СИСТЕМА ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ

Полезная модель относится к электрическим системам и может быть использована:
- для снабжения электрической энергией потребителей местного значения;
- в качестве источника электрической энергии на транспортных объектах (сухопутных, на железнодорожном и водном транспорте, летательных аппаратах) при частоте генерируемого напряжения от 50 до 400 Гц и более;
- для параллельной работы с другими электрическими системами, в т.ч. с централизованной.
Известна централизованная электрическая система, представляющая собой совокупность электростанций, линий электропередач, подстанций и распределительных сетей, связанных между собой вследствие непрерывности процесса производства и потребления электрической энергии в одно целое общим режимом работы. (Электротехнический справочник. Том 2. Книга первая. Энергия, Москва, 1972, с.476) Недостатком этой системы является их централизованное назначение, вследствие чего возникают сложности в практической реализации технических мероприятий по подключению потребителей местного значения к линиям электропередач (ЛЭП) напряжением свыше 10 кВ, а также к распределительным сетям 10, 6 и 0,4 кВ централизованных систем.
Ближайшим к настоящему решению по технической сущности является энергосистема в виде стационарных и передвижных электростанций электропоездов, судовых и корабельных электростанций, летательных аппаратов, включающая соединенные посредством выходных шин общей шиной электроснабжения генератор, первичный двигатель, используемый в качестве привода генератора, синхронный компенсатор и конденсаторную батарею (Электротехнический справочник. Том 2. Книга первая. Энергия, Москва, 1972, с.476). Недостатком этого технического решения является то, что в качестве источников электроэнергии применяются синхронные генераторы (СГ). При недостатке вырабатываемой мощности для параллельной работы СГ в электрической системе необходимо применение сложных и дорогих
автоматизированных устройств для синхронизации СГ в момент включения на параллельную работу и распределения реактивных нагрузок между ними пропорционально номинальной мощности каждого из них. Кроме того, указанное техническое решение сложно при выполнении монтажных работ.
Задачей, на решение которой направлена описываемая полезная модель, является создание простых, надежных и недорогих энергосистем. Поставленная задача решается применением в энергосистеме в качестве источников электроэнергии асинхронных генераторов, для возбуждения и регулирования напряжения которых, а также для стабилизации частоты переменного тока на заданном уровне, обеспечения потребителей реактивной мощностью используют синхронный компенсатор с автоматическим регулированием напряжения. Асинхронные генераторы и потребители электроэнергии снабжаются реактивной энергией от синхронного компенсатора (компенсаторов) с автоматическим регулированием и стабилизацией напряжения энергосистемы централизованно. При этом решена техническая проблема пуска и работы асинхронных двигателей мощностью, соизмеримой с мощностью асинхронного генератора (генераторов).
Существо предлагаемой автономной системы электроснабжения в следующем:
Асинхронная электрическая машина при скорости большей синхронной переходит от режима двигателя к режиму генератора электрической энергии, отдавая в сеть только активную мощность и потребляя из сети для своей работы генератором реактивную, при этом частота переменного тока определяется частотой сети и не зависит от частоты вращения ротора асинхронного генератора. Поэтому при работе асинхронного генератора для его возбуждения и поддержания напряжения на заданном уровне необходим регулируемый источник реактивной мощности и опорной частоты переменного тока. Таким требованиям асинхронного генератора в полной мере отвечают возможности синхронного компенсатора. С другой стороны, синхронный компенсатор для своей работы требует от сети только активную мощность, чему в полной мере отвечают возможности асинхронного генератора. Таким образом, применение синхронного компенсатора в автономной системе электроснабжения обеспечивает режим пуска и работы асинхронных генераторов. Для разгрузки
синхронного компенсатора асинхронные двигатели компенсируются конденсаторами.
Распределение активных мощностей между асинхронными генераторами осуществляется с помощью автоматических регуляторов первичных двигателей.
Соединение в одну систему асинхронного генератора и синхронного компенсатора, при котором требования к энергетической системе одного из них в полной мере удовлетворяются возможностями другого, а совокупные возможности этих элементов при частичной компенсации реактивных токов конденсатором в полной мере удовлетворяют требованиям потребителей электрической энергии, говорит о достижении поставленной задачи.
Параллельная работа асинхронных генераторов между собой, а также их подключение к другим энергосистемам, в том числе к централизованным, обходится без применения сложных автоматических устройств синхронизации.
Итак, технический результат, достигаемый применением настоящей полезной модели, заключается в упрощении и удешевлении известных, перечисленных выше, энергосистем с одновременным увеличением их надежности в особенности в условиях пиковых нагрузок, благодаря обеспечению устойчивости электромеханической системы, представленной взаимосвязью асинхронного генератора с синхронным компенсатором.
