УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ДЛЯ ПОДАЧИ ЭНЕРГИИ К КРИТИЧНОЙ НАГРУЗКЕ Российский патент 2011 года по МПК H02J9/08 H02J3/18 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение в общем случае относится к устройствам подачи энергии, а в частности к высоковольтному устройству подачи энергии, более эффективному и приемлемому для окружающей среды, чем устройства предшествующего уровня техники. Настоящее изобретение также относится к способу подачи энергии.

Уровень техники

Надежность современных электрораспределительных систем в общем случае высока. Это значит, что периоды перебоя в питании случаются редко и часто являются короткими, т.е. меньше секунды, когда это происходит. Это допустимо для большинства применений и предусмотрено в конструкции электрораспределительных систем. Это значит, что практически невозможно посредством существующих электрораспределительных систем получить распределение электроэнергии, полностью свободное от сбоев.

Тем не менее, существуют крайне критичные нагрузки, например предприятия по работе с полупроводниками или фармацевтические предприятия, нефтеперерабатывающие и газокомпрессорные заводы, где каждый сбой в питании обходится очень дорого и, следовательно, не допустим. Подача электроэнергии на крайне критичные нагрузки часто осуществляется от высоконадежных источников питания, которые существенно снижают риск сбоев в подаче энергии. Такие высоконадежные источники питания традиционно находятся вблизи с нагрузкой и могут содержать один или предпочтительно два или более генераторов электроэнергии, например газовые турбины, работающие генераторами электрической энергии. Одна из таких систем известного уровня техники схематично показана на Фиг.1, где два генератора подключены параллельно к критичной нагрузке.

Одним из недостатков этого вида высоконадежных источников подачи энергии является то, что они не очень эффективны и приемлемы для окружающей среды. Сущность этих генераторов, то есть тот факт, что они не могут подавать мгновенную мощность, если даже они работают, заключатся в том, что их следует эксплуатировать более или менее постоянно. Также топливо, используемое в газовых турбинах, выделяет большое количество углеводорода. Более того, когда две или более турбины работают параллельно, как в примере на Фиг.1, каждая из них работает на неоптимальной скорости, что дополнительно снижает эффективность системы.

Известно, что для преобразователя (VSC) источника напряжения обеспечивают подачу реактивной мощности к электрораспределительной системе для обеспечения управления напряжением и стабильности, то есть для поддержания напряжения электрораспределительных линий в установленных пределах. Устройство подачи энергии известного уровня техники или блок, в общем обозначенный 101, схематически показан на Фиг.2. Устройство 101 содержит накопитель 10 электроэнергии, такой как высоковольтная батарея, подключенная к стороне постоянного тока трехфазного преобразователя 20 напряжения. Подобное решение рассматривается в статье «Преобразователь источника напряжения, основанный на решениях качества энергии» Olivier Suter, Michael Buschmann, Gerhard Linhofer, Philippe Maibach, Азиатский Тихоокеанский Региональный семинар по качеству энергии, 28-31 марта 2005, Марриот Путрая, Малайзия.

Сущность изобретения

Задачей настоящего изобретения является создание устройства подачи энергии, действующего в качестве устройства резервного питания в случае выхода из строя электрораспределительной сети или в качестве автономного электропитания для крайне критичных нагрузок. Данное изобретение основано на реализации того, что устройство реактивного электропитания, например преобразователь источника напряжения, в сочетании с накопителем энергии, например батареей, и генератором могут образовать блок, который обеспечивает резервное как активное, так и реактивное электропитание для крайне критичных нагрузок.

В соответствии с первым аспектом изобретения высоковольтное устройство подачи энергии включает в себя преобразователь напряжения, имеющий сторону переменного тока и сторону постоянного тока; накопитель электроэнергии, подключенный к стороне постоянного тока преобразователя напряжения; причем устройство подачи энергии характеризуется тем, что содержит второй преобразователь напряжения, имеющий сторону переменного тока и сторону постоянного тока, причем стороны постоянного тока первого и второго преобразователей напряжения соединены между собой, при этом накопитель электроэнергии подключен к линиям, соединяющим преобразователи напряжения, и генератор электроэнергии, который подключен к стороне переменного тока второго преобразователя напряжений, причем высоковольтное устройство подачи энергии выполнено с возможностью подключения нагрузки к стороне переменного тока первого преобразователя напряжения. Таким образом, устройство подачи энергии может подавать электроэнергию в течение длительных промежутков времени или даже работать в качестве автономного устройства подачи энергии.

