N-АГРЕГАТНАЯ АВТОНОМНАЯ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ
N-UNIT AUTONOMOUS POWER PLANT

Изобретение относится к устройствам для передачи электроэнергии между сетями, с частотами, отличающимися одна от другой, и может быть использована в автономных источниках электрической энергии.
Известны автономные одноагрегатные источники электрической энергии типа АД и АБ, содержащие синхронный генератор с приводом от двигателя внутреннего сгорания с регулятором частоты вращения, обеспечивающим синхронную частоту /1/.
Их недостатком является низкая энергоэффективность, поскольку минимальный удельный расход топлива наблюдается лишь при нагрузке близкой к номинальной нагрузке и небольшой диапазон мощностей нагрузок.
Известны автономные двухагрегатные электростанции типа ЭСД2×… и ЭСБ2×…, содержащие по два электроагрегата (ЭА) с синхронными генераторами и двигателями внутреннего сгорания, работающими с постоянной частотой вращения /2/.
Двухагрегатные электростанции позволяют расширить диапазон нагрузок. Однако их энергоэффективность остается невысокой поскольку минимальный удельный расход топлива наблюдается лишь при нагрузке близкой к номинальной мощности одного ЭА и номинальной мощности электростанции при работе двух ЭА.
Наиболее близким по технической сущности к изобретению является автономная двухагрегатная электростанция, содержащая первый ЭА с переменной частотой вращения вала ДВС, который соединен с регулятором частоты и валом синхронного генератора, связанного индуктором с блоком возбуждения, а якорем с входом управляемого выпрямителя, выход которого через сглаживающий фильтр-накопитель связан с входами блока возбуждения, блока стабилизации напряжения и датчика мощности, соединенного выходом с силовым входом автономного инвертора напряжения, управляющий вход которого подключен к выходу задатчика частоты, а выход - к входу трансформатора, подключенного выходом к нагрузке, кроме того выход датчика мощности соединен с информационным входом блока формирования экономической частоты, первый выход которого связан со вторым входом блока возбуждения, а второй - с входом уставки регулятора частоты вращения, связанного с топливной системой ДВС, причем выход блока стабилизации напряжения подключен к управляющему входу выпрямителя, а также второй ЭА с постоянной частотой вращения вала ДВС, который соединен с валом второго синхронного генератора, индуктор которого подключен к выходу второго блока возбуждения, а якорь - к второму входу синхронизатора, входу второго блока возбуждения и через датчик активной мощности - к входным зажимам выключателя, связанного выходными зажимами с нагрузкой, входом управления включением - с выходом синхронизатора, а входом управления отключением - с вторым входом блока автоматического управления второго ЭА и выходом БОЛЬШЕ третьего числового компаратора, разряды второго входа которого соединены с соответствующими разрядами выхода сумматора, разряды первого входа - с соответствующими разрядами первого входа первого числового компаратора, выхода задающего регистра и второго входа второго числового компаратора, разряды первого входа которого связаны с соответствующими разрядами информационного выхода датчика активной мощности и первого входа сумматора, разряды первого входа которого соединены с соответствующими разрядами выхода датчика мощности первого ЭА и разрядами второго входа первого числового компаратора, выходы МЕНЬШЕ и РАВНО которого подключены к второму входу первого логического элемента И и первому входу блока автоматического управления второго ЭА, связанного информационным входом с ДВС, первым выходом - с исполнительными элементами системы управления ДВС, а вторым выходом - с первым входом первого логического элемента И, выход которого соединен с третьим входом синхронизатора, первый вход которого связан с выходом трансформатора, кроме того выход МЕНЬШЕ третьего числового компаратора подключен к первому входу второго логического элемента И, второй вход которого подключен к выходу МЕНЬШЕ второго числового компаратора, а выход - к входу увеличения уставки регулятора частоты вращения вала ДВС второго ЭА, вход уменьшения уставки которого связан с выходом БОЛЬШЕ второго числового компаратора, информационный вход - с валом ДВС, а выход - с топливной системой ДВС второго ЭА /3/.
Электростанция имеет минимальный удельный расход топлива при любом режиме нагрузки. Однако мощности двух ЭА не всегда достаточно для питания нагрузки.
