ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС

Полезная модель «Энергетический комплекс» относится к электроэнергетике и, в частности, к энергетическим комплексам, вырабатывающим электроэнергию стабильной частоты и стабильного напряжения при использовании первичных двигателей с переменной скоростью вращения. Такие комплексы находят применение для автономного или резервного питания потребителей электроэнергии в тех районах, где централизованное электропитание отсутствует или недостаточно надежно, например, для вдольтрассовых потребителей магистрального транспорта газа и в технологических процессах подготовки газа.
Известно устройство (патент РФ №34817 на полезную модель, МПК H02J 3/00, 3/46, 2003 г.), вырабатывающее электроэнергию стабильной частоты и стабильного напряжения, содержащее первичный двигатель внутреннего сгорания (ДВС), снабженный регулятором скорости вращения, синхронный генератор, преобразователь частоты, установленный на выходе синхронного генератора, датчик выходной активной мощности, датчик скорости вращения первичного двигателя и микропроцессорную систему управления, к соответствующим входам которой подключены выходы указанных датчиков, снабженную выходом, подключенным к входу регулятора скорости вращения первичного двигателя.
Недостаток данного устройства - повышенный расход топлива при переменных нагрузках из-за потерь в преобразователе частоты при нагрузках, близких к номинальной, и из-за того, что при любых нагрузках необходимо использовать первичный двигатель, потребляющий топливо.
ном
max
max
ном
ном
ном
ном
max
Известна автономная электростанция в виде энергетического комплекса (патент РФ на полезную модель №75793 МПК H02J 3/00, H02J 3/46, 2008 г.), содержащего первый двигатель на основе ветряной или гидравлический энергии, снабженный автоматическим регулятором скорости вращения, первый синхронный генератор, приводимый во вращение первым двигателем, второй двигатель, выполненный в виде двигателя внутреннего сгорания, снабженный управляемым регулятором скорости вращения, второй синхронный генератор, приводимый во вращение вторым двигателем, шину постоянного тока, к которой через выпрямители подключены выходы первого и второго синхронных генераторов, инвертор, вход которого соединен с шиной постоянного тока, а выход предназначен для подключения нагрузки, коммутатор, включенный между выходами второго синхронного генератора и инвертора, датчик мощности Р второго синхронного генератора, датчик скорости ω вращения первого двигателя, датчик положения автоматического регулятора скорости вращения первого двигателя и микропроцессорную систему управления, к соответствующим входам которой подключены выходы указанных датчиков, выполненную с возможностью формирования сигналов в функции мощности Р, скорости ω и значения Z, характеризующего положение автоматического регулятора скорости вращения первого двигателя, при этом в диапазоне Р<kP микропроцессорная система управления формирует на первом ее выходе, подключенном к управляющему входу коммутатора, отключающий сигнал, на втором ее выходе, подключенном к входу регулятора скорости вращения второго двигателя, при Z<Z - сигнал, соответствующий остановке или холостому ходу второго синхронного генератора, и при Z=Z и ω<ω - сигнал, соответствующий оптимальной по минимуму расхода топлива зависимости скорости вращения второго двигателя от мощности Р, а в диапазоне P>kP микропроцессорная система управления формирует на первом выходе включающий сигнал, на втором ее выходе - сигнал, соответствующий номинальной скорости вращения второго двигателя, где Р - номинальная мощность второго двигателя, ω - номинальная скорость вращения второго двигателя, Z - значение Z, соответствующее максимуму полезной мощности первого двигателя, k - меньше или равно 1.
Однако данный энергетический комплекс не учитывает изменение скорости вращения ветротурбины (первого двигателя) в функции скорости ветра по закону съема максимума мощности ветрового потока путем регулирования тока возбуждения первого синхронного генератора. Это приводит к повышенному расходу топлива ДВС и недоиспользованию энергетической мощности, вырабатываемой ветротурбиной.
Решаемая задача - снижение расхода топлива ДВС при скоростях ветра, изменяющихся в широких пределах.
Техническим результатом использования данной полезной модели является экономия углеводородного топлива при меняющейся в широких пределах скорости ветра за счет съема максимума мощности ветрового потока путем регулирования тока возбуждения первого синхронного генератора энергетического комплекса.