В случае когда настоящее устройство подачи энергии используется автономно, предпочтительно соединить параллельно два таких устройства подачи энергии, чтобы дополнительно повысить надежность.

В предпочтительном варианте осуществления генератором электроэнергии является газовая турбина. Согласно второму аспекту изобретения предложен способ подачи высоковольтной энергии, содержащий этапы, на которых: обеспечивают первый преобразователь напряжения, имеющий сторону переменного тока и сторону постоянного тока, подключают накопитель электроэнергии к стороне постоянного тока первого преобразователя напряжения и управляют первым преобразователем напряжения для подачи электроэнергии на его стороне переменного тока, причем способ характеризуется тем, что обеспечивают второй преобразователь напряжения, имеющий сторону переменного тока и сторону постоянного тока, причем стороны постоянного тока первого и второго преобразователей напряжения соединены между собой, подключают накопитель электроэнергии к линиям, соединяющим преобразователи напряжения, подключают генератор электроэнергии к стороне переменного тока второго преобразователя напряжения, подключают нагрузку к стороне переменного тока первого преобразователя напряжения; в случае обнаружения сбоев питания включают питание генератора электроэнергии, подают электроэнергию от накопителя электроэнергии на сторону переменного тока первого преобразователя напряжения во время включения питания генератора электроэнергии и подают электроэнергию от генератора электроэнергии после включения питания.

Другие предпочтительные варианты осуществления изобретения определяются зависимыми пунктами.

Краткое описание чертежей

Другие характеристики и достоинства настоящего изобретения станут более очевидны специалисту в данной области техники из следующего подробного описания со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

Фиг.1 изображает общую схему устройства подачи энергии известного уровня техники;

Фиг.2 - изображает общую схему другого устройства подачи энергии известного уровня техники;

Фиг.3 - изображает общую схему первого варианта осуществления устройства подачи энергии в соответствии с настоящим изобретением;

Фиг.4 - изображает схему конфигурации батареи устройства подачи энергии в соответствии с настоящим изобретением;

Фиг.5 - изображает общую схему второго варианта осуществления устройства подачи энергии в соответствии с настоящим изобретением;

Фиг.6 - изображает общую схему третьего варианта осуществления устройства подачи энергии в соответствии с настоящим изобретением.

Подробное описание предпочтительного варианта осуществления

Далее приводится подробное описание предпочтительного варианта осуществления настоящего изобретения. В этом описании понятие «высоковольтное» используется для напряжений от 1 кВ и выше.

На Фиг.3 представлен вариант осуществления устройства 201 подачи энергии. Этот вариант схож с устройством известного уровня техники (Фиг.2) тем, что он содержит высоковольтную батарею 10, которая соединена со стороной постоянного тока преобразователя 20 трехфазного напряжения. Тем не менее, этот второй вариант осуществления также включает в себя дополнительный второй преобразователь 30 трехфазного высокого напряжения, который последовательно соединен с первым преобразователем 20 напряжения. Другими словами, стороны постоянного тока двух преобразователей 20, 30 напряжения соединены между собой, а высоковольтная батарея 10 включена в линии, соединяющие преобразователи напряжения.

Предпочтительно иметь преобразователь 20 напряжения общего вида, используемый с преобразователем источника напряжения (VSC), например с VSC, производимым корпорацией ABB и выпускаемым на рынок под маркой STATCOM. Он содержит транзисторы, предпочтительно биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT), силовые полупроводники для коммутаций (с частотами до 1,5 кГц), обеспечивающие высокое быстродействие, фильтрование и т.д.

