УСТРОЙСТВО МОДУЛЬНОГО НАКОПИТЕЛЯ ЭНЕРГИИ

Заявляемая полезная модель относится к преобразовательной технике, предназначенной для улучшения параметров электрической сети, обеспечивающей компенсацию искажений сети, реактивной мощности, краткосрочных пиков и провалов напряжения, в частности предназначена для обеспечения гарантированного бесперебойного электропитания ответственных потребителей. При пропадании напряжения в сети устройство практически мгновенно переключается на работу от аккумуляторов и преобразует их энергию в переменный ток стабилизированного напряжения частоты 50 Гц. При этом устройство накопления электроэнергии может работать параллельно с сетью.
Разработанное устройство модульного накопителя энергии (МНЭ) предназначено для использования в медицинских учреждениях, для реализации электроснабжения 1 категории, а также для возможности стабильного электроснабжения потребителя.
Из общего уровня техники известна модульная электроэнергетическая установка по патенту №2695633 опубл. 25.07.2019 г., H02J 3/26; H02J 3/32; H02J 9/06, которая содержит разнотипные возобновляемые источники энергии с выходами на постоянном и переменном токе, соединенные с входами универсального зарядного контроллера, автономным инвертором, накопителем энергии и устройством управления.
Известна система бесперебойного питания по патенту №2692468, опубл. 25.06.2019 H02J 9/04. Система содержит подключенные параллельно к шинам бесперебойного питания постоянного тока первый и второй вводы трехфазной сети через последовательно включенные к каждому вводу блоки автоматического переключения питания и трехфазные выпрямители, трехфазный синхронный дизель-генератор, соединенный с блоками автоматического переключения питания первого и второго ввода трехфазной сети, аккумуляторную батарею и молекулярный накопитель энергии, также соединенные с шинами бесперебойного питания постоянного тока, модульные преобразователи - трехфазный инвертор и однофазный инвертор, модульные преобразователи - стабилизаторы напряжения, подключенные одним выводом к шинам бесперебойного питания постоянного тока, а другим к потребителям переменного и постоянного тока различных уровней напряжения.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемой полезной модели можно отнести устройство накопления электрической энергии на базе аккумуляторных батарей и суперконденсаторов с функцией улучшения качества сети Патент на изобретение РФ №2512880 опубл. 10.02.2014 г. H02J 7/02.
Устройство по патенту включает аккумуляторные батареи, предохранители, двунаправленные инверторы, 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.
К недостаткам устройства накопления электрической энергии по патенту №2512880 можно отнести наличие большого количества коммутационных устройств (двунаправленных инверторов, контакторов), что может привести к снижению надежности системы в целом, а также большие габариты устройства и необходимость единой системы управления для нескольких модулей.
Технической проблемой является устранение указанных недостатков и создание устройства модульного накопителя энергии обеспечивающего высокое качество сетевого напряжения и бесперебойного энергоснабжения потребителя, который может обеспечить параллельную работу с сетью.
Технический результат полезной модели заключается в повышении надежности работы устройства при обеспечении требуемого качества электроэнергии.
Не требуется синхронизация между отдельными устройствами МНЭ, синхронизация с сетью происходит автоматически с целью упрощения и автономности модуля.
Поставленная проблема решается, а технический результат достигается тем, что устройство модульного накопителя энергии (МНЭ) построено по модульному принципу и состоит из трех видов секций: секция ввода/вывода; секция двунаправленного преобразователя с системой управления; секция аккумуляторных батарей.
Устройства модульного накопителя энергии (МНЭ) представляет собой секцию ввода/вывода (ШВВ), секцию двунаправленного преобразователя с системой управления (ШП); секцию аккумуляторных батарей (ШАБ).
Секция аккумуляторных батарей (ШАБ) включает аккумуляторные батареи с системой управления аккумуляторной батареей (СУАБ);
Секция ввода/вывода (ШВВ) включает дроссель с блоком конденсаторов и датчики контроля качества.
Секция двунаправленного преобразователя с системой управления (ШП) включает двунаправленный инвертор с функцией трехфазного активного выпрямителя, систему управления инвертором (СУИ), систему управления МНЭ (СУМНЭ) и систему управления качеством сети.
