СПОСОБ БЕСПЕРЕБОЙНОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ, РАБОТАЮЩЕЙ НА НЕСТАБИЛЬНЫХ ИСТОЧНИКАХ ЭНЕРГИИ Российский патент 2006 года по МПК H02J3/28 H02H9/00 

Изобретение относится к электроэнергетике, в частности к области электроснабжения потребителей, подключенных к электроэнергетической системе, работающей от нестабильных, преимущественно возобновляемых, источников энергии, например, ветроэлектрических автономных установок или автономных гидроэлектрических станций малой мощности.

Известен, принятый за прототип, способ бесперебойного электроснабжения потребителей электроэнергетической системы, работающей на возобновляемых источниках энергии - патент РФ №2153752 H 02 J 3/28, 3/32, включающий преобразование энергии возобновляемых источников в электрическую энергию переменного тока с помощью электрогенераторов переменного тока, преобразование посредством выпрямителей энергии переменного тока в энергию постоянного тока, стабилизацию напряжения постоянного тока, накопление энергии постоянного тока в аккумуляторе, заряжаемом указанным постоянным током, преобразование с помощью инвертора электрической энергии постоянного тока в электрическую энергию переменного тока и выдачу ее на нагрузку потребителю. При этом 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. Причем емкость аккумулятора рассчитывается по величине суточного потребления энергии нагрузкой потребителя. При использовании данного способа могут использоваться несколько источников энергии, каждый из которых подвергается преобразованию переменного напряжения в постоянное, и суммирование энергии в общем аккумуляторе, имеющем огромную емкость, рассчитанную на суточное потребление. Управление режимом работы генераторов путем изменения емкости аккумулятора при поддержании напряжения зарядки приводит к изменению тока зарядки. Это и позволяет аккумулятору выступать в роли исполнительного устройства системы регулирования, которая стабилизирует колебания генерируемой энергии. Здесь ток зарядки, при постоянном напряжении зарядки, равен разности между током источников и током нагрузки.

Существенными признаками прототипа, совпадающими с существенными признаками заявляемого изобретения, являются - способ бесперебойного электроснабжения потребителей электроэнергетической системы, работающей на нестабильных источниках энергии, включает преобразование энергии нестабильного источника в электрическую энергию переменного тока с помощью электрогенератора переменного тока и накопление энергии постоянного тока в аккумуляторе.

Способ-прототип обеспечивает бесперебойное электроснабжение потребителей, однако характеризуется низким коэффициентом использования энергии нестабильного (возобновляемого) источника для случая, когда мощность его меньше расчетной номинальной мощности. Это объясняется тем, что за счет применения стабилизаторов напряжения и параллельного подключения выходов стабилизаторов и шин питания аккумуляторной батареи энергия генератора с пониженной мощностью, когда его выпрямленное напряжение меньше напряжения стабилизации, не передается в аккумулятор.

Энергия такого генератора также не передается и в нагрузку, поскольку нагрузка питается через инвертор от аккумулятора во всех режимах генератора. Последнее замечание также указывает на другой существенный недостаток, а именно в энергетической системе расчет аккумулятора и инвертора ведется из условия максимальной мощности нагрузки потребителя. Точнее, емкость аккумулятора должна быть столь огромной, что стоимость аккумулятора и его обслуживание становятся сравнимы со стоимостью, например, ветроэлектрической установки. Причем, двойное преобразование энергии (из переменного тока в постоянный и затем обратно) при малых мощностях также снижает коэффициент использования энергии. Таким образом, способ-прототип имеет недостаток, который проявляется при всех режимах генератора возобновляемой энергии.

Предлагаемым способом решается техническая задача расширения диапазона используемых мощностей нестабильных, преимущественно возобновляемых источников энергии, при высоком коэффициенте использования энергии источников и использовании аккумулятора со значительно меньшей емкостью.

