Комплектное устройство распределения и преобразования электроэнергии

Техническое решение относится к области преобразовательной электронной техники и может быть использовано при создании солнечных инверторов для автономных источников электроэнергии.
Солнечные инверторы хорошо известны из уровня техники. Стандартными элементами для таких устройств являются: модуль постоянного тока (входной сигнал), инверторный модуль и модуль переменного тока (выходной сигнал) связанные с трансформатором.
Модуль постоянного тока включает в себя ряд фотоэлектрических элементов, которые обеспечивают вход постоянного тока (DC) на силовые инверторы. В модуле силовых инверторов используется ряд электронных ключей, в частности изолированных биполярных транзисторов (IGBT), для преобразования постоянного тока на входе в переменный ток (AC) на выходе.
Для инверторов, подающих электроэнергию в электрическую сеть, модуль переменного тока обеспечивает выход переменного тока в форме, соответствующей току электрической сети общественного потребления.
Очень часто солнечные электростанции устанавливают на значительных территориях со сложными климатическими условиями, что вызывает определенные сложности в их обслуживании и требует использования оборудования приспособленного к непрерывной автономной работе в сложных условия эксплуатации.
Ведущие производители солнечных инверторов используют компоновку устройства в виде блок-бокса, что позволяет использовать комплектное устройство распределения и преобразования электроэнергии в различных климатических условиях, обеспечивая защиту от воздействия вредоносных факторов окружающей среды.
Из уровня техники известен многоуровневый повышающий трехфазный преобразователь постоянного напряжения в трехфазное промышленной частоты, патент РФ №2537506 от 19.11.2012, МПК H02M 7/497. Описанное в патенте №2537506 устройство содержит общий источник постоянного напряжения в виде солнечной батареи, соединенный с однофазным мостовым автономным инвертором, и трехфазный преобразователь частоты ячейкового типа, состоящий из многообмоточного трансформатора, выпрямительно-инверторных ячеек, системы управления, датчиков тока, напряжения и задатчика регулируемой величины. Однофазный мостовой автономный инвертор выполнен высокочастотным, к его выходу подключен трехфазный преобразователь частоты ячейкового типа, трансформатор которого выполнен высокочастотным однофазным многообмоточным и его вторичные обмотки соответственно соединены с входами однофазных выпрямительно-инверторных ячеек, состоящих из последовательно соединенных однофазных выпрямителя и инвертора. Вторичные обмотки согласующего трансформатора предназначены для подключения к электросети энергосистемы.
К недостаткам указанного технического решения можно отнести использование однофазных выпрямителя и инвертора с их последовательным соединением, что может привести к значительной потере мощности устройства при выходе из строя одного из указанных элементов конструкции.
Также из патента на изобретение №2606383 от 01.09.2015, МПК H02M7/493 известен инвертор для солнечных электростанций содержащий блок солнечных батарей, подключенных к преобразователю энергии. Первый параллельно подключенный силовой модуль преобразователя энергии соединен с первой первичной обмоткой трансформатора, второй параллельно подключенный силовой модуль преобразователя энергии соединен с второй первичной обмоткой трансформатора, первичные обмотки трансформатора включены встречно по отношению друг к другу. Вторичная обмотка трансформатора параллельно подключена к последовательно соединенным резистору и суперконденсатору.
К недостаткам описанного технического решения можно отнести низкую надежность устройства, так как при выходе из строя одного из силовых модулей, инвертор теряет 50 % мощности.
Из патента США на изобретение №US9420732B2 от 13.06.2012 известен солнечный инвертор, содержащий корпус, в состав которого входит  охлаждающий модуль, модуль постоянного тока, инверторный модуль и модуль переменного тока. Модуль охлаждения, модуль постоянного тока, модуль инвертора и модуль переменного тока установлены в корпусе друг за другом бок о бок. Модуль постоянного тока содержит вход, выключатель и выход. Инверторный модуль содержит вход, соединенный с выходом модуля постоянного тока и выход, причем модуль инвертора сконфигурирован для преобразования мощности постоянного тока на входе инверторного модуля в мощность переменного тока на выходе модуля инвертора.
Модуль переменного тока содержит вход, соединенный с выходом модуля инвертора. Выключатель отключения модуля переменного тока предусмотрен на внешней стороне корпуса. Модуль охлаждения сконфигурирован для откачки охлаждающей жидкости вокруг солнечного инвертора для охлаждения одного или нескольких элементов модуля постоянного тока, модуля инвертора и / или модуля переменного тока.
К недостаткам описанного технического решения можно отнести выполнение устройства с жидкостной системой охлаждения, что существенно усложняет его конструкцию и себестоимость, также данная система нуждается в регулярном техническом обслуживании, что может ограничить возможность ее эксплуатации.
