СПОСОБ И УСТРОЙСТВО КОММУТАЦИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ПОСТОЯННОГО ТОКА ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ В ТРЕХФАЗНУЮ СЕТЬ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА
RENEWABLE SOURCES DIRECT CURRENT ELECTRIC ENERGY SWITCHING TO THE THREE-PHASE AC NETWORK METHOD AND DEVICE

Изобретение относится к области энергетики, в частности к электроснабжению потребителей, подключенных к электроэнергетической системе, работающей на возобновляемых источниках энергии, обеспечивающих бесперебойное энергоснабжение нагрузки при заданных показателях качества энергоснабжения и наличии разнородных источников электроэнергии, и может быть использовано при организации электроснабжения ответственных потребителей переменного тока.
Известен способ бесперебойного электроснабжения потребителей электроэнергетической системы, работающей на возобновляемых источниках энергии (патент РФ №2153752, МПК H02J 3/28, Y02J 3/32, опубл. 27.07.2000 г.), включающий преобразование энергии первичного возобновляемого источника с помощью электрогенератора в электрическую энергию переменного тока, преобразование посредством выпрямителя электрической энергии переменного тока в электрическую энергию постоянного тока, накопление этой энергии в аккумуляторе, заряжаемом от выпрямителя, преобразование с помощью инвертора электрической энергии постоянного тока в электрическую энергию переменного тока и выдачу ее в нагрузку. При этом в электроэнергетической системе используют, по крайней мере, еще один автономный, одновременно работающий с первым возобновляемый источник энергии, а накопление электрической энергии осуществляют путем аккумулирования суммарной электрической энергии постоянного тока, полученной в результате преобразования энергии каждого одновременного работающего первичного возобновляемого источника. Объем накопленной энергии в аккумуляторе определяет его емкость, которую рассчитывают по величине электроэнергии суточного потребления нагрузкой потребителя, а управление режимом работы генератора производят в процессе зарядки аккумулятора при поддержании величины напряжения зарядки, заданной в диапазоне между минимальной и максимальной величинами напряжения на нагрузке потребителя. В электроэнергетической системе могут быть использованы два одновременно работающих однотипных возобновляемых источника энергии.
Известен принятый за прототип способ бесперебойного электроснабжения потребителей электроэнергетической системы, работающей на возобновляемых источниках энергии (варианты) (патент РФ №2208890, МПК H02J 3/28, H02J 15/00, опубл. 20.07.2003 г.), включающий преобразование энергии возобновляемого источника энергии в электрическую энергию переменного тока с помощью электрогенератора переменного тока, преобразование посредством выпрямителя энергии переменного тока в энергию постоянного тока, стабилизацию напряжения источника, накопление энергии постоянного тока в аккумуляторе и выдачу энергии на нагрузку потребителя. Дополнительно посредством широтно-импульсного преобразователя с гальванической развязкой на выходе преобразовывают напряжение аккумулятора в регулируемое постоянное напряжение и с помощью "вольт-добавки" суммируют его с напряжением на выходе выпрямителя путем последовательного подключения выходных цепей преобразователя и выпрямителя, причем регулирование широтно-импульсного преобразователя осуществляют из условия поддержания на входе стабилизатора напряжения выше напряжения стабилизации.
Однако указанные способы не обеспечивают возможности уменьшения асимметрии трехфазного переменного тока при передаче в сеть преобразованной энергии постоянного тока возобновляемых источников энергии и необходимой надежности из-за значительной вероятности защитного отключения или выхода из строя инвертора вследствие нестабильности фазных напряжений сети и возникновения больших уравнительных фазных токов и тока в нейтрали.
Признаки, общие с заявляемым способом коммутации электрической энергии возобновляемых источников в трехфазную сеть переменного тока:
- преобразование энергии возобновляемого источника энергии постоянного тока в электрическую энергию переменного тока посредством автономного инвертора;
- согласование полученного переменного тока по частоте, фазовому сдвигу и напряжению с сетью переменного тока;
- передача энергии в трехфазную сеть переменного тока.
