СИСТЕМА АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫМ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИМ КОМПЛЕКСОМ Российский патент 2011 года по МПК H02J3/28 G05F1/70 

Изобретение относится к электротехнике, а именно к системам автоматического управления многофункциональным энергетическим комплексом (МЭК), встроенным в энергосистему, работающим на пассивную нагрузку, т.е. нагревающимся без ЭДС и включающим разнородные источники электроэнергии и накопитель электроэнергии (НЭЭ). Используется в системах распределительной и малой энергетики (до 10 МВт) гарантированного энергоснабжения потребителей.

Системы МЭК в качестве источников электроэнергии содержат базисные энергоустановки (ЭУ): синхронный генератор (СГ), вращаемый дизелем; асинхронный генератор (АГ); ветровую электроустановку (ВЭУ), вращаемую ветром; асинхронная связь которых с нагрузкой осуществляется через ac-dc-ac преобразователи, питаемые от энергосистемы, и выключатели. Дополнительным источником электроэнергии для МЭК могут быть фотоэлектрические установки (ФЭУ), подключаемые к МЭК через ac-dc преобразователь; микрогидроэлектростанции (ГЭС), дизельные генераторы (ДЭЗ) и другие источники. Разнотипный характер источников с резко переменным графиком выработки электроэнергии обуславливает необходимость применения в составе МЭК накопителя НЭЭ, в качестве которого могут быть использованы: аккумуляторные батареи (АБ); топливные элементы (ТЭ); суперконденсаторы и другие электрохимические источники, присоединенные к МЭК через ac-dc преобразователь.

Задача изобретения - создание системы автоматического управления комплексом (САУК), способной обеспечить: согласованную работу разнотипных источников электроэнергии; гарантированное питание пассивной нагрузки при пропадании питания от базисного источника или энергосистемы; накопление, хранение, заряд НЭЭ, а также его разряд; стабилизацию и демпфирование колебаний напряжения на шинах нагрузки и при коммутации различных источников.

Известно изобретение («Harada Seiji», Разнородная система энергоснабжения, Патент JPA2001177995, класс H02J 3/28, опубликован 29.06.2001 г.) [1] системы управления разнородной системой энергоснабжения, в которой используются ФЭУ и НЭЭ, присоединенные к энергосистеме через один или несколько преобразователей напряжения ac-dc, причем указанные преобразователи коммутируются выключателями, осуществляющими их попеременное подключение.

Недостатком данного изобретения является отсутствие регуляторов мощности и напряжения, обеспечивающих гарантированное качество напряжения, которое обеспечивается генераторами энергосистемы, то есть рассматривается не пассивная, а активная нагрузка. Кроме того, исключено мешающее влияние регуляторов каждого из преобразователей при их коммутации, что увеличивает длительность пропадания напряжения на шинах нагрузки и приводит к перегрузке преобразователей.

Известно также другое изобретение (L.Gyugyi «Apparatus and method for interline power flow contro». Патент US 5698969, класс G05F 1/70, опубликован 16.12.1997 г.) [2], в котором применяется один или несколько параллельно соединенных преобразователей ac-dc-ac, регулирующих потоки активной и реактивной мощностей в одной или нескольких параллельных линиях, соединяющих две энергосистемы. Недостатком приведенного изобретения является то, что в нем не рассматривается энергоснабжение пассивной нагрузки и не учитывается мешающее влияние регуляторов преобразователей.

Наиболее близким к заявленному (прототип) является изобретение (Bebic Jovan, Lehn Peter, Hybrid power flow controller and method. Патент ЕР 1573878, класс H02J 3/18, опубликован 17.09.2005 г.) [3], в котором также рассматривается случай соединения двух энергосистем через гибридный преобразователь ac-dc-ac, дополненный компенсатором реактивной мощности. Недостатком данного [3] изобретения, как и второго [2] изобретения, является отсутствие питания пассивной нагрузки и не учет мешающего влияния регуляторов преобразователей.

Предлагаемое устройство САУК предназначено для обеспечения гарантированного энергоснабжения пассивной нагрузки при наличии разнородных источников энергоснабжения, содержащих дизель - синхронный генератор и/или асинхронный генератор ВЭУ, накопитель электроэнергии (НЭЭ) в виде топливных элементов (ТЭ) или аккумуляторных батарей (АБ). При этом используется один или более преобразователей напряжения ac-dc (ac-dc-ac) от источников, а также сетевой преобразователь ac-dc (ac-dc-ac), присоединенный к энергосистеме.