Предпочтительно накопитель 10 электрической энергии имеет такие размеры, что может обеспечивать высокое напряжение, равное, по меньшей мере, 1 кВ, а более предпочтительно, по меньшей мере, 10 кВ, и поставлять электрическую мощность, по меньшей мере, 1 МВт, более предпочтительно, по меньшей мере, 10 МВт или еще более предпочтительно, по меньшей мере, 100 МВт в течение, по меньшей мере, 5 минут, более предпочтительно, по меньшей мере, 20 минут, а еще более предпочтительно, по меньшей мере, 30 минут. Желательно, чтобы батарея содержала до нескольких тысяч последовательно соединенных элементов батареи для достижения высоких напряжений, требуемых для этого практического применения. Ячейки предпочтительно выполнены таким образом, чтобы в случае неисправности одной ячейки она замыкалась накоротко и батарея продолжала работать, даже несмотря на незначительное понижение уровня напряжения. Примером батареи, которую можно использовать, является батарея, изготовляемая компанией МЕС-Ди под товарным знаком Зебра.

Кроме этого, устройство 201 подачи энергии дополнительно содержит генератор 40 электроэнергии, в качестве которого может выступать газовая турбина. Выход генератора электроэнергии соединен со стороной переменного тока второго преобразователя напряжения.

Трансформатор 50 показан подключенным между устройством 201 подачи энергии и распределительной линией 60, с которой соединена критичная нагрузка. Данный трансформатор необходим только в случае, когда напряжение в линии настолько высоко, 36 кВ и выше, что устройство подачи энергии не может достичь этого уровня напряжения без повышающей трансформации. Система общего управления (на схеме не показана) управляет устройством подачи энергии в течение всего периода его работы.

Пример конфигурации цепи между высоковольтной батареей 10 и преобразователем 20 напряжения показан на Фиг.4. Катушки 11, 12 индуктивности обеспечивают сглаживание тока, текущего от батареи, в то время как малый конденсатор 13, имеющий зарядную емкость около 5 мс, обеспечивает коммутацию в преобразователе напряжения. Катушка 21 индуктивности предусмотрена на стороне переменного тока преобразователя напряжения. Разность напряжений между стороной переменного тока преобразователя напряжения и сетью обеспечивает протекание тока через катушку индуктивности.

В большинстве случаев эту конфигурацию можно использовать следующим образом. Сочетание батареи 10 и первого преобразователя 20 напряжения используется так же, как в описанном выше устройстве известного уровня техники на Фиг.2, для подачи электроэнергии на крайне критичную нагрузку в случае перебоя питания в сети распределения энергии. Как только обнаружена неисправность в сети электропитания, генератор 40 электроэнергии, находящийся в ненагруженном состоянии, подключается к питанию. Батарея 10 обеспечивает требуемой энергией крайне критичную нагрузку в течение времени подключения питания генератора. Также предпочтительно, чтобы батарея 10 подавала в генератор 40 электроэнергию во время его запуска в случае, когда генератором является газовая турбина. По существу это означает, что генератор во время запуска является электродвигателем, таким образом, исчезает традиционная необходимость во вспомогательном электродвигателе; и когда эксплуатационная скорость достигнута, газовая турбина начинает работать как генератор.

Когда после включения питания генератор готов к работе, он начинает подавать электроэнергию в крайне критичную нагрузку. Это достигается за счет подачи на сторону переменного тока второго преобразователя 30 напряжения энергии переменного тока, которая выпрямлена вторым преобразователем 30 напряжения и передается к первому преобразователю 20 напряжения, который в свою очередь преобразует данную энергию в трехфазную энергию переменного тока, которая и подается в крайне критичную нагрузку.

Намагниченность генератора 40 энергии определяет величину генерируемой реактивной энергии в данном генераторе. Однако предпочтительно иметь генератор, который выдает столько активной мощности, сколько возможно, так как требуемую реактивную мощность может подавать компоновка преобразователя.

В результате использования последовательной конфигурации двух преобразователей 20, 30 напряжения скорость генератора 40 почти не зависит от частоты сети распределения энергии, поскольку напряжение от генератора сначала преобразуется в напряжение постоянного тока, а затем снова в напряжение переменного тока. Это в свою очередь означает, что, когда необходима эффективность и получение результата в более действенной общей системе, генератор может работать на оптимальной скорости.

Так как батарея 10 обеспечивает доставку мгновенной электрической мощности в период сбоя сети распределения энергии, генератор 10 может находиться в ненагруженном состоянии большую часть времени.