Для достижения упомянутого технического результата, система энергоснабжения включает в себя - соединенные посредством выходных шин общей шиной электроснабжения генератор, ротор которого сцеплен с валом первичного двигателя с переменной частотой вращения, используемого в качестве привода генератора, синхронный компенсатор, выход которого подключен параллельно генератору и конденсаторную батарею. Генератор согласно настоящей полезной модели выполнен асинхронным.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, на которых, на фиг.1, представлена принципиальная электрическая схема энергосистемы; на фиг.2 - схема электрической системы местного значения 0,4 кВ.
Энергосистема (см. фиг.1) включает не менее одного электроагрегата 1, состоящего из подключенного к соответствующей выходной шине 2 асинхронного генератора 3.1, имеющего привод от первичного двигателя 4.1, не менее одного синхронного компенсатора 5, подключенного к соответствующей ему выходной шине 2, и не менее одной конденсаторной батареи 6.1,
подключенной к соответствующей ей выходной шине 2. Причем указанные выходные шины 2 асинхронного генератора 3.1, синхронного компенсатора 5 и конденсаторной батареи 6.1 соединены между собой выключателями 7.1, 7.4, 7.5 образуя общую шину электроснабжения 8.
Асинхронный генератор представляет собой недорогой, надежный серийный асинхронный двигатель, обращенный в генераторный режим.
В качестве асинхронного генератора 3.1 может быть использован асинхронный двигатель с короткозамкнутым ротором, например, серий 4А или 5А.
В качестве первичного двигателя 4.1 могут применяться бензиновые двигатели, дизели, газовые двигатели, турбины (газовые, паровые, гидравлические), ветряные двигатели и др.
В качестве синхронного компенсатора 5 могут использоваться серийные асинхронные двигатели с фазным ротором, например, серий 4АНК или 5АНК.
В качестве конденсаторной батареи могут использоваться также серийные конденсаторы.
Энергосистема работает следующим образом.
Синхронный компенсатор 5 обеспечивает возбуждение асинхронного генератора 3.1 и снабжение реактивной энергией потребителей, особенно в переходных процессах в момент включения асинхронных двигателей мощностью, соизмеримой с мощностью электрической системы.
Применение синхронных компенсаторов 5 с автоматической системой возбуждения обеспечивает стабилизацию напряжения параллельно работающих асинхронных генераторов 3.1, 3.2, 3.3.
Поясним работу энергосистемы на примере электрической системы местного значения 0,4 кВ.
На фиг.2 дана схема электрической системы местного значения 0,4 кВ в виде фрагмента или частного исполнения из множества возможных схемных решений.
Местная линия электропередачи состоит из силовых трансформаторов 9.1, 9.2, 9.3 с коммутационными аппаратами 10.4, 10.5, 10.6:10.1, 10.2, 10.3 для подключения электрической системы местного значения к централизованной энергосистеме или другим энергосистемам. Коммутационный аппарат 11 служит для подключения местной распределительной сети 0,4 кВ.
i
Первичные двигатели 4.1, 4.2, 4.3 приводят в движение асинхронные генераторы 3.1, 3.2, 3.3. Активная мощность каждого составляет Р кВт.
Электроагрегаты 3.1-4.1, 3.2-4.2, 3.3-4.3 имеют автоматические регуляторы частоты вращения. Асинхронные генераторы 3.1, 3.2, 3.3 подключаются к сети на подсинхронной частоте вращения простыми коммутационными аппаратами 7.1, 7.2, 7.3, подобно трансформаторам на холостом ходу. Синхронный компенсатор 5 имеет систему автоматического регулирования возбуждения, например, подобную системе фазового компаундирования, применяемую на синхронных машинах. Конденсаторные батареи 6.1, 6.2 применяются для частичной компенсации реактивной энергии. Они подключаются коммутационными аппаратами 7.5, 7.6.
Ввод в работу электроагрегатов 3.1-4.1, 3.2-4.2, 3.3-4.3 производится в следующей последовательности:
1. Запускается один из первичных двигателей, например 4.1, и выводится на номинальную частоту вращения.
2. Конденсаторная батарея 6.1, рассчитанная на возбуждение асинхронного генератора 3.1, подключается на шины 0,4 кВ выключателем 7.5.
3. Синхронный компенсатор 5 запускается от асинхронного генератора 3.1 включением выключателя 7.1. При этом пусковой ток синхронного компенсатора 5 должен ограничиваться распространенным способом - вводом пусковых сопротивлений в фазный ротор асинхронного двигателя.
4. По достижении синхронным компенсатором 5 подсинхронной частоты вращения автоматически или вручную отключаются пусковые сопротивления от ротора, и в ротор вводится постоянный ток, например, от системы фазового компаундирования синхронного компенсатора 5. Образуется устойчивая электромеханическая система 3.1-5.