Цель изобретения - увеличение мощности электростанции при высокой энергоэффективности.
Цель изобретения достигается тем, что N-агрегатная автономная электростанция, содержащая электроагрегат (ЭА) с переменной частотой вращения вала двигателя внутреннего сгорания (ДВС) и ЭА с постоянной частотой вращения вала ДВС, в ЭА с переменной частотой вращения вала ДВС, вал ДВС соединен с регулятором частоты и валом синхронного генератора, связанного индуктором с блоком возбуждения, а якорем с входом управляемого выпрямителя, выход которого через сглаживающий фильтр-накопитель связан с входами блока возбуждения, блока стабилизации напряжения и первого датчика мощности, соединенного выходом с силовым входом автономного инвертора напряжения, управляющий вход которого подключен к выходу задатчика частоты, а выход - к входу трансформатора, кроме того выход первого датчика мощности соединен с информационным входом блока формирования экономической частоты, первый выход которого связан со вторым входом блока возбуждения, а второй - с входом уставки регулятора частоты вращения, связанного с топливной системой ДВС, а выход блока стабилизации напряжения подключен к управляющему входу выпрямителя, в ЭА с постоянной частотой вращения вала ДВС, вал ДВС соединен с валом второго синхронного генератора, индуктор которого подключен к выходу второго блока возбуждения, а якорь - к второму входу синхронизатора, входу второго блока возбуждения и через второй датчик активной мощности - к входным зажимам выключателя, связанного входом управления включением - с выходом синхронизатора, входом управления отключением - с вторым входом блока автоматического управления ЭА с постоянной частотой вращения вала ДВС, а входом - с первым входом синхронизатора, третий вход которого подключен к выходу логического элемента И, первый вход которого соединен со вторым выходом блока автоматического управления ЭА с постоянной частотой вращения вала ДВС, связанного информационным входом с ДВС, первым выходом - с исполнительными элементами системы управления ДВС, кроме того соответствующие разряды второго входа числового компаратора, соединены с соответствующими разрядами выхода задающего регистра, разряды первого входа - с соответствующими разрядами информационного выхода второго датчика активной мощности, выход МЕНЬШЕ - с входом увеличения уставки второго регулятора частоты вращения, а выход БОЛЬШЕ - с входом уменьшения уставки второго регулятора частоты вращения, информационный вход которого связан с валом ДВС, а выход - с топливной системой ДВС ЭА с постоянной частотой вращения вала ДВС, ОТЛИЧАЮЩАЯСЯ тем, что снабжена со второго по (N-1)-ый ЭА, которые имеют структуру имеющегося ЭА с постоянной частотой вращения вала ДВС, станционным датчиком активной мощности, силовой выход которого подключен к нагрузке, а вход связан с выходными зажимами ЭА, при этом каждый i-ый ЭА с постоянной частотой вращения вала ДВС снабжен вычитателем, разряды входа вычитаемого которого соединены с соответствующими разрядами выхода задающего регистра, выход признака отрицательной разности с - входом управления отключением выключателя, а выход признака положительной разности вычитателя с - вторым входом логического элемента И и вторым входом блока автоматического управления i-го ЭА с постоянной частотой вращения вала ДВС, кроме того разряды информационного выхода станционного датчика мощности подключены к соответствующим разрядам входа уменьшаемого вычитателя первого ЭА с постоянной частотой вращения вала ДВС, а разряды входа уменьшаемого вычитателя, каждого i-го ЭА, где i=2, … (N-1), соединены с соответствующими разрядами информационного выхода вычитателя (i-1)-го ЭА с постоянной частотой вращения вала ДВС.
Дополнительно вводимые в состав станции ЭА с постоянной частотой вращения вала ДВС увеличивают установленную мощность станции. Связи вычитателей ЭА обеспечивают включение и отключение ЭА поддерживая экономичный режим станции.
На фиг. 1 представлена схема автономной N-агрегатной электростанции, на фиг. 2 - схема ЭА с переменной частотой вращения вала ДВС, на фиг. 3 - схема ЭА с постоянной частотой вращения вала ДВС, на фиг. 4 - диаграммы нагрузки и работы ЭА.
