Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к системе выработки энергии, резервному электропитанию, способу монтирования центра обработки данных, контроллеру системы выработки энергии, энергетической системе и способу эксплуатации системы выработки энергии.
Уровень техники
Уровень техники представлен, например, в публикации не прошедшей экспертизу патентной заявки Японии 2009-197587, в которой описана ветроэнергетическая установка. Поскольку эта ветроэнергетическая установка способна вырабатывать электроэнергию таким образом, что на ее генерирующую мощность не влияют ограничения, налагаемые на аккумуляторную батарею, она не только делает более доступной мощность, генерируемую из энергии ветра, но также уменьшает требуемую емкость аккумуляторной батареи. Ветроэнергетическая установка содержит переключающее устройство, которое электрически соединяет преобразователь или обратный преобразователь с двумя аккумуляторными батареями каждый. В данном случае преобразователь соединен с ветряным турбогенератором, а обратный преобразователь соединен с сетью энергоснабжения.
Раскрытие изобретения
При использовании известной технологии снижения колебаний выходной мощности возобновляемого источника энергии, обеспечиваемого аккумуляторной батареей, невозможно прогнозировать колебания выходной мощности возобновляемого источника энергии. Соответственно, невозможно эффективно устранять колебания выходной мощности. Вследствие этого согласно стандарту качества электроэнергии энергетической системы и с учетом возможностей регулирования выходной мощности на существующих крупномасштабных электростанциях успешным считается снижение колебаний до определенного уровня. Тем не менее, при использовании возобновляемого источника энергии в качестве стабильного источника энергии для микросети или другой изолированной энергетической системы, независимой от магистральной энергетической системы, такое снижение колебаний до определенного уровня является неприемлемым, в частности, с точки зрения качества электроэнергии и частоты колебаний. Кроме того, выходную мощность, генерируемую из энергии ветра, сложно прогнозировать и адаптировать к постоянно изменяющимся запросам потребителей электроэнергия.
Согласно одной из особенностей настоящего изобретения предложена система выработки энергии, в которую входит энергетическая установка на основе возобновляемого источника энергии, преобразователь для преобразования энергии в переменный ток (AC) и постоянный ток (DC), первая аккумуляторная батарея и вторая аккумуляторная батарея. Система выработки энергии содержит контроллер, который накапливает выходную мощность энергетической установки в первой аккумуляторной батареи или второй аккумуляторной батарее, побуждает аккумуляторную батарею, в которой не накапливается выходная мощность энергетической установки, подавать энергию в энергетическую систему (сеть), сравнивает общую степень заряженности и общую степень разряженности, и определяет момент, в который заряжаемая аккумуляторная батарея и разряжаемая аккумуляторная батарея меняются ролями.
Настоящее изобретение позволяет эффективно использовать выходную мощность возобновляемого источника энергии, включая ее колебания, и обеспечивать электроснабжение в соответствии с запросами потребителей электроэнергии путем разрядки аккумуляторной батареи.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 показана блок-схема, иллюстрирующая конфигурацию системы выработки энергии согласно первому варианту осуществления настоящего изобретения,
на фиг.2 - блок-схема, иллюстрирующая сравнительный пример системы выработки энергии,
на фиг.3 - блок-схема, иллюстрирующая конфигурацию системы выработки энергии согласно второму варианту и третьему варианту осуществления настоящего изобретения,
на фиг.4 - диаграмма, иллюстрирующая способ эксплуатации способ эксплуатации системы выработки энергии согласно второму варианту осуществления в идеальных условиях,
на фиг.5 - диаграмма, иллюстрирующая способ эксплуатации системы выработки энергии согласно второму варианту осуществления для применения в условиях низкой скорости ветра,
на фиг.6 - диаграмма, иллюстрирующая способ эксплуатации системы выработки энергии согласно второму варианту осуществления для применения в условиях высокой скорости ветра,
на фиг.7 - диаграмма, иллюстрирующая способ эксплуатации системы выработки энергии согласно второму варианту осуществления для применения в условиях высокой потребности в электроэнергии,
на фиг.8 - диаграмма, иллюстрирующая способ эксплуатации системы выработки энергии согласно второму варианту осуществления для применения в безветренных условиях,
на фиг.9 - блок-схема, иллюстрирующая конфигурацию системы выработки энергии согласно третьему варианту осуществления настоящего изобретения,
на фиг.10 - блок-схема, иллюстрирующая конфигурацию системы выработки энергии согласно четвертому варианту осуществления настоящего изобретения,
на фиг.11 - блок-схема, иллюстрирующая способ эксплуатации системы выработки энергии согласно пятому варианту осуществления настоящего изобретения,
на фиг.12 - блок-схема, иллюстрирующая конфигурацию системы выработки энергии согласно шестому варианту осуществления настоящего изобретения,
на фиг.13 - блок-схема, иллюстрирующая конфигурацию системы выработки энергии согласно седьмому варианту осуществления настоящего изобретения,
на фиг.14 - функциональная блок-схема, иллюстрирующая конфигурацию системы выработки энергии согласно восьмому варианту осуществления настоящего изобретения, и
на фиг.15 - другая функциональная блок-схема, иллюстрирующая другую конфигурацию системы выработки энергии согласно восьмому варианту осуществления.
Подробное описание осуществления изобретения
Прежде всего, рассмотрим фиг.2, на которой проиллюстрирован сравнительный пример базовой конфигурации ветроэнергетической системы с использованием аккумуляторной батареи для компенсации колебаний выходной мощности возобновляемого источника энергии.
Как показано на фиг.2, позицией 1 обозначен ветряной турбогенератор;
позицией 2 обозначен преобразователь; позицией 3 обозначена аккумуляторная батарея; позицией 4 обозначен повышающий трансформатор; и позицией 5 обозначена система передачи электроэнергии.
Выходная мощность ветряного турбогенератора 1 изменяется с изменением скорости ветра. В энергетической системе необходим постоянный баланс потребности в электроэнергии и электроснабжения. В случае непредсказуемого колебания нарушается баланс потребности в электроэнергии и электроснабжения, что вызывает, например, колебание частоты. Для поддержания постоянного качества электроэнергии в энергетической системе (в частности, поддержания постоянной частоты в энергетической системе), необходимо надлежащая компенсация колебаний. Соответственно, колебания выходной мощности компенсируются путем зарядки аккумуляторной батареи 3, когда колеблющаяся выходная мощность превышает среднюю выходную мощность, и, напротив, разрядки аккумуляторной батареи 3, когда колеблющаяся выходная мощность является более низкой, чем средняя выходная мощность. После того, как колебания выходной мощности компенсированы, повышающий трансформатор 4 преобразует результирующее напряжение в соответствующее напряжение, которое затем доставляется в систему 5 передачи электроэнергии.
Далее будут описаны варианты осуществления настоящего изобретения. Первый вариант осуществления
На фиг.1 проиллюстрирован первый вариант осуществления настоящего изобретения.
Как показано на фиг.1, позицией 1 обозначен ветряной турбогенератор, который является одним из примеров генератора на основе возобновляемого источника энергии. Позицией 6 обозначен контроллер; позицией 7 обозначен стабилизатор зарядной мощности; позицией 8 обозначена заряжаемая аккумуляторная батарея (аккумуляторная батарея, которая должна заряжаться); позицией 9 обозначена разряжаемая аккумуляторная батарея (аккумуляторная батарея, которая должна разряжаться); позицией 10 обозначен стабилизатор разрядной мощности; и позицией 11 обозначена энергетическая система, соединенная с потребителями.
Производительность стабилизатора 7 мощности определяется на основании среднегодовой расчетной производительности ветряного турбогенератора 1. Производительность стабилизатора 10 мощности определяется на основании максимальных потребностей потребителей в электроэнергии. Вся выходная мощность ветряного турбогенератора 1 временно накапливается в аккумуляторной батарее 8 через стабилизатор 7 мощности. На энергетическую систему не влияют даже колебания, вызываемые ветряным турбогенератором 1. Аккумуляторная батарея 9 разряжается и снабжает электроэнергией энергетическую систему 11 в соответствии с потребностью в электроэнергии.
Заряжаемая аккумуляторная батарея 8 и разряжаемая аккумуляторная батарея 9 переключаются контроллером 6 в надлежащий момент. Например, когда переключение осуществляется таким образом, что зарядка длится 12 часов сутки, а разрядка длится остальные 12 часов в сутки, надлежащим моментом является момент, когда количество электроэнергии, накопленной в течение 12-часовой зарядки, равно количеству электроэнергии, расходуемой в течение 12-часовой разрядки.