Известен трехфазный инвертор с переменной структурой (патент РФ №2521605, МПК Н02М 7/00, Н02М 7/537, опубл. 10.07.2014 г.) для автономных систем бесперебойного электроснабжения и преобразования напряжений постоянного тока в трехфазную симметричную систему напряжений переменного тока, содержащий источник постоянного тока, однофазные автономные инверторы, трансформатор с вращающимся магнитным полем, содержащий первичные и вторичные обмотки, блоки контактов и источник постоянного тока, который содержит два аккумуляторных блока и пять силовых ключей, каждый из четырех блоков контактов содержит три силовых ключа, два входа и три выхода, причем вторичные обмотки размещены на статоре под углом 120°, их начала являются трехфазными выводами устройства, а концы объединены и образуют трехфазную обмотку, включенную по схеме звезда.
Недостатками известного устройства являются низкая надежность вследствие присутствия значительного количества силовых контактов, коммутирующих постоянный и переменный ток, а также сложная система управления автономным инвертором при переключениях силовых контактов. Отсутствие датчиков тока и напряжения не позволяет системе управления осуществлять мониторинг текущих значений переменного и постоянного тока, исключает возможность предотвращения защитного отключения вследствие нестабильности фазных напряжений сети и возникновения больших уравнительных фазных токов и тока в нейтрали трансформатора. Отсутствие фильтров в цепи преобразованного переменного тока ведет к снижению параметров, характеризующих качество производимой электрической энергии.
Основной задачей заявляемой группы изобретений является создание способа и устройства коммутации электрической энергии возобновляемых источников в трехфазную сеть переменного тока, обеспечивающих малую асимметрию переменного тока при передаче в сеть преобразованной энергии постоянного тока возобновляемых источников энергии и высокую надежность, исключающую влияние нестабильности фазных напряжений сети.
Технический результат, на достижение которого направлена заявляемая группа изобретений, заключается в уменьшении асимметрии трехфазного переменного тока при передаче в сеть преобразованной энергии постоянного тока возобновляемых источников энергии и исключение возможности защитного отключения или выхода из строя инвертора вследствие нестабильности фазных напряжений сети и возникновения больших уравнительных фазных токов и тока в нейтрали.
Технический результат достигается тем, что в способе коммутации электрической энергии постоянного тока возобновляемых источников в трехфазную сеть переменного тока, включающем фильтрацию питающего постоянного тока, преобразование энергии возобновляемого источника энергии постоянного тока в электрическую энергию переменного тока посредством автономного инвертора, согласование полученного переменного тока по частоте и напряжению с сетью переменного тока и передачу энергии в сеть, новым является то, что выходное напряжение автономного инвертора фильтруют по каждой фазе, повышают посредством трансформатора, повышенное напряжение фильтруют, передают на выходной коммутатор, связанный с сетью переменного трехфазного тока, информацию о значениях постоянного тока и напряжения на входе автономного инвертора и фазных мгновенных значениях повышенного отфильтрованного переменного тока и напряжения и сети переменного тока передают на устройство управления, производят сравнение полученной информации, формируют управляющие воздействия для широтно-импульсного модулятора, вырабатывают управляющие сигналы для драйвера ключей, коммутирующего ключи автономного инвертора, синхронизируют выход трансформатора с сетью переменного тока путем изменения значений напряжений и фазовых сдвигов фазных напряжений на выходе автономного инвертора, включают в параллельную работу трансформатор и сеть переменного тока с помощью замыкания выходного коммутатора, уменьшая асимметрию и уравнительный ток в нейтрали, и осуществляют передачу электрической энергии возобновляемых источников энергии в сеть переменного тока.
Технический результат достигается также тем, что в устройстве коммутации электрической энергии постоянного тока возобновляемых источников в трехфазную сеть переменного тока, содержащем последовательно соединенные первый фильтр, вход которого подключен к возобновляемому источнику энергии постоянного тока, а выход к входу автономного инвертора, соединенного через последовательно включенные второй фильтр, трансформатор, третий фильтр, коммутатор, с трехфазной сетью переменного тока, блок управления, первая группа входов которого подсоединена через датчики постоянного тока и постоянного напряжения к выходу первого фильтра, вторая группа входов подсоединена через первую группу датчиков переменного тока и переменного напряжения к выходу третьего фильтра, обеспечивающих измерение значений токов каждой фазы и контролирующих фазные напряжения. Третья группа входов подсоединена через вторую группу датчиков переменного тока и переменного напряжения к сети переменного тока, обеспечивающих контроль значений токов каждой фазы и фазных напряжений сети, первый выход блока управления через широтно-импульсный модулятор соединен с входом драйвера ключей, выход которого соединен с входом автономного инвертора, а второй выход блока управления соединен с коммутатором.
