УСТРОЙСТВО ДЛЯ АВТОНОМНОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

Область техники
Полезная модель относится к электроэнергетике и может найти применение для автономного электроснабжения изолированной сети потребителей.
Уровень техники
Известно, принятое в качестве прототипа устройство для электроснабжения, содержащее общую шину переменного тока, к которой через коммутаторы подключены источники переменного тока в виде дизельгенератора, первого инвертора, вход которого предназначен для подключения к батарее солнечных панелей, и второго инвертора с батареей аккумуляторов на входе, и снабженное блоком управления, к выходам которого подключены цепи управления источниками переменного тока и коммутаторами, а к входам - датчики контролируемых параметров [JP 2001177995].
В прототипе зарядка батареи аккумуляторов осуществляется непосредственно (через разделительный диод) от батареи солнечных панелей. При этом режим и параметры зарядки батареи аккумуляторов (напряжение и ток заряда) жестко ограничены соответствующими выходными параметрами батареи солнечных панелей, которые зависят от меняющейся освещенности. Это приводит к необходимости частой замены аккумуляторов, что затрудняет и удорожает эксплуатацию устройства, не позволяет эффективно использовать современные литий-ионовые аккумуляторы, обеспечивающие быстрый заряд и длительный срок службы при комбинированном (ступенчатом) процессе зарядки.
Раскрытие полезной модели.
Технический результат полезной модели - повышение надежности, удобства эксплуатации и сокращение эксплуатационных расходов за счет увеличения срока службы батареи аккумуляторов.
Предметом полезной модели является устройство для автономного электроснабжения, содержащее общую шину переменного тока, к которой через коммутаторы подключены источники переменного тока в виде дизельгенератора, первого инвертора, вход которого предназначен для подключения к батарее солнечных панелей, и второго инвертора с батареей аккумуляторов на входе, и снабженное блоком управления, к выходам которого подключены цепи управления источниками переменного тока и коммутаторами, а к входам - датчики контролируемых параметров, отличающееся тем, что введены блок зарядки аккумуляторов и дополнительный коммутатор, через которые батарея аккумуляторов подключена к общей шине переменного тока, при этом цепи управления блока зарядки аккумуляторов и дополнительного коммутатора подключены к дополнительным выходам блока управления, который выполнен с возможностью оптимизации процесса зарядки батареи аккумуляторов по показаниям датчика напряжения на ней.
Это позволяет получить вышеуказанный технический результат.
СП
АК
Развитие полезной модели состоит в том, что датчики контролируемых параметров включают датчик напряжения на входе первого инвертора и датчики мощностей, выдаваемых каждым источником переменного тока, при этом источники переменного тока выполнены двухрежимными с возможностью работы в режиме автономной синхронизации и в ведомом режиме, а блок управления выполнен с возможностью определения располагаемой мощности батареи солнечных панелей при текущем уровне освещенности (P) и располагаемой мощности батареи аккумуляторов при текущем уровне их зарядки (Р) и с возможностью выработки управляющих сигналов для выдачи на общую шину переменного тока всей располагаемой мощности батареи солнечных панелей при выполнении условия
зарядки батареи аккумуляторов от батареи солнечных панелей при выполнении условия
отключения дизельгенератора от общей шины переменного тока при выполнении условия
потр
где P - мощность, отдаваемая потребителям.
Это позволяет экономить дизельное топливо при обеспечении бесперебойного питания потребителей.
Осуществление полезной модели с учетом ее развития
На фигуре приведена структурная схема предлагаемого устройства. На схеме показаны источники переменного тока: дизельгенератор 1, первый инвертор 2, вход которого предназначен для подключения к батарее 3 солнечных панелей, второй инвертор 4 с батареей 5 аккумуляторов на входе. Выходы источников переменного тока через коммутаторы 6-8 подключены к общей шине 9 переменного тока. К выходам блока 10 управления подключены цепи 11 управления дизельгенератором 1, инверторами 2, 4 и коммутаторами 6-8, а к его входам - выходы 12 датчиков 13-20 контролируемых параметров. Батарея 5 аккумуляторов подключена к общей шине 9 через блок 21 зарядки и дополнительный коммутатор 22, цепи управления которых подключены к дополнительным выходам 23 блока 10, который выполнен с возможностью оптимизации процесса зарядки батареи 5 по показаниям датчика 17 напряжения на ней.
