13 продолжает вращение самостоятельно, а разогнанный привод 10-11 останавливается и остается неподвижным в течение всего времени работы компенсатора. Передача движения от компенсатора 13 к асинхронному двигателю 10 исключается путем введения между ними обгонной муфты 14.
oc
зc
Подсистема 2 входит в режим самосинхронизации со стабилизацией частоты на зажимах синхронного компенсатора 13 путем стабилизации его скорости вращения. Частота ЭДС синхронного компенсатора 13, пропорциональная скорости его вращения, поддерживается постоянной: при отклонении скорости вращения от номинального значения в сторону уменьшения на входе CAP 16 скорости компенсатора появляется рассогласование (примем условно его положительным), при котором вводится в работу тот комплект преобразователя 17, которому задается режим ведомого сетью инвертора в сеть, формируемую статором синхронного компенсатора 13, вводится энергия, отбираемая от аккумуляторной батареи 12 через тиристорный преобразователь 17. По обмоткам статора протекает ток, активная составляющая которого в противофазе с его ЭДС, - компенсатор 13 переводится в режим двигателя с появлением на его валу движущего момента и увеличением скорости. Положительное рассогласование на входе CAP 16 снижается. При отрицательном рассогласовании на входе CAP 16 (скорость компенсатора больше номинальной) вводится в работу тот комплект преобразователя 17, которому задан режим выпрямления, и скорость синхронного компенсатора 13 снижается, восстанавливая динамическое равновесие в системе при U=U.
Таким образом, система находится в состоянии динамической самосинхронизации: компенсатор 13 вращается со стабилизированной скоростью, вырабатывая ЭДС частота которой близка к номинальной, тиристорный преобразователь 17 работает на частоте ЭДС синхронного компенсатора 13, используя эту ЭДС в качестве коммутирующего напряжения и стабилизируя скорость вращения компенсатора 13. Система работоспособна, если динамические изменения напряжения и частоты на зажимах питания тиристорного преобразователя 17 не превышают 10% от номинального значения. Для современных преобразователей с безынерционными синхронными системами импульсно-фазового управления вертикального принципа работы в сочетании с быстродействующими CAP скорости это требование выполняется для всех серийных комплектно изготавливаемых тиристорных преобразователей.
к
Система "синхронный компенсатор 13-тиристорный преобразователь 17 - аккумуляторная батарея 12", введенная в работу описанным выше способом, представляет собой независимый источник питания. В рассмотренном выше способе ввода в работу синхронного компенсатора 13 без нагрузки после окончания переходного процесса устанавливается статический режим, в котором преобразователь 17 работает в инверторном режиме, покрывая потери холостого хода компенсатора 13 P. При включении нагрузки 4 на зажимы компенсатора 13 его динамическое снижение скорости повлечет увеличение тока тиристорного преобразователя 17, активная составляющая которого покрывает потребление активной мощности как нагрузкой 4, так и самим компенсатором 13. Вместе с тем, компенсатор 13 является источником реактивной мощности в системе - он покрывает реактивную мощность, потребляемую как нагрузкой 4, так и тиристорным преобразователем 17 и прочими устройствами, включенными в сеть.
вт
п
к
вт
п
к
вт
п
к
вт
Включение в работу ветротурбогенератора (одного или нескольких) приведет к тому, что вырабатываемая синхронным компенсатором 13 реактивная мощность возрастет на величину реактивной мощности, потребляемой асинхронной машиной 8, работающей в генераторном режиме, а тиристорный преобразователь 17 будет вырабатывать только активную мощность дисбаланса P и P+P, заряжая аккумулятор при P>P+P и расходуя его энергию при P<P+P (под P понимается активная мощность, вырабатываемая ветротурбогенератором).
При достаточной скорости ветра, когда среднее значение мощности, вырабатываемой подсистемой 1, равно средней мощности, потребляемой нагрузкой 4, оперативное управление избытком или дефицитом мощности осуществляется тиристорным преобразователем 17. Критерием баланса мощностей является постоянство скорости синхронного компенсатора 13: при ее избытке происходит ее динамическое увеличение, которое приводит к возрастанию ее отбора преобразователем 17 из сети переменного тока, и передача в аккумулятор 12; динамическое снижение скорости синхронного компенсатора 13 приводит к отбору энергии от аккумуляторной батареи 12 и ее передача в питающую сеть.
Ветротурбина 6 в данной системе имеет простую и надежную конструкцию неизменяемой геометрии, рассчитанной по критерию максимума вырабатываемой мощности в условиях преобладающих скоростей ветра при ступенчатом изменении скорости ветротурбины. Разгон ветротурбины производится при включении асинхронной машины в питающую сеть - в этом случае она работает в режиме двигателя, и при расчете геометрии режим разгона ветротурбины может не приниматься во внимание.
