ЭНЕРГООБЕСПЕЧИВАЮЩИЙ КОМПЛЕКС НА ОСНОВЕ АЛЬТЕРНАТИВНЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ

Предлагаемая полезная модель энергообеспечивающего комплекса (ЭОК) на основе альтернативных источников энергии относится к автономным энергетическим установкам, работающим на основе использования возобновляемых источников энергии совместно с источниками гарантированного энергоснабжения, и может быть использована для автономного гарантированного и бесперебойного энергоснабжения преимущественно в малонаселенных труднодоступных районах, удаленных от централизованного энергоснабжения.
Известна система для автономного электроснабжения потребителей (патент RU №2382900, МПК6: F03D 9/02, H02K 7/18, H02J 7/34), которая предназначена для обеспечения качественной электроэнергией потребителей, удаленных от системы централизованного электроснабжения, и в которой признаками, совпадающими с признаками заявляемой полезной модели являются ветроэлектрическая установка, выполняющая функцию выработки энергии, автономный источник питания на органическом топливе, выпрямитель, инвертор с блоком формирования сигналов и аккумуляторная батарея с блоком управления режимами источников питания. Однако, данная система решает задачу получения качественной энергии за счет расширения функциональных возможностей ветроэлектрической установки и не предполагает автоматизированного функционирования системы в отсутствие обслуживающего персонала, т.е. поставленную в заявляемой полезной модели задачу не решает.
Известна ветроэлектрическая установка с генератором переменного тока в сочетании с двигателем внутреннего сгорания (Безруких П.П., Сокольский А.К., Харитонов В.П. Системы гарантированного электроснабжения автономных потребителей на основе возобновляемых источников энергии // Энергообеспечение и энергосбережение в сел. хоз-ве. - М., 2003. -Ч.4. - С.3-8.), в которой при низкой скорости ветра выработка энергии идет за счет работы двигателя внутреннего сгорания, вращающего электрический генератор, от которого электроэнергия может напрямую поступает на нагрузку или через выпрямитель и зарядное устройство запасается в аккумуляторной батарее. С помощью инвертора постоянное напряжение преобразуется в переменное, обеспечивая питание нагрузки от аккумуляторной батареи во время остановки двигателя внутреннего сгорания.
Однако, данная установка имеет недостаточную мощность и низкую степень автоматизации, что не позволяет использовать ее в удаленных труднодоступных районах в отсутствии обслуживающего персонала.
Известно устройство, реализующее способ бесперебойного энергоснабжения Гусарова В.А. (патент RU №2257656, МПК7: H02J 3/28), которое может работать с возобновляемыми источниками энергоснабжения, однако, в нем предусмотрен режим ручного запуска двигателя, работающего на органическом топливе, а блок управления фактически реализует только функцию включения и выключения двигателя при превышении или снижении напряжения на аккумуляторной батарее, что, в конечном счете, не позволяет полностью решить задачу автономного использования устройства.
Известен выбранный в качестве прототипа многофункциональный комплекс на базе ветроэнергетической установки (Грибков С.В. Состояние и перспективы ветроэнергетики в России // Материалы конференции «Возобновляемые источники энергии». - М., 2010. - http://www.mattexpo.ru/about/arch/2010/presentation/gribkov.pdf), содержащий ветростанции, солнечную станцию, микро гидротурбину, или их комбинации, образующие модуль выработки энергии, дизель-генераторы, представляющие собой модуль гарантированного энергоснабжения, аккумуляторную станцию, инвертор, выпрямитель и системный контроллер.
В данном комплексе системный контроллер выполняет ту же функцию, что и блок управления в предыдущем способе Гусарова В.А., т.е. регистрирует уровень напряжения на аккумуляторных батареях и дает команду на включение и выключение двигателя в случае снижения или полного заряда аккумуляторных батарей. Кроме того, схема включения аккумуляторной батареи в буфер со стандартным выпрямителем пригодна только для негерметизированных батарей, которые не могут устанавливаться в автономных комплексах, тем более совместно с радиоэлектронной аппаратурой. Такой комплекс требует постоянного контроля со стороны обслуживающего персонала. Применение в комплексе подобного типа герметизированных батарей, рассчитанных на постоянный циклический режим работы, который должен быть реализован в автономных системах энергоснабжения, резко повышает требования:
- к многофункциональности эксплуатационных параметров контроля АКБ, оптимизации ее режимов заряда, разряда, аварийного отключения для исключенияполного разряда, недопустимого для АБ,
- созданию оптимальных температурных режимов эксплуатации как АКБ, так и других радиокомпонентов комплекса,
- полной автоматизации режимов функционирования и дистанционного контроля;
- обеспечения возможности дистанционного мониторинга, а, при необходимости, и управления энергообеспечивающим комплексом.