В описанную систему выработки энергии согласно первому варианту осуществления входит энергетическая установка, стабилизаторы мощности или источники бесперебойного питания (UPS) и две аккумуляторные батареи. Энергетическая установка использует энергию ветра, солнечную энергию или другой возобновляемый источник энергии для выработки электроэнергии. Стабилизаторы мощности или источники бесперебойного питания преобразуют мощность переменного тока в мощность постоянного тока или мощность постоянного тока в мощность переменного тока. В одной из аккумуляторных батарей накапливается вся выходная мощность энергетической установки, которая использует возобновляемый источник энергии. Другая аккумуляторная батарея снабжает электроэнергией потребителей путем подачи электроэнергии в энергетическую систему. Система выработки энергии также содержит контроллер, который переключает заряжаемую аккумуляторную батарею и разряжаемую аккумуляторную батарею в тот момент, когда общее количество электроэнергии, накопленной заряжаемой аккумуляторной батареей за счет использования выходной мощности энергетической установки, равно общему количеству электроэнергии, расходуемой из разряжаемой батареи для подачи электроэнергии в энергетическую систему. Согласно применяемому способу эксплуатации возобновляемого источника энергии на основе аккумуляторных батарей колебания выходной мощности возобновляемого источника энергии полностью компенсируются аккумуляторной батареей, в которой накапливается вся выходная мощность энергетической установки на основе возобновляемого источника энергии. Кроме того, аккумуляторная батарея, разряжаемая с целью подачи электроэнергии в энергетическую систему, позволяет снабжать потребителей электроэнергией в точном соответствии с потребностью в электроэнергии.
Как описано выше, система выработки энергии согласно рассматриваемому варианту осуществления содержит ветряной турбогенератор 1, который представляет собой энергетическую установку с использованием возобновляемого источника энергии; стабилизаторы мощности или источники 7, 10 бесперебойного питания, которые представляют собой преобразователи для преобразования энергии в мощность переменного тока и мощность постоянного тока; первую аккумуляторную батарея 8; и вторую аккумуляторную батарею 9. Система выработки энергии также содержит контроллер, который накапливает выходную мощность энергетической установки в первой аккумуляторной батарее или во второй аккумуляторной батарее, побуждает аккумуляторную батарею, в которой не накапливается выходная мощность энергетической установки, подавать энергию в энергетическую систему, сравнивает общую степень заряженности и общую степень разряженности, и определяет момент, в который заряжаемая аккумуляторная батарея и разряжаемая аккумуляторная батарея меняются ролями. Сконфигурированная, как описано выше, система выработки энергии позволяет полностью использовать выходную мощность возобновляемого источника энергии, включая ее колебания, и обеспечивать электроснабжение в соответствии с запросами потребителей электроэнергии путем разрядки аккумуляторной батареи. За счет того, что контроллер осуществляет переключение между заряжаемой аккумуляторной батарей и разряжаемой аккумуляторной батарей в момент, когда общее количество накопленной электроэнергии равно общему количеству расходуемой электроэнергии, может обеспечиваться более эффективная работа.
Второй вариант осуществления
На фиг.3 проиллюстрирован второй вариант осуществления настоящего изобретения.
Как показано на фиг.3, позицией 1 обозначен ветряной турбогенератор, который является одним из примеров генератора на основе возобновляемого источника энергии; позицией 7 обозначен стабилизатор зарядной мощности; позицией 8 обозначена заряжаемая аккумуляторная батарея; позицией 9 обозначена разряжаемая аккумуляторная батарея; позицией 10 обозначен стабилизатор разрядной мощности; позицией 5 обозначена энергетическая система, соединенная с потребителями; и позицией 12 обозначен дизель-генератор.
Производительность стабилизатора 7 мощности определяется на основании среднегодовой расчетной производительности ветряного турбогенератора 1. Производительность стабилизатора 10 мощности на основании максимальных потребностей потребителей в электроэнергии. Вся выходная мощность ветряного турбогенератора 1 временно накапливается в аккумуляторной батарее 8 через стабилизатор 7 мощности. На энергетическую систему не влияют даже колебания, вызываемые ветряным турбогенератором 1. Аккумуляторная батарея 9 разряжается и снабжает электроэнергией энергетическую систему 5 в соответствии с потребностью в электроэнергии.
Заряжаемая аккумуляторная батарея 8 и разряжаемая аккумуляторная батарея 9 переключается в надлежащий момент. Например, когда переключение осуществляется таким образом, что зарядка длится 12 часов сутки, а разрядка длится остальные 12 часов в сутки, надлежащим моментом является момент, когда количество электроэнергии, накопленной в течение 12-часовой зарядки, равно количеству электроэнергии, расходуемой в течение 12-часовой разрядки.
Если в рассматриваемом варианте осуществления при определении степени заряженности и остающегося количества электроэнергии в заряжаемой аккумуляторной батарее 8 и разряжаемой аккумуляторной батарее 9, выходной мощности ветряного турбогенератора 1 и потребности потребителей в электроэнергии количество подаваемой электроэнергии оценивается как недостаточное для удовлетворения потребности в электроэнергии, в качестве резервного электропитания приводится в действие дизель-генератор. Посредством контроллера 6 выполняется последовательность операций приведения в действие дизеля-генератора. В рассматриваемом варианте осуществления микросеть, изолированная от магистральной энергетической системы, может использовать ветряной турбогенератор в качестве стабильного источника энергии.
Далее описан проиллюстрированный на фиг.4 способ эксплуатации согласно рассматриваемому варианту осуществления в идеальных условиях. По горизонтальной оси отложено время суток. Сверху вниз указаны: относительная суточная потребность потребителей в электроэнергии, относительная выходная мощность ветряного турбогенератора, СЗ заряжаемой аккумуляторной батареи, СЗ разряжаемой аккумуляторной батареи и относительная выходная мощность дизеля-генератора. СЗ является сокращенным обозначением состояния заряда аккумуляторной батареи. Емкость заряда аккумуляторных батарей не может использоваться полностью. Использование зарядных емкостей составляет от 30 до 100% главным образом из-за их ограниченной долговечности.
В рассматриваемом варианте осуществления предполагается, что аккумуляторные батареи заряжаются в течение 12 часов и разряжаются в течение 12 часов. Также предполагается, что переключение происходит в момент Т. Моментом Т на фиг.4 является момент, в который целочисленное значение потребности в электроэнергии, определенной на основании потребности потребителей в электроэнергии, преобладавшей за предыдущие сутки, сокращается наполовину. В момент Т общее количество, отображаемое целочисленным значением потребности - 1 в электроэнергии, равно общему количеству, отображаемому целочисленным значением потребности - 2 в электроэнергии. Аккумуляторная батарея - 1 имеет полный заряд выходной мощностью ветряного турбогенератора с момента, когда СЗ составляет 30%, и продолжает заряжаться, пока СЗ не достигнет 100%. Поскольку выходная мощность, генерируемая энергией ветра, изменяется, процесс зарядки изменяется ступенчато. В это время аккумуляторная батарея - 2 разряжается с момента, когда СЗ составляет 100%, с целью подачи электроэнергии в энергетическую систему. Процесс разрядки продолжается, пока СЗ не достигнет 30%. В момент Т аккумуляторная батарея - 1 имеет СЗ, составляющее 100%, а аккумуляторная батарея - 2 имеет СЗ, составляющее 30%. В момент Т аккумуляторная батарея - 1 и аккумуляторная батарея - 2 меняются своими ролями. Иными словами, циклы аккумуляторной батареи - 1 и аккумуляторной батареи - 2 между СЗ 30% и СЗ 100%, соответственно, повторяются ежесуточно и разнесены друг от друга на половину цикла. Предполагается, что при выполнении описанной операции доводится до максимума срок службы аккумуляторных батарей.
На фиг.5 проиллюстрирован способ эксплуатации согласно рассматриваемому варианту осуществления для применения в условиях низкой скорости ветра. По горизонтальной оси отложено время суток. Сверху вниз указаны: относительная суточная потребность потребителей в электроэнергии, относительная выходная мощность ветряного турбогенератора, СЗ заряжаемой аккумуляторной батареи, СЗ разряжаемой аккумуляторной батареи и относительная выходная мощность дизеля-генератора.
При низкой скорости ветра в аккумуляторной батарее - 1 накапливается небольшое количество электроэнергии. Соответственно, даже если аккумуляторная батарея - 1 заряжается в течение 12 часов, ее СЗ не достигает 100%. Аккумуляторная батарея - 2, которая должна разряжаться, начинает разряжаться, когда ее СЗ является меньшим, чем 100%. Соответственно, самим аккумуляторным батареям сложно снабжать электроэнергией энергетическую систему. В такой ситуации может приводиться в действие дизель-генератор в качестве резервного электропитания для поддержания надлежащего баланса потребности в электроэнергии и снабжения энергетической системы.
На фиг.6 проиллюстрирован способ эксплуатации согласно рассматриваемому варианту осуществления для применения для применения в условиях высокой скорости ветра. По горизонтальной оси отложено время суток. Сверху вниз указаны: относительная суточная потребность потребителей в электроэнергии, относительная выходная мощность ветряного турбогенератора, СЗ заряжаемой аккумуляторной батареи, СЗ разряжаемой аккумуляторной батареи и относительная выходная мощность дизеля-генератора.
Поскольку в ситуации, проиллюстрированной на фиг.6, выходная мощность, генерируемая энергией ветра, является высокой, СЗ аккумуляторной батареи - 1 достигает 100% до наступления момента Т. В этом случае осуществляется регулирование шага ветряного турбогенератора, чтобы уменьшить количество вырабатываемой электроэнергии.
на фиг.7 проиллюстрирован способ эксплуатации согласно рассматриваемому варианту осуществления для применения в условиях высокой потребности в электроэнергии. По горизонтальной оси отложено время суток. Сверху вниз указаны: относительная суточная потребность потребителей в электроэнергии, относительная выходная мощность ветряного турбогенератора, СЗ заряжаемой аккумуляторной батареи, СЗ разряжаемой аккумуляторной батареи и относительная выходная мощность дизеля-генератора.