Предложенное изобретение обеспечит бесперебойное энергоснабжение; улучшение качества переходных процессов (мощности активной и мощности реактивной); отклонение напряжения в пределах допустимых норм (норма для провала: не более 30 с.) согласно Межгосударственному стандарту ГОСТ 13109-97 "Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения" [4].

Цель изобретения в отличие от первого [1] аналога состоит в том, что для обеспечения бесперебойного энергоснабжения и улучшения качества переходных процессов при коммутации преобразователей ac-dc (ac-dc-ac) выход их систем управления подается на вход системы управления верхнего уровня, а ее выход соединяется с цепями управления выключателей указанных преобразователей ac-dc (ac-dc-ac).

Средством достижения указанной цели является система управления верхнего уровня, которая задает режимы работы каждого преобразователя ac-dc (ac-dc-ac) (заряд-разряд), уставки мощности и напряжений, аварийное или коммутационное отключение импульсов управления на выключатели преобразователей ac-dc (ac-dc-ac).

Для пояснения существа изобретения приводятся чертежи (фиг.1-6). На фиг.1 приведена упрощенная схема предлагаемого устройства САУК. На фиг.2 приведена более детальная схема с учетом датчиков мощности и напряжения, уставок регуляторов и ключей, задающих режимы работы преобразователей ac-dc (ac-dc-ac). Фиг.3 иллюстрирует состояние выключателей и прохождение импульсов управления каждого преобразователя ac-dc (ac-dc-ac). Влияние качества переходных процессов при коммутации преобразователей ac-dc (ac-dc-ac) иллюстрируется графиками (фиг.4-6), причем фиг.4 соответствует неблагоприятному варианту коммутации преобразователей ac-dc (ac-dc-ac), приводящему к провалу напряжения на шинах нагрузки; фиг.5 соответствует отсутствию провала напряжения нагрузки, но регуляторы преобразователей ac-dc (ac-dc-ac) мешают друг другу, приводя к перегрузке преобразователей ac-dc (ac-dc-ac) по реактивной мощности; фиг.6 соответствует применению рекомендуемой схемы, которая обеспечивает отсутствие провала напряжения нагрузки и плавной коммутации преобразователей ac-dc (ac-dc-ac) без их перегрузки.

Схема замещения силовой части многофункционального энергетического комплекса (МЭК) в минимальной конфигурации приведена на фиг.1, где принимаются следующие обозначения:

1 - синхронный генератор СГ 6 кВ;

2,2′ - выключатели преобразователей ac-dc (ac-dc-ac);

3 - эквивалент нагрузки, приведенный к напряжению 6 кВ;

4,4′ - соответственно преобразовательные трансформаторы 6/35 кВ и 6/0,4 кВ;

5,5′ - соответственно РУ 6 кВ и РУ 0,4 кВ с фильтрами;

6,6′ - соответственно фазные реакторы преобразователей ас-dc (ac-dc-ac);

7,7′ - соответственно преобразователи ас-dc (ac-dc-ac) (инверторы) напряжения на ВВП и СПП;

10 - система синхронизации и синфазирования;

11- щит управления (ЩУДГ);

12, 13 (12′, 13′) - соответственно агрегатные системы управления и фазоимпульсные устройства сетевого и автономного преобразователей ас-dc (ac-dc-ac);

14 (14′) - блоки управления преобразователями ас-dc (ac-dc-ac);

15 (15′) - ключи управления верхнего уровня, блок управления верхнего уровня ЩУДГ;

16 - блок управления ДГ (АГ);

17 (17′) - ключи управления режимом преобразователей ас-dc (ac-dc-ac);

21 - система управления агрегатного уровня;

22 - система управления верхнего уровня.

Предлагаемое устройство САУК приведено на фиг.2, где принимаются следующие обозначения:

№/№1-10 - соответствуют элементам силовой схемы МЭК (фиг.1);

№/№11-22 - соответствуют элементам системы управления САУК (фиг.2),

которая состоит из следующих функциональных блоков:

1) системы измерения и преобразования сигналов (указана в пунктирных

квадратах (фиг.1) и сплошных квадратах (фиг.2));

2) система синфазирования и синхронизации (блок 10);

3) система управления агрегатами:

- блок 11-ЩУДГ;

- блок 12, 13 - СУП.С и ФИУ ПС для сетевого преобразователя ас-dc (ac-dc-ac) ПС;

- блок 12′, 13′ - СУП.А и ФИУ ПА для автономного преобразователя ас-dc (ac-dc-ac) ПА.

