СИСТЕМА ДЛЯ АВТОНОМНОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ
SYSTEM FOR AUTONOMOUS POWER SUPPLY OF LOADS

Изобретение относится к ветроэнергетике, а именно к автономным системам электроснабжения, обеспечивающим потребителей качественной электрической энергией, удаленных от системы централизованного электроснабжения.
Известна автономная ветроэлектрическая установка (ВЭУ) (патент RU №2239722, 7 F03D 7/04, 7 F03D 9/00), в которой способ преобразования электродвижущей силы (ЭДС) аккумуляторной батареи (АБ) выбирается несколько ниже выпрямленной ЭДС неуправляемого выпрямителя в режиме максимальной скорости ветроколеса и максимальном токе возбуждения генератора, регулирование тока заряда ведут с помощью повышающего импульсного преобразователя постоянного тока по закону максимума отбираемой от ветроколеса мощности.
Недостатками данной установки являются низкая надежность электроснабжения из-за прекращения выработки электроэнергии при отсутствии ветра, зарядка АБ пульсирующим напряжением, полная разрядка АБ и прекращение электроснабжения потребителей при длительном отсутствии ветра.
Известна автономная система бесперебойного электроснабжения, использующая возобновляемый источник энергии (патент RU №2262790, 7 H02J 7/34, H02J 3/38, F03D 9/00), состоящая из двух независимых источников электроснабжения, соединенных между собой блоком переключения, функцию одного из них выполняет дизель-генераторная установка, снабженная системой автоматического регулирования активной мощности, функцию другого - синхронный компенсатор с устройством разгона и системой автоматического регулирования скорости, ветротурбина переменной скорости вращения, жестко связанная с многоскоростной асинхронной машиной, управляемой блоком выбора режима, задающего ее рабочую скорость в функции активной мощности, АБ, соединенная с синхронным компенсатором посредством двухкомплектного реверсивного тиристорного преобразователя, который при превышении мощности ветротурбины над мощностью нагрузки управляется в системе автоматической стабилизации скорости синхронного компенсатора, а в режиме, когда мощность ветротурбины меньше мощности нагрузки и АБ разряжена, - в системе стабилизации активной мощности дизель-генераторной установки.
Недостатками заявленной автономной системы являются большие капитальные затраты и потери энергии (система содержит четыре электрические машины), сложные пусконаладочные работы. Для преобразования электроэнергии применяется тиристорный преобразователь, который является генератором высших гармоник. Синхронный компенсатор работает на холостом ходу при отсутствии потребителей реактивной мощности.
В заявке (RU №2004129674, F03D 1/06, F03D 9/02) предлагается автономный ветроагрегат, в котором во время работы от аккумуляторной батареи периодически отключают не менее двух последовательно соединенных аккумуляторов. Измеряют их суммарную электродвижущую силу и поддерживают напряжение генератора на номинальном значении путем регулирования выходного напряжения управляемого выпрямителя в зависимости от результатов измерений.
Недостатками заявленного изобретения являются применение управляемого выпрямителя, при использовании которого ограничивается максимальный отбор мощности от генератора и создается резкопеременная нагрузка на валу ветроколеса; возникновение дополнительных потерь мощности при сглаживании изменяющихся в зависимости от скорости ветра пульсаций выпрямленного напряжения; некачественная зарядка аккумуляторной батареи. На выходе инвертора можно ожидать напряжение, искаженное по форме.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемой системе является устройство для автономного энергоснабжения потребителей (патент RU №2325551, F03D 9/00), содержащее ветроэнергетическую установку и синхронный генератор, приводимый во вращение двигателем внутреннего сгорания, за ветроэнергетической установкой подключен стабилизатор, между выпрямителем и автономным инвертором установлена аккумуляторная батарея, снабженная контроллером заряда, который подключен к реле запуска двигателя внутреннего сгорания и блоку управления, к ветроэнергетической установке подключен нагревательный элемент, установленный в баке-аккумуляторе, в который поступает неиспользуемая потребителем энергия от ветроустановки, устройство снабжено регулятором мощности тепловой нагрузки, системами управления автономным инвертором и стабилизатором.
Прототип имеет следующие недостатки.
1. При уменьшении скорости ветра ниже расчетной снижается не только амплитуда, но и частота напряжения, вырабатываемая генератором. Это приводит к увеличению потерь мощности и дополнительному нагреву сердечника стабилизатора при его работе.