потр
СП
AK
СП
Датчики контролируемых параметров включают датчик 16 напряжения на входе первого инвертора, предназначенном для подключения к батарее солнечных панелей, и датчики 13.14, 15 мощностей, выдаваемых каждым источником переменного тока, датчик 20 мощности P, а также датчики 18 и 19 напряжения и частоты соответственно. Все источники переменного тока выполнены двухрежимными с возможностью работы в режиме автономной синхронизации и в ведомом режиме. Блок 10 управления выполнен с возможностью определения P и P и с возможностью выработки управляющих сигналов для выдачи на общую шину 9 переменного тока всей мощности P при выполнении условия (1), зарядки батареи 5 аккумуляторов от батареи 3 солнечных панелей при выполнении условия (2) и отключения дизельгенератора 1 от общей шины 9 переменного тока при выполнении условия (3).
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
Состояние дизельгенератора 1, инверторов 2, 4, блока 21 зарядки и коммутаторов 6-8 задается управляющими сигналами блока 10 по соответствующим цепям 11. Цепи управления блока зарядки 21 и дополнительного коммутатора 22 подключены к дополнительным выходам 23 блока 10, который выполнен с возможностью оптимизации процесса зарядки батареи 5 по показаниям датчика 17 напряжения на батарее 5.
Пусть, например, в исходном состоянии солнечные панели батареи 3 не освещены, аккумуляторы батареи 5 разряжены, коммутатор 7 включен, коммутаторы 6, 8 и 22 выключены. При этом дизельгенератор 1 работает в режиме автономной синхронизации и поддерживает (с помощью входящих в его состав регуляторов) на общей шине 9 номинальные напряжение и частоту переменного тока по показаниям датчиков 18 и 19 соответственно. (Сигналы с этих датчиков поступают на регуляторы дизельгенератора через блок 10 или напрямую). В этом состоянии (принятом за исходное) вся потребляемая мощность вырабатывается дизельгенератором 1.
Блок 10 анализирует показания датчика 16, измеряющего напряжение на батарее 3. При увеличении освещенности солнечных панелей напряжение, поступающее с датчика 16, достигает заданного порогового значения (соответствующего способности батареи 3 обеспечивать, например, 3-5% от своей максимальной мощности). После этого блок 10 выдает управляющие сигналы на коммутатор 6 для его включения и на инвертор 2 для его установки в режим ведомого сетью (режим внешней синхронизации от напряжения на выходных клеммах инвертора). Избыток генерируемой мощности на шине 9 автоматически компенсируется снижением мощности дизельгенератора 1.
При увеличении освещенности или уменьшении потребления процесс замены энергии дизельгенератора 1 энергией солнечных панелей, поступающей на шину 9 через инвертор 2, продолжается. Когда мощность, вырабатываемая солнечными панелями и измеряемая датчиком 14, превысит мощность измеряемую датчиком 13, блок 10 выдает на инвертор 2 сигнал перевода в режим автономной синхронизации. В этом режиме инвертор 2 поддерживает номинальную частоту и номинальное напряжение на шине 9 по показаниям датчиков 18 и 19 соответственно. Одновременно дизельгенератор 1, работающий на шину 9 параллельно с инвертором 2, переводится блоком 10 в режим генератора, ведомого сетью (режим синхронизации от напряжения на выходных клеммах дизельгенератора).
потр
СП
СП
потр
При дальнейшем росте освещенности или уменьшении потребления доля солнечных панелей в выработке потребляемой мощности P, измеряемой датчиком 20, достигает 100%, а мощность, вырабатываемая дизельгенератором 1, уменьшается до нуля, после чего блок 10 выключает коммутатор 7 и контролирует мощность P, используя показания датчика 16. Пока выполняется условие P>P, всю потребляемую мощность обеспечивают солнечные панели, а дизельгенератор 1 не расходует топливо.
