Инверторный зарядно-разрядный преобразовательный комплекс локальной сети с разнородными источниками энергии
LOCAL NETWORK WITH DIFFERENT ENERGY SOURCES INVERTER CHARGING AND DISCHARGE CONVERTER SYSTEM

Изобретение относится к области промышленной электроники и предназначено для построения систем гарантированного электропитания потребителей переменного и постоянного тока на основе инверторного зарядно-разрядного преобразовательного комплекса, объединяющего четыре источника электроэнергии (промышленная сеть переменного тока, массив фотоэлектрических преобразователей (далее ФЭП), генератор на газовом/бензиновом/дизельном топливе или ветрогенератор (далее генератор), аккумуляторная батарея (далее накопитель энергии НЭ)).
Известен патент РФ №2503120 («Устройство на солнечных батареях», опубликованный 27.12.2013 Бюл. № 36), содержащее солнечный модуль, первый DC-DC преобразователь, аккумуляторную батарею, второй DC-DC преобразователь, контроллер и нагрузку. Недостатками данного устройства являются:
1) применение двух преобразователей с последовательным включением, что приводит к низкому КПД, всей системы в целом;
2) отсутствие гальванической развязки во втором DC-DC преобразователе;
3) отсутствие связи с промышленной сетью или генератором с целью обеспечить заряд аккумуляторной батареи при плохих погодных условиях.
Известен патент РФ №2513547 («Статический обратимый преобразователь для питания потребителей переменного и постоянного тока», опубликованный 20.04.2014 Бюл. № 11), содержащий первый двунаправленный порт «входа-выхода» с подключаемой к нему аккумуляторной батареей, и второй двунаправленный порт «входа-выхода» на стороне питающей сети переменного тока. В инверторном режиме работы постоянный ток подается от аккумуляторной батареи на первый порт, а выход переменного тока снимается со второго порта. В выпрямительном режиме входное питание переменного тока подается на второй порт, а выход постоянного тока снимается с первого порта. Между портами включено звено высокой частоты и звено автономного инвертора промышленной частоты, последовательно соединенные между собой. Недостатками данного преобразователя являются:
1) отсутствие средств отслеживания точки максимальной мощности, генерируемой ФЭП в применениях данного устройства в системах с возобновляемым источником энергии;
2) отсутствие средств подключения генератора на газовом/бензиновом/ дизельном топливе или ветрогенератора;
3) в инверторном режиме в звене высокой частоты на стороне низкого напряжения присутствует значительной  величины пульсация входного тока, что будет требовать применения на входе значительной величины фильтрующего емкостного фильтра.
Наиболее близким к предлагаемому устройству по технической сущности является «Система накопления электрической энергии на базе аккумуляторных батарей и суперконденсатора с функцией улучшения качества сети» (патент РФ №2512880, опубликованный 10.04.2014 Бюл. № 10), содержащая аккумуляторные батареи с подключенным к ним двунаправленным инвертором, систему управления инверторами, систему управления системой накопления, контактор системы накопления, контактор сети переменного тока, сеть переменного тока, автономную нагрузку, батарею суперконденсаторов, двунаправленный инвертор суперконденсаторов, модуль предзаряда суперконденсаторов, двунаправленный инвертор сети постоянного тока, контактор сети постоянного тока, сеть постоянного тока, модуль контроля качества сети, систему управления активным восстановителем качества сети, тиристорный коммутатор компенсирующих конденсаторов, батарею компенсирующих конденсаторов.
Недостатками данной системы являются:
1) отсутствие средств отслеживания точки максимальной мощности при применении данной системы накопления с ФЭП;
2) отсутствие средств подключения генератора на газовом/бензиновом/ дизельном топливе или ветрогенератора;
3) дискретность величины компенсации реактивной мощности автономной нагрузки;
4) отсутствие средств управления системой выравнивания напряжения на последовательно включенных ячейках накопителя электрической энергии;
5) отсутствие средств удаленного управления и мониторинга всей системы;
6) для потребителей сети постоянного тока требуется двунаправленный инвертор, что для организации гальванической развязки сети постоянного тока от сети переменного тока будет требовать двух последовательно включенных преобразователей AC-DC и DC-DC, причем АС-DC должен быть выполнен с коррекцией коэффициента мощности, а высокочастотный DC-DC конвертор с гальванической развязкой.
