Гибридный генератор энергии
HYBRID POWER GENERATOR

Изобретение относится к устройству для производства электрической энергии, предназначенному для подачи электрической энергии потребителям с изменяющейся во времени нагрузкой, и может применяться для поддержания работы устройств и потребителей с обеспечением их стабильной работы с покрытием пиковой нагрузки без использования дополнительных источников электрической энергии.
Известно гибридное генераторное устройство, содержащее по меньшей мере один управляемый источник, выполненный с возможностью обеспечения электрического выходного сигнала переменного напряжения и/или тока, развязывающий преобразователь для генерирования промежуточного выходного сигнала постоянного тока (DC) из электрического выходного сигнала переменного напряжения и/или тока, по меньшей мере, одного управляемого источника, который является по существу независимым от изменений в электрическом выходном сигнале источника, средство для генерирования выходного сигнала переменного и постоянного (AC или DC) тока для питания нагрузки, изменяющейся во времени, из промежуточного выходного сигнала постоянного тока (DC), датчик контроля напряжения и/или тока, по меньшей мере, одного управляемого источника и промежуточного выходного сигнала постоянного тока (DC) и для генерирования выходных сигналов, соответствующих им, и средство управления, чувствительное к выходным сигналам, для управления, по меньшей мере, одного управляемого источника для динамического изменения мощности источника и, таким образом, для электропитания, требуемого нагрузке, изменяющей во времени (патент на изобретение RU 2216847, МПК H02P9/04, H02P9/42, опубл. 20.11.2003).
В данной конструкции гибридного генераторного устройства для обеспечения его стабильной работы применяется большое количество контроллеров, коммутаторов, генераторов функции, что значительно усложняет конструкцию и, как результат приводит к снижению его надежности работы, поскольку в случае нарушения работы любого из электронных устройств, контролирующих работу данного гибридного генераторного устройства, работа его может быть нарушена или вообще прекращена.
Наиболее близким к изобретению по технической сущности является гибридный генератор энергии, содержащий, по меньшей мере, один управляемый источник механической энергии, выполненный с устройством преобразования механической энергии в электрическую энергию, подключенным к входу промежуточного преобразователя электрического тока, выход которого по постоянному току подключен к входу выходного преобразователя электрического тока и к накопителям электрической энергии, которые также подключены к входу выходного преобразователя электрического тока, который выходом подключен к потребителю электрической энергии (см. международную заявку WO2007/023879, кл. F03B3/04, опубл. 01.03.2007).
Данный гибридный генератор энергии обеспечивает работу при переменном потреблении электрической энергии потребителем. Однако использование в качестве накопителей энергии свинцово-кислотных аккумуляторов, отсутствие одновременной подачи потребителю электрической энергии и от устройства преобразования механической энергии в электрическую, и от аккумуляторов, а также отсутствие устройств, которые контролируют работу накопителей электрической энергии и выходного преобразователя, снижают надежность работы данного гибридного генератора энергии и приводят к снижению скорости работы при необходимости компенсации пиковых и в первую очередь кратковременных пиковых нагрузок.
Техническая проблема, на решение которой направлено настоящее изобретение, является преодоление вышевыявленных недостатков.
Техническое решение заключается в повышении надежности работы гибридного генератора энергии за счет обеспечения возможности работы генератора при пиковых нагрузках и в условиях переменного потребления электрической энергии без использования дополнительных управляемых источников энергии с использованием минимального количества контролирующих и оптимизирующих его работу электронных устройств с минимальным количеством используемых в них электронных компонентов (радиодеталей), а также за счет использования в качестве накопителей электрической энергии суперконденсаторов или аккумуляторных батарей.
Проблема решается, а технический результат достигается за счет того, что гибридный генератор энергии содержит, по меньшей мере, один управляемый источник механической энергии, выполненный с устройством преобразования механической энергии в электрическую энергию, подключенным к входу промежуточного преобразователя электрического тока, выход которого по постоянному току подключен к входу выходного преобразователя электрического тока и к накопителям электрической энергии, которые также подключены к входу выходного преобразователя электрического тока, который выходом подключен к потребителю электрической энергии, при этом гибридный генератор энергии дополнительно снабжен устройством ограничения тока и устройством балансировки накопителей энергии, устройство преобразования механической энергии в электрическую энергию выполнено с возможностью подачи на вход промежуточного преобразователя переменного или постоянного тока, устройство ограничения тока подключено к выходному преобразователю электрического тока, причем устройство ограничения тока выполнено с драйвером и силовым ключом с входным гистерезисом для прямого управления величиной тока из выходного преобразователя электрического тока, выполняющего функцию датчика тока, в качестве накопителей электрической энергии использованы n суперконденсаторов или аккумуляторных батарей, устройство балансировки состоит из n-1 схем балансировки, каждая из которых содержит формирователь импульсов, резистор, переключаемый конденсатор и ключи, при этом формирователь импульсов соединен с ключами с возможностью попеременного попарного замыкание 2*(n-1) контуров с защитной паузой, для чего суперконденсаторы или аккумуляторные батареи попарно соединены между собой.
