УСТРОЙСТВО И СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ДЛЯ ПЕРЕДАЧИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ Российский патент 2012 года по МПК H02J3/18 G05F1/70 

Область техники

Изобретение относится, в общем, к передаче электроэнергии, в особенности к улучшению эффективности линий электропередачи.

Предшествующий уровень техники изобретения

Линии передачи уже более века используются для передачи энергии от источника генерации к источнику потребления электроэнергии.

Со временем, линии передачи были адаптированы для снижения мощности, потребляемой самими линиями передачи, в особенности в случае длинных линий передачи.

Патент США US7265521 В2 раскрывает систему и подход к минимизации изменения шагового напряжения, с точки зрения потребителей, а также минимизации переходных процессов, накладываемых на основную волну нормального напряжения, передаваемого по сети энергоснабжения при мгновенном подключении источника реактивной мощности (например, конденсаторной батареи) к энергоснабжению. Источник реактивной мощности выполнен с возможностью передачи реактивной мощности первой полярности (например, емкостной реактивной мощности) к сети энергоснабжения. Система включает в себя устройство компенсации реактивной мощности, сконфигурированное для передачи переменного количества реактивной мощности второй, противоположной полярности к сети электроснабжения, и контроллер, который в ответ на необходимость подключения шунтирующего источника реактивной мощности к сети электроснабжения активирует устройство компенсации реактивной мощности и, по существу одновременно, вызывает подключение шунтирующей реактивной мощности к энергоснабжению.

В то время как использование источников реактивной мощности, как описано выше, улучшает эффективность линии передачи, функционирование линий передачи выигрывает от большего улучшения, в особенности при улучшении передачи по длинным линиям передачи.

Краткое изложение сущности изобретения

Задачей настоящего изобретения является обеспечение устройства и способа улучшения функционирования длинных линий передачи.

Изобретение основывается на реализации, которая использует подключаемое или отключаемое устройство накопления энергии, причем линия передачи может управлять натуральной мощностью линии при подключении.

В соответствии с изобретением обеспечено устройство, содержащее:

преобразователь, имеющий сторону переменного тока и сторону постоянного тока,

переключатель, выполненный с возможностью подключения к линии передачи с первой стороны, и переключатель, выполненный с возможностью подключения нагрузки со второй стороны, причем вторая сторона также подключается к стороне переменного тока преобразователя,

устройство накопления энергии, подключенное к стороне постоянного тока преобразователя,

причем в первом режиме работы, переключатель замкнут таким образом, что ток накопления энергии протекает к или от устройства накопления энергии для его заряда или разряда, соответственно, используя преобразователь для необходимых преобразований между переменным током и постоянным током и

во втором режиме работы, переключатель разомкнут, предотвращая протекание тока от линии передачи к преобразователю, а устройство накопления энергии подает постоянный ток, который преобразуется преобразователем в переменный ток,

причем устройство характеризуется тем, что

в первом режиме работы, устройство сконфигурировано таким образом, что передача мощности по линии передачи соответствует натуральной мощности линии передачи при воздействии тока накопления энергии.

При заряде устройства накопления энергии в первом режиме работы, ток зарядки и ток к нагрузке, должны исходить от источника питания через линию передачи. Последовательно это увеличение тока через линию передачи дает возможность линии передачи работать при натуральной мощности линии. При работе линии передачи с натуральной мощностью линии, реактивная мощность линии передачи сбалансирована, давая возможность использовать значительно более длинные линии передачи. Функционирование линии передачи при натуральной мощности линии также снижает необходимость в компенсации реактивного шунтирования, обычно применяемой вдоль линии для управления изменениями напряжения, вызванными изменениями в перераспределении нагрузки.

Изобретение в основном применимо для передачи энергии свыше 1 кВ и 1 мВт с накоплением энергии свыше 1 кВт/ч.

Устройство может быть сконфигурировано таким образом, чтобы передача энергии по линии передачи соответствовала натуральной мощности линии передачи только в первом режиме работы.

В первом режиме работы, устройство может быть в таком состоянии, что ток накопления энергии только заряжает устройство накопления энергии.

Устройство может дополнительно включать в себя контроллер.

Контроллер может быть сконфигурирован, в первом режиме работы, для управления передачей энергии по линии передачи так, чтобы соответствовать натуральной мощности линии.