Для достижения указанного технического результата в способе бесперебойного электроснабжения потребителей электроэнергетической системы, работающей от нестабильного источника энергии, включающем преобразование энергии нестабильного источника в электрическую энергию переменного тока с помощью электрогенератора переменного тока и накопление энергии постоянного тока в аккумуляторе, стабилизацию частоты напряжения сети осуществляют при помощи регулируемой емкостной матрицы с двунаправленными ключами, номиналы конденсаторов которой выбраны из соотношения 8-4-2-1, которой управляют аналого-цифровой схемой фазочастотной автоподстройки частоты сети к частоте опорного генератора промышленной частоты (ФАПЧ-полоска), а стабилизацию амплитуды осуществляют за счет модуляции напряжения сети широтно-импульсным модулятором, причем коммутацию емкостной матрицы и сети к источнику постоянного тока выполняют двумя тиристорными ключевыми мостами, диагонали постоянного тока которых подключены к аккумулятору через транзистор, которым управляют широтно-импульсным модулятором, а диагонали переменного тока мостов подключены к сети переменного тока и к емкостной матрице соответственно.

Отличительными признаками предлагаемого способа являются - стабилизацию частоты напряжения сети осуществляют при помощи регулируемой емкостной матрицы с двунаправленными ключами, номиналы конденсаторов которой выбраны из соотношения 8-4-2-1, которой управляют аналого-цифровой схемой фазочастотной автоподстройки частоты сети к частоте опорного генератора промышленной частоты, а стабилизацию амплитуды осуществляют за счет модуляции напряжения сети широтно-импульсным модулятором, причем коммутацию емкостной матрицы и сети к источнику постоянного тока выполняют двумя тиристорными ключевыми мостами, диагонали постоянного тока которых подключены к аккумулятору через транзистор, которым управляют широтно-импульсным модулятором, а диагонали переменного тока мостов подключены к сети переменного тока и к емкостной матрице соответственно.

Благодаря наличию указанных отличительных признаков (в совокупности с известными из прототипа) в электроэнергетичекой системе с генератором переменного тока, вращение которого обусловлено источником нестабильной энергии, достигается следующий технический результат:

- для стабилизации напряжения электроэнергетической системы требуется меньшая емкость аккумуляторной батареи, которая подключается лишь в случаях существенных провалов мощности нестабильного (возобновляемого) источника. Причем в этих режимах энергия возобновляемого источника также идет в сеть в отличие от прототипа, тем самым энергия источника суммируется с энергией аккумуляторной батареи;

- в случае применения данного способа к ветроэлектрической энергетической системе стабилизация напряжения сети поворотом лопасти не требуется, остается лишь низкочастотный поворот лопасти с целью ограничения нагрузок на установку;

- коэффициент использования энергии возобновляемого источника повышается за счет исключения двойного преобразования энергии АС-ДС-АС и за счет суммирования энергии от аккумулятора с энергией возобновляемого источника в режимах малой его мощности;

- появляется возможность использования ветроэлектрических установок в условиях нестабильных ветров или гидроэлектрических станций малой мощности в условиях нестабильных течений или уровней воды, поскольку используется даже малая их энергия.

В результате поиска по источникам патентной и научно-технической информации совокупность признаков, характеризующая предлагаемый способ бесперебойного энергоснабжения потребителей электроэнергетической системы, работающей на возобновляемых источниках энергии, не была обнаружена. Таким образом, предлагаемый способ соответствует критерию охраноспособности "новое".

На основании сравнительного анализа предлагаемого способа с известным уровнем техники по источникам научно-технической и патентной информации можно утверждать, что между совокупностью признаков, в том числе и отличительных, и выполняемых ими функций и достигаемых целей наблюдается неочевидная причинно-следственная связь. На основании изложенного можно утверждать, что предлагаемый способ не следует явным образом из уровня техники и, следовательно, соответствует критерию охраноспособности "изобретательский уровень".

Предложенное решение может найти применение в электроэнергетике для бесперебойного электроснабжения ответственных потребителей, подключенных к автономным электроэнергетическим системам, работающим от нестабильных, преимущественно возобновляемых источников энергии, особенно в ветроэнергетике. Поэтому это решение соответствует критерию "промышленно применимо".