СП
потр
СП
потр
Максимальная суммарная мощность солнечных панелей, объединенных в батарею 3, выбирается так, чтобы она, как минимум, в два раза превышала максимальную мощность автономной сети потребителей, подключаемой к шине 9. Поэтому при дальнейшем росте освещенности или уменьшении потребления начинает выполняться условие P>P. При выполнении этого условия блок 10 с помощью коммутатора 22 подключает блок зарядки 21 к общей шине 9. При этом избыток мощности (P-P) солнечных панелей используется для зарядки батареи 5 аккумуляторов, а дизельгенератор 1 не расходует топливо.
Блок 10, управляя блоком 21, который может быть выполнен с использованием известных решений [RU 2541512, RU 2534029, RU 2550817], оптимизирует процесс зарядки батареи 5 аккумуляторов для увеличения срока их службы, восстановления и/или ускоренного накопления энергии.
СП
потр
АК
Зарядка батареи 5 продолжается пока выполняется условие P>P, а аккумуляторы полностью не заряжены. Состояние батареи 5 контролируется блоком 10 по показаниям датчика напряжения 17, подключенного к ней. Показания датчика мощности 15, отдаваемой или получаемой батареей 5 в процессе ее зарядки через блок 21 и в процессе ее разрядки через инвертор 4, используются блоком 10 для расчета энергии, накопленной в батарее 5, и мощности P.
СП
потр
СП
АК
потр
Если условие P>P перестает выполняться, а условие P+P>P. еще выполняется, блок 10 (с помощью коммутатора 8) подключает инвертор 4 к шине 9 и запускает его в режиме ведомого сетью.
В этом режиме блок 10 сравнивает показания датчика 14, контролирующего мощность, вырабатываемую солнечными панелями и поступающую на шину 9 через инвертор 2, и показания датчика 15, контролирующего мощность, отбираемую от аккумуляторов через инвертор 4, и устанавливает в режим автономной синхронизации инвертор 2 или 4, выдающий на шины 9 большую мощность. Другой инвертор 4 или 2 при этом устанавливается блоком 10 в режим ведомого сетью.
СП
При снижении мощности P уменьшаются показания датчика 16, измеряющего напряжение на батарее 3. Когда это напряжение упадет до заданного порога (соответствующего способности батареи 3 обеспечивать, например, 3-5% от своей максимальной мощности) блок 10 отключает коммутатор 6 и выводит инвертор 2 из работы. Далее питание потребителя осуществляется через инвертор 4 от батареи 5, напряжение на которой измеряется датчиком 17.
СП
РК
потр
Таким образом, до тех пор, пока условие P+P>P выполняется, коммутатор 7 остается выключенным, дизельгенератор 1 не вводится в работу и не расходует дизельное топливо.
При нарушении этого условия в результате снижения освещенности панелей 1, разрядки батареи 5 аккумуляторов или возрастания потребления блок 10 включает коммутатор 7 и вводит в работу дизельгенератор 1, обеспечивая бесперебойность питания потребителей. В случае полной разрядки батареи 5, состояние которой блок 10 контролирует по показаниям датчика 17, и отсутствия освещенности, которую блок 11 контролирует по показаниям датчика 16, устройство возвращается в исходное состояние, описанное выше.
Во всех режимах блок 10, сравнивая показания датчика 13, измеряющего мощность, выдаваемую дизельгенератором 1, датчика 14, измеряющего мощность, отдаваемую батареей 3 солнечных панелей, и датчика 15, измеряющего мощность, отдаваемую батареей 5 аккумуляторов, устанавливает наиболее нагруженный источник переменного тока (дизельгенератор 1, инвертор 2 или инвертор 4) в режим автономной синхронизации, а остальные работающие источники - в режим ведомых сетью.
Выполнение всех источников переменного тока двухрежимными с возможностью работы в ведомом режиме и в режиме задания частоты позволяет блоку 10 подключать их к шине переменного тока в любом сочетании, требуемом (при текущих уровнях освещенности и зарядки аккумуляторов) для максимальной экономии дизельного топлива при обеспечении бесперебойного питании потребителей.
Как видно из описания, предлагаемое устройство позволяет увеличить срок службы батареи аккумуляторов за счет оптимизации процесса ее зарядки и, с учетом развития полезной модели, обеспечивает максимально возможное без прерывания электроснабжения замещение энергии, вырабатываемой с затратами дизельного топлива, энергией, вырабатываемой солнечными панелями.