СИСТЕМА АВТОНОМНОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ С КОМБИНИРОВАННЫМ НАКОПИТЕЛЕМ ЭНЕРГИИ
SELF-CONTAINED POWER SUPPLY SYSTEM WITH COMBINED ENERGY STORAGE UNIT

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к электротехнике, а именно к системам питания потребителей автономных электроэнергетических сетей с возобновляемыми и традиционными источниками энергии, электрохимическими накопителями энергии разных типов и назначений. Изобретение может быть использовано как в составе комплексов резервного или бесперебойного питания, работающих от нестабильных источников энергии, мощность которых меняется в широких пределах, так и для самостоятельного электроснабжения автономного потребителя.
Уровень техники
Известна гибридная система накопления энергии [RU 121646 U1, МПК H01G 9/00 (2006.01), опубл. 27.10.2012], содержащая накопитель из аккумуляторных батарей и накопитель из суперконденсаторов, каждый накопитель через соответствующий преобразователь и согласующий трансформатор подключен к входу соответствующего модуля, предназначенного для переключения на сеть или нагрузку. Данная полезная модель не предусматривает возможность автономной работы и использования генераторов на основе возобновляемых источников энергии, применение согласующего трансформатора значительно увеличивает массогабаритные показатели системы, режим работы аккумуляторной батареи не обеспечивает полный цикл заряда-разряда, что негативно влияет на ресурс аккумуляторной батареи.
Известна автономная солнечная фотоэлектрическая установка [RU 168497 U1, МПК H02J 7/34 (2006.01), опубл. 07.02.2017], содержащая солнечную батарею, контроллер заряда-разряда аккумуляторов, аккумуляторную батарею, батарею электрохимических суперконденсаторов, автономный инвертор напряжения, силовые защитные полупроводниковые диоды. Полезная модель не обеспечивает бесперебойного электроснабжения электроприемников при длительном отсутствии возобновляемой генерации, режим работы аккумуляторной батареи не обеспечивает полный цикл заряда-разряда, что негативно влияет на ресурс аккумуляторной батареи.
Известна ветродизельная система автономного электроснабжения [RU 2588613 U1, МПК H02J 3/38 (2006.01), F03D 9/11 (2016.01), опубл. 07.02.2017], содержащая ветрогенератор, дизель-генератор, два выпрямительно-зарядных устройства, аккумуляторную батарею, инвертор, причем выходы ветрогенератора и дизель-генератора присоединены к входам выпрямительно-зарядных устройств, выходы которых подключены к аккумуляторной батарее и образуют шину постоянного тока. Описываемая система дополнительно содержит распределительное устройство для подключения электроприемников, датчик мощности ветрогенератора, датчик мощности дизель-генератора, датчик мощности нагрузки, сумматор, элементы сравнения, задатчики номинальных мощностей электроприемников, блоки разрешения включения с кнопками управления. Изобретение имеет следующие недостатки: наличие одной аккумуляторной батареи не позволяет обеспечить полный цикл заряда-разряда, что приведет к сокращению срока службы аккумуляторной батареи; переходные процессы коммутации нагрузок будут приводить к пульсациям и провалам напряжения на шине постоянного тока вследствие применения накопителей со сравнительно большим внутренним сопротивлением; зависимость напряжения шины постоянного тока от напряжения аккумуляторной батареи, которое уменьшается пропорционально разряду батареи.
Известен инверторный зарядно-разрядный комплекс локальной сети с разнородными источниками энергии [RU 2662791 С1, МПК H02J 7/35 (2006.01), опубл. 31.07.2018], сеть переменного тока, генератор на газовом/бензиновом/дизельном топливе или ветрогенератор, массив фотоэлектрических преобразователей, накопитель электрической энергии с системой выравнивания напряжения на последовательно включенных ячейках накопительных элементов, инверторный зарядно-разрядный преобразовательный комплекс, потребителей переменного тока, выпрямитель с системой управления, трехпортовый двунаправленный высокочастотный DC-DC конвертор, двунаправленный AC-DC инвертор промышленной частоты. В данном изобретение не обеспечивается полный цикл заряда - разряда накопителя энергии, а, следовательно, сохранения его ресурса, полноценное функционирование изобретения связанно с подключением к промышленной электросети, что не позволяет использовать данное устройство в автономной электрической сети.