Задача, которая стояла перед авторами полезной модели - создать автономный, полностью автоматизированный энергообеспечивающий комплекс с максимально эффективным использованием возобновляемых источников энергии различных типов для обеспечения гарантированного и бесперебойного электропитания объектов при снижении расхода органического топлива, используемый в удаленных, труднодоступных районах в условиях длительного отсутствия обслуживающего персонала.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является создание автономного энергообеспечивающего комплекса электроснабжения на базе возобновляемых источников энергии с высокой степенью автоматизации за счет создания трехуровневой системы управления и контроля, а также дистанционного мониторинга.
Указанный технический результат достигается тем, что в энергообеспечивающий комплекс на основе возобновляемых источников энергии, содержащий модуль выработки энергии, включающий ветроэнергетическую установку, солнечную энергетическую установку, гидроэнергетическую установку или их комбинации, модуль гарантированного электроснабжения, содержащий, по меньшей мере, одну дизель-генераторную установку, аккумуляторную батарею, блок инверторный, автоматический переключатель источников питания и системный контроллер, выполненный с возможностью контроля и управления параметрами энергообеспечивающего комплекса, при этом силовой выход переменного тока модуля гарантированного электроснабжения подключен к первому входу автоматического переключателя источников питания, первый выход которого подключен к нагрузке, системный контроллер шиной контроля и управления соединен с управляющим входом автоматического переключателя источников питания и входом модуля гарантированного электроснабжения дополнительно введены блок датчиков токов, блок управляемых зарядных выпрямителей, блок задания режимов работы и устройство автоматического отключения, а также первый аппаратный контроллер, содержащий средства для управления, сбора, выдачи и записи данных параметров и текущего состояния блока зарядных выпрямителей, блока датчиков токов и устройства автоматического отключения, второй аппаратный контроллер, содержащий средства для управления блоком инверторным, при этом выход устройства автоматического отключения соединен со вторым входом блока инверторного, первый вход которого подключен к третьему выходу автоматического переключателя источников питания, при этом сигнальный вход первого аппаратного контроллера подключен к сигнальному выходу блока датчиков токов, первый управляющий выход подключен к управляющему входу блока зарядных выпрямителей, второй управляющий выход подключен к управляющему входу устройства автоматического отключения, первый и второй выходы постоянного тока модуля выработки энергии подключены к первому и второму входам блока датчиков токов соответственно, к третьему и четвертому входам блока датчиков токов подключены первый и второй выходы постоянного тока блока управляемых зарядных выпрямителей, первый и второй входы которого соединены соответственно с третьим выходом модуля выработки энергии и вторым выходом автоматического переключателя источников питания, пятый вход блока датчиков токов соединен с силовым выходом аккумуляторной батареи, выход блока датчиков токов соединен с сигнальным входом устройства автоматического отключения, выход которого соединен со вторым входом блока инверторного, выход которого подключен к нагрузке, шина контроля и управления второго аппаратного контроллера соединена с управляющим входом блока инверторного и с шиной управления и контроля системного контроллера, соединенного по каналу связи с удаленным терминалом, модуль выработки энергии, первый и второй аппаратные контроллеры, блок инверторный и блок задания режимов работы и система охранно-пожарной сигнализации соединены с системным контроллером через шину контроля и управления, при этом модуль гарантированного электроснабжения установлен в первый теплоизолирующий контейнер, а блок датчиков токов, блок управляемых зарядных выпрямителей, блок инверторный, устройство автоматического отключения, автоматический переключатель источников питания, первый и второй аппаратные контроллеры размещены во втором теплоизолирующем контейнере, при этом каждый контейнер снабжен блоками охранно-пожарной сигнализации, подключенными по шине контроля и управления к системному контроллеру.
Введение первого и второго аппаратных контроллеров, блока датчиков токов, блока управляемых зарядных выпрямителей, устройства автоматического отключения с соответствующими связями в совокупности с системным контроллером и мониторингом, а, при необходимости, и управлением с удаленного терминала, позволило организовать автоматизированное трехуровневое иерархическое управление энергообеспечивающим комплексом. Это в полной мере обеспечило решение поставленной задачи - снабжение потребителя автономным, гарантированным бесперебойным электропитанием в период длительного отсутствия обслуживающего персонала, т.е. с заданной степенью автономности функционирования комплекса.