Предложенный способ реализуется приведенной схемой. Причем показана одна фаза сети. Для трехфазной сети требуются 3 независимые схемы.

На схеме обозначены: 1 - электрогенератор переменного тока промчастоты (источник возобновляемой энергии), 2 - емкостная матрица с ключами, 3 и 4 - тиристорные мосты №1 и №2, 5 - транзисторный ключ, 6 - источник постоянного тока - аккумуляторная батарея, 7 - источник постоянного тока - дизель-генератор, 8 - шим-модулятор, 9 - схема фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), 10 - датчик частоты сети.

Выходная обмотка электрогенератора 1 и емкостная матрица с ключами 2 включены в выходные диагонали (диагонали переменного тока) мостовых тиристорных схем 3 и 4 соответственно. Тиристорные мосты 3 и 4 через транзисторный ключ 5 диагональю постоянного тока (входной) подключены к источнику постоянного тока 6 или 7. Транзисторный ключ 5 управляется шим-модулятором 8.

Управление емкостной матрицей 2 и шим-модулятором 8 осуществляет схема фазовой автоподстройки частоты 9. Эта же схема 9 формирует сигналы переключения для тиристорных мостов 3 и 4. Схема ФАПЧ 9 работает по сигналам с датчика частоты сети 10.

Стабилизация частоты сети осуществляется схемой ФАПЧ 9, исполнительным элементом которой является емкостная матрица 2. Емкостная матрица 2 выполнена из n параллельно соединенных цепей, каждая из которых представляет собой последовательное соединение двунаправленного силового ключа и конденсатора. Номиналы каждого i-го конденсатора выбраны в двоичном коде, т.е. С_i=2^Ci-1. Тиристорные мосты 3 и 4 подключают конденсаторную матрицу 2 параллельно сети в режимах превышения энергии возобновляемого источника энергии 1 (ток генератора 1 больше тока нагрузки). Для этих режимов характерно увеличение оборотов генератора 1. При параллельном подключении к обмотке генератора 1 регулируемой емкости 2 изменяется фаза между вектором тока и вектором напряжения сети (изменяется реактивная мощность потерь сети, расходуемая на перезаряд конденсатора). Схема ФАПЧ 9 по цепи обратной связи (датчик 10) определяет рассогласование фаз между сетью и собственным опорным генератором промышленной частоты 1 с помощью собственного фазового выпрямителя или схемы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ. Выходной сигнал фазового выпрямителя фильтруется, преобразовывается в цифровой код и этим кодом управляется емкостная матрица 2 (к сети подключается определенная комбинация конденсаторов через тиристорные мосты 3 и 4). Увеличение тока генератора 1 ведет к увеличению емкости, подключенной к сети батареи конденсаторов, что увеличивает потери реактивной мощности, что в свою очередь накладывает больший момент на вал генератора 1, что приводит к уменьшению оборотов его (вала и к уменьшению частоты напряжения сети. Налицо стабилизирующая отрицательная обратная связь, подобная связи в ФАПЧ-схемах. Роль генератора, управляемого напряжением (ГУН), здесь играет регулируемая емкостная матрица 2 совместно с генератором 1.

Для режимов, когда ток генератора 1 меньше тока нагрузки, ключ 5 подключает тиристорные мосты 4 и 3 с матрицей 2 и электрогенератором 1 к источнику постоянного тока 6 или 7. Причем пока напряжение источника 6 (аккумуляторная батарея) находится в пределах номинального, дизель-генератор 7 не запущен. При падении этого напряжения ниже допуска, последний запускается и своим напряжением закрывает выход источника 6.

Конденсаторная матрица 2 в этих режимах играет роль дополнительного коммутатора тиристоров рабочего моста 3 и схема силовая приобретает функции инвертора, включающего тиристорный мост 3 с транзистором 5, в котором находится нагрузка - обмотка генератора 1. Транзисторный ключ 5 коммутируется в широтно-импульсном режиме с частотой опорного генератора промышленной сети схемы ФАПЧ 9. В емкостной матрице 2 в этом режиме установлена минимальная емкость. Транзисторный ключ 1 обеспечивает шим-волну синусоидального напряжения сети даже при полном исчезновении энергии возобновляемого источника 1. Здесь в сеть передается энергия источника постоянного тока - аккумуляторной батареи 6.