Во втором режиме работы, контроллер может быть сконфигурирован для управления частотой и напряжением переменного тока, подаваемого к нагрузке. Устройство может дополнительно содержать вольтметр и амперметр, причем оба устройства выполнены с возможностью обеспечения измерений для контроллера.

Преобразователь может содержать последовательно включенные высоковольтные схемы со встроенными режимами короткого замыкания, управляемыми схемами широтно-импульсной модуляции.

Переключатель может быть выполнен свободным от переходных процессов.

Устройство может быть сконфигурировано для переключения с первого на второй режим работы, когда устройство накопления энергии определяется как полностью заряженное.

Устройство может быть сконфигурировано для переключения со второго режима на первый режим работы, когда устройство накопления энергии определено как разряженное ниже уровня порогового заряда.

Контроллер может быть сконфигурирован для управления переключением устройства между первым и вторым режимами работы.

Вторым аспектом изобретения является способ управления устройством, содержащим:

преобразователь, имеющий сторону переменного тока и сторону постоянного тока,

переключатель, выполненный с возможностью подключения к линии передачи с первой стороны, причем переключатель, выполненный с возможностью подключения нагрузки со второй стороны, причем вторая сторона также подключается к стороне переменного тока преобразователя,

устройство накопления энергии, подключенное к стороне постоянного тока преобразователя,

причем способ, содержащий этапы, на которых:

замыкают переключатель таким образом, что ток накопления энергии протекает к или от устройства накопления энергии для заряда или разряда устройства накопления энергии, соответственно, используя преобразователь для необходимого преобразования между переменным током и постоянным током, и

размыкают переключатель, предотвращая протекание тока от линии передачи к преобразователю, причем устройство накопления энергии подает постоянный ток, который преобразуется преобразователем в переменный ток,

указанный способ характеризуется тем, что

при замкнутом переключателе, обеспечивают передачу мощности по линии передачи так, чтобы соответствовать натуральной мощности линии передачи при воздействии тока накопления энергии.

В одной реализации передача энергии по линии передачи соответствует натуральной мощности линии, что может быть только при замкнутом переключателе.

Размыкание и замыкание переключателя может повторяться.

При разомкнутом переключателе способ может конфигурироваться таким образом, чтобы ток накопления энергии заряжал только устройство накопления энергии.

Размыкание переключателя может выполняться, когда устройство накопления энергии определяется как полностью заряженное.

Замыкание может быть выполнено, когда устройство накопления энергии определяется как заряженное ниже уровня порогового заряда.

Необходимо отметить, что любые признаки первого аспекта применимы ко второму аспекту, и наоборот.

В общем, все термины, используемые в формуле изобретения, необходимо интерпретировать в соответствии с их обычными значениями в области техники до тех пор, пока точно не определяется обратное. Все ссылки на элемент/устройство/компонент/средство/этап и т.д. необходимо интерпретировать открыто как ссылающиеся, по меньшей мере, на один пример элемента, устройства, компонента, средства, этапа и т.д. до тех пор, пока точно не устанавливается обратное. Этапы любого способа, раскрытого здесь, не должны выполняться в точном порядке, в котором они раскрыты, до тех пор, пока точно не установлено обратное.

Краткое описание чертежей

В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения изобретения со ссылками на сопроводительные чертежи, на которых:

фиг.1 изображает структурную схему, показывающую систему, в которой используется настоящее изобретение;

фиг.2 изображает систему с фиг.1, где также применено управление напряжением;

фиг.3 изображает три набора системы по фиг.1 для трехфазной системы.

Описание предпочтительных вариантов воплощения изобретения

Настоящее изобретение теперь будет описано более подробно со ссылками на сопроводительные чертежи, на которых представлены конкретные варианты реализации изобретения.

Это изобретение может, однако, быть реализовано во многих различных формах и не должно быть истолковано как ограниченное вариантами воплощения, перечисленными ниже; скорее эти реализации обеспечены в качестве примерных таким образом, чтобы это раскрытие было исчерпывающим и полным, а также полностью передавало объем изобретения специалистам в области техники. На протяжении всего описания одинаковые ссылочные позиции соответствуют одинаковым элементам.