Первый аппаратный контроллер при этом дополнительно содержит датчик температуры аккумуляторных батарей, измеритель напряжения аккумуляторных батарей, счетчик ампер-часов и таймер времени.
Ветроэнергетическая установка модуля выработки энергии содержит зарядный выпрямитель и первый блок балластных нагрузок с соответствующими связями, солнечная энергетическая установка подключена к блоку датчиков токов через согласующее устройство, а гидроэнергетическая установка содержит, регулятор напряжения и блок балластных нагрузок с соответствующими связями. Зарядный выпрямитель, согласующее устройство и регулятор напряжения могут быть размещены во втором теплоизолирующем контейнере.
При этом вся совокупность существенных признаков, характеризующих сущность заявляемой полезной модели и позволяющая решить поставленную задачу - обеспечить потребителя автономным гарантированным и бесперебойным энергоснабжением в удаленных, труднодоступных районах в условиях длительного отсутствия персонала, не известна, что позволяет считать полезную модель соответствующей критерию «новизна».
Сущность полезной модели поясняется чертежами.
На фиг.1 представлена структурная схема энергообеспечивающего комплекса на альтернативных источниках энергии.
На фиг.2 - структурная схема прототипа.
На фиг.3а, 3б, 3в - блок-схемы реализации энергетических установок модуля выработки энергии.
На фиг.4 - алгоритм работы системного контроллера ЭОК
Энергообеспечивающий комплекс по фиг.1 содержит
1 - модуль выработки энергии (МВЭ);
2 - ветроэнергетическую установку (ВЭУ);
3 - солнечную энергетическую установку (СЭУ);
4 - гидроэнергетическую установку (ГЭУ);
5 - модуль гарантированного электроснабжения (МГЭ);
6 - аккумуляторную батарею (АБ);
7 - блок датчиков токов (БДТ);
8 - автоматический переключатель источников питания (АПИП);
9 - системный контроллер ЭОК (СК);
10 - нагрузку;
11 - блок управляемых зарядных выпрямителей (БУЗВ);
12 - блок инверторный (БИ);
13 - первый аппаратный контроллер (АК);
14 - второй аппаратный контроллер;
15 - устройство автоматического отключения (УАО);
16 - блок задания режимов работы (БЗРР);
17-1 - первый блок охранно-пожарной сигнализации (БОПС).
17-2 - второй блок охранно-пожарной сигнализации;
18 - первый теплоизолирующий контейнер;
19 - второй теплоизолирующий контейнер.
На фиг.3а представлена блое-схема реализации ветроэнергетической установки, где 20 - ветрогенератор (например, типа «Бриз-5000»), 21 - зарядный выпрямитель, 22 - блок балласных нагрузок.
На фиг.3б представлена блок-схема реализации солнечной энергетической установки (например, на модулях солнечных типа MSW-170/85), где 23-1, 23-2 - солнечные панели, 24 - согласующее устройство.
На фиг.3в представлена блок-схема реализации гидроэнергетической установки, где 25 - гидрогенератор (например, микро-ГЭС-Пр10), 26 - регулятор напряжения, 27 - блок балластных нагрузок.
Для рассеивания вырабатываемой энергии, не востребованной нагрузкой, в состав ВЭУ «Бриз-5000» и ГЭУ микро-ГЭС - микро-ГЭС-Пр10 включены блоки балластных нагрузок (ББН22 и ББН27), выход на которые организован через зарядный выпрямитель ЗВ21 и регулятор напряжения РН26 соответственно.
Модуль гарантированного электроснабжения МГЭ может быть выполнен на одной или двух дизель-генераторных установках (ДГУ), например, ДГУ P14-4S фирмы Wilson. В приведенном примере реализации использованы две ДГУ.
Установка модуля гарантированного электроснабжения МГЭ5 в первый теплоизолирующий контейнер 18, а блока датчиков токов БДТ7, блока управляемых зарядных выпрямителей БУЗВ11, блока инверторного БИ12, аккумуляторной батареи АБ6, устройства автоматического отключения УАО15, автоматического переключателя источников питания АПИП8, первого АК13 и второго АК14 аппаратных контроллеров, во второй теплоизолирующий контейнер с блоками охранно-пожарной сигнализации (БОПС 17-1 и БОПС 17-2), установленными в каждом контейнере и управляемых системным контроллером СК9, позволяет повысить автономность комплекса и оптимизировать условия эксплуатации АБ6 и радиоэлектронной аппаратуры комплекса, обеспечивая тем самым, возможность эксплуатации комплекса вцелом, практически, в любых возможных регионах размещения. Для оптимизации условий эксплуатации радиоэлектронных компонентов ВЭУ2, СЭУ3, ГЭУ4, входящие в их состав зарядный выпрямитель ЗВ21, согласующее устройство СУ24 СЭУ3, регулятор напряжения РН26 предлагается также установить во второй теплоизолирующий контейнер, который, при необходимости, может быть легко дополнен автономной системой кондиционирования.