Переход из одного режима в другой по данному способу происходит автоматически. Уменьшение частоты переводит силовую схему в режим инвертора той же схемой ФАПЧ 9. Благодаря указанному, кратковременные провалы и превышения тока генератора 1 стабилизируются данным способом с полосой пропускания ω_n не хуже половины частоты сети ω_с, т.е. ω_n=0.5 ω_с. Такое быстродействие позволяет иметь не очень большую емкость аккумулятора 6. В основном емкость аккумулятора 6 будет определяться временем, необходимым для выхода на режим дизель-генератора 7.

Рассмотрим работу энергетической системы в трех режимах:

1. Режим большой мощности.

2. Режим номинальной мощности и ниже.

3. Режим длительного отсутствия мощности возобновляемого источника.

1. Режим большой мощности.

В этом режиме аккумуляторная батарея 6 отключается от конденсаторных матриц 2. Аккумуляторная батарея 6 подключается к зарядному устройству (на схеме не показано) небольшой мощности, которое запитано от энергетической сети. Заряд конденсаторной матрицы 2 осуществляется исключительно от энергетической сети. Разряд ее также осуществляет сеть, тем самым излишняя энергия сети тратится на заряд-разряд конденсаторных батарей матрицы 2, причем чем больше избыточная мощность сети, тем больше будет уходить частота сети от заданной опорным генератором ФАПЧ 9, тем больше выходное напряжение, отфильтрованное на выходе фазового выпрямителя ФАПЧ 9.

Напряжение фазового выпрямителя ФАПЧ 9 может быть оцифровано, и полученным кодом управляется конденсаторная матрица 2. Большему напряжению выпрямителя соответствует большая емкость, подключаемая к сети для заряда-разряда. Знак напряжения на выходе фазового выпрямителя ФАПЧ 9 указывает на подключение заряженной матрицы конденсаторов 2 к сети в фазе или в противофазе сетевого напряжения.

В данном режиме заряженные конденсаторы матрицы 2 будут подключаться в противофазе. В этом режиме конденсаторы играют роль балластной нагрузки. Реактивная мощность перезаряда конденсаторов тем больше, чем больше мощность возобновляемого источника 1 за счет увеличения величины емкости перезаряжаемой батареи 1. В этом смысле можно рассматривать контур LC, образованный индуктивностью генератора 1 и переменной подстраиваемой емкостью 2, как режекторный фильтр, настроенный на частоту задающего генератора (частоту промышленной сети). В этом режиме вся избыточная энергия источника возобновляемой энергии 1 тратится на реактивную мощность в перестраиваемом конденсаторе матрицы 2.

Конденсаторные батареи матрицы 2 составлены параллельным соединением цепей, состоящих из последовательного соединения конденсатора и двунаправленного ключа (симистора), причем, например, для четырех цепей составленных из соотношения 8-4-2-1 имеем 15 ступеней регулирования емкости конденсаторной батареи 2. В этом смысле данный способ регулирования может быть отнесен к амплитудно-фазокодовой модуляции.

2. Режим номинальной мощности.

В этом режиме заряд конденсаторных батарей матрицы 2 может осуществляться как от сети возобновляемого источника 1, так и от аккумуляторной батареи 6, поскольку нестабильный возобновляемый источник 1 в этом режиме имеет как провалы мощности, так и превышения.