Целью изобретения является:
1) снижение потребления электрической энергии от промышленной сети, за счет электрической энергии генерируемой ФЭП, генератором и наколенной в НЭ;
2) повышение общего КПД и надежности гарантированной системы питания с разнородными источниками энергии;
3) наименьшее количество требуемых преобразователей в системе гарантированного питания с разнородными источниками энергии;
4) повышение степени использования ФЭП за счет отдачи генерируемой ею мощности другим источникам и потребителям;
5) существенное снижения уровня пульсации тока аккумуляторной батареи, что увеличит ресурс ее работоспособности;
6) повышение пропускной способности и эффективности линии электропередачи промышленной сети переменного тока.
Указанные цели достигаются за счет того, что:
1) обеспечивается синхронная работа преобразовательного комплекса параллельно с промышленной сетью переменного тока, ФЭП, генератора и НЭ, причем обмен энергией между НЭ и промышленной сетью переменного тока происходит в двух направления, от промышленной сети в НЭ и обратно;
2) отслеживаются токи промышленной и локальной сети переменного тока и с учетом их характера, происходит суммирование потоков активной мощности, потоков реактивной мощности в двух направлениях от сети переменного тока к внутренней шине постоянного тока и обратно;
3)  в звене высокой частоты на одном вентильном комплекте реализуется одновременно несколько функций: повышение низкого напряжения накопителя электрической энергии до необходимого уровня напряжения шины постоянного тока, отбор мощности с отслеживанием точки максимальной мощности от ФЭП и передача ее в нагрузку или НЭ, регулирование процессов заряда и регулирование двунаправленного потока энергии между внутренней шиной постоянного тока и накопителем энергии.
Преобразовательный комплекс обеспечивает следующие функции:
1) отслеживание отклонения качества энергии в промышленной сети от установленных параметров с последующим приоритетом выдачи энергии, генерируемой ФЭП, генератором и запасенной в НЭ в локальные сети потребителей переменного и постоянного тока;
2) сглаживание пиков потребления и уменьшение величины электрической энергии, потребляемой от промышленной сети переменного тока, за счет энергии генерируемой ФЭП, генератором и накопленной в НЭ;
3) регулировку процессов заряда и разряда НЭ, управление системой выравнивания напряжения на последовательно включенных ячейках НЭ;
4) отслеживание максимальной мощности, генерируемой массивом ФЭП;
5) отбор энергии от генератора с коэффициентом мощности близким к единице, в диапазоне выходной частоты генератора 10 – 100 Гц и слежением за максимальной отбираемой мощностью, что позволяет применять в системе генератор на углеводородном топливе с нестабильными параметрами энергии или ветрогенератор;
6) отслеживание фазового сдвига между током и напряжением цепи «промышленная сеть – локальная сеть потребителей» и по необходимости компенсацию реактивной мощности потребителей с целью повышения качества энергии в промышленной сети.
Предлагаемое изобретение поясняется следующим чертежом, на котором дана система гарантированного энергоснабжения локальной сети потребителей переменного и постоянного тока на основе инверторного зарядно-разрядного преобразовательного комплекса.