На Фиг.3 устройство 201 подачи энергии соединено с сетью распределения энергии, к которой подключена крайне критичная нагрузка. Следует принять во внимание, что устройство подачи энергии может быть соединено с крайне критичной нагрузкой напрямую, т.е. без промежуточной сети распределения энергии. Этот случай показан на Фиг.5, где показан второй вариант осуществления устройства 301 подачи энергии, которое напрямую подключается к крайне критичной нагрузке, в данном случае прибрежной нефтяной платформе. В этом варианте осуществления все функции устройства 301 подачи энергии продублированы, то есть оно по существу содержит два параллельно включенных устройства 201 подачи энергии, показанных на Фиг.4.

Двойная конфигурация, показанная на Фиг.5, гарантирует высокую степень защиты от нежелательных перебоев в питании. В этом случае предпочтительно, чтобы один из генераторов 40 работал на эффективной рабочей скорости, а другой находился в ненагруженном состоянии.

Очевидно, что при втором варианте осуществления устройство 301 подачи энергии также может быть подключено к сети распределения энергии и работать не только как автономное устройство подачи энергии.

На Фиг.6 показан третий вариант осуществления устройства 301 подачи энергии. Этот вариант осуществления аналогичен варианту, показанному на Фиг.4, где устройство подачи энергии содержит высоковольтную батарею 10, подключенную к стороне постоянного тока первого преобразователя 20 трехфазного напряжения, второй высоковольтный преобразователь 30 трехфазного напряжения, последовательно соединенный с первым преобразователем 20 напряжения, и генератор 40 электроэнергии. В данном варианте осуществления устройство подачи энергии предусматривает обходную линию 42 для генератора. При помощи этой обходной линии генератор 40 может быть подключен к распределительной сети напрямую в случае выхода из строя одного из преобразователей 20, 30 напряжения или их обоих.

Выше были описаны предпочтительные варианты осуществления устройства подачи энергии. Очевидно, что они могут изменяться в рамках прилагаемой формулы изобретений. Таким образом, в роли генератора 40 может выступать не только газовая турбина, но и дизельный генератор.

В качестве накопителя электроэнергии рассматривалась батарея. Следует принять во внимание, что таким накопителем может являться также конденсатор больших размеров, который заряжается одним из возможных способов для подачи энергии в случае сбоев в питании.

Устройство подачи энергии высокого напряжения содержит первый и второй преобразователи (20, 30) напряжения, соединенные последовательно, причем накопитель (10) электроэнергии подключен к стороне постоянного тока первого преобразователя напряжения, нагрузка подключена к стороне переменного тока второго преобразователя напряжения, а генератор (40) электрической энергии подключен к стороне переменного тока второго преобразователя (30) напряжения, высоковольтное устройство подачи энергии выполнено с возможностью подключения нагрузки к стороне переменного тока первого преобразователя напряжения, причем высоковольтное устройство электропитания содержит обходную линию (42) для генератора (40), с помощью которой генератор может подключаться непосредственно к распределительной сети (60). Подключение нагрузки к стороне переменного тока второго преобразователя напряжения, а генератора со вторым преобразователем обеспечивает мгновенную мощность во время перебоев с питанием. Повышение эффективности подачи энергии к высоковольтному устройству путем исключения сбоев в устройстве подачи энергии, а также возможность подключения генератора к распределительной сети напрямую в случае выхода из строя одного из преобразователей или их обоих является техническим результатом изобретения. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Высоковольтное устройство подачи энергии, содержащее: первый преобразователь (20) напряжения, имеющий сторону переменного тока и сторону постоянного тока;
накопитель (10) электроэнергии, подключенный к стороне постоянного тока первого преобразователя (20) напряжения;
второй преобразователь (30) напряжения, имеющий сторону переменного тока и сторону постоянного тока, причем стороны постоянного тока первого и второго преобразователей (20, 30) напряжения соединены между собой, а накопитель (10) электроэнергии подключен к линиям, соединяющим данные преобразователи напряжения, и
генератор (40) электрической энергии, подключенный к стороне переменного тока второго преобразователя (30) напряжения, при этом высоковольтное устройство подачи энергии выполнено с возможностью подключения нагрузки к стороне переменного тока первого преобразователя напряжения,
причем высоковольтное устройство электропитания содержит обходную линию (42) для генератора (40), с помощью которой генератор может подключаться непосредственно к распределительной сети (60).

