СПОСОБ БЕСПЕРЕБОЙНОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ, РАБОТАЮЩЕЙ НА ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКАХ ЭНЕРГИИ Российский патент 2000 года по МПК H02J3/28 H02J3/32 

Предлагаемое изобретение относится к энергетике, в частности к электроснабжению потребителей, подключенных к электроэнергетической системе, работающей на возобновляемых источниках энергии (ВИЭ), и может быть использовано при организации электроснабжения ответственных потребителей переменного и постоянного тока с нагрузкой большой мощности.

Известен способ питания потребителей электроэнергетической системы, работающей на возобновляемых источниках энергии, при котором электроэнергию, вырабатываемую установками на этих источниках (ветро-, гидро-, фотоэлектрическая станция), через электрогенератор подают непосредственно в электрическую сеть потребителей (1).

Однако при таком способе питания потребителей в указанной системе возникают проблемы с обеспечением качества электроэнергии и надежности электроснабжения потребителей, вызванные нестабильностью потока энергии в возобновляемом источнике (силы ветра, интенсивность волны, потока световой энергии и т. д. ), и которые не могут быть решены из-за отсутствия возможностей обеспечения демпфирования энергосистемой вероятностного характера производства электроэнергии от возобновляемого источника.

Кроме того, ограничение допустимых мощностей установок, работающих на возобновляемых источниках и использующих низкопотенциальную энергию природы приводит к тому, что они не являются источниками гарантированного энергоснабжения, а также располагаемый потенциал источника не может быть полностью использован потребителем.

Известен также способ питания потребителей электроэнергетической системы, работающей на основе производства электроэнергии на ветроэнергетической установке с одновременным накоплением мощности при параллельной работе с другими источниками гарантированной мощности, например дизельной электростанции (2).

Данный способ по сравнению с предыдущим аналогом позволяет обеспечить сглаживание колебаний генерируемой мощности за счет демпфирования изменений ветровой энергии вследствие использования резерва мощности параллельно работающих ветроэнергетической установки и другого источника гарантированной мощности (дизельная электростанция). Это приводит к повышению качества электроэнергии, получаемой потребителем, а также гарантии надежности энергоснабжения в случае аварии или снижения мощности электрогенератора в энергосистеме.

Однако в данном способе дополнительное дублирование мощности ветроустановки (генератора) мощностью резервирующих станций, работающих в сезон недостаточной интенсивности возобновляемого источника энергии, существенно удорожает электроэнергию не только за счет дополнительных затрат на строительство дублирующих станций, но и за счет снижения резерва энергосистемы, что приводит к значительным экономическим потерям при аварийных ситуациях.

Известен также способ работы энергетической установки на возобновляемом источнике энергии в электроэнергетической системе, включающей аккумулирование электроэнергии в накопителе, вырабатываемой этой установкой, и выдачу ее в энергосистему в период пика нагрузки. При этом в периоды отключения электроэнергетической установки от накопителя аккумулирование ее производится от тепловых полупиковых электростанций энергосистемы в период минимальных электрических нагрузок в ней (3).

Такой способ позволяет исключить дублирование мощности установки на ВИЭ мощностью других специальных станций за счет двойного использования как аккумулятора энергии, так и полупиковых станций в самой энергосистеме, вследствие наличия свободной мощности в энергосистеме в период низких электрических нагрузок (ночью), что повышает экономичность энергоснабжения.

Однако при таком подходе энергоснабжение потребителя в данном способе требует в каждом случае привязки к энергосистеме и индивидуального проектирования генерирующих устройств, соответствующих максимальным мощностям конкретного потребителя с учетом энергетических возможностей среды, а необходимость дозарядки аккумулятора в период провала графика электрических нагрузок от полупиковых электростанций энергетической системы требует дополнительных технических средств (линий передач, переключателей тока и т.п. ). Все это также приводит к снижению экономичности электроснабжения.