Из уровня техники известны солнечные инверторы производства АВВ, в частности, в качестве ближайшего аналога принят инвертор ABB megawatt station PVS800-MWS – 1 to 2.4 MW, известный из официального сайта производителя:http://www.abb.de/abblibrary/DownloadCenter/?showresultstab=true&QueryText=wechselrichter (13.08.2018).
Согласно техническому описанию комплектное устройство распределения и преобразования электроэнергии, связанное с источником постоянного тока, содержит корпус на базе стандартного 40-f контейнера в исполнении блок-бокс, разделенный на отсеки вводной коммутации и выводной ячейки, а также отсеки силовых инверторов и трансформатора с общей системой обогрева и вентиляции с микропроцессорной системой регулирования. Трансформатор реализован в сухом исполнении с двумя вторичными обмотками, подключенными соответственно к двум силовым модулям.
К недостаткам описанного технического решения можно отнести выполнения устройства в корпусе из стали, что усложняет терморегулирование внутри корпуса и требует установки более мощных систем вентиляции и обогрева. Также выполнение устройства с двумя силовыми модулями существенно снижает надежность его работы, так как при выходе из строя одного из силовых модулей, инвертор теряет 50 % мощности.
Технической задачей, на решение которой направлена заявляемая полезная модель, является создание надежного и удобного в эксплуатации комплектного устройства распределения и преобразования электроэнергии в исполнении блок-бокс повышенной мощности, оснащенного аффективными системами обогрева и вентиляции.
Технический результат, достигнутый от реализации заявляемой полезной модели, заключается в расширении диапазона эксплуатационных температур в пределах –60 +40°С.
Сущность заявляемого технического решения заключается в том, что отсеки трансформатора и силовых инверторов расположены друг возле друга и выполнены дополнительно каждый со своим отсеком вентиляции. Отсек трансформатора выполнен с возможностью размещения трансформатора в исполнении сухого типа с расщепленной вторичной обмоткой, состоящей из n-обмоток, и принудительным воздушным охлаждением трансформатора внутри отсека. Отсек силовых инверторов выполнен с возможностью размещения ячеек силовых инверторов и синусного фильтра, при этом ячейки силовых инверторов содержат выделенные воздушные каналы, обеспечивающие их продув с подачей и отводом воздуха через свой отсек вентиляции. Отсеки вентиляции трансформатора и ячеек силовых инверторов оснащены вытяжными центробежными вентиляторами с регулируемой скоростью вращения и воздушными электрообогревателями, а также воздушными фильтрами и заслонками, выполненными с возможностью регулирования притока-оттока воздуха, а также обеспечения рециркуляции воздуха внутри блок-бокса, при этом воздушные электрообогреватели обеспечивают подогрев как приточного воздуха, так и внутреннего объема блок-бокса.
Вторичная обмотка трансформатора содержит n-обмоток, причем n≥3 в частности вторичных обмоток может быть шесть и более, также одна из указанных обмоток является обмоткой собственных нужд устройства.
Блок-бокс оснащен системой отопления, вентиляции, освещения, пожарной сигнализации и пожаротушения. Элементы корпуса выполнены в виде навесных трехслойных сендвич-панелей.
Также согласно одному из возможных вариантов реализации изобретения устройство содержит отсек оператора со шкафом управления, содержащим микропроцессорный контроллер, узлы управления предварительного заряда силовых ячеек отсека инверторов, узлы предварительного намагничивания трансформатора, дискретные входы/выходы, аналоговые входы/выходы, цифровые интерфейсы RS-485, элементы управления системы климат-контроля, а также автоматическими коммутационными устройствами.
Также согласно заявляемому изобретению отсек выводной ячейки оснащен разъединителями-заземлителями силовых и измерительных цепей на высоковольтной стороне, выкатным автоматическим выключателем, а также системой измерения токов и напряжений.
Сущность заявляемого технического решения поясняется, но не ограничивается следующими графическими материалами:
фиг.1 – схема обмоток трансформатора;
фиг.2 – блок-бокс, вид спереди;
фиг.3 – схема размещения отсеков в блок-боксе;
фиг.4 – корпус силовой ячейки инвертора;
фиг.5 – схема движения воздушных потоков в режиме рекуперации;
фиг.6 – схема движения воздушных потоков в режиме вентиляции.
Комплектное устройство распределения и преобразования электроэнергии предназначено для преобразования электрической энергии, получаемой от источника постоянного тока, в переменный ток для передачи его в энергетическую систему частотой 50 Гц, напряжением 10 кВ и более.
В качестве источника напряжения могут быть использованы:
солнечные батареи на базе фотоэлектрических модулей;
аккумуляторные батареи;
батареи суперконденсаторов;
генераторы постоянного тока.