Аккумуляторная батарея-1 переходит от зарядки к разрядке в момент Т. При высокой потребности в электроэнергии даже в случае начала процесса разрядки при СЗ, составляющем 100%, СЗ достигает 30% за меньшее время, чем 12 часов. В такой ситуации приводится в действие дизель-генератор в качестве резервного электропитания.
На фиг.8 проиллюстрирован способ эксплуатации согласно рассматриваемому варианту осуществления для применения в безветренных условиях. По горизонтальной оси отложено время суток. Сверху вниз указаны: относительная суточная потребность потребителей в электроэнергии, относительная выходная мощность ветряного турбогенератора, СЗ заряжаемой аккумуляторной батареи, СЗ разряжаемой аккумуляторной батареи и относительная выходная мощность дизеля-генератора. Если в ситуации, проиллюстрированной на фиг.8, в аккумуляторной батарее остается какое-либо количество энергии, она может подаваться в энергетическую систему. Тем не менее, в такой ситуации энергетическая система в основном снабжается электроэнергией, генерируемой дизелем-генератором.
Как описано ранее, система выработки энергии согласно второму варианту осуществления предусматривает способ эксплуатации возобновляемого источника энергии на основе батарей согласно первому варианту осуществления. Кроме того, если выходная мощность возобновляемого источника энергии является меньшей, чем потребность микросети, изолированной от энергетической системы, содержащей дизель-генератор или другой распределенный источник питания, может использоваться способ эксплуатации возобновляемого источника энергии с использованием аккумуляторной батареи, позволяющей распределенному источнику питания действовать как резервное электропитание, и с использованием дизеля-генератора или другого распределенного источника питания в качестве резервного электропитания, когда выходная мощность возобновляемого источника энергии является нулевой или малой в зависимости от погоды, времени года и времени суток. Это позволяет более эффективно применять возобновляемый источник энергии в качестве стабильного источника энергии для микросети, изолированной от магистральной энергетической системы.
Согласно второму варианту осуществления использование дизеля-генератора в качестве резервного электропитания позволяет эффективно применять возобновляемый источник энергии в качестве стабильного источника энергии для микросети, изолированной от магистральной энергетической системы.
Третий вариант осуществления
Далее со ссылкой на фиг.3 и 9 описан третий вариант осуществления настоящего изобретения. Части, идентичные частям рассмотренных выше вариантов осуществления, опущены.
На фиг.3 показана блок-схема, иллюстрирующая систему выработки энергии согласно третьему варианту осуществления. В системе выработки энергии согласно рассматриваемому варианту осуществления ветряной турбогенератор 1 соединен с первой аккумуляторной батарей 8 посредством стабилизатора 7 зарядной мощности. Вторая аккумуляторная батарея 9 соединена с системой 5 передачи электроэнергии посредством стабилизатора 10 разрядной мощности. Система выработки энергии согласно рассматриваемому варианту осуществления содержит переключатель соединений (не показанный на фиг.3) для переключения соединений первой аккумуляторной батареи 8 и второй аккумуляторной батареи 9. Когда переключатель соединений осуществляет переключение в состояние, проиллюстрированное на фиг.3, первая аккумуляторная батарея 8 соединена со стабилизатором 10 разрядной мощности, вторая аккумуляторная батарея 9 соединена со стабилизатором 7 зарядной мощности. Система выработки энергии согласно рассматриваемому варианту осуществления дополнительно содержит контроллер 6, который управляет ветряным турбогенератором 1, переключателем соединений, стабилизатором 7 мощности, стабилизатором 10 мощности и дизелем-генератором 12. Дизель-генератор 12 соединен с системой 5 передачи электроэнергии.
Электроэнергия, генерируемая ветряным турбогенератором 1, преобразуется из мощности переменного тока в мощность постоянного тока стабилизатором 7 зарядной мощности и накапливается в аккумуляторной батарее 8. В то же время, электроэнергия, накапливаемая в аккумуляторной батарее 9, преобразуется из мощности постоянного тока в мощность переменного тока стабилизатором 10 разрядной мощности, выводится и передается системе 5 передачи электроэнергии в соответствии с потребностью в электроэнергии системы 5 передачи электроэнергии. Когда установлено определенное состояние переключения, контроллер 6 переключает переключатель соединений без отсоединения системы 5 передачи электроэнергии от нагрузки. Соответственно, электроэнергия, генерируемая ветряным турбогенератором 1, накапливается в аккумуляторной батарее 9 и передается из аккумуляторной батареи 8 системе 5 передачи электроэнергии. Подробности состояния переключения переключателя будут описаны далее. Переключение аккумуляторных батарей может осуществляться, например, ежесуточно в определенные моменты времени. В качестве альтернативы, число переключений аккумуляторных батарей устанавливается предварительно, и контроллер 6 определяет момент переключения аккумуляторных батарей в соответствии с прогнозированной потребностью в электроэнергии или прогнозированной выработкой электроэнергии. В качестве другой альтернативы, переключение аккумуляторных батарей осуществляется в непостоянном режиме в соответствии с количеством остающейся мощности аккумуляторной батареи.
Номинальная мощность стабилизатора 7 зарядной мощности определяется на основании среднегодовой расчетной производительности ветряного турбогенератора 1.
Номинальная мощность стабилизатора 10 разрядной мощности определяется на основании максимальной потребности потребителей в электроэнергии. Величина максимальной потребности в электроэнергии может быть равна, например, максимальному количеству электроэнергии, потребляемой в час всеми потребителями, подключенными к системе 5 передачи электроэнергии, в течение последнего одного года. В качестве альтернативы, величина максимальной потребности в электроэнергии может определяться путем суммирования заданного запаса прочности и величины максимальной потребности в электроэнергии. Если потребность системы 5 передачи электроэнергии изменяется без превышения производительности стабилизатора разрядной мощности, она может обеспечиваться за счет электроэнергии разряжаемой аккумуляторной батареи, то есть электроэнергии, вырабатываемой генератором на основе возобновляемого источника энергии. Стабилизаторы мощности обычно имеют высокий кпд при работе с производительностью, близкой к верхнему пределу. Соответственно, когда производительность стабилизаторов мощности определяется, как описано выше, может осуществляться эффективное преобразование мощности.
Емкость аккумуляторных батарей 8, 9 может определяться в соответствии с максимальной потребностью в электроэнергии потребителей системы 5 передачи электроэнергии или на основании среднегодовой расчетной производительности ветряного турбогенератора 1. Если в используемой конфигурации переключатель соединений осуществляет переключение два раза в сутки, большая часть электроэнергии для системы 5 передачи электроэнергии может обеспечиваться за счет электроэнергии генератора на основе возобновляемого источника энергии, когда емкость установлена на уровне половины потребности в электроэнергии за репрезентативные сутки с использованием кривой потребности в электроэнергии для системы 5 передачи электроэнергии. Кроме того, если емкость аккумуляторных батарей равна половине ожидаемого количества электроэнергии, которую вырабатывает каждые сутки ветряной турбогенератор 1, электроэнергия возобновляемого источника энергии может использоваться без потерь. Напротив, если в используемой конфигурации разрешено увеличение количества электроэнергии, поступающей в систему 5 передачи электроэнергии из дизеля-генератора 12 или магистральной энергетической системы (не показанной), емкость аккумуляторной батареи может быть уменьшена, что значительно сказывается на стоимости. Емкость аккумуляторных батарей зависит от периода, в течение которого осуществляется управление переключениями. При чрезмерно высокой емкости аккумуляторной батареи увеличивается стоимость. При чрезмерно низкой емкости аккумуляторной батареи становится невозможным полностью использовать электроэнергию, вырабатываемую генератором на основе возобновляемого источника энергии.
Система выработки энергии согласно рассматриваемому варианту осуществления имеет конфигурацию, в которой ветряной турбогенератор 1 соединен с энергетической системой посредством аккумуляторных батарей и переключателя соединений. Соответственно, вся выходная мощность ветряного турбогенератора 1 неизбежно временно накапливается в аккумуляторной батарее 8 посредством стабилизатора 7 мощности. Следовательно, выгода состоит в том, что даже при колебаниях электроэнергии ветряного турбогенератора 1 система 5 передачи электроэнергии остается незатронутой такими колебаниями. Кроме того, даже при слишком малом количестве вырабатываемой электроэнергии для подачи в систему 5 передачи электроэнергии из-за низкой выходной мощности генератора на основе возобновляемого источника энергии система 5 передачи электроэнергии может снабжаться за счет накопления всей вырабатываемой электроэнергии в аккумуляторной батарее.
Помимо этого, аккумуляторная батарея 9 разражается и посредством стабилизатора 10 разрядной мощности снабжает электроэнергией систему 5 передачи электроэнергии в соответствии с потребностью в электроэнергии. Соответственно, выгода состоит в том, что систему 5 передачи электроэнергии может подаваться количество электроэнергии, превышающее мгновенную производительность ветряного турбогенератора 1. Если для подавления колебаний выходной мощности просто устанавливают аккумуляторную батарею малой емкости, как показано на фиг.2, такое регулирование невозможно осуществлять, поскольку чрезмерная разрядка ухудшает способность стабилизации выходной мощности. Тем не менее, когда в системе выработки энергии согласно рассматриваемому варианту осуществления используется аккумуляторная батарея большой емкости, заряжаемая в течение полусуток, и соответствующий согласующий стабилизатор разрядной мощности, электроэнергия может подаваться соответствующим образом даже в случае неожиданного всплеска потребности в электроэнергии. Это позволяет обеспечивать систему выработки энергии с высокой устойчивостью к перегрузкам.