Известен, выбранный в качестве прототипа, способ бесперебойного электроснабжения потребителей электроэнергетической системы, работающей на возобновляемых источниках энергии, включающий преобразование энергии первичного возобновляемого источника с помощью электрогенератора в электрическую энергию переменного тока и выдачу ее потребителю непосредственно с генератора: например, на электронагревательные приборы (элементы), а также преобразование посредством выпрямителя электрической энергии переменного тока в электрическую энергию постоянного тока, накопление этой энергии в аккумуляторе, преобразование с помощью инвертора электроэнергии постоянного тока в электроэнергию переменного тока и выдача ее потребителю (4).

В известном способе-прототипе осуществляют как непосредственную передачу так называемой дешевой энергии потребителю (например, при минимальном управлении генератором), так и через систему бесперебойного питания с накоплением энергии в аккумуляторе. В первом случае нагрузка потребителя (электронагревательный элемент) является одновременно и статическим ограничителем максимального тока генератора. В последнем случае при указанном электроснабжении, за счет аккумулирования энергии в системе обеспечивается непрерывное питание нагрузки потребителей даже в случае перебоев электроснабжения по сети или выхода из строя основного источника питания или снижения его мощности. Использование в данном способе для накопления энергии аккумулятора позволяет обеспечить согласование графика выработки электроэнергии с графиком ее потребления, что обеспечивает требуемое качество электроэнергии для ответственных потребителей.

Недостатком способа-прототипа является невозможность создания электроэнергетической системы, работающей в диапазоне мощностей, значительно превышающих мощности низкопотенциальных (природных) возобновляемых источников энергии, которая использовала бы полностью всю энергию этих источников. Это обусловлено необходимостью стабилизации частоты и напряжения источника переменного тока нагревательным элементом, ограничивающей верхний уровень напряжения на выходе источника и создающей дополнительные потери электроэнергии на нагревательных элементах. В этом случае роль накопителя сводится к роли демпфера, компенсирующего только кратковременные провалы в работе генерирующих устройств (колебания мощности возобновляемого источника, переключения, пусковые токи потребителей). Все это приводит к уменьшению длительности режима потребления пиковых нагрузок потребителей и, следовательно, снижению надежности электроснабжения.

Кроме того, при аккумулировании электрической энергии использование только одного возобновляемого источника не обеспечивает время разрядки аккумулятора, достаточное для ремонта электрогенератора в случае выхода его из строя, что также приведет к снижению надежности электроснабжения потребителей и сужению функциональных возможностей способа из-за резкого снижения мощностей нагрузки.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение надежности электроснабжения потребителей за счет увеличения длительности режима потребления пиковых нагрузок потребителем, вследствие использования накопителя с требуемой величиной емкости, обеспечивающей необходимую электроэнергию для суточного режима потребления, и за счет снижения потерь на дополнительное регулирование параметров источника переменного тока, а также расширение функциональных возможностей способа за счет обеспечения расширения диапазона мощностей энергосистемы, значительно превышающих мощности возобновляемых источников энергии, и за счет увеличения числа подключаемых к энергосистеме потребителей.

Технический результат достигается тем, что в способе бесперебойного электроснабжения потребителей электроэнергетической системы, работающей на возобновляемых источниках энергии, включающем преобразование энергии первичного возобновляемого источника в электрическую энергию переменного тока с помощью электрогенератора при одновременном управлении его режима работы, преобразование посредством выпрямителя электрической энергии переменного тока в электрическую энергию постоянного тока, накопление этой энергии в аккумуляторе, преобразование с помощью инвертора электроэнергии постоянного тока в электрическую энергию переменного тока и выдачу ее на нагрузку потребителя, согласно изобретению, в электроэнергетической системе используют по крайней мере еще один автономный, одновременно работающий с первым возобновляемый источник энергии, а накопление электрической энергии осуществляют путем аккумулирования суммарной электрической энергии постоянного тока, полученной в результате преобразования энергии каждого одновременно работающего первичного возобновляемого источника, при этом объем накопленной энергии в аккумуляторе определяют емкостью, которую рассчитывают по величине электроэнергии суточного потребления нагрузкой потребителя, а управление режимом работы генератора производят путем изменения емкостного сопротивления аккумулятора в процессе его зарядки при поддержании величины напряжения зарядки, заданной в диапазоне между минимальной и максимальной величинами напряжения на нагрузке потребителя.