2. Изменение коэффициента пульсаций выпрямленного напряжения вызывает погрешности в работе датчика стабилизатора, влияющего на величину стабилизируемого напряжения.
3. Заряд АБ выпрямленным пульсирующим напряжением снижает срок ее службы.
4. Питание инвертора выпрямленным пульсирующим напряжением приводит к получению на его выходе искаженной формы напряжения и соответственно некачественной электроэнергии.
Целью изобретения является расширение возможностей ВЭУ в выработке качественной электрической энергии, обеспечение требуемой надежности электроснабжения, снижение расхода органического топлива автономным источником питания (АИП), увеличение срока службы АБ.
Поставленная цель достигается тем, что в системе для автономного электроснабжения, содержащей ВЭУ, АБ и АИП, генератор ВЭУ для электроснабжения потребителей, подключенный к общей шине через стабилизатор, реле обратного тока, неуправляемый выпрямитель, инвертор, к общим шинам подключен АИП, снабженный синхронизатором и регулятором мощности, работающий на органическом топливе, к инвертору подключена АБ, которая может работать как самостоятельный источник питания, так и совместно с ВЭУ; в отличие от прототипа к управляющей и входной цепям инвертора подключен блок формирования сигналов (БФС), который генерирует сигналы в зависимости от величины и пульсации выпрямленного напряжения, которые подаются на управляющий вход инвертора для получения синусоидального напряжения на выходе инвертора. К АБ подключен блок управления режимами работы источников питания (БУР) для обеспечения требуемой надежности электроснабжения, включающий в себя реле времени, промежуточное реле, контакты реле тока и напряжения. Стабилизатор и реле обратного тока установлены за инвертором для поддержания напряжения заданной величины на стандартной частоте, что позволяет снизить потери мощности. АБ подключена к инвертору через диод и заряжается от двухступенчатого зарядного устройства, подключенного к общим шинам через контактор, что обеспечивает качественную зарядку и продление срока ее службы. В цепях автономного источника питания, потребителя электроэнергии и цепи заряда установлены реле тока, а за выпрямителем подключено реле напряжения, аккумуляторная батарея и выпрямитель подключены к инвертору через контакторы.
По имеющимся сведениям совокупность существенных признаков, характеризующих сущность заявленного изобретения, позволяющих получить новый положительный эффект - выработку качественной электрической энергии, обеспечение надежности электроснабжения и снижение расхода органического топлива путем согласования режимов работы источников питания, продление срока службы АБ не известна и не следует явным образом из уровня техники, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения критериям "новизна" и "изобретательский уровень".
Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых показаны принципиальная схема устройства (фиг.1) и схема управления режимами работы ВЭУ, АБ и АИП (фиг.2).
Система (фиг.1) включает ветроколесо 1, к которому присоединен вал синхронного генератора 2. Синхронный генератор 2 подключен к общим шинам 13 через выпрямитель 18, реле напряжения (KV1) 11, контактор (КМ3) 14, инвертор 15, стабилизатор 16, реле обратного тока 17. Между контактором (КМ3) 14 и инвертором 15 подключены БФС 20 и АБ 7. В цепи, связывающей АБ 7 с инвертором 15, установлены диод 6 и контактор (КМ1) 5. К общим шинам 13 подключены потребитель электроэнергии 21, в цепи которого установлено токовое реле (КА3) 19; АИП 3, в цепи которого установлено реле тока (КА1) 4; зарядное устройство 9, управляемое контактором (КМ2) 10. АБ 7 подключена к зарядному устройству 9 через реле тока (КА2) 8, между АБ 7 и диодом 6 подключен БУР 12.
Схема управления режимами ВЭУ, АИП 3 и АБ 7 (фиг.2) питается от АБ 7 и включает катушку контактора КМ1, в цепи которой установлены нормально замкнутые контакты КА1 и КТ1; катушку промежуточного реле КL1, в цепи которой установлен контакт КА2; катушку контактора КМ2, в цепи которой параллельно включены контакты КА3 и КМ 3; катушку контактора КМЗ, в цепи которого параллельно включены контакты КМ1 и KV1, и катушку реле времени КТ1, в цепи которой установлен контакт KL1.2.