Электростанция (фиг. 1) содержит первый ЭА 1 с переменной частотой вращения вала ДВС (фиг. 2), который имеет: ДВС 2, синхронный генератор 3, регулятор частоты вращения (РЧВ) 4 вала ДВС, блок 5 формирования экономичной частоты вращения, блок 6 возбуждения генератора, управляемый выпрямитель 7, блок 8 стабилизации напряжения, сглаживающий фильтр-накопитель 9, датчик мощности 10, автономный инвертор напряжения 11, задатчик 12 частоты, трансформатор 13. Со второго 14-1 по N-ый 14-(N-1) ЭА с постоянной частотой вращения вала ДВС имеют одинаковую структуру, включающую ДВС 15, РЧВ 16, синхронный генератор 17 с блоком 18 возбуждения, датчик 19 активной мощности, выключатель 20, синхронизатор 21, блок 22 автоматического управления ЭА, числовой компаратор 23, логический элемент И 24, задающий регистр 25 и вычитатель 26. Кроме того схема содержит, нагрузку 27 и станционный датчик активной мощности 28. Датчики мощности 10, 19 и 28 имеют цифровые выходы.
ном1
ном2
номN
н
ЭА 1 и 14-1...14-(N-1) имеют одинаковые номинальные мощности Р=Р=…=P=Р, код которых занесен в регистр 25. В программу работы блока 5 заложены оптимальные зависимости частоты вращения вала ДВС 2 от мощности нагрузки, соответствующие минимальному удельному расходу топлива.
н
Электростанция работает следующим образом. В регистре 25 (фиг. 3) устанавливают код Х25 соответствующий номинальной мощности ЭА Р. Для ЭА 1 номинальная частота устанавливается задатчиком 12, а для ЭА 14 РЧВ 16. Номинальные напряжения ЭА 1 и 14 задаются блоками возбуждения 6 и 18. Первым вводится в работу ЭА 1. При этом в зависимости от значения мощности нагрузки блок 5 выдает РЧВ 4 уставку оптимальной частоты с точки зрения минимального потребления топлива. При каждом изменении мощности уставка корректируется. В результате с изменением мощности нагрузки меняется частота вращения вала ДВС и он постоянно находится в наиболее экономичном режиме работы.
В виду того, что частота вращения вала ДВС 2 (фиг. 2) меняется в зависимости от мощности нагрузки, то амплитуда и частота переменного напряжения генератора 3 будут также изменяться в зависимости от мощности нагрузки.
Стабилизация амплитуды переменного напряжения на уровне номинального значения для генератора 3 осуществляется следующим образом.
Выпрямитель 7 (фиг. 2) преобразует выходное переменное напряжение генератора 3 в постоянное напряжение заданной величины, которое стабилизируется блоком 8 стабилизации напряжения. Выходное напряжение выпрямителя 7 сглаживается фильтром-накопителем 9, который кроме того компенсирует пики и провалы в динамических режимах. Сглаженное напряжение преобразуется инвертором 11 в переменное напряжение синусоидальной формы с амплитудой равной постоянному напряжению выпрямителя 7, которое поддерживается на одном уровне благодаря блоку 8 стабилизации напряжения. Трансформатор 13 увеличивает это напряжение до номинального значения.
0
1
В результате на выходе ЭА 1 напряжение и частота соответствуют номинальным значениям, а ДВС 2 работает в режиме минимального расхода топлива в диапазоне нагрузок от нуля до номинальной мощности (фиг. 4 интервал времени t-t).