Заявленный способ и устройство коммутации электрической энергии возобновляемых источников в трехфазную сеть переменного имеют отличия от наиболее близких аналогов, следовательно, заявленные решения удовлетворяют условию патентоспособности изобретения «новизна».
Анализ уровня техники на соответствие заявленных решений условию патентоспособности изобретения «изобретательский уровень» показал следующее.
Использование известных способов и устройств бесперебойного электроснабжения потребителей электроэнергетической системы, работающих на возобновляемых источниках энергии, включающих преобразование энергии возобновляемого источника энергии в электрическую энергию переменного тока, преобразование посредством выпрямителя энергии переменного тока в энергию постоянного тока, стабилизацию напряжения источника, накопление энергии постоянного тока в аккумуляторе, выдачу энергии на нагрузку потребителя с регулированием широтно-импульсного преобразователя из условия поддержания на входе стабилизатора напряжения, не обеспечивает возможности уменьшения асимметрии трехфазного переменного тока при передаче в сеть преобразованной энергии и обеспечения высокой надежности при защитных отключениях или выходе из строя инвертора вследствие нестабильности фазных напряжений сети и возникновения больших уравнительных фазных токов и тока в нейтрали. Заявляемый способ и устройство позволяют передавать преобразованную энергию в наиболее нагруженную фазу сети, уменьшить асимметрию и повысить надежность, значительно снизить вероятность защитных отключений. Таким образом, группа заявленных решений удовлетворяют условию патентоспособности «изобретательский уровень».
Заявленные изобретения взаимосвязаны настолько, что образуют единый изобретательский замысел. Следовательно, заявленные изобретения удовлетворяют требованию единства изобретения.
Применение заявляемого изобретения в энергетике при организации электроснабжения ответственных потребителей переменного тока с использованием электрической энергии постоянного тока возобновляемых источников позволяет считать его соответствующим условию патентоспособности и критерию "промышленная применимость".
Заявляемая группа изобретений поясняются чертежами, где на фиг. 1 схематически изображена реализация способа коммутации электрической энергии возобновляемых источников в трехфазную сеть переменного тока, а на фиг. 2 представлена функциональная схема устройства для реализации способа.
Способ коммутации электрической энергии постоянного тока возобновляемых источников в трехфазную сеть переменного тока (фиг. 1) включает фильтрацию (1) питающего постоянного тока (е=), преобразование энергии возобновляемого источника энергии постоянного тока (е=) в электрическую энергию переменного тока посредством автономного инвертора, согласование полученного переменного тока по частоте и напряжению с сетью переменного тока и передачу энергии в сеть (2). Выходное напряжение автономного инвертора фильтруют по каждой фазе (3), повышают посредством трансформатора (4), повышенное напряжение фильтруют (5), передают на выходной коммутатор, связанный с сетью переменного трехфазного тока (6). Измеряют значения постоянного тока и постоянного напряжения на входе автономного инвертора (7), передают (8) на устройство управления информацию о мгновенных фазных значениях повышенного отфильтрованного переменного тока и переменного напряжения (9) и напряжения сети переменного тока (10), производят сравнение (8) полученной информации, формируют управляющие воздействия (11) для широтно-импульсного модулятора, вырабатывают управляющие сигналы для драйвера ключей, коммутирующего ключи автономного инвертора, синхронизируют выход трансформатора с сетью переменного тока путем изменения значений напряжений и фазовых сдвигов фазных напряжений на выходе автономного инвертора (12). При уменьшении отклонений значений напряжений и фазовых сдвигов повышенного преобразованного трехфазного напряжения на выходе трансформатора и сети переменного тока до допустимых пределов включают в параллельную работу трансформатор и сеть переменного тока путем замыкания (6) выходного коммутатора, уменьшая асимметрию и уравнительный ток в нейтрали, и осуществляют передачу электрической энергии возобновляемых источников энергии в сеть переменного тока.