Указанные блоки СУП и ФИУ предназначены для векторного управления

преобразователями ас-dc (ac-dc-ac) и соответствуют приведенным во втором [2] изобретении. Кроме того, они дополнены регуляторами мощности Р и Q и регуляторами напряжения U, которые показаны в виде апериодических звеньев вида . Выходными сигналами каждой СУП является угол управления α и коэффициент модуляции m, по которым ФИУ ИМП ПС выдает импульсы управления преобразователей ас-dc (ac-dc-ac) ПС (ИМП ПС) и ПА (ИМП ПА).

Система управления агрегатного уровня соответствует пунктирному элементу 21.

Система управления верхнего уровня, выполняющая функции блока управления комплекса, соответствует элементу 22 (фиг.2), который состоит из блоков управления преобразователями ас-dc (ac-dc-ac) ПС и ПА - соответственно 14 и 14′, соответствующих ключей 15 и 15', разрешающих или запрещающих прохождение импульсов управления ИМП ПС и ИМП ПА и управляющих выключателями 2 преобразователей ас-dc (ac-dc-ac), блока управления ДГ (АГ) - 16, ключей управления режимом преобразователей ас-dc (ac-dc-ac) 17 (для ПС) и 17′ (для ПА). Указанные ключи соответствуют двум возможным режимам: з - заряд, р - разряд. В общем случае режим заряд соответствует перетоку мощности из сети на сторону постоянного тока преобразователей ас-dc (ac-dc-ac), режим разряд - наоборот.

Уставки мощностей и напряжения, показанные «овалом» на фиг.2 входят в состав блока 22; выключатели 2 для упрощения связаны с блоками управления 14, 14′ и 16 однолинейными связями, реально имеется два канала: состояние выключателя и его управления. Цепи защит от сверхтоков не показаны.

Работа блока 22 САУК иллюстрируется графиком (фиг.3), который соответствует режиму: на интервале:

0,0-0,3 с работает ДГ; 0,3-0,6 с работает ПС; 0,6-0,9 с работает ПА; 0,9-1,5 с работает ПС;

В интервале времени: 0,0-0,3 с работает ДГ, после чего ДГ отключается, что соответствует графику (фиг.3 а).

Выключатель автономного преобразователя ac-dc (ac-dc-ac) включен постоянно: 0,0 - 1,5 с. Выключатель сетевого преобразователя ас-dc (ac-dc-ac) ПС отключается в интервале времени: 0,6-0,9 с, что иллюстрируется графиком (фиг.3, б).

Импульсы управления, с выхода блока 15 (фиг.2), сетевого преобразователя ас-dc (ac-dc-ac) ПС, подаются с задержкой 0,05 с, а затем 0,1 с (относительно срабатывания сетевого выключателя) с тем, чтобы обеспечить устойчивую синхронизацию ПС (смотри фиг.3, в).

Импульсы управления автономного преобразователя ас-dc (ac-dc-ac) ПА с выхода блока 15′ (фиг.2) показаны на фиг.3, г. Видно, что в момент 1,0 с подачи импульсов на ПС следует снять импульсы на ПА для обеспечения надлежащего качества переходных процессов, которые соответствуют кривым на фиг.6. Подача импульсов на ПА может быть возобновлена в момент 1,2 с (то есть с задержкой на 0,2 с относительно подачи импульсов на ПС).

Следует отметить, что автономный преобразователь ac-dc (ac-dc-ac) по своему назначению должен быть постоянно подключен к шинам нагрузки, работая либо на заряд, либо на разряд накопителя. Поэтому кратковременный перерыв в подаче импульсов должен являться вынужденной мерой для успешной коммутации преобразователей ас-dc (ac-dc-ас) при сохранении показателей качества переходного режима.

Влияние качества переходных процессов коммутации преобразователей ас-dc (ac-dc-ac) ПС и ПА иллюстрируется графиками (фиг.4-6). На графике (фиг.4) приведен наиболее неблагоприятный вариант коммутации ПС и ПА, когда одновременно с подключением ПС (в момент 0,9 с) срабатывает блок 15 и подает импульсы управления на ПС. На графике (фиг.4) приведены кривые:

а) активных мощностей: нагрузки PN (верхняя кривая), РР1 для ПС, РР2 для ПА, [МВт]

б) реактивных мощностей: нагрузки QN, QQ1 для ПС, QQ2 для ПА, [MBА]

в, г) соответственно для напряжения нагрузки - UN, [В] и токов нагрузки IN верхняя

кривая и IPT для стороны постоянного тока ПС, [А].