5. Поочередно запускаются первичные двигатели 4.2 и 4.3 и выводятся регуляторами частоты на подсинхронную частоту вращения.
6. Поочередным включением выключателей 7.2 и 7.3 асинхронные генераторы 3.2 и 3.3 подключаются на шины 0,4 кВ. В момент включения в каждом из генераторов отсутствуют пусковые токи, поскольку подключение невозбужденных генераторов 3.2 и 3.3 происходит при нулевых токах ротора. Асинхронные генераторы 3.1, 3.2, 3.3 образуют с синхронным компенсатором 5 устойчивую электромеханическую систему, готовую к приему нагрузки.
7. Заключается ввод в работу асинхронных генераторов 3.1, 3.2, 3.3 подключением местной сети 0,4 кВ на шины 0,4 кВ.
Образуется устойчивая электрическая система из электромеханической системы электроагрегатов 3.1-4.1, 3.2-4.2, 3.3-4.3 и местной электрической сети 0,4 кВ.
По мере плавного увеличения нагрузки в местной сети 0,4 кВ частота вращения каждого из электроагрегатов должна синхронно повышаться с помощью автоматических регуляторов каждого из агрегатов пропорционально скольжению. Таким образом, частоты в электрической системе устанавливаются заданными, например, 50 Гц, в допусках ГОСТ. Напряжение на шинах поддерживается на уровне 0,4 кВ в пределах установленного допуска по ГОСТ.
Переходные процессы в электрической системе местного значения могут возникать в момент включения или отключения нагрузок мощностью, соизмеримой с мощностью электрической системы асинхронный генератором - синхронный компенсатор.
Особенно тяжело воспринимаются включение и отключение асинхронных двигателей мощностью, соизмеримой с мощностью системы асинхронный генератор - синхронный компенсатор. При этом возникает дефицит реактивной энергии на формирование магнитных потоков в зазорах всех асинхронных машин электрической системы, в том числе в рабочих асинхронных генераторах, в асинхронных двигателях, работающих под нагрузкой и, особенно, находящихся в режиме пуска (режим короткого замыкания при весьма низком cosφ=0,2-0,3). При таком переходном процессе устойчивость местной электрической системы обеспечивается форсировкой тока возбуждения синхронного компенсатора при помощи, например, быстродействующей системы фазового компаундирования.
п
Практически синхронный компенсатор 5 должен работать при нагрузке его статора на 50% при номинальной нагрузке асинхронных генераторов 3.1, 3.2, 3.3. В момент форсировки мощность синхронного компенсатора 5 может превышать его номинальную мощность примерно в 2,5 раза за время переходного процесса t≈3,0 с. При этом напряжение на шинах снижается до допустимого значения, но не ниже 300 В на шинах 0,4 кВ. При отключении нагрузки синхронный компенсатор 5 действует в обратном порядке. Для
облегчения работы синхронного компенсатора 5 выключателем 7.6 подключается конденсаторная батарея 6.2.
Отключение части агрегатов 3.1-4.1, 3.2-4.2, 3.3-4.3 может производиться по установленным правилам на электростанциях - постепенным уменьшением подачи энергии на первичные двигатели 4.1, 4.2, 4.3 при помощи регулятора частоты вращения отключаемого агрегата и отключением асинхронных генераторов 3.1, 3.2, 3.3 от шин 0,4 кВ.
Подключение электрической системы местного значения к централизованной энергосистеме производится в следующем порядке:
1. Сеть местного значения 0,4 кВ подключается к централизованной энергосистеме или другим энергосистемам через трансформаторы 9.1, 9.2, 9.3 через соответствующую коммутационную аппаратуру 10.4, 10.5, 10.6, 10.1, 10.2, 10.3. При этом синхронный компенсатор 5, асинхронные генераторы 3.1, 3.2, 3.3 отключены от сборных шин 0,4 кВ.
2. Асинхронные генераторы 3.1, 3.2, 3.3 подключаются на сборные шины 0,4 кВ в установленном ранее порядке, т.е. на подсинхронной частоте вращения, невозбужденными, без системы синхронизации. При этом предварительно на сборные шины 0,4 кВ должно быть подано напряжение от централизованной энергосистемы или других энергосистем. Нагружаются асинхронные генераторы 3.1, 3.2, 3.3 с помощью регуляторов частоты в установленном ранее порядке. При этом напряжение и частота на сборных шинах определяется централизованной энергосистемой или другими ведущими энергосистемами.
Возможны и другие оперативные переключения в действующей электрической системе, не противоречащие установленным правилам ПУЭ.
Испытания показали, что мощность предполагаемых электрических систем местного значения может составлять от нескольких кВт до нескольких МВт.