Кроме того, в электроэнергетической системе могут быть также использованы два одновременно работающих однотипных возобновляемых источников энергии, например ветер-ветер.

В электроэнергетической системе могут быть также использованы два работающих разнотипных возобновляемых источника, например ветер-вода.

Использование в энергосистеме нескольких возобновляемых источников, по крайней мере, не менее двух, позволяет обеспечить аккумулирование суммарной электрической энергии постоянного тока в аккумуляторе с заданной емкостью, полученной от этих источников, и обеспечить мощности суточного потребления по сравнению с прототипом, так как накопление суммарной электрической энергии постоянного тока в аккумуляторе заданной емкости позволяет последнему работать в качестве нагрузки, которая одновременно управляя всеми источниками и стабилизируя напряжение на них, забирает от последних всю энергию и обеспечивает энергобаланс между производством и потреблением электроэнергии.

Управление режимом работы генератора путем изменения емкостного сопротивления позволяет обеспечить его динамическое регулирование в процессе зарядки аккумулятора, что приводит к снижению аварийных ситуаций и увеличению надежности энергоснабжения по сравнению с прототипом. Поддержание величины напряжения зарядки аккумулятора в указанном диапазоне при его зарядке приведет к изменению величины его емкостного сопротивления и величины тока в зависимости от последнего. Это обеспечит динамическое регулирование генератора при исключении потерь на дополнительное регулирование источников переменного тока. Все это приводит к увеличению длительности режима пиковых нагрузок потребителя и увеличению его мощностей, что повышает надежность электроснабжения потребителей и расширяет функциональные возможности способа по сравнению с прототипом.

Сравнение заявляемого изобретения с прототипом позволило установить, что оно отличается от последнего условиями проведения операции аккумулирования электроэнергии в электроэнергетической системе и управлением электрогенератора и, следовательно, соответствует критерию "новизна".

Сравнение заявляемого изобретения с другими известными решениями в данной области техники показало, что идентичные признаки по признакам, отличающим заявленное изобретение от прототипа, выявлены не были, и поэтому оно соответствует критерию "изобретательский уровень".

Применение заявляемого изобретения в энергетике при организации электроснабжения ответственных потребителей переменного тока с нагрузкой большой мощности обеспечивает ему критерий "промышленная применимость".

Предложенный способ поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображена блок-схема для реализации способа: электроэнергетическая система с четырьмя автономными возобновляемыми источниками энергии, работающими одновременно на потребителей переменного тока;
фиг. 2 - то же, для потребителей постоянного тока;
фиг. 3 - пример создания схемы энергорайона потребителей переменного и постоянного тока с использованием двух ветроагрегатов и двух гидроагрегатов, использующих энергию свободно текущей воды.

Сущность предлагаемого способа заключается в следующем.

Для бесперебойного электроснабжения переменным током потребителей электроэнергетической системы, работающей на возобновляемых источниках энергии используют, по крайней мере, два таких одновременно работающих источника либо однотипных ветер-ветер, либо разнотипных ветер-вода (см. фиг. 3). При этом энергию каждого источника в отдельности преобразуют в электрическую энергию переменного тока с помощью электрогенератора, а затем в электроэнергию постоянного тока и при заданном напряжении заряда аккумуляторов V_з аккумулируют преобразованную от всех источников суммарную электроэнергию постоянного тока в аккумуляторе, имеющем емкость не менее расчетной величины емкости, требуемой для накопления энергии, необходимой для суточного режима потребления.