н
1
ном1
2
2
2
ном2
Когда мощность Р станционной нагрузки превышает номинальную мощность ЭА 1 Р>Р (фиг. 4 момент времени t) код Х28 на выходе датчика мощности 28, поступающий на вход уменьшаемого вычитателя 26-1 ЭА 14-1 оказывается больше кода Х25, поступающего с выхода задатчика 25 на вход вычитаемого вычитателя 26-1 (фиг. 1), то появляется сигнал Х26(1) (фиг. 3) на выходе признака положительной разности вычитателя 26-1, который подготавливает по второму входу логический элемент И 24 и поступая на первый вход блока 22 автоматического управления ЭА 14-1 производит его пуск. Сигнал о готовности приема нагрузки с блока 22 автоматического управления поступает на первый вход логического элемента И 24 и сигналом с его входа включается синхронизатор 21. В момент выполнения условий синхронизма сигнал с выхода синхронизатора 21 включает выключатель 20, который подключает ЭА 14-1 к нагрузке 27. При этом ЭА 14-1 принимает некоторую мощность нагрузки, и с выхода датчика 19 код X19 (фиг. 3) активной мощности поступает на первый вход компаратора 23, на втором входе которого присутствует код Х25 номинальной мощности ЭА Р. Поскольку в начальный момент времени нагрузка ЭА 14-1 меньше номинальной, то появляется сигнал Х23(2) на втором выходе компаратора 23, который поступает на вход увеличения уставки РЧВ 16. На ЭА 14-1 увеличивается подача топлива и активная мощность Р. Увеличение мощности Р происходит до момента, когда устанавливается номинальная мощность Р=Р и ЭА 14-1 переходит в экономичный режим работы.
(2)
(1)
При этом сигнал Х23 на втором выходе компаратора 23 (фиг. 3) исчезает. Если мощность ЭА 14-1 по какой-либо причине превысила номинальное значение, появляется сигнал Х23 на первом выходе компаратора 23, который поступает на вход уменьшения уставки РЧВ 16, и мощность снижается до номинальной величины. Таким образом, при работе ЭА 14-1 имеет номинальную нагрузку и минимальный удельный расход топлива.
н
н
2
(1)
На выходе вычитателя 26-1 ЭА 14-1 (фиг. 1) формируется код Х26-1 разности Р-Р, который поступает на вход уменьшаемого вычитателя 26-2 ЭА 14-2. Когда нагрузка станции возрастая становится Р>2Р (фиг. 4 момент времени t) появляется сигнал Х26 (фиг. 3) на выходе признака положительной разности вычитателя 26-2 ЭА 14-2 ((фиг. 1), который вводится в работу, как описано выше для ЭА 14-1, и подключается к нагрузке 27, работая в экономичном режиме на номинальной мощности.
н
Н
3
С выхода вычитателя 26-2 ЭА 14-2 (фиг. 1) код Х26-2 разности Р-2Р поступает на вход уменьшаемого вычитателя 26-3 ЭА 14-3. Когда нагрузка станции превысит 3Р (фиг. 4 момент времени t), аналогично предыдущим ЭА, вводится и принимает нагрузку ЭА 14-3. Долее по мере увеличения нагрузки вводятся в работу остальные ЭА 14-i.
5
6
н
8
н
9
н
10
н
(2)
(2)
(2)
В момент времени t (фиг. 4) включается ЭА 14-(N-1), который находится в работе до момента времени t (фиг. 4), когда при уменьшении нагрузки возникает ситуация P<(N-1)Р. При этом появляется сигнал Х26 на выходе признака отрицательной разности вычитателя 26-(N-1) ЭА 14-(N-1), который поступая на выключатель 20 (фиг. 3), отключает его. Одновременно сигнал Х26 с выхода вычитателя 26 поступает на второй вход блока 22 управления ДВС 15, который останавливается. При дальнейшем снижении нагрузки Р аналогично последовательно выводятся из работы ЭА 14-i. В момент времени t (фиг. 4), когда Р<3Р, появляется сигнал Х26 на выходе признака отрицательной разности вычитателя 26-3 ЭА 14-3, который выключается. Далее в момент времени t (фиг. 4) при Р<2Р отключается ЭА 14-2, а в момент времени t (фиг. 4) при Р<Р отключается ЭА 14-1.
н
Таким образом, в широком диапазоне мощностей от 0 до N⋅Р ЭА станции работают в режиме минимального удельного расхода топлива, обеспечивая ее высокую энергоэффективность.
Источники информации
1. Алексеев А.П., Кудряшев Г.Ф., Чекменев Е.Е. Дизельные и карбюраторные электроагрегаты и станции: Справочник. - М.: Машиностроение, 1973, - 544 с.
2. Емельянов И.А., Овчинников И.П. Многоагрегатные передвижные электростанции: Справочник. - М.: Воениздат, 1987, - 104 с.
3. Патент на изобретение RU 2724104, МКП H02J 3/34, 2020.