Система выработки энергии согласно рассматриваемому варианту осуществления является экономически эффективной с другой точки зрения, поскольку она выгодно позволяет использовать ветряной турбогенератор 1 с меньшей производительностью, чем максимальная мгновенная потребность системы 5 передачи электроэнергии, при условии обеспечения стабильности системы 5 передачи электроэнергии. Упомянутое ранее преимущество также может обеспечиваться, когда аккумуляторная батарея установлена отдельно для снабжения дополнительной электроэнергией системы 5 передачи электроэнергии, например, в периоды пиковой нагрузки. Тем не менее, в таком случае должен осуществляться сложный процесс управления, поскольку помимо колебания потребности в электроэнергии необходимо принимать во внимание колебания производительности ветряного турбогенератора. В то же время, система выработки энергии согласно рассматриваемому варианту осуществления является выгодной в том смысле, что ее заданное назначение достигается просто путем управления стабилизатором разрядной мощности как обычным источником бесперебойного питания.
Энергетическая система может быть стабилизирована, даже если система 5 передачи электроэнергии является крупномасштабной системой, соединенной с магистральной энергетической системой посредством мощной линии передачи. Тем не менее, если система 5 передачи электроэнергии является маломасштабной системой, рассчитанной на удаленную изолированную малонаселенную территорию и т.п., система выработки энергии согласно рассматриваемому варианту осуществления обеспечивает увеличенную выгоду, поскольку колебания выходной мощности ветряного турбогенератора 1, вероятно, будут оказывать значительное влияние на стабильность энергетической системы.
За счет стабильного снабжения электроэнергией системы выработки энергии согласно рассматриваемому варианту осуществления ветряной турбогенератор 1 способен выполнять множество или предпочтительно большую часть операций снабжения электроэнергией системы 5 передачи электроэнергии. Это выгодно в том смысле, что больше не требуется предусматривать, подключать, обслуживать и часто использовать различные источники резервного электропитания. Например, может быть сконфигурирована независимая энергетическая система путем подключения к системе 5 передачи электроэнергии только системы выработки энергии с генератором на основе возобновляемого источника энергии согласно рассматриваемому варианту осуществления и дизелем-генератором в качестве источников питания или путем использования упомянутых двух источников питания для обеспечения большей части потребности в электроэнергии. Энергетическая система с описанной конфигурацией позволяет сокращать расход топлива для дизеля-генератора при условии осуществления управления с целью снижения частоты работы дизеля-генератора 12.
В рассматриваемом варианте осуществления предполагается, что ветряной турбогенератор 1 используется в качестве источника питания аккумуляторных батарей. Тем менее, упомянутые выгоды рассматриваемого варианта осуществления могут обеспечиваться аналогичным образом, если количество электроэнергии, которое обеспечивается используемым возобновляемым источником энергии, невозможно без труда стабилизировать. Источники питания на основе такого возобновляемого источника, у которых сложно стабилизировать количество вырабатываемой ими энергии, включают, например, солнечный теплогенератор, солнечный фотоэлектрический генератор, различные генераторы на основе энергии океана и гидрогенератор.
Заряжаемой аккумуляторной батареей является аккумуляторная батарея, которая в настоящее время используется в целях зарядки и соединена со стабилизатором зарядной мощности. Разряжаемой аккумуляторной батареей является аккумуляторная батарея, которая в настоящее время используется в целях разрядки и соединена со стабилизатором разрядной мощности. Иными словами, заряжаемая аккумуляторная батарея 8 и разряжаемая аккумуляторная батарея 9 не рассчитаны на конкретное применение. Следовательно, их можно называть первой аккумуляторной батареей и второй аккумуляторной батареей.
Рассмотрим регулирование постоянного напряжения, осуществляемое при переключениях заряжаемой аккумуляторной батареи 8 и разряжаемой аккумуляторной батареи 9 согласно первому и второму вариантам осуществления.
Далее со ссылкой на фиг.9 подробно описан пример конфигурации системы выработки энергии согласно рассматриваемому варианту осуществления. В рассматриваемом варианте осуществления аккумуляторная батарея 8 (образованная не показанными аккумуляторными батареями 81-84), аккумуляторная батарея 9 (образованная не показанными аккумуляторными батареями 91-94), стабилизатор 7 зарядной мощности и стабилизатор 10 разрядной мощности соединены посредством переключателя 20 соединений. Устройства, соединяемые с переключателем 20 соединений, могут быть образованы множество устройств, исходя из возможностей отдельных устройств, или с целью обеспечения более высокой устойчивости к отказам отдельного устройства и улучшенной способности продолжать работу системы. Кроме того, когда стабилизаторы мощности, соединенные параллельно друг другу, согласованно осуществляют регулирование баланса, обеспечивается выгода с точки зрения улучшения возможности слежения в случае возникновения моментальных колебаний нагрузки в системе 5 передачи электроэнергии. Например, система выработки энергии, показанная на фиг.9, содержит два стабилизатора 72 зарядной мощности, четыре комплекта, в каждый из которых входит аккумуляторная батарея 8 и аккумуляторная батарея 9, и четыре стабилизатора 101 разрядной мощности. Даже при отказе одного из стабилизаторов 101 разрядной мощности система выработки энергии согласно рассматриваемому варианту осуществления способно непрерывно действовать при условии, что потребность системы 5 передачи электроэнергии остается в пределах производительности остальных действующих стабилизаторов мощности.
Стабилизатор 7 зарядной мощности соединен с аккумуляторной батарей 91 посредством переключателя 21 а и с аккумуляторной батарей 81 посредством переключателя 22а. В то же время, стабилизатор 10 разрядной мощности соединен с аккумуляторной батареей 91 посредством переключателя 22b и с аккумуляторной батареей 81 посредством переключателя 21b. Когда аккумуляторная батарея 81 заряжается, а аккумуляторная батарея 91 разряжается, переключатели 22а, 22b замкнуты, а переключатели 21а, 21b разомкнуты. Если переключатель 20 соединений осуществляет переключение в этом состоянии, переключатели 21а, 21b, 22а, 22b срабатывают и соединяют аккумуляторную батарею 81 со стабилизатором 10 разрядной мощности и аккумуляторную батарею 91 со стабилизатором 7 зарядной мощности. При срабатывании переключателей 23-28 также изменяется состояние соединения параллельно соединенных аккумуляторных батарей 82-84, 92-94.
В системе выработки энергии, показанной на фиг.9, между стабилизатором 7 зарядной мощности и аккумуляторными батареями установлен прерыватель 71, а между стабилизатором 10 разрядной мощности и аккумуляторными батареями установлен прерыватель 102. Это позволяет не только компенсировать потенциальные изменения, которые происходят при зарядке или разрядке аккумуляторных батарей 8, 9, но также постоянно осуществлять управление с целью оптимизации потенциалов аккумуляторных батарей в том, что касается срока их службы. Кроме того, прерыватели 71, 102 защищают стабилизаторы мощности, систему 5 передачи электроэнергии и генератор от воздействия резкой разности потенциалов разряженной аккумуляторной батареи и заряженной аккумуляторной батареи при переключении аккумуляторных батарей.
Комплекты параллельно соединенных аккумуляторных батарей 81-94 могут в один и тот же момент переключаться с комплекта 81-84 на комплект 91-94. В качестве альтернативы, последовательно проверяется переключение одной аккумуляторной батареи, а затем переключается следующая аккумуляторная батарея. Если такое последовательное переключение осуществляется в ситуации, в которой потребность в нагрузке, подсоединенной к системе 5 передачи электроэнергии такова, что при отсоединении и остановке стабилизатора разрядной мощности, относящегося к аккумуляторным батареям, предназначенным для переключения, не возникает проблем, аккумуляторные батареи 81 и 91 могут быть выключены во время переключения. В таком случае предпочтительно, чтобы переключение аккумуляторных батарей происходило в период низкой потребности в электроэнергии.
Осуществления управления с целью переключения переключателя соединений означает выполнение последовательности шагов и операций переключения заряжаемой аккумуляторной батареи 8 и разряжаемой аккумуляторной батареи 9. Когда переключатель соединений выполняет последовательность шагов переключения, например, путем переключения сначала аккумуляторной батареи 81 и аккумуляторной батареи 91, а затем переключения аккумуляторной батареи 82 и аккумуляторной батареи 92, переключатель соединений может выполнять операции переключения, пока не будут переключены все аккумуляторные батареи 81-94. Напротив, при осуществлении частичного переключения в ситуации, когда аккумуляторная батарея 8 и аккумуляторная батарея 9 образованы множеством аккумуляторных батарей, переключатель соединений также может выполнять такое частичное переключение.