Известна, принятая за прототип, система автономного электроснабжения [RU 2638025 С1, МПК H02J 7/34 (2006.01), опубл. 11.12.2017], содержащая две ветряные электроустановки, дизельную генераторную установку, три выпрямителя, две аккумуляторные батареи, инвертор, балластную нагрузку, шину постоянного тока. Выход ветряной электроустановки соединен с входом первого выпрямителя, выход дизельной генераторной установки соединен с входом второго выпрямителя. Каждая из аккумуляторных батарей, через соответствующий ключ подключена к шине постоянного тока. Аккумуляторные батареи соединены между собой через третий ключ, который подключен к зарядному устройству. Первый линейный датчик тока установлен на линии, соединяющей первую ветряную электроустановку с первым выпрямителем, причем первый линейный датчик тока подключен к первому контроллеру, который соединен с первым выпрямителем. Вторая ветряная электроустановка соединена с третьим выпрямителем, причем на соединяющей их линии установлен второй линейный датчик тока, который подключен ко второму контроллеру, который соединен с третьим выпрямителем. Электроприемники подключены к автономному инвертору. Балластная нагрузка соединена с регулятором балластной нагрузки, при этом зарядное устройство, первый, второй и третий выпрямители, автономный инвертор, регулятор балластной нагрузки подключены к шине постоянного тока.
К недостаткам указанного прототипа следует отнести: отсутствие возможности одновременного заряда обеих аккумуляторных батарей, даже при избыточном ресурсе возобновляемой генерации или запуске дизельной генераторной установки; возникновение коммутационных процессов на шине постоянного тока при переключении с разряженной аккумуляторной батареи на заряженную; зависимость напряжения шины постоянного тока от степени заряженности аккумуляторной батареи, что обуславливает необходимость применения автономного инвертора с широким диапазоном входного напряжения; необходимость соответствия номинального напряжения аккумуляторной батареи напряжению шины постоянного тока, что требует применения цепочки последовательно соединенных аккумуляторов, при этом каждый следующий элемент цепочки увеличивает вероятность отказа всей аккумуляторной батареи.
Сущность изобретения
Устранение значительной части указанных проблем возможно с помощью предлагаемого технического решения.
Техническим результатом является повышение надежности и ресурса аккумуляторных батарей за счет уменьшения числа последовательно соединенных аккумуляторов в составе батареи, что достигается применением импульсных преобразователей постоянного тока, согласующих напряжение шины постоянного тока и напряжение аккумуляторных батарей; увеличение срока службы аккумуляторных батарей за счет снижения амплитуды и длительности бросков тока на шине постоянного тока за счет применения буферного суперконденсатора; повышение полезного использования энергии генераторов на возобновляемых и традиционных источниках энергии за счет возможности одновременного заряда двух аккумуляторных батарей; упрощение конструкции автономного инвертора за счет уменьшения рабочего диапазона его входного напряжения.
Краткое описание чертежей
Детали, признаки, а также преимущества настоящего изобретения следуют из нижеследующего описания варианта реализации заявленной системы автономного электроснабжения с комбинированным накопителем энергии, на которой показано:
Фиг. 1 - Система автономного электроснабжения с комбинированным накопителем энергии.
На фигуре цифрами обозначены следующие позиции:
1 - аккумуляторная батарея 1 (АБ1); 1 - аккумуляторная батарея 2 (АБ2); 3 - согласующее зарядно-разрядное устройство 1 (СЗРУ1); 4 - согласующее зарядно-разрядное устройство 2 (СЗРУ2); 5 - шина постоянного тока; 6 - батарея буферных суперконденсаторов (СК); 7 - ветроэлектрическая установка 1 (ВЭУ1); 8 - выпрямитель 1 (В1); 9 - линейный датчик тока 1 (ДТ1); 10 - контроллер 1 (К1); 11 - ветроэлектрическая установка 2 (ВЭУ2); 12-выпрямитель 2 (В2); 13 - линейный датчик тока 2 (ДТ2); 14 - контроллер 2 (К2); 15 - дизельная генераторная установка (ДГУ); 16 - выпрямитель 3 (ВЗ); 17 - электроприемники (ЭПр); 18- автономный инвертор (АИ); 19 - балластная нагрузка (БН); 20 - регулятор балластной нагрузки (РБН).
Раскрытие изобретения
На фиг. 1 показана схема системы автономного электроснабжения с комбинированным накопителем энергии.
Система автономного электроснабжения с комбинированным накопителем энергии содержит две аккумуляторные батареи 1 (АБ1) и 2 (АБ2), которые через соответствующие согласующие зарядно-разрядные устройства 3 (СЗРУ1) и 4 (СЗРУ2) подключены к шине постоянного тока 5. Батарея буферных суперконденсаторов 6 (СК) подключена непосредственно к шине постоянного тока 5.