ном
max
max
ном
ном
ном
ном
max
Указанный результат достигается тем, что в энергетический комплекс, содержащий первый двигатель на основе ветряной или гидравлический энергии, снабженный автоматическим регулятором скорости вращения, первый синхронный генератор, приводимый во вращение первым двигателем, второй двигатель, выполненный в виде двигателя внутреннего сгорания, снабженный управляемым регулятором скорости вращения, второй синхронный генератор, приводимый во вращение вторым двигателем, шину постоянного тока, к которой через выпрямители подключены выходы первого и второго синхронных генераторов, инвертор, вход которого соединен с шиной постоянного тока, а выход предназначен для подключения нагрузки, коммутатор, включенный между выходами второго синхронного генератора и инвертора, датчик мощности Р второго синхронного генератора, датчик скорости ω вращения первого двигателя, датчик положения автоматического регулятора скорости вращения первого двигателя и микропроцессорную систему управления, к соответствующим входам которой подключены выходы указанных датчиков, выполненную с возможностью формирования сигналов в функции мощности Р, скорости ω и значения Z, характеризующего положение автоматического регулятора скорости вращения первого двигателя, при этом в диапазоне Р<kP микропроцессорная система управления формирует на первом ее выходе, подключенном к управляющему входу коммутатора, отключающий сигнал, на втором ее выходе, подключенном к входу регулятора скорости вращения второго двигателя, при Z<Z - сигнал, соответствующий остановке или холостому ходу второго синхронного генератора, и при Z=Z и ω<ω - сигнал, соответствующий оптимальной по минимуму расхода топлива зависимости скорости вращения второго двигателя от мощности Р, а в диапазоне Р>kР микропроцессорная система управления формирует на первом выходе включающий сигнал, на втором ее выходе - сигнал, соответствующий номинальной скорости вращения второго двигателя, где Р - номинальная мощность второго двигателя, ω - номинальная скорость вращения второго двигателя, Z - значение Z, соответствующее максимуму полезной мощности первого двигателя, k - меньше или равно 1, введены цифровой тиристорный возбудитель и дополнительный контур регулирования тока возбуждения первого синхронного генератора по сигналу с третьего выхода микропроцессорной системы управления на вход цифрового тиристорного возбудителя этого генератора.
Соблюдение оптимальных параметров энергетического комплекса по закону съема максимума мощности ветрового потока в функции скорости ветра обеспечивается путем автоматического регулирования тока возбуждения первого синхронного генератора.
Энергетический комплекс содержит следующие блоки:
1 - первый двигатель, выполненный на основе возобновляемой (ветряной или гидравлический) энергии;
2 - автоматический регулятор скорости вращения двигателя 1;
3 - первый синхронный генератор, приводимый во вращение двигателем 1;
4 - второй двигатель, выполненный как ДВС, например дизельный двигатель;
5 - управляемый регулятор скорости вращения двигателя 4;
6 - второй синхронный генератор, приводимый во вращение двигателем 4;
7 - шина постоянного тока;
8 и 9 - выпрямители (управляемые или неуправляемые), через которые к шине 7 подключены выходы генераторов 3 и 6 соответственно;
10 - инвертор, вход которого подключен к шине 7, а выход предназначен для подключения нагрузки;
11 - коммутатор, включенный между выходами генератора 6 и инвертора 10;
12, 13 и 14 - датчики мощности Р генератора 6, скорости вращения ω двигателя 3 и характеризуемого величиной Z положения регулятора 2 соответственно;
15 - микропроцессорная система управления, к соответствующим входам которой подключены датчики 12, 13 и 14;
16 - первый выход системы 15, подключенный к управляющему входу коммутатора 11;
17 - второй выход системы 15, подключенный к входу регулятора 5;
18 - третий выход системы 15, подключенный к входу цифрового тиристорного возбудителя 19;
19 - цифровой тиристорный возбудитель первого синхронного генератора 3.
Устройство работает следующим образом.
Двигатель 1 приводит во вращение синхронный генератор 3, вырабатывающий переменной напряжение, частота которого определяется скоростью ω вращения двигателя 1. В условиях естественных колебаний скорости ветра или напора воды регулятор 2 автоматически ограничивает и стабилизирует скорость вращения двигателя 1. Регулятор 2 может быть выполнен, например, в виде тормозного устройства, в виде балластной электрической нагрузки генератора 3 или в виде снабженного приводом механизма поворота лопастей двигателя 1.
Переменное напряжение с выхода генератора 3 подается на выпрямитель 8. С выхода выпрямителя 8 напряжение постоянного тока подается на шину 7, которая является общей для выпрямителей 8 и 9.
Двигатель 4 приводит во вращение синхронный генератор 6, вырабатывающий переменное напряжение, частота которого определяется скоростью вращения двигателя 4. Напряжение генератора 4, через выпрямитель 9 поступает на шину 7, а через коммутатор 11 может быть подано непосредственно в нагрузку, которая также питается с выхода инвертора 10, преобразующего постоянное напряжение на шине 7 в переменное.