В системе выработки энергии, показанной на фиг.9, между стабилизатором 10 разрядной мощности и дизелем-генератором 12 может находиться обход 103. Тем самым может обеспечиваться переключение без временного отключения электропитания, если переключение осуществляется с целью снабжения системы 5 передачи электроэнергии путем приведения в действие дизеля-генератора 12 в ситуации, когда электроэнергии разряжаемой аккумуляторной батареи 9 недостаточно, или если переключение осуществляется с целью снабжения системы 5 передачи электроэнергии только посредством аккумуляторной батареи после остановки действующего дизеля-генератора 12.
Далее описаны условия, в которых осуществляется управление переключателем соединений или определяется момент переключения. Поскольку потребность системы 5 передачи электроэнергии колеблется с 24-часовой цикличностью, предпочтительно, чтобы система выработки энергии согласно рассматриваемому варианту осуществления осуществляла управление переключениями аккумуляторных батарей таким образом, чтобы обе аккумуляторные батареи заряжались один раз каждые сутки и разряжались один раз каждые сутки. В системе выработки энергии согласно рассматриваемому варианту осуществления степень заряженности зависит главным образом от колебаний количества электроэнергии, вырабатываемой генератором, а количество электроэнергии, поступающей из стабилизатора разрядной мощности в систему 5 передачи электроэнергии, зависит главным образом от колебаний потребности в электроэнергии системы 5 передачи электроэнергии. Соответственно, момент переключения определяется на основании прогнозированной кривой потребности в электроэнергии системы 5 передачи электроэнергии и прогнозированной кривой выработки электроэнергии генератором. Более точно, определяется момент переключения между последним переключением и следующим переключением на основании сравнения количества электроэнергии, накопленной в заряжаемой аккумуляторной батарее 8, и количества электроэнергии, отобранной от разряжаемой аккумуляторной батареи 9. Когда момент переключения установлен таким образом, что количество электроэнергии, ежесуточно накапливаемой в заряжаемой аккумуляторной батарее, близко к количеству электроэнергии, ежесуточно отбираемой от разряжаемой аккумуляторной батареи, в ситуации, когда аккумуляторная батарея каждые сутки заряжается в течение 12 часов и каждый сутки разряжается в течение остальных 12 часов, энергетической системе может передаваться большое количество электроэнергии из возобновляемого источника энергии. Момент переключения может применяться без изменений независимо от фактической степени заряженности.
Четвертый вариант осуществления
Далее со ссылкой на фиг.10 описан четвертый вариант осуществления настоящего изобретения. Части, идентичные частям рассмотренных выше вариантов осуществления, опущены.
Для непрерывного обеспечения электроэнергией нагрузки, подсоединенной к системе 5 передачи электроэнергии при переключении аккумуляторной батареи 8 и аккумуляторной батареи 9, необходимо, чтобы каждая аккумуляторная батарея 8 или аккумуляторная батарея 9 оставалась соединенной со стабилизатором 10 разрядной мощности. В системе выработки энергии согласно третьему варианту осуществления, который проиллюстрирован на фиг.9, переключатель 22b сначала замыкается, чтобы соединить заряженную аккумуляторную батарею 9 со стабилизатором 10 разрядной мощности. Затем переключатель 21b размыкается, чтобы отсоединить аккумуляторную батарею 81 от стабилизатора 10 разрядной мощности. Во время этого переключения аккумуляторных батарей оба переключателя 22b и переключателя 21b замкнуты, в результате чего аккумуляторная батарея 8 и аккумуляторная батарея 9 параллельно соединены со стабилизатором 10 разрядной мощности. Во время переключения аккумуляторных батарей заряжаемая аккумуляторная батарея, которая заряжалась непосредственно до момента переключения, имеет высокое напряжение, и, напротив, разряжаемая аккумуляторная батарея, которая разряжалась непосредственно до момента переключения, имеет низкое напряжение. Поскольку это происходит, когда аккумуляторные батареи соединены параллельно друг другу и меняются ролями, из заряжаемой аккумуляторной батареи в разряжаемую аккумуляторную батарею может поступать электрический ток вследствие разности потенциалов аккумуляторных батарей. Это может приводить к потере электроэнергии и ускорению старения аккумуляторных батарей. Тем не менее, этот недостаток ослабляется за счет выработки электроэнергии согласно четвертому варианту осуществления, который описан далее.
Для предотвращения электрического тока между аккумуляторными батареями в системе выработки энергии согласно рассматриваемому варианту осуществления, которая показана на фиг.10, предусмотрены две входные цепи постоянного тока для стабилизатора 10 разрядной мощности. Каждая из этих входных цепей постоянного тока снабжена прерывателем. Как показано на фиг.10, для аккумуляторной батареи 9 предусмотрен прерыватель 105, а для аккумуляторной батареи 8 предусмотрен прерыватель 106. Это позволяет регулировать напряжение заряжаемой аккумуляторной батареи и напряжение разряжаемой аккумуляторной батареи и одновременно соединять эти аккумуляторные батареи со стабилизатором разрядной мощности, не создавая разность потенциалов между входными цепями постоянного тока. Соответственно, соединения аккумуляторных батарей 8, 9 со стабилизатором разрядной мощности могут переключаться без выключения аккумуляторных батарей 8, 9.
В системе выработки энергии согласно рассматриваемому варианту осуществления переключение аккумуляторных батарей осуществляется в следующей последовательности. Прежде всего, параллельно соединяют аккумуляторные батареи 8, 9 посредством прерывателей. Затем переключают источник снабжения электроэнергией системы 5 передачи электроэнергии с аккумуляторной батареи, служившей разряжаемой аккумуляторной батарей, на аккумуляторную батарею, служившую заряжаемой аккумуляторной батареей. Переключение аккумуляторных батарей завершается, когда аккумуляторная батарея, служащая заряжаемой аккумуляторной батареей, отключается от стабилизатора разрядной мощности и соединяется со стабилизатором зарядной мощности.
Пятый вариант осуществления
Далее со ссылкой на фиг.11 описан пятый вариант осуществления настоящего изобретения. Части, идентичные частям рассмотренных выше вариантов осуществления, опущены.
На фиг.11 показана блок-схема, иллюстрирующая определение момента переключения аккумуляторных батарей согласно пятому варианту осуществления.
В рассматриваемом варианте осуществления в контроллер 6 вводится степень заряженности и степень разряженности заряжаемой аккумуляторной батареи 8 и разряжаемой аккумуляторной батареи 9. Кроме того, прогнозируется выходная мощность ветряного турбогенератора 1 на основании данных предшествующей выработки электроэнергии ветряным турбогенератором 1, которые определялись и сохранялись контроллером 6. В то же время, прогнозируется потребность потребителей в электроэнергии на основании данных предшествующего электроснабжения, которые определялись и сохранялись контроллером 6. Контроллер 6 сравнивает два прогнозированных значения со степенями заряженности и разряженности двух аккумуляторных батарей, вычисляет момент переключения переключателя 20 соединений, исходя из сравнения, и подает команду соответствующего переключения переключателя 20 соединений. Если из оценки двух прогнозированных значений следует, что снабжение электроэнергией является недостаточным для удовлетворения потребности в электроэнергии, в качестве резервного электропитания по мере необходимости приводится в действие дизель-генератор. Может подаваться команда управления дизелем-генератором в соответствии с вычисленным моментом приведения в действие и выходной мощностью дизеля-генератора. Напротив, если из оценки двух прогнозированных значений следует, что снабжение электроэнергией превышает потребность, может подаваться команда управления ветряным турбогенератором 1 с тем, чтобы надлежащим образом уменьшить выработку электроэнергии на основании с вычисленной разности между электроснабжением и потребностью в электроэнергии. Последовательность описанных операций выполняется посредством контроллера 6. Настоящее изобретение позволяет использовать ветряной турбогенератор в качестве стабильного источника энергии для микросети, изолированной от магистральной энергетической системы.
Степень заряженности и степень разряженности для ввода в контроллер 6 могут вычисляться в контроллере, как описано далее. В контроллер 6 периодически или на основании инициирующего события вводится измеренное значение, отображающее количество электроэнергии, остающейся в аккумуляторных батареях 8, 9. Затем определяется разность между измеренным значением, отображающим количество электроэнергии, остающейся в аккумуляторных батареях в момент последнего переключения, и измеренным значением, отображающим количество электроэнергии, остающейся в данный момент в аккумуляторных батареях. После этого вычисляется количество электроэнергии, накопленной в заряжаемой аккумуляторной батарее 8 с момента последнего переключения, и количество электроэнергии, отобранной от разряжаемой аккумуляторной батареи.
Выходная мощность ветряного турбогенератора 1 и потребность в электроэнергии, которую должен удовлетворять ветряной турбогенератор 1, не требуется прогнозировать всякий раз, когда контроллер 6 определяет момент переключения аккумуляторных батарей. В такой ситуации, например, потребность в электроэнергии и выходная мощность ветряного турбогенератора могут прогнозироваться в начале каждых суток, чтобы использовать прогнозированные значения для ежесуточного вычисления прогнозированного момента переключения. Кроме того, в контроллер 6 заранее может вводиться значение, отображающее выходную мощность ветряного турбогенератора, и значение, отображающее потребность в электроэнергии, для использования в качестве прогнозированной выходной мощности ветряного турбогенератора 1 и прогнозированной потребности в электроэнергии. В качестве альтернативы, могут извне вводиться соответствующие значения, вычисленные внешним вычислительным устройством, способным давать прогноз повышенной точности.