ЭОК предназначен для эксплуатации в круглосуточном, непрерывном режиме и не требует постоянного присутствия обслуживающего персонала. Электрическая энергия, выработанная альтернативными источниками энергоснабжения (ВЭУ2, СЭУ3, ГЭУ4), после преобразования в электрическое напряжение постоянного тока, поступает на соответствующие входы блоков ЭОК и расходуется как на питание потребителей, так и на собственное потребление блоков ЭОК, а также на заряд АБ6. Блок инверторный БИ12 ЭОК, в зависимости от требований потребителя преобразует энергию постоянного тока в трехфазную или однофазную сеть переменного тока 380/220 В, 50 Гц, поступающую на нагрузку. В случае недостаточности выработанной энергии альтернативными источниками, недостающую часть энергии для питания нагрузки обеспечивает АБ6.
В ЭОК для преобразования и резервного накопления в аккумуляторной батарее электроэнергии, получаемой от автономных источников питания, в том числе ВЭУ2, СЭУ3, ГЭУ4, МГЭ5, и последующего преобразования накопленной электроэнергии постоянного напряжения в бесперебойную сеть переменного напряжения предназначены блок датчиков токов БДТ7, блок управляемых зарядных выпрямителей БУЗВ11, автоматический переключатель источников питания АПИП8, блок инверторный БИ12 и устройство автоматического отключения УАО15, работающие по управляющим сигналам первого и второго аппаратных контроллеров АК13 и АК14, системного контроллера СК9 и удаленного терминала.
Системный контроллер СК9 ЭОК представляет собой устройство управления, сбора и обработки данных и предназначен для управления режимами работы ЭОК, осуществления постоянного опроса состояния и режимов работы оборудования (нижний уровень контроля и управления, к которому относятся оба аппаратных контроллера АК13, 14, блок датчиков токов БДД7, блок задания режимов работы БЗРР16, первый и второй блоки пожарно-охранной сигнализации БОПС17-1, 17-2, не показанные на фиг.1, 2, 3 панель управления второй степени автоматизации ДГУ, сигнальные контакты всех коммутационных элементов комплекса, и т.п.), входящего в состав ЭОК в целом, передачи данных о состоянии оборудования ЭОК в удаленный терминал, а также приема команд управления от удаленного терминала к оборудованию ЭОК, в том числе команд по переводу ЭОК в один из предусмотренных режимов работы.
Для приема сигналов от оборудования ЭОК в системном контроллере СК9 ЭОК организованы коммуникационные порты, сконфигурированные для работы в режиме последовательных интерфейсов типа RS-232 и RS-485 (на фиг.1 не показаны). Для формирования и передачи информации о состоянии оборудования ЭОК в удаленный терминал и приема команд управления от него в СК9 используется интерфейс типа Ethernet.
Системный контроллер работает в соответствии с алгоритмом, приведенным на фиг.4.
В момент старта по сигналу с удаленного терминала на энергообеспечивающий комплекс подается питание и задается дистанционный режим работы ЭОК.
Системный контроллер СК9 ЭОК осуществляет одновременный (параллельный) опрос первого аппаратного контроллера АК13, второго аппаратного контроллера АК14, ДГУ МГЭ5. При подаче питания в первый аппаратный контроллер АК13 через блок датчиков токов БДТ 7 поступают данные о параметрах модуля выработки энергии МВЭ1, модуля гарантированного электроснабжения МГЭ5 и аккумуляторной батареи АБ6. Параметры состояния модуля выработки энергии, модуля гарантированного энергоснабжения и аккумуляторной батареи поступают также по шине контроля и управления в системный контроллер СЛ9.
По управляющему сигналу от системного контроллера СК9 первый аппаратный контроллер АК13 анализирует уровень заряженности АБ6 для выдачи команды на запуск и остановку дизель-генератора МГЭ5, сбора и выдачи информации о параметрах на системный контроллер СК9 ЭОК. Если АБ6 заряжена полностью, АК13 выдает сигнал на отключение ДГУ МГЭ5, переключение автоматического переключателя источников питания АПИП8 и передачу данных о состоянии МГЭ5.. СК9 выдает сигнал управления на второй аппаратный контроллер АК14, который переключает блок инверторный БИ12 на питание нагрузки от сети постоянного тока. При этом данные об отключении МГЭ5 и переключении на питание от сети постоянного тока передаются через системный контроллер СК9 на удаленный терминал, который подает сигнал на задание режимов работы ЭОК блоку задания режимов работы БЗРР16. БЗРР16 может быть выполнен в виде панели управления с автоматическими переключателями «Зима/лето», «Рабочий», «Экономия», «Ожидание», «Прогрев».