Позициями на чертеже обозначены: 1 – промышленная сеть переменного тока, 2 – генератор на газовом/бензиновом/дизельном топливе или ветрогенератор, 3 – массив фотоэлектрических преобразователей, 4 – накопитель электрической энергии с системой выравнивания напряжения (СВН) 4/1 на последовательно включенных ячейках накопительных элементов, 5 – инверторный зарядно-разрядный преобразовательный комплекс, 6 – локальная сеть переменного тока, 7 – потребители переменного тока, 8 – локальная сеть постоянного тока, 9 – потребители постоянного тока, 10 - активный выпрямитель с системой управления 10/1, 11 – трехпортовый двунаправленный высокочастотный DC-DC конвертор с системой управления 11/1, 12 – двунаправленный AC-DC инвертор промышленной частоты с системой управления 12/1, 13 – распределительное устройство электроэнергии, 14 – двухпортовый высокочастотный DC-DC конвертор с системой управления 14/1, 15 – контактор сети постоянного тока, 16 – управляющий контроллер, 17 – внутренняя шина постоянного тока, 18 – информационно управляющая шина, 19 – порт подключения генератора,  20 – порт подключения массива фотоэлектрических преобразователей, 21.1 и 21,2 – порты подключения накопителя электрической энергии, 22 – порт подключения шины управления внешними устройствами, 23 – порт подключения преобразовательного комплекса по интерфейсу Ethernet, 24 – порт подключения локальной сети постоянного тока, 25 – порт подключения локальной сети переменного тока, 26 – порт подключения промышленной сети переменного тока, 27 – система автоматическго пуска генератора,  28 – шина управления распределительным устройством электроэнергии 13
Предлагаемый инверторный зарядно-разрядный преобразовательный комплекс 5 содержит средства подключения:
• порт «входа» постоянного тока 20 плюсового вывода массива ФЭП 3. Минусовой вывод массива ФЭП 3 объединен с минусовым выводом НЭ 4;
• порты «входов/выходов» постоянного тока положительного 21.1 и отрицательтного 21.2 выводов накопителя электрической энергии 4;
• порт «входа» переменного тока 19 генератора 2 с системой автоматического пуска или ветрогенератора;
• двунаправленный порт переменного тока 26 для подключения промышленной сети переменного тока 1. Промышленная сеть может отсутствовать совсем, тогда преобразовательный комплекс будет работать в автономном режиме;
• двунаправленный порт 25 с подключенными потребителями переменного тока 7, образующими свою локальную сеть переменного тока 6;
• порт «выхода» постоянного тока 24 с подключенными потребителями 9, образующими свою локальную сеть постоянного тока 8;
• порт «ввода/вывода» 22 для управления внешними устройствами;
• порт 23 информационно – управляющий по интерфейсу Ethernet, для объединения преобразовательных комплексов в локальную сеть или соединения с глобальной сетью Internet.
Инверторный зарядно – разрядный преобразовательный комплекс 5, включает: преобразователи 10, 11, 12, 14, объединенные шиной постоянного тока 17 и распределительное устройство электроэнергии 13, которые управляются от одного управляющего контроллера 16 по информационно управляющей шине 18.
Преобразователь 10 подключен своим «входом» 10.1 к порту 19, а своим «выходом» 10.2 соединен с шиной постоянного тока 17. Преобразователь 11 своим «входом» 11.1 подключен к порту 20, своими «входами /выходами» 11.2 и 11.3 подключен к портам 21.1 и 21.2 соответственно, а своим «входом/выходом» 11.4 подключен к шине постоянного тока 17. Преобразователь 12 своим «входом/выходом» 12.1 подключен к шине постоянного тока 17, а своим «входом/выходом» 12.2 подключен к входу 13.1 распределительного устройства электроэнергии 13 Распределительное устройство 13 своим «входом/выходом» 13.2 подключено к порту 26, а своим «входом/выходом» 13.3 подключено к порту 25. Преобразователь 14 через «вход» 14.1 подключен к шине постоянного тока 17, а своим «выходом» 14.2 подключен к контактору сети постоянного тока 15. Контактор сети постоянного тока 15 своим «выходом» 15.2 подключен через порт 24, к локальной сети постоянного тока 8. Управляющий контроллер 16 объединяет по информационной шине 18 все преобразователи, и через порт 22 обеспечивает управления системой автоматического пуска 27 генератора и системой выравнивания напряжения 4/1 (СВН) на последовательно выключенных ячейка накопителя энергии 4, а через порт 23 обеспечивает связь с операторами через локальную сеть или глобальную сеть Internet.
Преобразователь 10 представляет собой синхронный полууправляемый выпрямительный мост с антипараллельными диодами. Преобразователь 10 и его система управления 10/1 обеспечивает формирование тока таким образом, чтобы он по форме и фазе совпадал с напряжением, поступающим от генератора 2, его выпрямлением со стабилизацией напряжения на шине постоянного тока 17, вследствие чего поддерживается высокий коэффициент мощности по входу порта 19, причем выходная частота напряжения генератора 2 может меняться в пределах от 10 до 100 Гц. В систему управления 10/1 преобразователя 10 встроена функция контроля отбора мощности со слежением за точкой максимальной мощности, что позволяет заменять генератор на углеводородном топливе на ветрогенератор.