В ходе проведенного исследования была выявлена возможность создания сравнительно простого и надежного в работе гибридного генератора энергии, который при сравнительно небольшой выходной мощности устройства преобразования механической энергии в электрическую энергию, удовлетворяющей потребности потребителя в периоды его стабильной работы, покрывать потребности потребителя в электрической энергии в периоды пиковых нагрузок без необходимости подключения к работе дополнительных устройств преобразования механической энергии в электрическую энергию. Кроме того, на основании анализа работы известных устройств производства электрической энергии, удалость создать сравнительно простую конструкцию устройств оптимизации и контроля работы основных компонентов конструкции гибридного генератора энергии, что в конечном итоге и позволило добиться достижения вышеуказанного технического результата, причем для достижения этого технического результата необходима вся совокупность вышеприведенных признаков заявленного гибридного генератора энергии.
На фиг. 1 приведена принципиальная схема гибридного генератора энергии.
На фиг. 2 приведена принципиальная электрическая схема устройства ограничения тока.
Гибридный генератор энергии 1 содержит, по меньшей мере, один управляемый источник механической энергии 2, выполненный с устройством преобразования механической энергии в электрическую энергию, подключенным к входу промежуточного преобразователя электрического тока 3, а к выходу из последнего по постоянному току подключены накопители электрической энергии 4, которые подключены к входу выходного преобразователя электрического тока 5, который входом по постоянному току подключен к выходу промежуточного преобразователя электрического тока 3 и выходом подключен к потребителю электрической энергии 6.
В качестве управляемого источника механической энергии 2, выполненного с устройством преобразования механической энергии в электрическую энергию, могут быть использованы дизельный электрогенератор, газотурбинная энергоустановка или любой другой аналогичный энергетический агрегат. Устройство преобразования механической энергии в электрическую энергию 2 выполнено с возможностью подачи переменного тока или постоянного тока.
Гибридный генератор энергии 1 дополнительно снабжен устройством ограничения тока (см. фиг. 2) и устройством балансировки накопителей энергии.
В качестве накопителей электрической энергии 4 использованы n суперконденсаторов или аккумуляторных батарей.
Устройство ограничения тока (см. фиг. 2) содержит подключенные к выходному преобразователю электрического тока 5 токовый шунт R1, фильтрующие конденсаторы С1 и С2, дроссель L1, разрядный диод VD1, драйвер 7 и силовой ключ VT1.
Устройство балансировки накопителей энергии состоит из n-1 схем балансировки, каждая из которых содержит формирователь импульсов, резистор, переключаемый конденсатор и ключи, при этом формирователь импульсов соединен с ключами с возможностью попеременного попарного замыкания 2*(n-1) контуров с защитной паузой, для чего суперконденсаторы или аккумуляторные батареи 4 попарно соединены между собой.
Такое техническое решение обеспечивает одновременную балансировку попарно соединенных суперконденсаторов или аккумуляторных батарей при сохранении простоты схемы и автономности работы суперконденсаторов или аккумуляторных батарей. За счет упрощенной схемы устройства балансировки накопителей энергии 4, по сравнению с аналогами, снижается вероятность отказа устройства.
Таким образом, выходной преобразователь электрического тока 5 обеспечивает поступление переменного или постоянного тока на вход потребителя электрической энергии 6.
Предлагаемый генератор энергии работает следующим образом:
Управляемый источник механической энергии 2, выполненный с устройством преобразования механической энергии в электрическую энергию вырабатывает электрический ток. В зависимости от вида используемого управляемого источника энергии 2, с его выхода поступает переменный или постоянный ток, который подается на промежуточный преобразователь электрического тока 3. В предлагаемом гибридном генераторе энергии 1 управляемый источник механической энергии 2, выполненный с устройством преобразования механической энергии в электрическую энергию, работая в номинальном режиме, обеспечивает заряд накопителей электрической энергии 4, которые, в свою очередь при пиковой нагрузке подают ток, на вход выходного преобразователя электрического тока 5 и через последний потребителю электрической энергии 6 совместно с электрическим током поступающим на вход выходного преобразователя электрического тока 5 из промежуточного преобразователя электрического тока 3.
Для обеспечения бесперебойной работы гибридный генератор 1 выполнен таким образом, что управляемый источник энергии 2 обеспечивает мощность, которая учитывает потери мощности в промежуточном 3 и выходном преобразователе электрического тока 5, а также накопителях электрической энергии 4. Пиковая мощность устройства за счет электрической энергии накопителей электрической энергии 4 может значительно превышать мощность управляемого источника энергии 2.
Таким образом, применение предложенного гибридного генератора энергии 1 при пиковых нагрузках, особенно кратковременных (до нескольких секунд), позволит упростить силовые элементы выходного преобразователя электрического тока 5, а использование накопителей электрической энергии 4 позволит компенсировать пиковые нагрузки на генераторную установку за счет накопленной энергии и обеспечит снижение номинальной мощности гибридного генератора энергии и генераторной установки в целом. Благодаря такому решению предлагаемый гибридный генератор энергии решает вышеуказанную техническую проблему компенсации пиковых нагрузок на генераторную установку и обеспечивает высокую надежность работы всей установки в целом.