Выбор многоскоростной асинхронной машины 8 в качестве ветротурбогенератора обусловлен простотой, высокой надежностью и низкой стоимостью такой схемы, не требующей преобразовательных устройств, естественным ограничением скорости ветротурбины 6 за счет высокой жесткости естественной механической характеристики асинхронной машины 8 с перегрузочной способностью в режиме генератора, существенно большей, чем в двигательном режиме, а также естественным возбуждением ее при подключении к сети предварительно сформированного напряжения. Применение односкоростной машины сильно снизит эффективность процесса отбора энергии от ветротурбины, а применение более чем трех рабочих скоростей асинхронной машины лишено практического смысла, поскольку, усложнив и удорожив систему, не даст заметного повышения эффективности работы установки. Таким образом, к использованию рекомендуются двух- или трехскоростные асинхронные машины.
Блок 9 выбора режима ветротурбогенератора служит для определения оптимальной скорости ветротурбины 6, обеспечивающей максимум отбираемой от нее мощности при данной скорости ветра. Основным чувствительным органом блока 9, на основании анализа уровня выходного сигнала которого принимается решение о выборе оптимальной скорости ветротурбины 6, является счетчик активной энергии, включаемый в цепь статора асинхронной машины 8. Алгоритм выбора оптимальной скорости следующий:
пор
а) при малых скоростях ветра или полном безветрии блок 9 выбора режима задает ждущий режим работы ветротурбогенератора: асинхронная машина 8 включается в сеть на напряжение, сформированное синхронным компенсатором 13 или подсистемой 3 ДГУ, на минимальную скорость и замеряется ее активная энергия на 30-секундном интервале времени после снижения пускового броска тока до статического. Если энергия положительна (асинхронная машина 8 работает в двигательном режиме), ее отключают с повторным включением через 20-30 мин. Если активная энергия 30-секундного режима включения отрицательна и уровень ее достиг минимального порога W, асинхронную машину 8 оставляют в работе, и блок 9 выбора режима переводит подсистему 1 в рабочий режим;
1
2
3
10 мин
1
1
10 мин
2
2
10 мин
3
3
10 мин
б) в рабочем режиме замеряется 10-минутная энергия асинхронной машины 8, после чего показания счетчика активной энергии обнуляются. Для этого режима предварительно рассчитываются (или определяются экспериментально) значения энергии W, W и W - соответственно минимума энергии, рационального при работе системы на минимальной скорости (назовем ее первой), энергии рационального перехода с первой скорости на вторую и со второй на третью, максимальную скорость. Если W<W, то подсистема 1 переводится в ждущий режим работы. Если W<W<W, подсистема 1 переводится в режим первой скорости или в ней сохраняется этот режим. Если W<W<W, подсистема 1 переводится в режим второй скорости или он сохраняется. И, наконец, если W<W, подсистема 1 переводится в режим третьей скорости или в ней сохраняется этот режим.
Таким образом,
а) система реагирует на быстротекущие изменения скорости ветра изменением активного тока асинхронной машины 8 при практически постоянной ее скорости, усредняя вырабатываемую ветротурбогенератором мощность на 10-минутном интервале времени. Отметим, что выбранный 10-минутный интервал может быть изменен в зависимости от конкретных ветроклиматических условий, в которых эксплуатируется установка. Как показывают расчеты, слежение за всеми изменениями скорости ветра и перевод системы на режим съема максимума мощности с соответствующим изменением скорости ветротурбины приведет к тому, что система будет работать в непрерывных переходных режимах с повышенными токовыми нагрузками всех элементов и ухудшенной энергетикой. В предлагаемом изобретении перевод подсистемы 1 с одной скорости на другую производится не чаще, чем один раз в 10 мин, причем увеличение скорости требует доразгона асинхронной машины 8, она работает в двигательном режиме, а снижение скорости происходит в режиме ее рекуперативного торможения с возвратом избытка кинетической энергии в питающую сеть;
б) перевод подсистемы 1 на другую скорость производится по результатам оценки его режима на предыдущем 10-минутном интервале. Поэтому особенностью предлагаемого метода слежения за скоростью ветра является наличие чистого случайного запаздывания, максимальное значение которого составляет 10 мин.
Отметим, что на выбор скорости ветротурбины 6 накладываются ограничения по допустимой скорости ветра, максимальному току статора асинхронной машины 8, степени заряженности аккумуляторной батареи 12, исправности оборудования и т.д.