Секция ввода/вывода (ШВВ) посредством проводной связи подключена к секции двунаправленного преобразователя с системой управления (ШП).
Секция аккумуляторных батарей (ШАБ) подключена к секции двунаправленного преобразователя с системой управления (ШП).
На Фиг. 1 представлена структурная схема устройства модульного накопителя энергии, где ШВВ - секция ввода/вывода; ШП - секция двунаправленного преобразователя с системой управления; ШАБ - секция аккумуляторных батарей; 1 - аккумуляторные батареи; 2 - двунаправленный инвертор; 3 - дроссель с блоком конденсаторов; 4 - датчики контроля качества; 5 - это система управления инвертором (СУИ); 6 - система управления качеством сети; 7 - это система управления аккумуляторной батареей (СУАБ); 8 - это система управления МНЭ (СУМНЭ);
Аккумуляторные батареи 1 используется как элемент хранения электроэнергии. Они могут заряжаться в ночные часы или часы минимальной нагрузки, а в пиковые часы питать нагрузку от инвертора или от сети и инвертора одновременно.
В режиме активного выпрямителя происходит заряд аккумуляторных батарей до заданного уровня напряжения с заданным током.
Двунаправленный инвертор 2 состоит из силовых модулей, в которых расположены ключи на основе IGBT транзисторов. В модулях используется современная силовая схема, отличающаяся низкими потерями, регулируемым напряжением в звене постоянного тока и высоким быстродействием. Современные быстродействующие IGBT транзисторы позволяют совместить функции зарядного устройства и инвертора в одном устройстве, позволяя создать двунаправленный быстродействующий инвертор напряжения.
Двунаправленный инвертор с функцией трехфазного активного выпрямителя позволяет получить выходное напряжение, большее, чем диодный выпрямитель, без применения трансформатора и без ухудшения формы входного напряжения, при этом, не потреблять реактивной мощности.
Отличительной особенностью является:
Двунаправленный инвертор секции двунаправленного преобразователя, может работать как в режиме:
1. Автономного инвертора напряжения (АИН) питание звена постоянного тока осуществляется от батарей аккумуляторов. Инвертор по закону ШИМ формирует трехфазное переменное напряжение, отдавая энергию в сеть. Устройство МНЭ продолжает работать от батареи до истечения времени разрядки батареи или до восстановления нормального напряжения сети.
2. В режиме активного выпрямителя происходит заряд батарей аккумуляторов до заданного уровня напряжения с заданным током. Двунаправленный инвертор с функцией трехфазного активного выпрямителя позволяет получить выходное напряжение, большее, чем диодный выпрямитель, без применения трансформатора и без ухудшения формы входного напряжения, при этом, не потреблять реактивной мощности.
Отличительной особенностью является
дроссель с блоком конденсаторов 3 выполняет роль трехфазного фильтра, который обеспечивает заданный коэффициент гармоник переменного напряжения в стационарном режиме. Фильтрация высокочастотных составляющих в выходном напряжении инвертора осуществляется тем же входным дросселем и блоком конденсаторов, включенных на входе устройства.
Датчики контроля качества 4 снимают параметры сети и передают их в систему управления качеством сети.
Система управления инвертором 5 отвечает за управление силовыми ключами на основе IGBT транзисторов, благодаря использованию одних и тех же ключей инвертора в режиме ШИМ обеспечивается мгновенная реакция на изменение направления преобразования электроэнергии, без использования коммутирующей аппаратуры.
Система управления качеством сети 6 следит за изменением параметров в сети, обеспечивает алгоритм для компенсации искажений сети и передает информацию системе управления МНЭ. Любые пассивные фильтры вносят фазовую задержку в выходной сигнал, что недопустимо. Необходимо применить фильтры на основе технологий известных устройств фазовой автоподстройки частоты, основанные на выявлении рассогласования и коррекции частоты генерируемого напряжения. Стабилизация и управление амплитудой напряжения осуществляется с помощью обратной связи и регулятора амплитуды напряжения. Таким устройством является вектор-фильтр, реализованный в системе управления качеством сети. Частота трехфазного напряжения инвертора формируется на основании сигналов от вектора-фильтра. Вектор-фильтр осуществляет выделение первой гармоники напряжения в неподвижных осях α,β с единичной амплитудой, на основании этих сигналов формируются направляющие cos и sin для векторной системы управления.