Если согласно расчетам ежесуточные и ежемесячные колебания потребности в электроэнергии, влияющие на баланс заряда и разряда и время работы дизеля-генератора, находятся в допустимых пределах, при первоначальной установке системы выработки энергии может устанавливаться момент переключения, предварительно заданный на основании прогнозированной выходной мощности и прогнозированной потребности в электроэнергии, и постоянно использоваться без изменения с целях управления, пока он не будет изменен для проведения технического обслуживания.
Предполагается, что моментом Т переключения аккумуляторных батарей является момент, в который прогнозированная степень заряженности заряжаемой аккумуляторной батареи равна прогнозированной степени разряженности разряжаемой аккумуляторной батареи за период между последним переключением и следующим переключением. Если определена степень заряженности/разряженности каждой аккумуляторной батареи с целью изменения момент переключения аккумуляторных батарей, может более эффективно использоваться электроэнергия, генерируемая ветряным турбогенератором, путем подавления колебаний выходной мощности ветряного турбогенератора и сокращения времени работы дизеля-генератора. Кроме того, изменение момента переключения аккумуляторных батарей позволяет аккумуляторным батареям справляться с изменениями характеристик зарядки/разрядки вследствие старения. Поскольку степени заряженности/разряженности заряжаемой аккумуляторной батареи и разряжаемой аккумуляторной батарея не отличаются, может выравниваться степень старения аккумуляторных батарей с целью сдерживания старения аккумуляторных батарей в целом. В данном случае прогнозированная степень заряженности заряжаемой аккумуляторной батареи вычисляется на основании целочисленного значения прогнозированной кривой выходной мощности ветряного турбогенератора, прогнозированная степень разряженности разряжаемой аккумуляторной батареи вычисляется на основании целочисленного значения кривой потребности в электроэнергии.
На фиг.11 показана блок-схема, иллюстрирующая способ эксплуатации согласно рассматриваемому варианту осуществления, который описан далее. В данном случае предполагается, что начальное СЗ заряжаемой аккумуляторной батареи составляет 30%, а начальное СЗ разряжаемой аккумуляторной батареи составляет 100%. Тем не менее, следует отметить, способ может осуществляться в той же последовательности при исходном состоянии, в котором степень заряженности, необходимая, чтобы СЗ заряжаемой батареи составляло 100%, преимущественно равна или близка к степени разряженности, необходимой, чтобы СЗ разряжаемой батареи составляло 30%. СЗ является сокращенным обозначением состояния заряда аккумуляторной батареи. Емкость заряда аккумуляторных батарей не может использоваться полностью. Использование зарядных емкостей составляет от 30 до 100% главным образом из-за их ограниченной долговечности. Тем не менее, в зависимости от характеристик используемых аккумуляторных батарей, в целях управления могут использоваться отличающийся интервал численных значений.
Оценки, представленные на проиллюстрированной на фиг.11 блок-схеме, могут через заданные временные интервалы периодически даваться контроллером 6 в целях уточнения, или могут инициироваться событием, то есть, например, могут даваться только в начале каждых суток в целях снижения нагрузки на контроллер 6, или могут даваться, когда СЗ разряжаемой аккумуляторной батареи составляет 50%.
В первую очередь, на шаге 1000 контроллер 6 прогнозирует момент Те, в который СЗ заряжаемой аккумуляторной батареи 8 составляет 100%, на основании измеренного значения, отображающего количество электроэнергии, накопленной в заряжаемой аккумуляторной батарее 8, и прогнозированной выходной мощности ветряного турбогенератора 1. В то же время, контроллер 6 прогнозирует момент Td, в который СЗ разряжаемой аккумуляторной батареи 9 составляет 30%, на основании измеренного значения, отображающего количество электроэнергии, остающейся в разряжаемой аккумуляторной батарее 9, и прогнозированной потребности в электроэнергии. Далее описан способ эксплуатации согласно рассматриваемому варианту осуществления в идеальных условиях, когда прогнозированный момент Tc преимущественно совпадает с прогнозированным моментом Td. Если последняя оценка, данная контроллером 6 до переключения, указывает, что момент Tc, в который СЗ заряжаемой аккумуляторной батареи 8 составляет 100%, преимущественно совпадает или близок к моменту Td, в который СЗ разряжаемой аккумуляторной батареи составляет 30% (шаг 1001), увеличение/уменьшение СЗ каждой аккумуляторной батареи составляет 70% в момент Tc = моменту Td. Соответственно, контроллер 6 подает команду, побуждающую переключатель 20 соединений осуществить переключение, в результате чего заряжаемая аккумуляторная батарея и разряжаемая аккумуляторная батарея меняются ролями (шаг 1002). В описанных условиях переключение может осуществляться в момент Tc.
Далее описан способ эксплуатации согласно рассматриваемому варианту осуществления в условиях, когда выходная мощность ветряного турбогенератора является меньшей, чем потребность в электроэнергии. В этом случае прогнозированный контроллером 6 момент Tc, в который СЗ заряжаемой аккумуляторной батареи достигает 100% наступает позже, то есть после прогнозированного контроллером 6 момента Td, в который СЗ разряжаемой аккумуляторной батареи достигает 30%. Иными словами, прогнозируется, что момент Tc> момента Td (шаг 1101). Если в этом случае аккумуляторные батареи переключаются в момент Td, в который СЗ разряжаемой аккумуляторной батареи составляет 30%, СЗ заряжаемой аккумуляторной батареи не достигает 100%. В результате степень увеличения/уменьшения СЗ аккумуляторных батарей различается.
Поскольку это происходит, если согласно оценке, данной контроллером 6, прогнозируется, что Tc>Td, контроллер 6 осуществляет новый процесс оценки степени заряженности/разряженности, как описано далее. Контроллер 6 определяет прогнозированную степень заряженности заряжаемой аккумуляторной батареи 8 и прогнозированную степень разряженности разряжаемой аккумуляторной батареи 9 в период между последним моментом переключения и моментом T и определяет момент, в который степень заряженности и степень разряженности преимущественно равны или близки друг к другу в период между моментом переключения или моментом текущей проверки и прогнозированным моментом Td. Если прогнозируется, что степень увеличения/уменьшения СЗ аккумуляторных батарей является согласованной в момент T, предшествующий моменту Td (шаг 1111), контроллер 6 переключает аккумуляторные батареи в момент Т (шаг 1112). Если прогнозируется, что степень заряженности и степень разряженности преимущественно равны или близки друг к другу в два или более моментов, в качестве момента переключения устанавливается наиболее поздний момент T, предшествующий моменту Td, чтобы сократить число переключений. Если степень увеличения/уменьшения СЗ аккумуляторных батарей является согласованной в момент T, предшествующий моменту Td, аккумуляторные батареи могут переключаться в момент T с целью непрерывной передачи электроэнергии, начиная со следующего момента и далее в интервале, соответствующем количеству электроэнергии, вырабатываемой ветряным турбогенератором 1, и заряжаться в период между последним переключением и моментом Т. Тем самым обеспечивается возможность непрерывной передачи электроэнергии без ущерба для баланса количеств электроэнергии, остающейся в заряжаемой аккумуляторной батарее и в разряжаемой аккумуляторной батарее, даже если количество электроэнергии, вырабатываемой ветряным турбогенератором в период соответствующего переключения, недостаточно для удовлетворения потребности в электроэнергии. Это позволяет воздерживаться от необязательного приведения в действие дизеля-генератора в период соответствующего переключения.
В начале периода, следующего за периодом соответствующего переключения, начинается процесс зарядки/разрядки заряжаемой аккумуляторной батареи и разряжаемой аккумуляторной батареи при небольшом запасе зарядки/разрядки. Иными словами, дисбаланс выработки электроэнергии и потребности в электроэнергии остается нескорректированным. Следует отметить, что потребность в электроэнергии и количество электроэнергии, вырабатываемой генератором на основе возобновляемого источника энергии, значительно колеблются. Соответственно, если в результате осуществляемого управления дисбаланс остается нескорректированным, возникает обратный дисбаланс, задерживающий возможность достижения баланса.
Далее в целях пояснения приведен конкретный пример. Если прогнозируется, что СЗ заряжаемой аккумуляторной батареи в момент Td составляет 90%, а СЗ разряжаемой аккумуляторной батареи в момент Td составляет 30%, и если прогнозируется, что СЗ заряжаемой аккумуляторной батареи в момент T (<Td) составляет 80%, а СЗ разряжаемой аккумуляторной батареи в момент T (<Td) составляет 50%, заряжаемая аккумуляторная батарея и разряжаемая аккумуляторная батарея меняются ролями в момент T, в который степень увеличения/уменьшения их СЗ является согласованной.
Далее будет рассмотрен случай (шаг 1121), когда прогнозируется, что СЗ заряжаемой аккумуляторной батареи еще не достигло 100% в прогнозированный момент Td, в который СЗ разряжаемой аккумуляторной батареи составляет 30%, а степень увеличения/уменьшения СЗ аккумуляторных батарей является несогласованной до наступления момента Td. Поскольку аккумуляторные батареи переключаются в оптимальный момент (шаг 1122), повышается эффективность использования ветряного турбогенератора в соответствии с прогнозированной выходной мощностью ветряного турбогенератора, прогнозированной потребностью в электроэнергии и СЗ каждой аккумуляторной батареи. Тем не менее, даже если прогнозируется, что Tc<Td, осуществляется управление с целью уменьшения количества передаваемой электроэнергии или прекращения передачи электроэнергии при условии, что осуществляется управление с целью передачи электроэнергии из системы 5 передачи электроэнергии в магистральную энергетическую систему или уменьшения выработки электроэнергии ветряным турбогенератором 1.
