Лабораторный стенд электротехнического комплекса виртуальной электростанции с возобновляемыми источниками энергии

Полезная модель относится к учебно-исследовательскому оборудованию и может быть использована для проведения лабораторных работ для магистрантов по направлению 13.04.02 «Электроэнергетика и электротехника» и исследований; для демонстрации возможностей систем распределенной энергетики и изучения физических процессов, протекающих в системах с источниками распределенной генерации, а также использоваться для отработки алгоритмов управления системами с распределенной генерацией.
Наиболее близким из известных аналогов является Стенд моделирования режимов работы системы автоматического управления электрогенерирующим оборудованием, использующим альтернативные источники энергии (Патент РФ №156001, MПK - G09B 23/18). Лабораторный стенд моделирования режимов автоматического управления электрогенерирующим оборудованием, использующий альтернативные источники энергии, содержащий контроллеры, интерфейс передачи данных и группу пользовательских интерфейсных устройств, отличающийся тем, что в него введены дополнительно два контроллера, соединенные через общую шину обмена данными с ЭВМ оператора, предназначенной для обеспечения программирования контроллеров по шине обмена данными, с аккумуляторной батареей, с портативной метеостанцией и с релейным блоком, модуль имитации ветрогенератора электрической энергии (в составе аккумуляторной батареи, источника питания, контактных линий, регулятора сопротивления контактных линий), солнечная батарея, соединенные кабельной линией, при этом контроллеры предназначены для поступления на них через модули коммутации сигналов от портативной метеостанции и аккумуляторной батареи, а также для поступления управляющих сигналов с контроллера на релейный блок.
Недостатками данного стенда является упрощенная реализация систем электрогенерирующего оборудования, использующего возобновляемые источники энергии: системы «двигатель - генератор», позволяющей моделировать стохастический характер генерации для ветроэнергетической установки; отсутствие преобразовательного оборудования, применяемого в сетях с источниками распределенной генерации; конструктивное единство исполнения, непозволяющее изменять структуру сети.
Задачи, решаемые предлагаемой полезной моделью - моделирование режимов работы электротехнического комплекса виртуальной электростанции с возобновляемыми источниками энергии с использованием промышленного оборудования, испытания и проведение первичной отладки оборудования, используемого при построении сетей с объектами распределенной энергетики. Решение этих задач важно для разработки методов проектирования реальных систем электроснабжения с источниками распределенной генерации и эффективной интеграции объектов распределенной генерации в уже существующие системы электроснабжения.
Технический результат - получение экспериментальных зависимостей тока и напряжения от времени для разных режимов работы сети, которые могут быть масштабированы и применены при проектировании реальных электротехнических комплексов виртуальной электростанции.
Технический результат достигается тем, что в лабораторном стенде электротехнического комплекса виртуальной электростанции с возобновляемыми источниками энергии, содержащем программируемый логический контроллер, общую шину обмена данными, контактные линии, используются имитаторы возобновляемых источников энергии: блок солнечной электростанции, состоящий из фотоэлектрической панели, прожекторов с устройством плавного регулирования светового потока, контроллера заряда, аккумуляторной батареи и инвертора; блок ветроэнергетической установки, состоящий из системы двигатель-генератор с возможностью регулирования частоты вращения генератора, представленный преобразователем частоты – асинхронным электродвигателем – синхронным генератором на постоянных магнитах, контроллера заряда, аккумуляторной батареи и инвертора; блок накопителя электрической энергии, представленный аккумуляторной батареей и инвертором; блок источника питания, блоки резистивной нагрузки и асинхронного электродвигателя; все блоки объединены электрически через блоки распределительных шин при помощи проводов на переменном токе и информационно через общую шину обмена данными с программируемым логическим контроллером, с использованием устройства дискретного и аналогового ввода/вывода и измерительные модули.
Сущность технического решения состоит во введении имитаторов солнечной электростанции (фотоэлектрической панели, в составе прожекторов с устройством плавного регулирования светового потока, контроллера заряда, аккумуляторной батареи и инвертора), ветроэнергетической установки (в составе системы «двигатель-генератор» с возможностью регулирования частоты вращения генератора (преобразователь частоты – асинхронный электродвигатель – синхронный генератор на постоянных магнитах), контроллера, аккумуляторной батареи и инвертора), накопителя электрической энергии (в составе аккумуляторной батареи и инвертора), резистивной нагрузки и электродвигателя. За счет использования программируемого логического контроллера, связанного со всеми блоками стенда через блоки дискретного и аналогового ввода/вывода и измерительные модули возможно автоматически (по заранее заложенным алгоритмам) и дистанционно управлять стендом, моделируя характерные режимы работы электротехнического комплекса виртуальной электростанции с возобновляемыми источниками энергии.
На фиг. 1 изображена структурная схема полезной модели.