2. Высоковольтное устройство подачи энергии по п.1 содержащее дополнительное устройство (201) подачи энергии, подключенное параллельно устройству подачи энергии.

3. Высоковольтное устройство подачи энергии по по любому из пп.1 и 2, в котором преобразователи (20, 30) напряжения являются преобразователями источника напряжения.

4. Высоковольтное устройство подачи энергии по любому из пп.1 и 2, в котором накопителем электроэнергии является высоковольтный аккумулятор (10).

5. Высоковольтное устройство подачи энергии по п.3, в котором накопителем электроэнергии является высоковольтный аккумулятор (10).

6. Высоковольтное устройство подачи энергии по любому из пп.1 и 2, в котором сторона переменного тока первого преобразователя (20) напряжения предназначена для обеспечения, по меньшей мере, напряжения в 1 кВ, а более предпочтительно, по меньшей мере, в 10 кВ.

7. Высоковольтное устройство подачи энергии по п.3, в котором сторона переменного тока первого преобразователя (20) напряжения предназначена для обеспечения, по меньшей мере, напряжения в 1 кВ, а более предпочтительно, по меньшей мере, в 10 кВ.

8. Высоковольтное устройство подачи энергии по п.4, в котором сторона переменного тока первого преобразователя (20) напряжения предназначена для обеспечения, по меньшей мере, напряжения в 1 кВ, а более предпочтительно, по меньшей мере, в 10 кВ.

9. Высоковольтное устройство подачи энергии по п.5, в котором сторона переменного тока первого преобразователя (20) напряжения предназначена для обеспечения, по меньшей мере, напряжения в 1 кВ, а более предпочтительно, по меньшей мере, в 10 кВ.

10. Высоковольтное устройство подачи энергии по любому из пп.1 и 2, в котором накопитель (10) электрической энергии предназначен для обеспечения, по меньшей мере, мощности в 1 МВт, а более предпочтительно, по меньшей мере, в 10 МВт или еще более предпочтительно, по меньшей мере, в 100 МВт.

11. Высоковольтное устройство подачи энергии по любому из пп.1 и 2, в котором накопитель (10) электроэнергии предназначен для обеспечения энергии в течение, по меньшей мере, 5 мин, а более предпочтительно, по меньшей мере, 20 мин или еще более предпочтительно, по меньшей мере, 30 мин.

12. Высоковольтное устройство подачи энергии по любому из пп.1 и 2, в котором, по меньшей мере, первый преобразователь напряжения является трехфазным преобразователем напряжения.

13. Высоковольтное устройство подачи энергии по любому из пп.1 и 2, в котором генератор электроэнергии является газовой турбиной (40).

14. Способ высоковольтной подачи энергии, содержащий этапы, на которых:
обеспечивают первый преобразователь (20) напряжения, имеющий сторону переменного тока и сторону постоянного тока,
подключают накопитель (10) электроэнергии к стороне постоянного тока первого преобразователя (20) напряжения,
управляют первым преобразователем напряжения для подачи электроэнергии на его сторону переменного тока,
обеспечивают второй преобразователь (30) напряжения, имеющий сторону переменного тока и сторону постоянного тока,
взаимно соединяют стороны постоянного тока первого и второго преобразователей (20, 30) напряжения,
подключают накопитель (10) электроэнергии к линиям, соединяющим преобразователи напряжения,
подключают генератор (40) электроэнергии к стороне переменного второго преобразователя (30) напряжения,
подключают нагрузку к стороне переменного тока первого преобразователя (20) напряжения,
соединяют генератор (40) и распределительную сеть (60) байпасной линией,
при обнаружении перебоя в питании включают питание генератора (40) электроэнергии,
подают электроэнергию от накопителя (10) электроэнергии на сторону переменного тока первого преобразователя (20) напряжения в течение времени включения питания генератора электроэнергии и
подают электроэнергию от генератора электроэнергии после включения его питания.

15. Способ по п.14, содержащий дополнительные этапы, на которых подают электроэнергию от накопителя (10) электроэнергии к генератору (40) электроэнергии во время пуска генератора энергии.