Величину напряжения V_з зарядку аккумулятора задают и поддерживают в диапазоне величин между минимальной и максимальной величинами напряжения на нагрузке. Поддержание величины напряжения зарядки V_з в данном диапазоне величин приводит к изменению величины емкостного сопротивления аккумулятора и величины тока в зависимости от последнего. Это обеспечивает динамическое регулирование режима работы генератора самим аккумулятором, который одновременно с накоплением энергии выполняет и функцию его нагрузки. Также одновременно с зарядкой аккумулятора осуществляют питание инверторов и через них осуществляют электроснабжение переменным током потребителей при одновременно работающих первичных возобновляемых источниках. При возрастании потребления электроэнергии на нагрузке потребителей (пиковых нагрузках) либо при перебоях в генераторных цепях питание потребителей переменного тока осуществляют дополнительно по накопленной в аккумуляторе электроэнергией, также предварительно преобразованной инверторами в электроэнергию переменного тока. Обеспечение аккумулирования суммарной электрической энергии постоянного тока в аккумуляторе с указанной определенной емкостью, преобразованной от нескольких возобновляемых источников, по крайней мере не менее двух, позволяет аккумулятору работать в качестве самостоятельной нагрузки, которая одновременно управляя всеми источниками и стабилизируя напряжение на них, забирает от последних всю энергию и тем самым обеспечивает энергобаланс в системе при исключении потерь на дополнительное регулирование источников переменного тока в случае увеличения мощностей потребителя.

Например, для расчета энергобаланса между выработкой и потреблением электроэнергии в электроэнергетической системе, работающей на возобновляемых источниках энергии, определяют:
1) пиковую мощность потребителя - N_п (кВт) = 8 кВт;
2) время использования пиковой мощности потребителем в сутки - Т_п (ч) = 8 ч;
3) базовая мощность потребителя - N_б (кВт) = 0,2 кВт;
4) время использования базовой мощности потребителем в сутки - Т_б (ч) = 16 ч;
5) суточное потребление электроэнергии потребителем, W_сут:
W_сут = 8 (кВт) • 8 (ч) + 0,2 (кВт) • 16 (ч) = 67,2 (кВт/ч);
6) минимальную мощность, N, вырабатываемую генерирующими источниками для обеспечения суточного потребления потребителем:

где W_сут - суточное потребление электроэнергии потребителем, к - коэффициент, учитывающий собственные нужды системы и потери, меняется в зависимости от условий эксплуатации системы и составляет 1.05- 1,5 (в Примере к = 1,2).

Минимальная мощность, N, позволяет произвести выбор источников, их количество и основные технико-экономические параметры системы;
7) емкость аккумулятора (Ca)
Данная система расчета может проводиться только при работе аккумулятора в буферном режиме (режиме заряда - разряда), имеющем емкость не менее величины емкости, необходимой для суточного потребления электроэнергии потребителем и при использовании его как основного источника для потребителя:
Ca = (N_п : V_н) • T_п + (N_б : V_н) • Т_б, где
Ca - емкость аккумулятора;
N_п - пиковая мощность потребителя, N_п = 8000 кВт;
V_н - напряжение нагрузки потребителя, V_н = 220 в;
T_п - время использования пиковой мощности потребителя в сутки, T_п = 8 ч;
N_б - базовая мощность потребителя, N_б = 200 Вт;
T_б - время использования базовой мощности потребителя в сутки, T_б = 16 ч;
В этом случае:
Ca = (8000: 220) • 8 + (200 : 220) • 16 = 306,4 (A ч)
Заявляемый способ реализуют с помощью устройства, представленного на фиг. 1.