В случае превышения мощности способ работает так, как в режиме 1. В случае провалов мощности мосты 4 и 3 закрываются на время заряда. Тут же открываются на заряд двунаправленные ключи и емкостная батарея 2 подключается к аккумулятору 6. Чем больше провал мощности, тем больше уменьшение частоты генератора переменного тока возобновляемого источника 1, тем больший код на выходе схемы ФАПЧ 9, тем большая емкость батареи матрицы 2 подключается к аккумулятору 6. Большая емкость батареи заряженных конденсаторов матрицы 2 подключается к сети, образуя с индуктивностью сети LC-контур, в который добавляется энергия с частотой задающего генератора ФАПЧ 9. Перестройкой конденсатора матрицы 2 добиваются резонанса этого контура на частоте, равной промышленной. В данном режиме LC-контур выполняет роль полосового фильтра с коэффициентом передачи больше 1. Фактически данную систему в данном режиме можно классифицировать как резонансный активный электронный фильтр. Поскольку он настроен на частоту промышленной сети, то кратные гармонические составляющие напряжения сети будут значительно ниже основной.

Если сравнивать такую схему с инвертором, то следует отметить, что в ней от аккумулятора 6 берется лишь недостающая часть энергии возобновляемого источника 1. При полном исчезновении напряжения с источника 1 схема выполнит функцию инвертора.

Если ее сравнивать с регулированием переменного напряжения посредством поворота лопасти, то следует отметить ее значительно большее быстродействие. При этом емкость аккумулятора 6 рассчитывается из условия не суточного потребления, а из условия обеспечения провалов мощности возобновляемого источника 1, что на два порядка ниже.

3. Режим длительного отсутствия мощности возобновляемого источника.

В этом режиме, поскольку изложенная система в течение десятков минут может работать от аккумулятора 6 и при этом выполнять роль инвертора, появляется возможность запустить дизель-генератор 7, подготовить его к синхронному подключению в сеть и питать сеть от дизель-генератора 7.

Предложенный способ бесперебойного снабжения потребителей электроэнергетической системы, работающей на возобновляемых источниках энергии с электрогенераторами переменного тока, можно сравнить с некоторой самонастраивающейся сетью, на которую работают электрогенераторы, у которых фаза между током и напряжением во всех режимах поддерживается постоянной.

Использование: в электроэнергетике для электроснабжения потребителей. Технический результат заключается в расширении диапазона используемых мощностей нестабильных источников энергии при высоком коэффициенте использования их энергии и уменьшении емкости аккумулятора. Способ бесперебойного электроснабжения включает преобразование энергии нестабильного источника в электрическую энергию переменного тока с помощью электрогенератора переменного тока и накопление энергии постоянного тока в аккумуляторе, при этом стабилизацию частоты напряжения сети осуществляют при помощи регулируемой емкостной матрицы с двунаправленными ключами, номиналы конденсаторов которой выбраны из соотношения 8-4-2-1, которой управляют аналого-цифровой схемой фазочастотной автоподстройки частоты сети к частоте опорного генератора промышленной частоты, а стабилизацию амплитуды осуществляют за счет модуляции напряжения сети широтно-импульсным модулятором, причем коммутацию емкостной матрицы и сети к источнику постоянного тока выполняют двумя тиристорными ключевыми мостами, диагонали постоянного тока которых подключены к аккумулятору через транзистор, которым управляют широтно-импульсным модулятором, а диагонали переменного тока мостов подключены к сети переменного тока и к емкостной матрице соответственно. 1 ил.

Способ бесперебойного электроснабжения потребителей электроэнергетической системы, работающей на нестабильном источнике энергии, включающий преобразование энергии нестабильного источника в электрическую энергию переменного тока с помощью электрогенератора переменного тока и накопление энергии постоянного тока в аккумуляторе, отличающийся тем, что стабилизацию частоты напряжения сети осуществляют при помощи регулируемой емкостной матрицы с двунаправленными ключами, номиналы конденсаторов которой выбраны из соотношения 8-4-2-1, которой управляют аналого-цифровой схемой фазочастотной автоподстройки частоты сети к частоте опорного генератора промышленной частоты, а стабилизацию амплитуды осуществляют за счет модуляции напряжения сети широтно-импульсным модулятором, причем коммутацию емкостной матрицы и сети к источнику постоянного тока выполняют двумя тиристорными ключевыми мостами, диагонали постоянного тока которых подключены к аккумулятору через транзистор, которым управляют широтно-импульсным модулятором, а диагонали переменного тока мостов подключены к сети переменного тока и к емкостной матрице соответственно.