ом
Режим работы ДГУ по заявленной полезной модели формируется путем регулирования его нагрузки около номинальной воздействием на поток энергии в контуре "аккумуляторная батарея 12 - тиристорный преобразователь 17 - сеть". Для регулирования нагрузки ДГУ предусмотрен датчик 20 активной мощности дизельного генератора 18, выходной сигнал которого в качестве сигнала обратной связи U по активной мощности ДГУ подается на вход CAP 23 мощности ДГУ, воздействующей на тиристорный преобразователь 17. CAP 16 скорости синхронного компенсатора 13 и CAP 23 мощности дизеля являются альтернативными - при вводе в работу ДГУ CAP 16 скорости синхронного компенсатора 13 отключается и тиристорный преобразователь 17 управляется сигналом, вырабатываемым CAP 23 мощности дизеля. Выбор вводимых в работу источников электроснабжения и задание режимов их работы производятся блоком 5 переключения режимов источников электроэнергии.
В системе реализуются следующие режимы.
1. При исправном состоянии всех элементов системы.
1.1. Режим выработки максимальной мощности для покрытия пиковых нагрузок электропотребителей 4:
а) ДГУ работает в режиме выработки максимальной номинальной мощности. Напряжение, формируемое на зажимах дизельного генератора 18, является ведущим для работы всех прочих элементов подсистемы 1, синхронного компенсатора 13, тиристорного преобразователя 17;
б) подсистема 1 ветротурбогенератора работает в своем стандартном режиме отбора максимума мощности от ветротурбины 6;
в) синхронный компенсатор 13 работает в режиме выработки реактивной мощности при отключенной CAP 16 скорости с возможньм компаундированием при необходимости по току нагрузки;
г) тиристорный преобразователь 17 работает в режиме ведомого сетью инвертора в системе CAP 23 стабилизации активной мощности дизельного генератора 18.
вт
п
1.2. Режим P<P:
а) ДГУ остановлена;
вт
п
б) подсистема 1 ветротурбогенератора работает в стандартном режиме, если аккумуляторная батарея 12 разряжена. При заряженной аккумуляторной батарее 12 ветротурбина 6 переводится на пониженную скорость (при большом дисбалансе ΔP=Р-P предлагается вариант остановки ветротурбины 6). Система работает в режиме минимизации мощности, циркулирующей в тракте "аккумуляторная батарея 12 - тиристорный преобразователь 17 - сеть";
в) тиристорный преобразователь 17 работает в своем стандартном режиме стабилизации скорости синхронного компенсатора 13 при введенной в работу CAP 16.
вт
п
1.3. Режим P<P:
а) подсистема 1 ветротурбогенератора работает в стандартном режиме выработки максимума мощности;
б) другие подсистемы работают в режиме 1.2 при снижении степени заряженности аккумуляторной батареи 12 от 100% до 50% и в режиме 1.1 при увеличении степени заряженности от 50% до 100%.
2. ДГУ выведена из работы (не исправна)
вт
п
вт
п
Оставшиеся исправными подсистемы работают в режиме 1.2 при Р>P и 1.3 при P<P. Наименее ответственные электроприемники 4 в последнем случае могут быть отключены.
3. Выведен из работы (не исправен) синхронный компенсатор 13. В данном случае ДГУ не может быть остановлена - это единственный источник, формирующий напряжение на зажимах потребителя в данном режиме. Вместе с тем, расход горючего ДГУ может быть минимизирован за счет максимального использования энергии ветра.
вт
п
Независимо от соотношения P и P работа ДГУ регламентируется CAP 23 мощности:
вт
п
а) при P>P дизель 19 работает в режиме холостого хода. Потери холостого хода дизеля 19 покрываются ветротурбогенератором. Ветротурбина 6 переводится на пониженную скорость или останавливается, как это было показано в п.1.2.6;
вт
п
б) при P<P ДГУ работает в режиме постоянства мощности на уровне режима среднего значения мощности дисбаланса ветротурбогенератора и нагрузки при работе ветротурбины 6 в стандартном режиме максимума вырабатываемой мощности.
4. Выведены из работы (не исправен) один из узлов тракта "аккумуляторная батарея 12 - тиристорный преобразователь 17".
дгу
вт
п
В этом случае обеспечивается параллельная работа ДГУ и ветротурбогенератора с контролем мощности ДГУ: при P0(P=P) снижается скорость ветротурбогенератора или он выводятся из работы. Возможно использование синхронного компенсатора 13 для выработки реактивной мощности при отключенной CAP 16 скорости.
Устройство разгрузки потребителей 25 включается в работу, когда суммарной мощности всех источников автономной системы становится недостаточно для потребителей электроэнергии. В этом случае последовательно на некоторое время отключаются потребители третьей и второй категории. При восстановлении баланса мощностей, все ранее отключенные второстепенные потребители с помощью УРП 25 с некоторой выдержкой времени вновь получают питание от системы электроснабжения. Все потребители первой категории в это время бесперебойно получают электроэнергию с требуемыми параметрами.