Первая ветровая электроустановка 7 (ВЭУ1) соединена с первым выпрямителем 8 (В1), причем на линии, соединяющей их, установлен первый линейный датчик тока 9 (ДТ1), который подключен к первому контроллеру 10 (К1), который соединен с первым выпрямителем 8 (В1).
Вторая ветровая электроустановка 11 (ВЭУ2) соединена со вторым выпрямителем 12 (В2), причем на соединяющей их линии установлен второй линейный датчик тока 13 (ДТ2), который подключен ко второму контроллеру 14 (К2), который соединен со вторым выпрямителем 12 (В2).
Первый 8 (В1) и второй 12 (В2) выпрямители соединены с шиной постоянного тока 5.
Дизельная генераторная установка 15 (ДГУ) подключена к третьему выпрямителю 16 (ВЗ), который соединен с шиной постоянного тока 5. Электроприемники 17 (ЭПр) подключены к автономному инвертору 18 (АИ), который соединен с шиной постоянного тока 5. Балластная нагрузка 19 (БН) соединена с регулятором балластной нагрузки 20 (РБН), который соединен с шиной постоянного тока 5.
В качестве аккумуляторных батарей 1 (АБ1) и 2 (АБ2) может использоваться массив свинцовых или других электрохимических аккумуляторов требуемой емкости. Напряжение аккумуляторных батарей 1 (АБ1) и 2 (АБ2) в сравнении с напряжением шины постоянного тока 5 могут отличаться на величину, определяемую рабочим диапазоном напряжений импульсного преобразователя постоянного тока, входящего в состав согласующих зарядно-разрядных устройств 3 (СЗРУ1) и 4 (СЗРУ2).
В свою очередь, каждое из согласующих зарядно-разрядных устройств 3 (СЗРУ1) и 4 (СЗРУ2) состоит из цепей заряда и разряда, на выходах которых установлены импульсные двунаправленные преобразователи напряжения с функцией стабилизации напряжения, величина тока каждой цепи управляется встроенным контроллером, обеспечивающим оптимальный алгоритм заряда и разряда, а также мониторинг состояния батарей. Выходное напряжение импульсных преобразователей цепи заряда поддерживается на уровне напряжения заряда аккумуляторных батарей 1 (АБ1) и 2 (АБ2), в цепи разряда - на уровне напряжения шины постоянного тока.
Ветровые электроустановки 7 (ВЭУ1) и 11 (ВЭУ2) построены на базе синхронного генератора с возбуждением от постоянных магнитов. В качестве датчиков тока 9 (ДТ1) и 13 (ДТ2) используются любые линейные датчики тока, выходной сигнал которых может быть подан на вход контроллеров 10 (К1) и 14 (К2). Контроллеры 10 (К1) и 14 (К2) служат для поддержания работы ветровых электроустановок 7 (ВЭУ1) и 11 (ВЭУ2) в точке максимальной мощности при существующем ветровом режиме и должны поддерживать эти функции. Выпрямители 8 (В1), 12 (В2), 16 (В3) представляют собой преобразователи переменного тока в постоянный с электронным управлением мощностью. Выпрямитель 16 (В3) может управляться датчиками, входящими в состав дизельной генераторной установки 15 (ДГУ), которая состоит из электрогенератора, приводимого во вращение дизельным двигателем на основе жидких и газообразных традиционных или возобновляемых жидких видов топлива. Балластная нагрузка 19 (БН) состоит из набора резистивных элементов, величина ее потребляемой мощности регулируется регулятором балластной нагрузки 20 (РБН).
Дизельная генераторная установка 15 (ДГУ) и ветровые электроустановки 7 (ВЭУ1) и 11 (ВЭУ2) могут одновременно вырабатывать энергию, при этом автономный инвертор 19 (АИ) преобразует энергию постоянного тока из шины постоянного тока 5 в энергию переменного тока промышленной частоты и передает ее электроприемникам 17 (ЭПр). К шине постоянного тока могут быть подключены и другие разнородные источники энергии.
Система автономного электроснабжения работает следующим образом.