На Фиг. 2 черным цветом показаны входные напряжения с наложением высокочастотных искажений. Красным цветом обозначены отфильтрованные выходные напряжения. Как следует из графиков, происходит хорошая фильтрация входного напряжения без фазовых искажений.
Система управления аккумуляторной батареей (СУАБ) 7 проводит постоянный мониторинг аккумуляторной батареей и передает информацию системе управления МНЭ.
Система управления МНЭ 8 отвечает за корректную работу всего устройства модульного накопителя энергии, обеспечивает оптимальный алгоритм заряда аккумуляторных батарей, который позволяет избежать аварийных ситуаций в процессе заряда и продлить срок службы аккумуляторных батарей.
Такое построение позволяет, кроме функции накопления и отдачи энергии в сеть, иметь дополнительные возможности: поддерживать и регулировать частоту, сглаживать пики нагрузки, регулировать напряжение, компенсировать реактивную мощности, в том числе и в процессе заряда батарей.
Устройства модульного накопителя энергии работает следующим образом.
При включении устройства система управления МНЭ 8 совершает опрос систем управления, оно автоматически производит контроль входной силовой сети и сети питания системы управления инвертором (СУИ) 5 (уровень напряжения, количество фаз), а так же получает необходимые параметры с АКБ с помощью различных датчиков контроля качества 4. При исправности сетей выдается сигнал готовности к пуску, система ожидает сигнала управления на включение. При подаче этого сигнала (с местной панели управления или дистанционной системы управления) происходит запуск системы управления МНЭ 8. Устройство подключено к сети переменного тока МНЭ, готово работать в следующих режимах:
1) Режим ожидания - работа в режиме постоянной готовности к автоматической компенсации провалов напряжения в случае их возникновения, происходит поддержание напряжения на нагрузке в режиме ведомого. Напряжение на входе МНЭ может колебаться в допустимых пределах. Верхний и нижний предел может быть задан оператором. Аккумуляторные батареи 1 заряжаются через двунаправленный инвертор 2, который работает в режиме активного выпрямителя, и дроссель с блоком конденсаторов 3 выполняет роль трехфазного фильтра. В это время происходит постоянный мониторинг параметров сети, эту функцию выполняют датчики контроля качества 4 и двунаправленный инвертор 2. Данная информация поступает на систему управления качеством сети 6. За работу двунаправленного инвертора 2 в режиме активного выпрямителя отвечает система управления инвертором (СУИ) 5. Сбором информации об уровне заряда аккумуляторных батарей 1 занимается Система управления аккумуляторной батареей (СУАБ) 7. Система управления МНЭ (СУМНЭ) 8 получает информацию от 5, 6, 7. СУМНЭ отвечает за корректную работу всего устройства модульного накопителя энергии.
В этом режиме МНЭ может реализовывать следующие функции: заряд накопителей, если это необходимо, компенсация реактивной мощности, потребляемой нагрузкой, компенсация искажений сети. Режим компенсации реактивной энергии сохраняется и при полностью заряженном накопителе электрической энергии.
2) Режим компенсации - полный перевод питания нагрузки на МНЭ при исчезновении питающей сети, работает как ведущий источник сети (другие источники в сети отсутствуют) и генерирует стабилизированное напряжение. В этом режиме основным источником питания для нагрузки выступают аккумуляторные батареи 1. Они отдают электроэнергию в сеть через двунаправленный инвертор 2, который работает в режиме автономного инвертора напряжения, и дроссель с блоком конденсаторов 3, который выполняет роль трехфазного фильтра. Устройство МНЭ продолжает работать от батареи до истечения времени разрядки батареи или до восстановления нормального напряжения сети. После восстановления напряжения в сети система управления Система управления МНЭ (СУМНЭ) 8 переходит в режим ожидания.
Таким образом, обеспечивается надежность работы устройства при обеспечении требуемого качества электроэнергии.