Устройство представляет из себя электроэнергетическую систему, содержащую четыре установки 1, например ветро- или гидроустановки, использующие энергию первичных однотипных или разнотипных возобновляемых источников. Эти установки 1 последовательно соединены с генераторами 2 электрической энергии переменного тока, выпрямителями 3, стабилизаторами 4, соединенными между собой и с общим накопителем 5. Накопитель 5 соединен с общим входом инверторов 6, выходы которых соединены с нагрузкой 7 потребителя.

Способ реализуют следующим образом.

Генерирующие источники 2 преобразуют механическую энергию установок 1, использующих энергию первичных возобновляемых источников (например, энергию ветра) в электрическую энергию переменного тока. В выпрямительном блоке 3 эта энергия преобразуется в электрическую энергию постоянного тока и передается на стабилизаторы напряжения 4, которые поддерживают ее величину в заданных допустимых пределах, обеспечивающих функционирование накопителя 5 энергии и исключающих перенапряжение и пульсацию на входах последнего и инверторов 6. В качестве накопителя 5 используют аккумулятор, состоящий из нескольких аккумуляторных батарей. При стабилизированном напряжении V_з осуществляется зарядка аккумулятора 5 током, равным разности суммарного тока, полученного в результате преобразования от каждого электрогенератора 2 и тока нагрузки 7. Выпрямленный (постоянный ток) преобразуется инверторами 6 в переменный и подается на нагрузку 7.

При пиковых токах нагрузки 7, превышающих общий суммарный ток всех генераторов 2, начинается разрядка аккумулятора 5 в общую цепь нагрузки 7 для уравнения токов в цепи нагрузки 7 и генераторной цепи.

При аварийных ситуациях в генераторных цепях и подключении общей нагрузки 7 также начинается разряд аккумулятора 5 с подачей тока разряда последнего в цепь нагрузки 7 для уравновешивания тока нагрузки и суммарного тока генераторов 2. При этом максимальное время аварийной ситуации будет равно максимальному времени разряда аккумулятора 5.

При работе аккумулятор 5 постоянно включен, так как разряженный накопитель 5 потребляет большой ток, а заряженный накопитель - минимальный, и в случае необходимости потребитель восполнит свои потребности, используя накопитель 5.

В предлагаемом способе могут быть использованы как однотипные, так и разнотипные возобновляемые источники энергии, например, ветер-ветер, вода- ветер, солнце-ветер-вода и т.п.

Вариант организации энергорайона потребителей переменного тока представлен на фиг. 3, в котором питание последних осуществляют от энергосистемы, работающей на двух ветроагрегатах 1 и двух гидроагрегатах 8, использующих энергию свободно текущего потока 9 воды.

Представленный способ может быть реализован также для электроснабжения потребителя постоянного тока, который питается непосредственно из аккумулятора (без преобразования электроэнергии постоянного тока в энергию переменного тока с помощью устройства, представленного на фиг. 2 и 4).

Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет повысить надежность электроснабжения потребителя за счет снижения влияния нестабильных источников переменного тока на режим работы потребителя, а также расширение функциональных возможностей способа за счет возможности укрупнения энергосистем и обеспечения увеличения мощности нагрузки потребителя и числа подключенных к энергосистеме потребителей.

Предлагаемое изобретение позволяет унифицировать каждый элемент энергосистемы и организовать серийное производство этих элементов, что и приведет к снижению затрат и времени на организацию надежного электроснабжения потребителя.

Применение данного способа позволит создать в короткие сроки энергорайоны, удаленные от линий электропередач с незначительными капитальными вложениями в строительство, обеспечить электроэнергией население в условиях чрезвычайных ситуаций без вредного воздействия на окружающую среду.

Источники информации:
1. Дж. Твайделл А. Уэйр Возобновляемые источники энергии. М., Энергоатомиздат, 1990 г. с. 12-13, рис. 1.1.

2. Журнал "Энергетическое строительство" 1989 г. N 10, с. 16-21.