Ветровые электроустановки 7 (ВЭУ1) и 11 (ВЭУ2) вырабатывают электрическую энергию, которая через управляемые выпрямители 8 (В1) и 12 (В2) поступает на шину постоянного тока 5. С датчиков тока 9 (ДТ1) и 13 (ДТ2) измеренные значения тока нагрузки ветроэлектрических установок 7 (ВЭУ1) и 11 (ВЭУ2) поступают на контроллеры 10 (К1) и 14 (К2), которые формируют сигнал управления выпрямителями 8 (В1) и 12 (В2), которые непосредственно регулируют ток нагрузки с целью получения максимальной мощности генерации в текущем ветровом режиме. Отказ любой ветровой электроустановки 8 (ВЭУ1) или 12 (ВЭУ2) не нарушает работоспособности системы. Если при наличии доступной генерации от возобновляемых источников в режиме малых нагрузок напряжение на шине постоянного тока 5 увеличивается выше заданного порога, это приводит к одновременному включению на заряд аккумуляторных батарей 1 (АБ1) и 2 (АБ2) согласующими зарядно-разрядными устройствами 3 (СЗРУ1) и 4 (СЗРУ2), чем обеспечивается повышение эффективности использования доступной генерации от возобновляемых источников энергии. Если при одновременном режиме заряда аккумуляторных батарей 1 (АБ1) и 2 (АБ2) напряжение на шине постоянного тока 5 продолжает увеличиваться, включается регулятор балластной нагрузки 20 (РБН), который регулирует ток балластной нагрузки 19 (БН) пропорционально доступной мощности. Регулятор балластной нагрузки 20 (РБН) получает команду запрета включения при низком заряде аккумуляторных батарей 1 (АБ1) и 2 (АБ2) или запуске дизельного генератора 15 (ДГУ). При недостатке доступной генерации напряжение на шине постоянного тока 5 снижается до уровня включения аккумуляторной батареи 1 (АБ1) на разряд, при этом запасенная в ней энергия поступает через цепь разряда согласующего зарядно-разрядного устройства 3 (СЗРУ1) на шину постоянного тока 5. При достижении степени разряда аккумуляторной батареи 1 (АБ1) нижнего порога разряда согласующее зарядно-разрядное устройство 3 (СЗРУ1) переключает аккумуляторную батарею 1 (АБ1) с режима разряда в режим заряда. Одновременно запирается цепь заряда согласующего зарядно-разрядного устройства 4 (СЗРУ2) и аккумуляторная батарея 2 (АБ2) переводится в режим разряда в том случае, когда уровень заряда батареи 2 (АБ2) превышает заданное верхнее пороговое значение. В процессе работы системы согласующие зарядно-разрядные устройства 3 (СЗРУ1) и 4 (СЗРУ2) обеспечивают переключение аккумуляторных батарей 1 (АБ1) и 2 (АБ2) с режима заряда в режим разряда при достижении заданного верхнего порогового значения, чем достигается полный цикл заряда-разряда аккумуляторных батарей и максимальная сохранность их ресурса.
Пульсации мощности на шине постоянного тока 5, вызванные кратковременным изменением режима генерации или коммутационными процессами, демпфируются батареей суперконденсаторов 6 (СК) за счет запасенной энергии.
Применение управляемых преобразователей постоянного тока в составе согласующих зарядно-разрядных устройств 3 (СЗРУ1) и 4 (СЗРУ2) позволяет: во-первых, обеспечить более точную стабилизацию напряжения шины постоянного тока 5, во-вторых, избежать вредных последствий коммутационных процессов, сопутствующих переключению питания шины постоянного тока 5 с разряженной аккумуляторной батареи на заряженную.
В случае разряда обоих аккумуляторных батарей 1 (АБ1) и 2 (АБ2) до нижнего порога разряда запускается дизельный генератор 15 (ДГУ), энергия от которого поступает через выпрямитель 16 (В1) на шину постоянного тока 5, обеспечивая энергией полезную электрическую нагрузку 17 (ЭПр), через автономный инвертор 18 (АИ). При этом ветровые электроустановки 7 (ВЭУ1) и 11 (ВЭУ2) могут работать параллельно или быть отключены. Запуск дизельного генератора 15 (ДГУ) включает одновременный заряд аккумуляторных батарей 1 (АБ1) и 2 (АБ2). Выключение генератора происходит при полном заряде аккумуляторных батарей 1 (АБ1) и 2 (АБ2). Далее электрическая нагрузка 17 (ЭПр) обеспечивается энергией через автономный инвертор 18 (АИ) и шину постоянного тока 5 от ветровых электроустановок 7 (ВЭУ1) и 11 (ВЭУ2), и аккумуляторных батарей 1 (АБ1) и 2 (АБ2). Описанный порядок эксплуатации дизельного генератора 15 (ДГУ) позволяет обеспечивать его полную загрузку в процессе работы и длительные периоды простоя, а соответственно и экономию топлива.