Далее в целях пояснения приведен конкретный пример. Если не прогнозируется, что СЗ заряжаемой аккумуляторной батареи в момент Td составляет 60%, а СЗ разряжаемой аккумуляторной батареи в момент Td составляет 30%, и не прогнозируется, что степень увеличения/уменьшения СЗ аккумуляторных батарей является преимущественно согласованной в какой-либо более ранний момент, может быть предусмотрено, что электроэнергия, обеспечиваемая дизелем-генератором 12, может использоваться для переустановки состояний заряда и разряда аккумуляторных батарей на 100% и 30%, соответственно. В таком случае момент Те, в который СЗ заряжаемой аккумуляторной батареи 8 составляет 100%, устанавливается в качестве момента переключения, и приводится в действие дизель-генератор 12 для подачи электроэнергии в систему 5 передачи электроэнергии во избежание снижения СЗ разряжаемой аккумуляторной батареи 9 до уровня менее 30%. Когда электроэнергия подается дизелем-генератором, при формулировании оценок, приведенных в блок-схеме на фиг.11, контроллер 6 прогнозирует момент Td на основании количества электроэнергии, отбираемой от разряжаемой аккумуляторной батареи 9, потребности в электроэнергии системы 5 передачи электроэнергии и количества электроэнергии, вырабатываемой дизелем-генератором 12. Кроме того, если согласно оценке прогнозированный момент Tc<Td даже после того, как прибавляется выходная мощность дизеля-генератора 12, осуществляется управление с целью увеличения количества электроэнергии, вырабатываемой дизелем-генератором 12. После переключения аккумуляторных батарей в момент Tc осуществляется управление с целью остановки дизеля-генератора.
Далее описан способ эксплуатации согласно рассматриваемому варианту осуществления в условиях, когда выходная мощность ветряного турбогенератора превышает потребность в электроэнергии. В этих условиях прогнозируется, что момент Tc< момента Td (шаг 1201), СЗ разряжаемой аккумуляторной батареи не достигает 30% в прогнозированный момент Te, в который СЗ заряжаемой аккумуляторной батареи составляет 100%, а степень увеличения/уменьшения СЗ аккумуляторных батарей различается. Если в этом случае существует момент T, в который степень увеличения/уменьшения СЗ аккумуляторных батарей является преимущественно согласованной до наступления момента Te (шаг 1211), аккумуляторные батареи переключаются в момент T (шаг 1212). Это позволяет подавлять любую излишнюю выходную мощность ветряного турбогенератора. Подробности конфигурации и операции управления являются такими же, как в случае, когда выходная мощность ветряного турбогенератора является меньшей, чем потребность в электроэнергии.
Далее в целях пояснения приведен конкретный пример. Если прогнозируется, что СЗ заряжаемой аккумуляторной батареи в момент Tc составляет 100%, а СЗ разряжаемой аккумуляторной батареи в момент Tc составляет 40%, и прогнозируется, что СЗ заряжаемой аккумуляторной батареи в момент T (<Tc) составляет 80%, а СЗ разряжаемой аккумуляторной батареи в момент T (<Tc) составляет 50%, заряжаемая аккумуляторная батарея и разряжаемая аккумуляторная батарея меняются ролями в момент T, в который степень увеличения/уменьшения их СЗ, которое составляет 50%, является согласованной.
Далее описан случай (шаг 1221), в котором прогнозируется, что СЗ разряжаемой аккумуляторной батареи по-прежнему составляет менее 30% в прогнозированный момент Tc, в который СЗ заряжаемой аккумуляторной батареи составляет 100%, а степень увеличения/уменьшения СЗ аккумуляторных батарей является несогласованной до наступления момента Tc. Поскольку аккумуляторные батареи переключаются в оптимальный момент (шаг 1222), повышается эффективность использования ветряного турбогенератора в соответствии с прогнозированной выходной мощностью ветряного турбогенератора, прогнозированной потребностью в электроэнергии и СЗ каждой аккумуляторной батареи. Тем не менее, даже если прогнозируется, что Tc<Td, осуществляется управление с целью уменьшения или прекращения выработки электроэнергии дизелем-генератором 12 при условии, что в систему 5 передачи электроэнергии подается электроэнергия из дизеля-генератора 12 или из магистральной энергетической системы.
Далее в целях пояснения приведен конкретный пример. Если прогнозируется, что СЗ заряжаемой аккумуляторной батареи в момент Tc составляет 100%, а СЗ разряжаемой аккумуляторной батареи в момент Tc составляет 70%, и прогнозируется, что степень увеличения/уменьшения СЗ аккумуляторных батарей является преимущественно несогласованной или не сближена в какой-либо предшествующий момент, может быть предусмотрено осуществление управления одним из двух различных способов в зависимости от условий. Если система 5 передачи электроэнергии действует на малонаселенной территории, а энергетическая система находится в уязвимом районе, избыток электроэнергия невозможно утилизировать. Соответственно, контроллер 6 отдает команду ветряному турбогенератору 1 уменьшить количество вырабатываемой им электроэнергии. Система 5 передачи электроэнергии соединена с магистральной энергетической системой, что позволяет реализовывать или принимать электроэнергию, поступающую из удаленного района, при этом осуществляется управление с тем, чтобы электроэнергия, генерируемая ветряным турбогенератором 1, за исключением электроэнергии, потребляемой системой 5 передачи электроэнергии, поступала в магистральную энергетическую систему. Соответственно, если согласно оценке прогнозированный момент Tc>Td, в качестве момента T переключения аккумуляторных батарей устанавливается момент Tc. Затем осуществляется управление с целью передачи электроэнергия в магистральную энергетическую систему после переключения аккумуляторных батарей в момент Tc. Это позволяет использовать электроэнергию, вырабатываемую энергетической установкой, и снижать потери. Когда электроэнергия передается в магистральную энергетическую систему, при формулировании оценок, приведенных в блок-схеме на фиг.11, контроллер 6 прогнозирует момент Td на основании количества электроэнергии, отбираемой от разряжаемой аккумуляторной батареи 9, потребности в электроэнергии системы 5 передачи электроэнергии и количества электроэнергии, передаваемой в магистральную энергетическую систему. Тем не менее, если согласно оценке прогнозированный момент Tcе>Td даже при передаче электроэнергии, осуществляется управление с целью увеличения количества передаваемой электроэнергии или дальнейшего уменьшения количества электроэнергии, вырабатываемой ветряным турбогенератором 1.
Состояние, в котором степень заряженности и степень разряженности преимущественно равны или близки друг к другу, или разность между ними не превышает заданную величину, является состоянием, в котором они являются совершенно одинаковыми или различаются в определенных пределах. Эти пределы допускаются системой, даже если степень заряженности заряжаемой аккумуляторной батареи 8 не сбалансирована со степенью разряда разряжаемой аккумуляторной батареи 9. Пределы могут быть определены таким образом, чтобы не была превышена заданная величина. Наиболее желательным является состояние, когда степень заряженности и степень разряженности являются совершенно одинаковыми. Тем не менее, даже если управление осуществляется таким образом, что степень заряженности и степень разряженности близки друг к другу, это способствует достижению баланса зарядки и разрядки. Кроме того, это помогает сдерживать старение аккумуляторных батарей и сокращать период приведения в действия дизеля-генератора. Более точно, предпочтительно, чтобы разностью между степенью заряженности и степенью разряженности являлось СЗ, не превышающее 20%. Более предпочтительно, чтобы разностью являлось СЗ, не превышающее 5%.
Рассматриваемый вариант осуществления был описан применительно к сравнению количества электроэнергии, накопленной в заряжаемой аккумуляторной батарее 8, и количества электроэнергии, отобранной от разряжаемой аккумуляторной батареи 9. Тем не менее, следует отметить, что сравнение основано на абсолютных величинах.
Блок-схема управления, описанная в связи с рассматриваемым вариантом осуществления, позволяет осуществлять переустановку состояния с целью поддержания периодичности управления путем постоянного переключения аккумуляторных батарей ежесуточно в заданный момент без учета преобладающего состояния заряда/разряда.
Шестой вариант осуществления
Далее со ссылкой на фиг.12 описан шестой вариант осуществления настоящего изобретения. Части, идентичные частям рассмотренных выше вариантов осуществления, опущены.
Упомянутая выше задача решается посредством центра обработки данных с аккумуляторной батареей в качестве аварийного резервного электропитания на случай нарушения энергоснабжения. Аккумуляторная батарея, предусмотренная в центре обработки данных в качестве резервного электропитания, поделена на две или более аккумуляторных батарей. Эти аккумуляторные батареи сконфигурированы как аккумуляторные батареи согласно вариантам осуществления с первого по пятый или, более точно, как аккумуляторная батарея, которая должна полностью заряжаться за счет выходной мощности энергетической установки, использующей возобновляемый источник энергии согласно вариантам осуществления с первого по пятый, и как аккумуляторная батарея, которая должна полностью разряжаться и подавать электроэнергию в энергетическую систему для потребителей электроэнергии. Это позволяет не только эффективно использовать аккумуляторную батарею в центре обработки данных просто в качестве резервного электропитание в нормальных условия, но также стабильно использовать возобновляемый источник энергии со снижением затрат на аккумуляторные батареи.