Устройство, реализующее способ коммутации электрической энергии постоянного тока возобновляемых источников в трехфазную сеть переменного тока (фиг. 2), содержит силовую цепь, представляющую последовательно соединенные первый фильтр 14, вход которого 13 подключен к возобновляемому источнику энергии постоянного тока (на чертеже не показан), а выход фильтра 14 к входу автономного инвертора 15, соединенного через последовательно включенные второй фильтр 16, трансформатор 17, третий фильтр 18, коммутатор 19 с трехфазной сетью переменного тока 20. Первая группа входов блока управления 21 подсоединена через датчики постоянного тока 22 и постоянного напряжения 23 к выходу первого фильтра 14, вторая группа входов подсоединена через первую группу датчиков переменного тока 24 и переменного напряжения 25 к выходу третьего фильтра 18, обеспечивающих измерение значений токов каждой фазы и контролирующих фазные напряжения. Третья группа входов устройства управления 21 подсоединена через вторую группу датчиков переменных токов 26 и переменных напряжений 27 к сети переменного тока 20 и обеспечивает контроль значений токов каждой фазы и фазных напряжений сети. Первый выход блока управления 21 через широтно-импульсный модулятор 28 соединен с входом драйвера ключей 29, выход которого соединен с входом автономного инвертора 15, а второй выход блока управления 21 соединен с коммутатором 19.
Устройство, реализующее способ коммутации электрической энергии постоянного тока возобновляемых источников в трехфазную сеть переменного тока, работает следующим образом.
1
1
2
2
2
4
4
5
5
6
Преобразованный постоянный ток возобновляемых источников энергии поступает на вход 13 первого фильтра 14, снижающего пульсацию напряжения при преобразовании и аккумулировании энергии возобновляемых источников энергии (на чертеже не показаны). Постоянное сглаженное напряжение (i, U=) подается на вход автономного инвертора 15, выполненного по трехфазной мостовой схеме. Блок управления 21 посредством датчика постоянного тока 22 и датчика постоянного напряжения 23 осуществляет мониторинг основных параметров цепи постоянного тока и формирует с помощью ШИМ (широтно-импульсного модулятора 28) симметричное синусоидальное трехфазное напряжение U=(U6/k), где U6 величина фазного напряжения сети 20, k - коэффициент трансформации повышающего трансформатора 17. Широтно-импульсный модулятор 28 с помощью драйвера ключей 29, где каждая фаза образована индивидуальным управляющим драйвером, преобразует выходные сигналы ШИМ в выходной каскад U (Ta, Tb, Tc) для управления электронными ключами автономного инвертора 15. Электронные ключи автономного инвертора 15 по сигналам блока управления 21 открываются и запираются таким образом, что формируемые при этом различные по длительности импульсы тока складываются в результирующую кривую синусоидальной формы с постоянной частотой (U f), равной частоте сети 20. Для сглаживания пульсаций на выходе инвертора 15 установлен синусоидальный фильтр 16. Сглаженный синусоидальный переменный ток (U3, i3 (a, b, c)) подается на вход повышающего трансформатора 17, выходной трансформированный трехфазный переменный ток (U, i (А, В, С)) подается на вход фильтра электромагнитной совместимости 18, выход которого соединен с входом силовой цепи коммутатора 19. Повышенный отфильтрованный переменный ток (U, i (А, В, С)) синхронизируется блоком управления 21 по действующему значению фазных напряжений (U) питающей сети 20, определенных с помощью датчиков напряжения 25, 27.
