СПОСОБ БЕСПЕРЕБОЙНОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ
METHOD OF UNINTERRUPTED POWER SUPPLY

Изобретение относится к энергетике, в частности к бесперебойному энергоснабжению потребителей, как подключенных, так и не подключенных к единой энергетической системе, а также к системам, работающим с альтернативными источниками электрической энергии, имеющим различные параметры выходного напряжения. Изобретение может быть использовано при организации бесперебойного снабжения электрической энергией ответственных потребителей.
Известен способ бесперебойного энергоснабжения, использующий ветроэлектрическую установку с генератором переменного тока в сочетании с двигателем внутреннего сгорания (ДВС), тоже имеющим генератор переменного тока (П.П.Безруких, А.К.Сокольский, Б.П.Харитонов "Системы гарантированного электроснабжения автономных потребителей на основе возобновляемых источников энергии" Труды 3-й Международной научно-технической конференции "Энергообеспечение и энергосбережение в сельском хозяйстве". 14-15 мая 2003, г.Москва, часть 4, стр.3). При низкой скорости ветра выработка энергии идет за счет работы ДВС, вращающего электрический генератор, от которого электроэнергия может через инвертор напряжения поступать на нагрузку или через выпрямитель и зарядное устройство запасаться в аккумуляторных батареях (АБ). С помощью инвертора постоянное напряжение преобразуется в переменное, обеспечивая питание нагрузки от АБ во время остановки ДВС.
Однако при пуске ДВС электрический генератор переменного тока создает всплески перенапряжения, часто приводящие к нарушениям работы электронного блока инвертора, причем инвертор вырабатывает переменный ток, не синхронизированный по фазе с генератором переменного тока ДВС, и поэтому их нельзя использовать совместно на питание одной нагрузки. Кроме того, далеко не вся мощность ДВС используется для заряда АБ, снижая КПД системы и увеличивая продолжительность заряда АБ. Еще одним недостатком является то, что автоматический режим пуска ДВС требует использования дорогого электронного оборудования и специального электромотора в качестве стартера ДВС.
Известен способ бесперебойного энергоснабжения Гусарова В.А. (патент РФ №2257656, H2J 3/28, опубликован 2005.07.27).
Способ бесперебойного энергоснабжения включает преобразование разных видов энергии в электроэнергию, передаваемую в электросеть и на нагрузку от ДВС и электрогенератора и с помощью возобновляемых источников энергии, обеспечивающих заряд аккумуляторных батарей, постоянное напряжение которых преобразуется инвертором напряжений в переменное с помощью блока управления и передачи вращения на электрогенератор.
СБ имеет величину напряжения, необходимую для заряда АБ. Блок управления через силовой коммутатор соединяет СБ с АБ. Электросеть заряжает АБ через выпрямитель и зарядное устройство. Силовой коммутатор по команде блока управления соединяет инвертор с нагрузкой и электросеть с зарядным устройством. Автоматический пуск ДВС произойдет, если случится непредвиденное отключение питания электросети, а энергии, поступающей от СБ, окажется недостаточно для поддержания в рабочем диапазоне напряжения на АБ и она разрядится до своего нижнего предела.
Однако при таком способе электропитания имеются недостатки: при переключении силового коммутатора возможны провалы питающего напряжения на нагрузке; возможны перенапряжения на инверторе при наличии индуктивной составляющей тока нагрузки; зависимость изменения напряжения на нагрузке при изменении параметров электросети; невозможность работы инвертора параллельно с электросетью. Все это снижает надежность работы системы энергоснабжения.
Решаемая задача - повышение надежности энергоснабжения.
Технический результат - исключение вероятности провалов питающего напряжения, перенапряжений на инверторе при наличии индуктивной составляющей тока нагрузки, при изменении параметров электросети.
Этот технический результат достигается тем, что в способе бесперебойного энергоснабжения, включающем преобразование разных видов энергии в электроэнергию, передаваемую в электросеть и на нагрузку от ДВС и с помощью возобновляемых источников энергии, обеспечивающих заряд аккумуляторных батарей, постоянное напряжение которых преобразуется инвертором напряжений в переменное с помощью блока управления и передачи вращения на электрогенератор, сопряжение возобновляемых источников энергии с аккумуляторными батареями обеспечивают через конвертор напряжений, при перерывах питания от электросети подключают к нагрузке генератор переменного напряжения, приводимый в движение устройством подачи топлива в двигатель внутреннего сгорания в автоматическом режиме, обеспечивают заданную величину напряжения на нагрузке стабилизатором напряжения.
Конвертор напряжений, связанный с блоком управления, сопрягает выходные параметры напряжения ВИЭ с входными параметрами аккумуляторных батарей, а аккумуляторные батареи подключены через инвертор, обеспечивающий дополнительную цепь питания нагрузки. Силовой коммутатор отключает электросеть при перерывах питания. Стабилизатор поддерживает заданную величину напряжения на нагрузке. Цепь резервного питания работает при перерывах питания в электросети.
Предусмотрен режим передачи электроэнергии от возобновляемых источников посредством инвертора напряжения, включенного параллельно с электросетью.
Способ реализуется посредством системы бесперебойного энергоснабжения, приведенной на чертеже.