3. Пат. РФ N 2035821, H 02 J 15/00 1995 г. БИ N 14
4. Дж. Твайделл А. Уэйр Возобновляемые источники энергии. М., Энергоатомиздат, 1990 г., с. 234, рис. 29а - Прототипз

Изобретение относится к энергетике, в частности к электроснабжению потребителей, подключенных к электроэнергетической системе, работающей на возобновляемых источниках энергии (ВИЭ), и может быть использовано при организации электроснабжения ответственных потребителей переменного и постоянного тока с нагрузкой большой мощности. Техническим результатом изобретения является повышение надежности электроснабжения потребителей за счет увеличения длительности режима потребления пиковых нагрузок потребителем вследствие использования накопителя с требуемой емкостью, и за счет снижения потерь на дополнительное регулирование параметров источника переменного тока, а также расширение функциональных возможностей способа за счет расширения диапазона мощностей энергосистемы, значительно превышающих мощности возобновляемых источников энергии, и за счет увеличения числа подключаемых к энергосистеме потребителей. Способ включает преобразование энергии первичного возобновляемого источника с помощью электрогенератора в электрическую энергию переменного тока, преобразование посредством выпрямителя электрической энергии переменного тока в электрическую энергию постоянного тока, накопление этой энергии в аккумуляторе, заряжаемом от выпрямителя, преобразование с помощью инвертора электрической энергии постоянного тока в электрическую энергию переменного тока и выдача ее на нагрузку потребителя. При этом в электроэнергетической системе используют, по крайней мере, еще один автономный, одновременно работающий с первым возобновляемый источник энергии, а накопление электрической энергии осуществляют путем аккумулирования суммарной электрической энергии постоянного тока, полученной в результате преобразования энергии каждого одновременного работающего первичного возобновляемого источника, при этом объем накопленной энергии в аккумуляторе определяют его емкость Са, которую рассчитывают по величине электроэнергии суточного потребления нагрузкой потребителя, а управление режимом работы генератора производят путем изменения емкостью сопротивления аккумулятора в процессе его зарядки при поддержании величины напряжения V_з зарядки, заданной в диапазоне между минимальной и максимальной величинами напряжения на нагрузке потребителя. В электроэнергетической системе могут быть использованы два одновременно работающих однотипных возобновляемых источника энергии, например ветер-ветер или два одновременно работающих разнотипных возобновляемых источника энергии, например ветер-вода. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ бесперебойного электроснабжения потребителей электроэнергетической системы, работающей на возобновляемых источниках энергии, включающий преобразование энергии первичного возобновляемого источника в электрическую энергию переменного тока с помощью электрогенератора при одновременном управлении его режима работы, преобразование посредством выпрямителя электрической энергии переменного тока в электрическую энергию постоянного тока, накопление этой энергии в аккумуляторе, заряжаемом от выпрямителя, преобразование с помощью инвертора электрической энергии постоянного тока в электрическую энергию переменного тока и выдачу ее на нагрузку потребителя, отличающийся тем, что в электроэнергетической системе используют, по крайней мере, еще один автономный, одновременно работающий с первым возобновляемый источник энергии, а накопление электрической энергии осуществляют путем аккумулирования суммарной электрической энергии постоянного тока, полученной в результате преобразования энергии каждого одновременно работающего первичного возобновляемого источника, при этом объем накопленной энергии в аккумуляторе определяют емкостью, которую рассчитывают по величине суточного потребления нагрузкой потребителя, а управление режимом работы генератора производят путем измерения емкостного сопротивления аккумулятора в процессе его зарядки при поддержании величины напряжения зарядки, заданной в диапазоне между минимальной и максимальной величинами напряжения на нагрузке потребителя. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в электроэнергетической системе используют два одновременно работающих однотипных возобновляемых источника энергии, например ветер-ветер. 3. Способ по п.1, отличающийся тем, что в электроэнергетической системе используют два одновременно работающих разнотипных возобновляемых источника энергии, например ветер-вода.