Фиг.1 изображает структурную схему, показывающую окружающую среду, где реализация настоящего изобретения использована для одной фазы.

Источник 102 питания обеспечивает переменный ток. Как известно в области техники, источник питания может включать в себя генераторы, трансформаторы и т.д. (не показаны) для предоставления электрической мощности, подходящей для распределения по линии передачи 104. С другой стороны линии передачи 104 обеспечен амперметр 106, измеряющий ток, и вольтметр 108, измеряющий напряжение.

Альтернативно, амперметр 106 и вольтметр 108 обеспечиваются на другой стороне линии 104 передачи, а измерения передаются посредством использования средств передачи сигнала (не показаны). Это также обеспечивает так называемую возможность автономного пуска, означающую, что также можно подавать питание на сторону нагрузки от накопленной энергии и выстраивать работу электросети исходя из накопленной энергии.

Переключатель 112 подключает или отключает источник питания к нагрузке 122 и к системе 114 накопления энергии, что подробнее объясняется ниже. Обычно, как известно в области техники по существу, трансформатор 124 преобразует напряжение в напряжение, подходящее для нагрузки 122. Нагрузка 122 может быть любым элементом или системой, потребляющей электрическую мощность, например промышленный блок или электрическая сеть города. Нагрузка 122 может дополнительно включать в себя локальную генерирующую часть, производящую часть графика нагрузки.

Система 114 накопления энергии дополнительно содержит трансформатор 116, который, в случае необходимости, преобразует напряжение между линией 104 передачи и преобразователем 118, гарантируя, что преобразователь 118 обеспечивается подходящим напряжением. Преобразователь 118 имеет сторону АС (переменного тока) и сторону DC (постоянного тока). Устройство 120 накопления энергии, такое как перезаряжаемая батарея 120 высокой емкости, подключается к стороне постоянного тока преобразователя 118. Дополнительно, система 114 накопления энергии содержит необходимые элементы и средства управления для поддержания предварительно определенных напряжения и частоты переменного тока на стороне нагрузки, если никакое другое оборудование не представлено в представлении нагрузки, ответственной за это.

Преобразователь 118 может быть реализован посредством инвертора и выпрямителя. Дополнительно, преобразователь 118 оборудован последовательно соединенными схемами высокого напряжения со встроенным режимом отказа типа «короткое замыкание», управляемыми схемами с широтно-импульсной модуляцией (PWM). Батарея может содержать большое число элементов для того, чтобы удовлетворить требованиям к емкости батареи 120.

Контроллер 110 принимает входной сигнал от амперметра 106 и вольтметра 108 и обеспечивает выходной сигнал на переключатель 112 и систему 114 накопления энергии. Контроллер 110 может быть центральным процессором (CPU), цифровым сигнальным процессором (DSP) или любым другим электронным устройством с программной логикой. В одной реализации, контроллер 110 выполнен на базе традиционного сервера или персонального компьютера с соответствующим средством хранения, вводом/выводом и т.д.

Теперь будет объясняться концепция натуральной мощности линии (SIL) и как она используется в настоящем изобретении.

SIL достигается, когда достигается баланс естественной реактивной мощности. При этой нагрузке линия 104 передачи ни поглощает, ни производит реактивную мощность. SIL может быть выражена следующей формулой:

(1)

где V - межфазное напряжение, а Z₀ - волновое сопротивление линии 104 передач. Волновое сопротивление Z₀ не является чисто резистивным, вследствие индуктивной и емкостной составляющих, являющихся реактивными составляющими Z₀. SIL в данном уравнении выражается в Вт или ВА, в случае если Z₀ - комплексное число.

При работе с SIL, линия 104 передачи может быть выполнена значительно длиннее, т.к. ограничение по любым реактивным дисбалансам линии 104 передач исключается. Это дает возможность данной линии 104 передачи в данной спецификации использоваться более эффективно, т.е. при большем номинале и на большие расстояния. Это может также снизить требуемое количество шунтов и/или последовательно соединенных компенсаторов реактивной мощности, требуемых ранее.

Дополнительно, реализации настоящего изобретения применимы для снижения так называемого емкостного эффекта. Емкостный эффект увеличивает напряжение на принимающем конце линии передачи, когда нагрузка на принимающем конце значительно снижается или отсутствует. С надлежащим управлением от контроллера 110 и использованием системы 114 накопления энергии напряжение сохраняется на допустимом уровне.