Система 15 управления, анализируя сигналы с датчиков 12, 13 и 14, формирует на выходах 16 и 17 сигналы, управляющие коммутатором 11 и регулятором 5 соответственно. Кроме того, для обеспечения требуемых стабильных значений напряжения и частоты на нагрузке электростанции система 15 осуществляет необходимые управляющие воздействия на возбуждение генераторов 3, 6, выпрямители 8, 9 (если они выполнены управляемыми) и инвертор 10, используя соответствующие связи, не показанные на фиг.1 для упрощения чертежа.
ном
ном
Если величина мощности Р, измеряемой датчиком 12, не превышает некоторого значения, например, kP, где Р - номинальная мощность двигателя 6, a k≤1, система 15 формирует на выходе 16 отключающий сигнал, удерживающий коммутатор 11 в разомкнутом состоянии. При этом электроэнергия в нагрузку поступает от инвертора 10 (первый режим работы).
ном
При увеличении мощности Р, измеряемой датчиком 12, до значения Р>kP система 15 формирует на выходе 16 сигнал, включающий коммутатор 11 и удерживающий его в замкнутом состоянии (второй режим работы). При этом электроэнергия в нагрузку поступает от инвертора 10 и от генератора 6, которые в этом случае работают параллельно. Замыканию коммутатора 11 предшествует процедура синхронизации напряжений на выходах генератора 6 и преобразователя 10 (по уровню, частоте и фазе), которую система 15 осуществляет с помощью управляющих воздействий по выходу 17 на регулятор 5, а также воздействий на другие блоки схемы с использованием вышеупомянутых связей, не показанных на фиг.1.
Система 15 формирует в первом и втором режимах работы сигнал на выходе 17, подключенном к входу регулятора 5, следующим образом.
ном
В первом режиме работы (Р<kP) система 15, анализируя сигналы о величинах Z и ω с датчиков 13 и 14 соответственно, формирует на выходе 17 один из двух управляющем сигналов:
max
- при Z<Z (независимо от значения ω) - сигнал, соответствующий остановке двигателя 4 или холостому ходу генератора 6;
max
ном
ном
max
- при Z=Z и ω<ω - сигнал, соответствующий оптимальной по минимуму расхода топлива зависимости скорости вращения ДВС 4 от его мощности, где ω - номинальная скорость вращения ДВС 4, Z - значение Z, соответствующее максимуму полезной мощности, отдаваемой двигателем 1 в нагрузку (балласт отключен, торможение снято, угол поворота лопастей оптимален).
ном
Во втором режиме работы (Р≥kP) система 15 формирует на выходе 17 сигнал, соответствующий номинальной скорости вращения ДВС 4.
Экономия топлива при выполнении устройства согласно полезной модели обеспечивается:
ном
- в первом режиме (Р<kP) благодаря тому, что ДВС 4 используется для питания нагрузки только в тех случаях, когда исчерпаны возможности двигателя 1, не расходующего топливо, и благодаря тому, что управляющее воздействие на выходе 17. подключенном к регулятору 5, формируется системой 15 в соответствии с оптимальной по минимуму расхода топлива зависимостью скорости вращения ДВС 4 от его мощности, меняющейся вместе с измеряемой датчиком 12 мощностью Р в зависимости от величины электрической нагрузки;
ном
- во втором режиме (Р>kР) благодаря тому что включение коммутатора 11 выводит выпрямитель 9 и инвертор 10 из цепи передачи энергии генератора 6 в нагрузку и, тем самым, исключает потери энергии в выпрямителе 9 и инверторе 10.
Изменение скорости вращения ветротурбины (первого двигателя) в функции скорости ветра учитывается датчиком вращения 2 синхронного генератора 1 и по закону съема максимума мощности ветрового потока в микропроцессорной системе управления 15 вычисляется требуемое значение тока возбуждения первого синхронного генератора, которое по цепи 18 подается на цифровой тиристорный возбудитель 19. При этом обеспечивается максимальная экономия топлива, расходуемого вторым двигателем 4.
В результате проведенных исследований было установлено, что значения k, обеспечивающие максимальную экономию топлива, и вид оптимальной по минимуму расхода топлива зависимости скорости вращения двигателя от его мощности определяются конкретным типом ДВС или дизелем, используемым в качестве двигателя 4. Поэтому значения k и соответствующие зависимости оптимальной скорости вращения от мощности для различных типов ДВС могут быть предварительно введены в систему 15, которую целесообразно выполнить программируемой.