В предпочтительном варианте реализации заявленной группы изобретений блок управления 21 с помощью ШИМ 28 и драйвера ключей 29 формирует симметричное синусоидальное трехфазное напряжение выхода повышающего трансформатора 17, с помощью датчика напряжения 27 на стороне сети 20 осуществляет мониторинг текущих значений фазных напряжений сети (U6 (А, В, С)), для фаз с меньшей величиной напряжения система управления 21 формирует управляющий сигнал для фазного корректирования путем уменьшения ширины импульса по заданному алгоритму, тем самым уменьшая величину фазного выходного напряжения автономного инвертора 15. Фазное корректирование может быть выполнено через один из выходов блока управления и может воздействовать непосредственно на драйвер ключей 29, где каждая фаза образована индивидуальным управляющим драйвером. Блок управления 21 синхронизирует фазное напряжение (U5, i5 (А, В, С)) выхода третьего фильтра 18 с входом/выходом 20 сетевого напряжения (U6, i6 (А, В, С)), по управляющему сигналу U(в) замыкает силовые контакты коммутатора 19, включает в параллельную работу повышающий трансформатор 17 с сетью переменного тока 20. Блок управления 21 с помощью фазного корректирования путем увеличения ширины импульса по заданному алгоритму для фаз с меньшей величиной напряжения начинает увеличивать амплитуду выходного напряжения, ток в соответствующих фазах изменит направление и начнет возрастать. Блок управления 21 осуществляет постоянный контроль величин фазных токов выхода повышающего трансформатора 17 с помощью датчика переменного тока 24, увеличивает амплитуду фазных напряжений до номинальных значений трансформатора, при котором величина выходного тока (i5 (А, В, С)) сравняется с номинальным выходным током повышающего трансформатора 17. При этом электрическая энергия через замкнутые силовые контакты коммутатора 19 коммутируется в питающую трехфазную сеть переменного тока 20. Вследствие передачи электрической энергии в сеть 20 уменьшается нагрузка в данной фазе сетевого трансформатора на аналогичное количество электрической энергии, что приводит к уменьшению асимметрии сети и выравниванию электрической нейтрали сетевого напряжения (U6, i6 (А, В, С)), а при значительной номинальной мощности предлагаемого устройства уравнивается фазная нагрузка сетевого трансформатора и практически полностью устраняется фазная асимметрия сетевого трансформатора. Стабилизация фазных токов трансформатора при возможных колебаниях параметров (амплитуды, частоты или фазы) напряжения питающей сети достигается регулированием ШИМ 28 ширины импульса по заданному алгоритму, образуя замкнутую систему управления устройством, ведомую сетью.
6
6
2
2
Возможна также реализация заявленного способа и устройства, при которой блок управления (9) с учетом угла сдвига фаз сетевого напряжения с помощью ШИМ 28 и драйвера ключей 29 формирует симметричное синусоидальное трехфазное напряжение с заданным углом сдвига фаз, несколько меньшим 120°, по управляющему сигналу U(в) замыкает силовые контакты коммутатора 19, включает в параллельную работу вторичную обмотку повышающего трансформатора 17 и питающую сеть 20. Блок управления 21 с помощью ШИМ 28 начинает увеличивать угол сдвига фаз до 120 электрических градусов, при этом ток в фазах с меньшей величиной сетевого напряжения изменит направление и начнет возрастать, а преобразованная электрическая энергия через замкнутые силовые контакты коммутатора 19 будет передаваться в питающую трехфазную сеть переменного тока 20. Электрическая энергии, отдаваемая в сеть, уменьшит нагрузку в данной фазе сетевого трансформатора и асимметрию сети, выравнивая электрическую нейтраль сетевого напряжения (U, i (А, В, С)). При значительной номинальной мощности предлагаемого устройства происходит выравнивание фазной нагрузки сетевого трансформатора и устранение фазной асимметрии сети. Стабилизация фазных токов трансформатора при возможных колебаниях параметров (амплитуды, частоты или фазы) напряжения питающей сети достигается регулированием ШИМ 28 угла сдвига симметричного синусоидального трехфазного напряжения (U, i) выхода автономного инвертора 15, при возрастании выходного тока трансформатора 17 выше номинальных значений уменьшается угол сдвига относительно 120°. При снижении выходного тока трансформатора 17 ниже номинальных значений увеличивается угол сдвига фаз относительно 120° и создается замкнутая система управления устройством, ведомым сетью.
Заявленная группа изобретений способствует созданию способа и устройства коммутации электрической энергии возобновляемых источников в трехфазную сеть переменного тока, обеспечивающих уменьшение асимметрии трехфазного переменного тока при передаче в сеть преобразованной энергии постоянного тока возобновляемых источников энергии и высокую надежность, исключающую влияние нестабильности фазных напряжений сети.