Это означает, что, предполагая, что Z₀ постоянно, для возникающей SIL, либо напряжение, либо ток необходимо настраивать.

Теперь, в системе, представленной на фиг.1, когда переключатель 112 замкнут, ток может быть под воздействием управления уровнем заряда батареи 120. Другими словами, контроллер 110 принимает измерения напряжения от вольтметра 108. Зная или определяя Z₀, контроллер 110 может определять ток или соответствующую мощность, которая должна проходить по линии 104 передач для того, чтобы соответствовать SIL. При получении результатов измерений тока от амперметра 106, контроллер 110 может, таким образом, определить, необходимо ли для достижения SIL увеличить или уменьшить ток к системе 114 накопления энергии. Контроллер 110 затем выдает команду системе 114 накопления энергии для настройки зарядки батареи 120 соответствующим образом. В одной реализации, контроллер 110 отправляет команды системе 114 накопления энергии для заряда ее батарей на определенную мощность (ватт) или определенный ток (ампер).

Аналогичным образом, контроллер 110 может управлять системой 114 накопления энергии для разряда батареи 120 для достижения SIL на линии передачи.

В одной реализации, эта процедура настройки тока через линию 104 передачи может повторяться много раз каждую секунду, например, с частотой переключений до кГц в устройстве 118 для быстрого снижения каких-либо отклонений от SIL в линии 104 передачи. Необходимо отметить, что рабочий режим функционирования, когда переключатель 112 замкнут, здесь обозначен как первый рабочий режим.

Дополнительно, если линия 104 передачи оборудована дискретным шунтом и/или последовательным компенсатором, может быть рассчитано эквивалентное волновое сопротивление, относительно выводов линии передачи. Эквивалентное сопротивление удовлетворяет тем же требованиям, что и идеальная линия, т.е. отсутствию передачи реактивной мощности через линию. Это эквивалентное значение затем используется контроллером.

Когда контроллер 110 определяет, что батарея 120 достигает состояния полного заряда, контроллер 110 осуществляет размыкание переключателя 112. Рабочий режим, когда переключатель 112 разомкнут, здесь обозначен как второй рабочий режим.

Переключатель 112 может быть свободен от переходных процессов для минимизации ударного напряжения на нагрузке 122 или генераторе 102, когда переключатель 112 либо размыкается, либо замыкается.

Когда переключатель 112 разомкнут, больше нет тока, протекающего от источника 102 питания к нагрузке 122. Вместо этого, мощность к нагрузке 122 обеспечивается от системы 114 накопления энергии. Электрический заряд, предварительно заряженный в батарею 120, теперь освобождается в виде постоянного тока и преобразовывается преобразователем 118 в переменный ток. При необходимости, трансформатор 116 преобразовывает переменный ток от преобразователя 118 в напряжение, соответствующее напряжению, ранее обеспеченному в линии передачи. Последовательно, как видно из нагрузки 122, непрерывная и однородная мощность подается, даже не смотря на то что источник питания изменяется с источника питания 102 на систему 114 накопления энергии. Т.к. во втором рабочем режиме через линию 104 передачи не проходит мощность, потери как реактивной, так и активной мощности отсутствуют.

Необходимо отметить, что такая компоновка также позволяет блоку накопления энергии функционировать как резервный источник мощности для нагрузки 122, в случае когда или источник питания 102 или линия 104 передачи вызывают прерывание в подаче питания.

Когда батарея 120 определяется как заряженная ниже порогового уровня, например, если она подходит близко к полностью разряженному состоянию, контроллер 110 осуществляет замыкание переключателя 112. После этого система снова находится в первом рабочем режиме, а мощность проходит по линии 104 передачи к нагрузке 122 и управляемо к системе 114 накопления энергии, как описано выше, для достижения SIL по линии 104 передачи. Снова, как видно из нагрузки 122, обеспечивается непрерывная и однородная подача мощности. Размыкание и замыкание переключателя 112 затем непрерывно повторяются.

Т.к. только единственным реальным ограничивающим фактором для частоты размыканий и замыканий переключателя 112 является емкость батареи, то батарея может подключаться и отключаться, соответственно, в течение длительного времени.