Из анализа графиков (фиг.4) следует, что подача импульсов на ПС в момент 0,9 с не обеспечена согласованием с системой синфазирования, что приводит к сбросу активной и реактивной мощности нагрузки, графики (фиг.4 а, б), а также к недопустимому снижению напряжения на нагрузке, график (фиг.4 в), на время порядка 0,1 с. График (фиг.5) с аналогичным обозначением кривых отличается от графика (фиг.4) тем, что импульсы управления ПА не блокируются на интервале коммутации с ПА на ПС. В момент времени 0,9 с подключается сетевой выключатель, а затем в 1,0 с блок 15 подает импульсы управления на ПС. Коммутация, судя по графикам (фиг.5 а, в, г) проходит успешно, однако регуляторы реактивных мощностей и напряжений ПА и ПС противодействуют друг другу (смотри график фиг.5 б), что неблагоприятно сказывается в смысле перегрузки указанных преобразователей ac-dc (ac-dc-ac) и особенно автономного преобразователя ас-dc (ac-dc-ac) ПА.

На фиг.6 приведен рекомендуемый порядок работы блоков 15 и 15′, который соответствует графикам (фиг.3), то есть одновременному снятию и подаче импульсов соответственно на ПА и ПС в момент времени 1,0 с. При этом, как видно из фиг.6 а, б коммутация преобразователей ас-dc (ac-dc-ac) происходит без сильных колебаний, противодействие регуляторов Q и U отсутствует. Провал напряжения нагрузки, график (фиг.6в), кратковременный 0,05 с и незначительный. Возможность параллельной работы преобразователей ac-dc (ac-dc-ac) ПС и ПА, так же как и генератора ДГ реализуется раздачей уставок мощностей после завершения коммутации преобразователей ac-dc (ac-dc-ac), начиная с момента 1,2 с. Аварийные коммутации преобразователей ac-dc (ac-dc-ac), например, при срабатывании защиты от сверхтоков или других нарушениях осуществляются по сигналам, поступающим на вход блоков 14 (14′) (цепи защит не показаны). После появления указанных сигналов безинерционно срабатывает блок 15 (15′), который блокирует прохождение импульсов на соответствующий преобразователь ac-dc (ac-dc-ac).

Источники информации

[1]. Патент JPA2001177995, класс H02J 3/28, опубликован 29.06.2001 г.

[2]. Патент US 5698969, класс G05F 1/70, опубликован 16.12.1997 г.

[3]. ЕР1573878, класс Н0253/18, опубликован 17.09.2005 г.

[4]. Межгосударственный стандарт ГОСТ 13109-97 (введен в действие постановлением Госстандарта РФ от 28 августа 1998 г. N 338) "Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения".

Использование: в области электротехники. Технический результат заключается в обеспечении гарантированного бесперебойного энергоснабжения пассивной нагрузки. Система содержит разнородные источники питания и накопитель электроэнергии, выходы которых через преобразователи ac-dc (ac-dc-ac) подключены к шинам нагрузки, а выходы нагрузки через датчики мощности и напряжения присоединены к входам систем управления каждого преобразователя ac-dc (ac-dc-ac). При коммутации преобразователей ac-dc (ac-dc-ac) выход их систем управления подается на вход системы управления верхнего уровня, а ее выход соединяется с цепями управления выключателей указанных преобразователей ac-dc (ac-dc-ac). 6 ил.

Система автоматического управления комплекса энергоснабжения пассивной нагрузки, содержащая разнородные источники питания и накопитель электроэнергии, выходы которых через преобразователи ac-dc (ac-dc-ac) подключены к шинам нагрузки, а выходы нагрузки через датчики мощности и напряжения присоединены к входам систем управления каждого преобразователя ac-dc (ac-dc-ac), отличающаяся тем, что, с целью бесперебойного энергоснабжения и улучшения качества переходных процессов при коммутации преобразователей ac-dc (ac-dc-ac), выход их систем управления подается на вход системы управления верхнего уровня, а ее выход соединяется с цепями управления выключателей указанных преобразователей ac-dc (ac-dc-ac).