В режиме «Рабочий» по сигналу управления от СК9 производится включение приборов обогрева ДГУ МГЭ5, данные о готовности МГЭ5 к работе поступают в СК9, и АК13 анализирует уровень заряженности АБ6.
В случае, когда по каким-либо причинам, в «Рабочем» режиме работы электроэнергии, вырабатываемой альтернативными источниками и ДГУ, недостаточно (авария ДГУ и т.п.), и происходит постепенный разряд АБ6, БДТ7 подает сигнал на АК13, который выдает сигнал управления, по которому, в целях предохранения АБ6 от глубокого разряда, срабатывает устройство автоматического отключения УАО15 (например, выполненное в виде реле), при этом второй аппаратный контроллер АК14 отключает блок инверторный БИ12. Соответственно, в это нештатном режиме отключается нагрузка ЭОК. Таким образом, блоки преобразования и накопления электроэнергии ЭОК переходят в режим работы, при котором электроэнергия, выработанная альтернативными источниками, расходуется только на заряд АБ6. При достижении заданного алгоритмом напряжения на АБ6, контроллер АК14 подключает БИ12. Системный контроллер СК9 переводит блоки в «Рабочий» режим работы и питает нагрузку.
В режиме «Экономия» в зависимости от состояния автоматического переключателя «Зима/лето» либо включаются только приборы электрического обогрева одной ДГУ МГЭ5, либо электрический обогрев обеих ДГУ отключается. Данные о состоянии МГЭ5 поступают в СК9, который выдает команду АК13 на проверку заряженности АБ6.
Режим «Ожидание» используется для перевода ЭОК в режим минимального потребления электроэнергии. При этом отключаются приборы обогрева обеих ДГУ МГЭ5. Данные о состоянии МГЭ5 также поступают в СК9, который выдает команду АК13 на проверку заряженности АБ6.
Режим «Прогрев» используется для перевода модуля гарантированного энергоснабжения МГЭ5 в рабочее состояние после монтажа, расконсервации или длительного пребывании в полностью выключенном состоянии. При активации данного режима последовательно в соответствии с заданным алгоритмом автоматически включается режим подогрева охлаждающей жидкости и после прогрева до температуры плюс 40°С отключается, ДГУ готов к запуску, данные о состоянии ДГУ поступают в СК9, начинается цикл проверки заряженности аккумуляторной батареи.
В случае полного разряда аккумуляторной батареи СК9 выдает сигнал на отключение всех нагрузок (если уровень разряда ниже 10%), либо выдает сигнал на АК14 на отключение только блока инверторного БИ12 (если уровень разряда ниже 20%). Данные о состоянии поступают в СК9, который передает управление первому аппаратному контроллеру АК13 для заряда АБ6. По управляющему сигналу АК13 выбирается предпочтительная ДГУ МГЭ5 (имеющая меньший ресурс наработки или больший запас топлива), производится проверка готовности к запуску и апуск ДГУ. При успешном запуске ДГУ системный контроллер переключает автоматический переключатель источников питания АПИП8 и подает команду на второй аппаратный контроллер АК14, который переключает блок инверторный БИ12 на работу от сети переменного тока. Цикл работы повторяется.
ЭОК может функционировать и в ручном режиме управления при подаче соответствующего сигнала с удаленного терминала. Например, при проведении регламентных или ремонтных работ на компонентах комплекса без отключения нагрузки, заправке дизельным топливом, которое по требованиям пожарной безопасности возможно только на остановленном дизеле и т.п. При этом, часть функций автоматического управления блокируется, допуская такой режим работы.
Таким образом, предлагаемый ЭОК позволяет обеспечить без присутствия обслуживающего персонала круглосуточную автономную работу в автоматическом режиме начиная от номинальной нагрузки и вплоть до холостого хода с заданной нестабильностью сети питания за счет реализации трехуровневого иерархического управления и автоматизированного дистанционного контроля в течение 30 суток без пополнения запаса дизельного топлива, при использовании двух ДГУ модуля гарантированного электроснабжения и, например, среднемесячной скорости ветра, равной 7,5 м/с.