Как правило, подключение и отключение не должны происходить каждый период переменного тока. Например, в зависимости от емкости батареи, переключатель 112 может быть замкнут или разомкнут, соответственно, минуты или даже часы. Однако если желательно в силу других причин, контроллер 110 может управлять размыканием и замыканием переключателя 112 за более короткое время, даже на миллисекунды.

Если желательно использование более длинных линий передачи, чем возможно в системе, представленной на фиг.1, множество систем, представленных на фиг.1, могут последовательно соединяться в сегменты (не показано). Также возможно наличие устройства накопления энергии на обоих концах линии для случаев, когда направление передачи энергии изменяется в силу сезонных или других причин (не показано).

Фиг.2 изображает систему с фиг.1, где также применяется управление напряжением. Источник 102 питания, линия 104 передачи, контроллер 110, переключатель 112 и система 114 накопления энергии такие же, как описанные выше в связи с фиг.1. Другие компоненты фиг.1 опущены в силу причин, понятных из фиг.2.

Как видно из уравнения (1), представленного выше, SIL не может достигаться только посредством настройки тока в линии 104 передачи; управление напряжением может также использоваться для достижения этой цели. Это подробно описано в международной патентной заявке WO 2005/031940. Принцип использования двух трансформаторов 203, 205 - с возможностью изменения ответвления на каждой стороне линии 104 передачи для управления напряжением в линии 104 передачи без влияния на требуемое напряжение от источника 102 питания или к нагрузке 122. Контроллер 110 может, в данном случае, оптимизировать прерывистую работу линии для доступной величины накопления энергии, во время передачи электроэнергии по линии 104 передачи при уровне волнового сопротивления. Это может быть полезным при использовании технологии батарей с ограничивающими скоростями заряда/разряда. Это также может использоваться для минимизации общих омических потерь линии, преобразователя и установки системы батарей.

Контроллер 110 в данной реализации может, таким образом, быть использован не только для воздействия на ток, протекающий по линии 104 передачи, но также для воздействия на напряжение линии 104 передачи. Контроллер 110 может использоваться для воздействия как на ток, так и на напряжение, или он может использоваться для одновременного управления напряжением и током, обеспечивая улучшенную гибкость.

На фиг.3 представлены три набора системы с фиг.1 для трехфазной системы. Три источника 102а-с питания, три линии 104а-с передачи, три контроллера 110а-с, три переключателя 112а-с и три системы 114а-с накопления энергии являются такими же, как описанные в связи с фиг.1 выше. Другие компоненты с фиг.1 опущены в силу причин, ясных из фиг.3. Другими словами, существуют три полные системы, описанные выше в связи с фиг.1, одна для каждой фазы трехфазной системы. Также необходимо отметить, что хотя это не показано, управление напряжением по фиг.2 может быть также включено в трехфазную систему по фиг.3.

Изобретение было в основном описано выше со ссылкой на небольшое количество реализаций. Однако, как нетрудно понять специалистам в области техники, реализации, отличные от раскрытых выше, в равной степени возможны в объеме изобретения, определенном приложенной формулой изобретения.