Преобразователь 11 представляет собой мостовой двунаправленный высокочастотный инвертор, управляемый по методу широтно-импульсного и фазового регулирования, благодаря чему достигается стабилизация трех напряжений одновременно: напряжение накопителя электрической энергии 4, напряжение ФЭП 3, соответствующее точке максимальной мощности и напряжение внутренней шины постоянного тока 17
Преобразователь 11 может иметь 4 направления потока энергии:
1) от накопителя энергии 4 во внутреннюю шину постоянного тока 17, энергия ФЭП 3 отсутствует. Режим характерен для ночного времени суток;
2) в накопитель энергии 4 от внутренней шины постоянного тока 17, энергия ФЭП 3 отсутствует. Режим характерен в пасмурную погоду или когда НЭ 4 разряжен;
3) от накопителя энергии 4 к внутренней шине постоянного тока 17 с добавлением энергии ФЭП 3. Режим характерен в период покрытия пиковой нагрузки потребителей переменного и постоянного тока;
4) в накопитель энергии 4 и к внутренней шине постоянного тока 17. Питание потребителей 7, 9 происходит только от ФЭП 3. Режим характерен в период низкой нагрузки потребителей переменного и постоянного тока.
Преобразователь 12 представляет собой двунаправленный мостовой инвертор промышленной частоты, управляемый импульсами, модулированными по синусоидальному закону, что позволяет регулировать поток активной и реактивной мощности в сеть переменного тока потребителей. Преобразователь 12 работает в двух режимах – инверторном и выпрямительном. В инверторном режиме преобразователь 12 преобразует напряжение внутренней шины постоянного тока 17 в переменное напряжение, синхронизированное по частоте, фазе и амплитуде с напряжением промышленной сети. В выпрямительном режиме преобразует переменное напряжение промышленной сети, поступающее через распределительное устройство 13, в постоянное стабилизированное напряжение внутренней шины постоянного тока 17.
Преобразователь 14 представляет собой мостовой высокочастотный DC-DC конвертор, управляемый по методу фазового сдвига, и преобразует уровень напряжения внутренней шины постоянного тока 17 до необходимого уровня потребителей 9 сети постоянного тока 8 с режимами стабилизации напряжения и ограничения тока. Преобразователь 14 обеспечивает гальваническую развязку потребителей 9 сети постоянного тока 8 от шины постоянного тока 17.
Распределительное устройство электроэнергии 13 содержит средства коммутации и комплекс датчиков тока и напряжения сетей переменного тока 1 и 6, причем измеренные величины передаются в систему управления 12/1 преобразователя 12 Распределительное устройство электроэнергии 13 включает в себя модуль контроля качества сети, контактор сети переменного тока и контактор системы накопления.
Управляющий контроллер 16 преобразовательного комплекса 5 представляет собой микроконтроллер и реализует сбор и хранение информации о токах, напряжениях, аварийных ситуациях в системе и задание уставок стабилизации параметров каждого преобразовательного узла, а так же передачу и принятие данных от операторов управления через порт 23.
Инверторный зарядно-разрядный преобразовательный комплекс 5 работает в следующих режимах:
1. Дежурный режим
При подаче напряжения на вход порта 26 происходит трансляция промышленной сети переменного тока 1 через распределительное устройство 13 к потребителям 7. Потребители 9 получают энергию от промышленной сети 1, а так же ФЭП 3 и НЭ 4 через преобразователь 11, шину постоянного тока 17, DC-DC конвертор 14, контактор сети постоянного тока 15 и локальную сеть постоянного тока 8. Кроме того в этом режиме происходит отслеживание напряжения промышленной сети 1 и в случае его пропадания или выхода за установленные допустимые пределы, преобразователь 12 меняет направления потока энергии, и потребители 7 сети переменного тока 6 начинают получать энергию от источников 3, и 4. Система управления 12/1 преобразователя 12 одновременно сообщает об аварийном режиме управляющему контроллеру 16, который исходя, из величины энергии, поступающей от ФЭП 3 и наколенной энергии в НЭ 4, может, в случае необходимости, дополнительно запустить генератор 2 оснащенный системой автоматического пуска 27 (САП). В штатном режиме, когда промышленная сеть переменного тока 1 присутствует и напряжения потребителей находится в допустимых пределах, при наличии напряжения на ФЭП 3, преобразователь 11 осуществляет непрерывно подпитку НЭ 4, восполняя потери энергии на саморазряд.