Она содержит источники электроэнергии: ДВС 1, генератор переменного тока 2, аккумуляторные батареи 3, ВИЭ - солнечную батарею 4, ветроэлектрогенератор 5, устройство 6 подачи топлива к ДВС 1, инвертор напряжения 7 накопленной энергии, силовой коммутатор 8, нагрузку 9, блок управления 10. Подключение ВИЭ 4 и 5 к аккумуляторной батарее 3 осуществлено через конвертор напряжений 11, связанный с блоком управления 10, а аккумуляторные батареи 3 через инвертор 7, включенный параллельно с питающей электросетью 12 - с силовым коммутатором 8, а последний через стабилизатор напряжения 13 - с электросетью 12.
Устройство 6 подачи топлива ДВС 1 - генератор 2 переменного тока образуют цепь резервного питания, вход которой подключен к блоку управления 10, а выход через силовой коммутатор 8 - к нагрузке 9.
Способ осуществляют следующим путем. При перерывах питания в электросети 12 силовой коммутатор 8 отключает ее, блок управления 10 обеспечивает включение цепи резервного питания, питание нагрузки 9 осуществляется от аккумуляторных батарей 3 посредством инвертора напряжения 7, одновременно производится синхронизация работы инвертора 7 с генератором переменного тока 2, при достижении которой силовой коммутатор 8 подключает цепи генератора 2, питание нагрузки 9 осуществляется параллельно работающими генератором 2 и инвертором 7. При восстановлении питания в основной сети производится обратный перевод с синхронизацией работы инвертора 7 с напряжением электросети 12. Заряд аккумуляторных батарей 3 осуществляется посредством конвертора напряжений 11 от альтернативных источников 4, 5, а при нехватке энергии от них и от основной или резервной цепей питания с помощью инвертора 7. При колебаниях напряжения в основной или резервных цепях питания заданная величина напряжения поддерживается посредством стабилизатора напряжения 13. При регулировании уставки выходного напряжения стабилизатора напряжения 13 изменяется направление потока мощности питающей сети, что осуществляется при излишках электроэнергии, вырабатываемой альтернативными источниками 4 и 5, которая рекуперируется в электросеть 12. Для обеспечения продолжительного питания нагрузки только от альтернативных источников (отключение электросети и невозможность запуска двигателя внутреннего сгорания) возможно подключение ко входам конвертора 11 дополнительных, например, топливных элементов.
Пример осуществления способа.
При снижении величины напряжения электросети 12 менее 170 В силовой коммутатор 8 отключает ее, блок управления 10 обеспечивает включение цепи резервного питания, питание нагрузки 9 осуществляется от аккумуляторных батарей 3, обеспечивающих 15% мощности нагрузки потребителя при номинальном токе аккумуляторных батарей или пропорционально большую при увеличенном токе и меньшем времени разряда АБ, посредством инвертора напряжения 7, одновременно производится синхронизация работы инвертора 7 с генератором переменного тока 2 для согласования величины, частоты и фазового угла их напряжений, при достижении которой силовой коммутатор 8 подключает цепи генератора 2, рассчитанного на полную мощность нагрузки, питание нагрузки 9 осуществляется параллельно работающими генератором 2 и инвертором 7 в буферном режиме номинальным фазным напряжением 220 В. При восстановлении питания в основной сети производится обратный перевод с синхронизацией работы инвертора 7 с напряжением электросети 12. Заряд аккумуляторных батарей 3 осуществляется посредством конвертора напряжений 11 от альтернативных источников 4, 5, а при нехватке энергии от них и от основной или резервной цепей питания с помощью инвертора 7. При колебаниях напряжения в основной или резервных цепях питания заданная величина фазного напряжения 220 В поддерживается посредством стабилизатора напряжения 13, осуществляющего плавное регулирование напряжения в пределах ±20% от номинального. При регулировании уставки выходного напряжения стабилизатора напряжения 13 изменяется направление потока мощности питающей сети от инвертора 7, что осуществляется при излишках электроэнергии, вырабатываемой альтернативными источниками 4 и 5, которая рекуперируется в электросеть 12, причем мощность солнечных батарей выбирается из расчета обеспечения номинального тока заряда аккумуляторных батарей, составляющего 10% от их электрической емкости, выраженной в амперах, а суммарная мощность аккумуляторных батарей и ветроэлектрогенератора с учетом кпд цепей преобразования обеспечивает полную мощность нагрузки потребителя. Минимальное время питания потребителя номинальным фазным напряжением 220 В должно быть не менее максимального времени включения и выхода на режим двигателя внутреннего сгорания и электрогенератора резервной цепи питания. Для обеспечения продолжительного питания нагрузки только от альтернативных источников (отключение электросети и невозможность запуска двигателя внутреннего сгорания) возможно подключение ко входам конвертора 11 дополнительных, например, топливных элементов, мощность которых должна обеспечивать полную мощность нагрузки в темное время суток, при отсутствии ветра и разряженных аккумуляторных батареях.
Сравнение заявленного изобретения с прототипом позволило установить, что оно отличается от последнего условиями аккумулирования в АБ электроэнергии постоянного тока, способом подключения инвертора, способом управления, способом включения резервного питания и, следовательно, соответствует критерию "новизна".
Сравнение заявленного изобретения с другими известными решениями в данной области техники показало, что идентичные признаки по признакам, отличающим заявленное изобретение от прототипа, обеспечивает получение нового технического результата, и поэтому оно соответствует критерию "изобретательский уровень".
Применение заявленного изобретения в энергетике при организации автономного энергоснабжения и электроснабжения ответственных потребителей с нагрузкой большой мощности обеспечивает соответствие критерию "промышленная применимость".