Использование: в области электротехники. Технический результат - повышение эффективности передачи электроэнергии. Устройство содержит: преобразователь (118), имеющий сторону переменного тока и сторону постоянного тока, переключатель (112), выполненный с возможностью подключения к линии (104) передачи на первой стороне и выполненный с возможностью подключения нагрузки (122) на второй стороне, причем вторая сторона также подключается к стороне переменного тока преобразователя, устройство (120) накопления энергии, подключенное к стороне постоянного тока преобразователя. В первом режиме работы переключатель замкнут таким образом, чтобы ток накопления энергии протекал к или от устройства накопления энергии для его заряда или разряда, соответственно, используя преобразователь для любых необходимых преобразований между переменным током и постоянным током. Во втором режиме работы переключатель разомкнут, предотвращая протекание тока от линии передачи к преобразователю, а устройство накопления энергии подает постоянный ток, который преобразуется преобразователем в переменный ток. Более того, в первом режиме работы устройство сконфигурировано таким образом, что передача мощности по линии передачи соответствует натуральной мощности линии передачи при воздействии тока накопления энергии. 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Устройство для передачи электроэнергии, содержащее: преобразователь (118), имеющий сторону переменного тока и сторону постоянного тока, переключатель (112), выполненный с возможностью подключения к линии (104) передачи на первой стороне и выполненный с возможностью подключения к нагрузке на второй стороне, причем вторая сторона также подключена к стороне переменного тока преобразователя (118), устройство (120) накопления энергии, подключенное к стороне постоянного тока преобразователя (118), и контроллер (110), при этом в первом режиме работы переключатель (112) замкнут таким образом, что ток накопления энергии протекает к или от устройства (120) накопления энергии для его заряда или разряда соответственно, с использованием преобразователя (118) для любого необходимого преобразования между переменным током и постоянным током, и во втором режиме работы переключатель (112) разомкнут, предотвращая протекание тока от линии передач (104) к преобразователю (118), и устройство (120) накопления энергии подает постоянный ток, который преобразуется в переменный ток в преобразователе (118), отличающееся тем, что в первом режиме работы контроллер (110) сконфигурирован для управления передачей мощности по линии (104) передачи так, чтобы соответствовать натуральной мощности линии при воздействии тока накопления энергии.

2. Устройство по п.1, сконфигурированное таким образом, что передача мощности по линии (104) передачи соответствует натуральной мощности линии (104) передачи только в первом режиме работы.

3. Устройство по п.1 или 2, в котором во втором режиме работы контроллер (110) сконфигурирован для управления частотой и напряжением переменного тока, подаваемого на нагрузку (122).

4. Устройство по п.1 или 2, дополнительно содержащее вольтметр (108) и амперметр (106), причем оба измерительных устройства выполнены с возможностью обеспечения измерений для контроллера (110).

5. Устройство по п.4, в котором преобразователь (118) может содержать последовательно соединенные высоковольтные схемы с встроенными режимами защиты от короткого замыкания, управляемые схемой широтно-импульсной модуляции.

6. Устройство по п.5, в котором переключатель (112) является свободным от переходных процессов.

7. Устройство по п.6, сконфигурированное для переключения (112) с первого режима работы во второй режим работы, когда устройство (120) накопления энергии определяется полностью заряженным.

8. Устройство по п.7, сконфигурированное для переключения (112) со второго режима работы в первый режим работы, когда устройство (120) накопления энергии определяется заряженным ниже уровня порогового значения.

9. Устройство по п.8, в котором контроллер (110) сконфигурирован для управления переключением устройства между первым и вторым режимами работы.

10. Способ управления устройством для передачи электроэнергии, содержащим: преобразователь (118), имеющий сторону переменного тока и сторону постоянного тока, переключатель (112), выполненный с возможностью подключения к линии (104) передач на первой стороне и выполненный с возможностью подключения нагрузки ко второй стороне, причем вторая сторона также подключается к стороне переменного тока преобразователя (118), устройство (120) накопления энергии, подключенное к стороне постоянного тока преобразователя (118), причем способ содержит этапы, на которых: замыкают переключатель (112) таким образом, чтобы ток накопления энергии протекал к или от устройства (120) накопления энергии для его заряда или разряда соответственно, с использованием преобразователя (118) для любых необходимых преобразований между переменным током и постоянным током, и размыкают переключатель (112), предотвращая протекание тока от линии (104) передачи к преобразователю (118), а устройство накопления энергии (120) обеспечивает постоянный ток, который преобразуют в переменный ток, посредством преобразователя (118), отличающийся тем, что управляют при замкнутом переключателе (112) мощностью, передаваемой по линии (104) передачи, так, чтобы соответствовать натуральной мощности линии при воздействии тока накопления энергии.

11. Способ по п.10, в котором обеспечивают передачу энергии по линии (104) передачи так, чтобы соответствовать натуральной мощности линии, возникающей только при замкнутом переключателе.

12. Способ по п.10 или 11, в котором замыкание и размыкание переключателя (112) повторяют.

13. Способ по п.12, в котором размыкание переключателя (112) выполняют, когда устройство (120) накопления энергии определяется полностью заряженным.

14. Способ по п.13, в котором замыкание выполняют, когда устройство (120) накопления энергии определяется заряженным ниже уровня порогового заряда.