Учебно-исследовательский лабораторный стенд электротехнического комплекса виртуальной электростанции с возобновляемыми источниками энергии включает в себя блок источника питания (1), три блока распределительной шины (2), два блока вводного выключателя с лабораторными автотрансформаторами (3), блок секционного выключателя (4), три блока резистивной нагрузки (5), блок асинхронного электродвигателя (6), блок накопителя электрической энергии (7) (в составе инвертора (8) и аккумуляторной батареи (9)), блок имитации солнечной электростанции (10) (в составе инвертора (8)), аккумуляторной батареи (9), контроллера заряда (11), фотоэлектрической панели (12), прожекторов с устройством плавного регулирования светового потока (13)) и блок имитации ветроэнергетической установки (14) (в составе инвертора (8), аккумуляторной батареи (9), контроллера заряда (11) и системы «двигатель-генератор» (15) с возможностью регулирования частоты вращения вала генератора (преобразователь частоты (16) - асинхронный электродвигатель (17) - синхронный генератор на постоянных магнитах (18)), все блоки объединены электрически через блоки распределительных шин и провода на переменном токе и информационно через общую шину обмена данными с программируемым логическим контроллером (19).
Управление блоками стенда возможно как механическими переключателями на панели оператора, так и с помощью программируемого логического контроллера в ручном режиме с помощью сенсорного экрана или в автоматическом по заранее заложенным алгоритмам.
Каждый блок содержит реостат, позволяющий имитировать величину длины и сечения линий электропередач между элементами электрической сети виртуальной электростанции, путем изменения величины сопротивления между блоками.
Стенд позволяет моделировать режимы работы системы (изолированный, питание нагрузки только от централизованной энергетической системы, питание нагрузки от централизованной энергетической системы и одного источника распределенной генерации, питание нагрузки от централизованной энергетической системы и нескольких источников распределенной генерации) с электрогенерирующим оборудованием, имитирующим возобновляемые источники энергии. Стенд позволяет имитировать физические процессы, протекающие в электротехническом комплексе виртуальной электростанции с возобновляемыми источниками энергии, максимально приближенно к процессам, протекающим в реальных системах. Конструкция стенда позволяет  переключать блоки нагрузок и имитаторы возобновляемых источников энергии между распределительными шинами. Для этого необходимо соединить требуемые в конкретной конфигурации сети блоки с помощью проводов.
Для защиты персонала и обучающихся на каждом блоке стенда установлен автоматический выключатель, а на блоке источника питания установлен дифференциальный автоматический выключатель. Для безопасной эксплуатации стенда обязательно наличие заземления в лаборатории.
Учебно-исследовательский лабораторный стенд электротехнического комплекса виртуальной электростанции с возобновляемыми источниками энергии конструктивно представляет собой конструктивно модульное устройство, включающее в себя панель оператора с органами управления (фиг. 2), шкаф с преобразовательной техникой и шкаф нагрузки (фиг. 3). Логический контроллер системы управления (фиг. 4) закреплен на панели оператора и соединен с прочими элементами шиной обмена данными через блоки дискретного и аналогового ввода/вывода и измерительные модули.
Блок источника питания позволяет осуществлять подключение непосредственно к электрической сети лаборатории или подключение через источник бесперебойного питания для исключения негативного воздействия внешней сети.
Наличие на лабораторном стенде электрогенерирующего оборудования, имитирующего возобновляемые источники энергии (блок солнечной электростанции (в составе прожекторов с устройством плавного регулирования светового потока, фотоэлектрической панели, контроллера заряда, аккумуляторной батареи и инвертора), блок ветроэнергетической установки (в составе системы «двигатель-генератор» с возможностью регулирования частоты вращения генератора (преобразователь частоты – асинхронный электродвигатель – синхронный генератор на постоянных магнитах), контроллера заряда, аккумуляторной батареи и инвертора)), повышают практическую значимость и наглядность моделирования.
Блок имитации солнечной электростанции позволяет путем плавного регулирования светового потока, создаваемого прожекторами, а также регулирования угла наклона прожекторов относительно солнечной панели имитировать изменение количества вырабатываемой электроэнергии в зависимости от времени суток, географического расположения и погоды. Блок имитации ветроэнергетической установки позволяет путем изменения частоты вращения электродвигателя при помощи преобразователя частоты имитировать изменение количества вырабатываемой электроэнергии в зависимости от скорости ветра (при этом на шкале преобразователя частоты указана имитируемая скорость ветра).
Таким образом, предлагаемый лабораторный стенд электротехнического комплекса виртуальной электростанции с возобновляемыми источниками энергии позволяет в учебно-исследовательском процессе моделировать режимы работы системы с энергоустановками на основе возобновляемых источников энергии, за счет использования электрогенерирующего и преобразовательного оборудования, применяемого в электроэнергетике.