Приведенная схема позволяет обеспечить надежное электроснабжение, экономию органического топлива и продлить срок службы АБ 7. Последнее достигается недопустимостью полного разряда АБ 7 и включением ее после полной зарядки только в том случае, когда отключен АИП 3.
Система для автономного электроснабжения потребителей работает следующим образом.
1. Электроснабжение потребителей от ВЭУ.
При достаточной скорости ветра вырабатываемое напряжение генератором 2 выпрямляется и подается на катушку реле (KV1) 11, которое своим контактом замыкает цепь катушки контактора КМ 3, для подключения выпрямителя 18 к инвертору 15 и БФС 20. АБ 7 подключена к инвертору через диод 6 и контактор (КМ1) 5, так как контакты КА1 и КТ1 замкнуты в цепи катушки КМ1.
Когда выпрямленное напряжение генератора 2 выше напряжения АБ 7 и диод 6 закрыт, инвертор 15 и БФС 20 получают питание от генератора 2. БФС 20 генерирует сигнал необходимой формы, который подается на управляющий вход инвертора для формирования синусоидального напряжения на выходе инвертора, к которому подключен стабилизатор, поддерживающий напряжение заданной величины на общих шинах 13. Электроэнергия подается к потребителям 21 и через контактор (КМ2) 10 к зарядному устройству 9, работающему в режиме «постоянная зарядка».
2. Электроснабжение потребителей от ВЭУ и АБ.
При снижении ветра скорость вращения ветроколеса 1 уменьшается и напряжение генератора 2 снижается. При определенной величине напряжения диод 6 открывается и подается питание к инвертору 15 от АБ 7. При этом генератор 2 отключается от нагрузки, что позволяет ветроколесу 1 увеличить скорость вращения на холостом ходу. Тогда напряжение генератора 2 увеличивается, диод 6 закрывается, электроснабжение осуществляется от ВЭУ. Во время совместной работы АБ 7 с ВЭУ она постепенно разряжается на нагрузку, при снижении ее заряда до минимально допустимого значения зарядное устройство 9 перейдет в режим «полная зарядка». В цепи заряда АБ 7 появляется ток, срабатывает реле тока (КА2) 8, замыкая цепь катушки промежуточного реле KL1, которое контактом KL1.1 дает команду на запуск АИП 3, а контакт KL1.2 замыкает цепь катушки реле времени КТ1. После пуска и синхронизации АИП 3 подает питание на общие шины 13 и протекающий ток вызывает срабатывание реле тока (КА1) 4, которое размыкает свой контакт КА1 в цепи контактора КМ1, что вызовет отключение АБ 7 от инвертора 15. В случае незапуска АИП 3, реле времени КТ1 по истечению выдержки времени обесточит цепь катушки контактора КМ1 и отключит АБ 7 от инвертора 15, что предотвращает полный разряд АБ 7.
3. Электроснабжение от АИП и ВЭУ.
При достаточной скорости ВЭУ работает совместно с АИП 3 с целью экономии органического топлива. При снижении скорости ветра и выпрямленного напряжения ниже заданной величины реле напряжения отключает генератор 2 от инвертора 15. АИП 3 продолжает работать, а реле обратного тока не допускает подачу напряжения от АИП 3 на стабилизатор 16.
После полного заряда АБ 7 зарядное устройство переходит в режим «постоянная зарядка», контакт реле тока КА2 разомкнет цепь катушки промежуточного реле, контакт которого обесточит катушку реле времени КТ1, что приведет к замыканию контакта КТ1 в цепи катушки контактора КМ1, и АБ 7 готова к работе. При работе на холостом ходу АИП 3 отключается по команде реле тока (КА1) 4, которое одновременно подает питание на катушку КМ1 и подключает АБ 7 к инвертору 15.
Для предотвращения саморазряда АБ 7 при отсутствии ветра и нагрузки контакт реле напряжения KV1 и контакт реле тока КА3, установленные параллельно в цепи катушки контактора (КМ2) 10, размыкаются и контактор (КМ2) 10 отключает зарядное устройство 9 от общих шин 13.
Таким образом, описанная система для автономного электроснабжения потребителей позволяет осуществлять электроснабжение потребителей качественной электрической энергией, обеспечить надежное электроснабжение потребителей и снизить потребление органического топлива АИП путем согласования режимов работы источников питания, продлить срок службы АБ.