2.  Режим передачи потоков активной и реактивной мощности
В режиме передачи активной мощности система управления 12/1 преобразователя 12 всегда отслеживает величину мощности, отбираемой от промышленной сети 1 и мощность, потребляемую потребителями 7. В период пикового потребления или превышения разрешенной пороговой мощности, передаваемой от промышленной сети в сеть переменного тока 6 преобразователем 12 вводится, по определённому алгоритму, дополнительный поток активной мощности (автоматически, либо по команде оператора), компенсируя разницу между необходимым и разрешённым уровнями потребления мощности от промышленной сети переменного тока 1 за счет источников 3, 4 и 2. Выбор приоритетного источника энергии можно задать с помощью программы управления и мониторинга преобразовательного комплекса через управляющий контроллер 16. Кроме того в программе управления можно задавать режимы с разрешением или запретом передачи энергии в промышленную сеть переменного тока 1. При установленном статусе запрета отдачи энергии в промышленную сеть переменного тока 1 и снижении мощности, потребляемой нагрузкой 7, генерируемая преобразователем 12 мощность тоже будет снижаться, вплоть до нулевого значения. Таким образом, преобразовательный комплекс позволяет снизить потребление активной мощности от промышленной сети.
В режиме передачи реактивной мощности система управления 12/1 анализирует реактивную составляющую тока потребителей 7 и промышленной сети 1. В случае превышения установленного порога реактивной мощности в линии электропередачи промышленной сети, система управления 12/1 переводит преобразователь 12  в режим генерации компенсационного потока реактивной мощности такой величины, которая приведет к снижению реактивной составляющего тока в промышленной сети переменного тока 1 вплоть до нулевого значения или предельно допустимого уровня. С учетом того, что в выходных цепях преобразователей 10, 11, 12 и входной цепи преобразователя 14 установлены емкости значительной величины, которые объединены шиной постоянного тока 17, накопительные элементы не нагружаются короткими циклами заряда-разряда, что существенно увеличит срок работоспособности НЭ 4.
Режим добавления активной мощности может совместно работать с режимом компенсации реактивной мощности, при условии что ток, необходимый для отдачи мощности в сеть, меньше, чем максимальный выходной  ток преобразователя 12.
3. Инверторный режим.
В этом режиме, предполагается, что промышленная сеть 1 отсутствует совсем или не удовлетворяет требованиям потребителей 7 и 9. Потребители 7 и 9 сети переменного и постоянного тока получают питание от ФЭП 3, генератора 2 или НЭ 4, через двунаправленные преобразователи 10, 11, 12 и 14 соответственно. В этом случае выдаваемая в нагрузку мощность будет ограниченна максимальными значениями токов, установленными в преобразователях 12 и 14.
4. Выпрямительный режим c зарядом накопителей электрической энергии
Потребители 7 сети переменного тока 6 получают питание от промышленной сети переменного тока 1, а потребители постоянного тока 9 через преобразователи 12 и 14. В этом режиме разрешен заряд НЭ 4 от промышленной сети переменного тока 1. В случае, если генератор 2 подает напряжение на порт 19 и ФЭП 3 генерируют энергию, то зарядный ток НЭ 4 через преобразователь 11 будет, распределяется от источников 3, 2 и 1, при этом приоритетным источником будет ФЭП 3.
Таким образом, преобразовательный комплекс 5 позволяет в условиях дефицита выделенной мощности и перегруженности подводящей линии промышленной сети 1, сократить дефицит энергии за счет источников 3, 4 и 2, повысить пропускную способность и эффективность линии электропередачи  промышленной сети переменного тока 1. Кроме того, преобразовательный комплекс 5 исключает применение отдельного зарядного устройства накопителя электрической энергии от фотоэлектрического преобразователя с функцией отслеживания точки максимальной мощности и двух зарядных устройств от источников переменного тока – промышленной сети и генератора, которые необходимо применять в существующих системах накопления электрической энергии.