Техническое решение может применяться на электрогенерирующих станциях. Конструкция описанного варианта реализации технического решения оптимизирована по трудозатратам на монтаж, ввод в эксплуатацию и обслуживание. Исполнение блок-бокс не требует дополнительной строительной документации и проведения экспертиз для установки на объекте.
Заявляемое устройство осуществляет преобразование постоянного тока напряжением 680...975 В, в трехфазное напряжение 10 кВ и более, промышленной частоты.
В техническом решении реализован принцип «постоянный-переменный ток» с одним выходным силовым трансформатором. Преобразование из постоянного в переменный ток выполняется силовыми блоками (ячейками), построенными на IGBT транзисторах.
Трансформатор представлен в исполнении сухого типа с расщепленной вторичной обмоткой (фиг.1), состоящей из n-обмоток связанных с отсеком силовых инверторов, причем n≥3, также одна из указанных обмоток является обмоткой собственных нужд устройства. Указанный трансформатор имеет воздушное принудительное охлаждение внутри отсека. Параллельное включение силовых ячеек позволяет обеспечить низкий уровень помех. Микропроцессорная система управления реализована на базе универсального микропроцессорного контроллера.
Комплектное устройство 1 (фіг.2, 3, 4) распределения и преобразования электроэнергии, содержит корпус 2 рамной конструкции в исполнении блок-бокс, элементы корпуса выполнены в виде навесных трехслойных сендвич-панелей.
Корпус устройства разделен на отсеки:
оператора 3;
вводной коммутации 4;
выводной ячейки 5;
силовых ячеек инверторов 6 и трансформатора 7 с автоматизированной системой обогрева и вентиляции с микропроцессорной системой регулирования;
вентиляции инверторов 8 и трансформатора 9.
Ячейки силовых инверторов и синусного фильтра связаны со шкафом управления 10, установленным в отсеке оператора 3 посредством оптической линии связи. Шкаф управления содержит микропроцессорный контроллер, микропроцессорной системы управления, включающей узлы управления предварительного заряда силовых ячеек отсека инверторов, узлы предварительного намагничивания трансформатора, дискретные входы/выходы, аналоговые входы/выходы, цифровые интерфейсы RS-485, элементы управления системы климат-контроля, а также автоматическими коммутационными устройствами (на изображениях не показаны).
Отсек 4 вводной коммутации обеспечивает прием/передачу напряжения от источников постоянного тока на блоки ячеек силовых инверторов 6, а также защиту от высокого напряжения, например в случае удара молнии. Указанный отсек согласно одному из возможных вариантов реализации содержит фильтры электромагнитной совместимости, датчики тока, элементы контроля изоляции, предохранительные устройства с заданными характеристиками токоограничения (на изображениях не показаны).
Отсек выводной ячейки обеспечивает распределение и коммутацию напряжения. Указанный отсек согласно возможных вариантов реализации технического решения может быть оснащен разъединителями-заземлителями силовых и измерительных цепей на высоковольтной стороне, автоматическим выключателем и системой измерения токов и напряжений.
Отсеки силовых ячеек инверторов 6 и трансформатора 7 с микропроцессорной системой регулирования установлены друг возле друга, при этом каждый из отсеков имеет свой отсек вентиляции 8,9. Ячейки 11 (фиг.4) силовых инверторов содержат выделенные воздушные каналы 12 обеспечивающие продув ячеек, с подачей и отводом воздуха через соответствующий отсек вентиляции 8. Каждый из отсеков вентиляции оснащен воздушными фильтрами 13 и заслонками 14, выполненными с возможностью регулирования притока/оттока воздуха, а также рециркуляции воздуха внутри блок-бокса. При этом указанные отсеки оснащены вытяжными центробежными вентиляторами 15 с регулируемой мощностью, воздушными электрообогревателями; системой измерения и регулировки температуры и влажности.
Воздушные электрообогреватели обеспечивают подогрев, как приточного воздуха, так и внутреннего объема блок-бокса. Указанные электрообогреватели конструктивно построены на базе сборки трубчатого электронагревателя.
Схема движения воздушных потоков в отсеках вентиляции показана на фиг.5,6. Согласно одному из возможных вариантов реализации система вентиляции может работать, как в режиме рекуперации обеспечивая рециркуляцию воздуха внутри блок-бокса (фіг.5) сохраняя отобранное тепло внутри, при котором внешние регулируемые заслонки 14 – закрыты, а внутренние 16 – открыты. При этом в режиме вентиляции внешние заслонки 14 открыты, а внутренние 16 – закрыты обеспечивая приток холодного воздуха с отводом подогретого.
Заявляемое техническое решение способствует достижению указанного технического результата, обеспечивая надежность и удобного в эксплуатации комплектного устройства распределения и преобразования электроэнергии в исполнении блок-бокс, оснащенного аффективными автоматизированными системами обогрева и вентиляции, обеспечивая расширение диапазона эксплуатационных температур в пределах –60 +40°С.