На фиг.12 показана блок-схема, иллюстрирующая шестой вариант осуществления. Как показано на фиг.12, генератор 1 на основе возобновляемого источника энергии (ветряной турбогенератор) соединен с заряжаемой аккумуляторной батареей 8 посредством стабилизатора 7 зарядной мощности. Разряжаемая аккумуляторная батарея 9 соединена с энергетической системой 13, которая связана с центром обработки данных, посредством стабилизатора 10 разрядной мощности. Контроллер 6 управляет генератором 1 на основе возобновляемого источника энергии, стабилизаторами мощности, аккумуляторными батареями и энергетической системой 13. Энергетическая система 13 соединена с центром 14 обработки данных и с внешней системой 16, которая снабжает электроэнергией центр обработки данных. Заряжаемая аккумуляторная батарея 8 и разряжаемая аккумуляторная батарея 9 представляют собой комплект и приспособлены действовать как аккумуляторная батарея 15, обеспечивающая резервным электропитанием центр обработки данных. Энергетическая система 13 является системой для всей установки, включая центр обработки данных. Если установкой является сам центр обработки данных, энергетическая система 13 является системой центра 14 обработки данных. Кроме того, энергетическая система 13 может являться системой на территории, на которой электроэнергия в основном потребляется центром обработки данных в качестве установки. Генератор 1 на основе возобновляемого источника энергии, стабилизаторы мощности и аккумуляторные батареи могут в целом представлять собой резервное электропитание для получения электроэнергии в нормальных условиях и аварийных условиях.
В рассматриваемом варианте осуществления аккумуляторная батарея 15, служащая резервным электропитанием, поделена на две аккумуляторные батареи, а именно, заряжаемую аккумуляторную батарею 8 и разряжаемую аккумуляторную батарею 9. Производительность стабилизатора 7 мощности определяется на основании среднегодовой расчетной производительности ветряного турбогенератора 1. Производительность стабилизатора 10 мощности определяется на основании максимальных потребностей потребителей в электроэнергии. Вся выходная мощность ветряного турбогенератора 1 временно накапливается в аккумуляторной батарее 8 через стабилизатор 7 мощности. На энергетическую систему не влияют даже колебания, вызываемые ветряным турбогенератором 1. Аккумуляторная батарея 9 разряжается и снабжает электроэнергией энергетическую систему 11 согласованно с центром обработки данных в соответствии с его потребностью в электроэнергии. Контроллер 6 в надлежащее время переключает заряжаемую аккумуляторную батарею 8 и разряжаемую аккумуляторную батарею 9.
Система выработки энергии согласно рассматриваемому варианту осуществления позволяет постоянно использовать генератор на основе возобновляемого источника энергии, нестабильный из-за значительных колебаний его выходной мощности, в качестве аварийного/неаварийного источника питания центра обработки данных.
Кроме того, когда применяемая конфигурация такова, что большинство электроэнергии, потребляемой центром обработки данных, поступает из системы выработки энергии согласно рассматриваемому варианту осуществления, функции системы выработки энергии, побуждающие аккумуляторные батареи полностью заряжаться электроэнергией, генерируемой ветряным турбогенератором 1, и в надлежащее время переключающие аккумуляторные батареи, могут использоваться для обеспечения значительного эффекта, в особенности, в условиях нагрузки, в которых потребление электроэнергии потребителями является легко прогнозируемым. Чтобы система выработки энергии согласно рассматриваемому варианту осуществления могла максимально использовать электроэнергию, вырабатываемую генератором 1 на основе возобновляемого источника энергии, который часто подвержен колебаниям без возможности вмешательства с использованием других источников питания, необходим баланс заряжаемой аккумуляторной батареи и разряжаемой аккумуляторной батареи. Путем сочетания условий легко предсказуемой нагрузки с упомянутым балансом можно повысить эффективность энергоснабжения из возобновляемого источника энергии. Кроме того, поскольку находящиеся в центре обработки данных серверы и кондиционера воздуха в основном потребляют электроэнергию 24 часа в сутки, суточное колебание нагрузки в центре обработки данных является меньшим, чем у других маломасштабных систем. Соответственно, выходные состояния разряжаемой аккумуляторной батареи могут выравниваться с целью сдерживания ее старения. Помимо этого, центру обработки данных присуща потребность в системе резервных аккумуляторных батарей. Соответственно, когда система резервных аккумуляторных батарей создается за счет использования возобновляемого источника энергии, система выработки энергии согласно рассматриваемому варианту осуществления позволяет без труда реализовать систему резервных аккумуляторных батарей как систему с высокой доступностью.
Термин ″легко предсказуемая нагрузка″ необязательно означает, что кратковременные неустойчивые колебания нагрузки в энергетической системе могут легко прогнозироваться. При условии, что общий расход электроэнергии в интервале между переключениями аккумуляторных батарей может легко прогнозироваться, система выработки энергии согласно рассматриваемому варианту осуществления выгодна в том смысле, что способна осуществлять точное управление с целью достижении баланса заряжаемой аккумуляторной батареи и разряжаемой аккумуляторной батареи и эффективно использовать электроэнергию, вырабатываемую возобновляемым источником энергии. Например, потребление электроэнергии может ежеминутно изменяться с малыми интервалами в зависимости от объема обработки, выполняемой серверами в центре обработки данных. Тем не менее, маловероятно, что потребление электроэнергии в центре обработки данных будет резко увеличиваться в какой-либо день и уменьшаться на следующий день.
В системе выработки энергии согласно рассматриваемому варианту осуществления предпочтительно, чтобы две аккумуляторные батареи переключались в режим зарядки ежесуточно в течение 12 часов и режим разрядки в течение остальных 12 часов. Это объясняется тем, что потребление электроэнергии в любой энергетической системе, включая систему центра обработки данных, часто колеблется с 24-часовой цикличностью. В частности, нагрузка на центр обработки данных, который предоставляет услуги обработки данных, изменяется в зависимости от времени активности местных жителей. Такая загруженность обработкой изменяется, например, с 24-часовой цикличностью. Когда цикл колебаний потребности в электроэнергии делится на два с целью установления момента переключения таким образом, чтобы степень заряженности равнялась степени разряженности, путем осуществления управления таким же образом в следующем цикле достигается заданное назначение. Следовательно, может без труда осуществляться управление. За счет облегчения прогнозирования повышается точность управления аккумуляторной батареей и кпд системы выработки энергии.
Кроме того, момент переключения аккумуляторных батарей предпочтительно должен устанавливаться таким образом, чтобы количество электроэнергии, накопленной в результате 12-часовой зарядки, равнялось количеству электроэнергии, израсходованному в результате 12-часовой разрядки. Если цикл изменяется, например, из-за введения летнего времени, момент переключения предпочтительно корректируется соответствующим образом.
Тем не менее, цикл колебаний нагрузки не всегда может являться 24-часовым. Если, например, центр обработки данных предоставляет услуги обработки данных на двух территориях с различным местным временем, возникает множество максимумов нагрузки. В таких условиях было бы лучше изменить цикл переключения аккумуляторных батарей два раза в сутки и при необходимости перейти к другому циклу. Иными словами, предпочтительно, чтобы в рассматриваемом варианте осуществления управление происходило согласно условиям, устанавливаемым потребителями, путем переключения двух комплектов аккумуляторных батарей с тем, чтобы цикл колебаний нагрузки был поделен на операцию зарядки и операцию разрядки. Кроме того, если число комплектов аккумуляторных батарей должно быть увеличено, предпочтительно, чтобы оно было кратно двум.
В нормальных условиях аккумуляторная батарея 15, предусмотренная в качестве резервного электропитания, используется для стабилизации возобновляемого источника энергии, как упоминалось выше. В то же время, в случае нарушения энергоснабжения в главной энергетической системе 16 аккумуляторная батарея 15 действует как нормальное резервное электропитание для снабжения электроэнергией центра обработки данных. Для снабжения электроэнергией может использоваться стабилизатор 10 мощности разряжаемой аккумуляторной батареи. Если СЗ разряжаемой аккумуляторной батареи составляет 30%, когда аккумуляторная батарея 15 действует как резервное электропитание, приоритет отдается снабжению электроэнергией центра обработки данных, и аккумуляторные батареи немедленно переключаются. Если система выработки энергии сконфигурирована таким образом, что потребление электроэнергии центром обработки данных превышает количество электроэнергии, вырабатываемой возобновляемым источником энергии, СЗ, достигнутое заряжаемой аккумуляторной батареей до переключения, постепенно уменьшается, и рано или поздно снабжение электроэнергия прекращается. Тем не менее, несмотря на ограничение подачи электроэнергии из энергетической системы, за счет возобновляемого источника энергии центр обработки данных в течение длительного времени может постоянно снабжаться электроэнергией, количество которой превышает количество электроэнергии, изначально накопленной в резервной аккумуляторной батарее.
Рассматриваемый вариант осуществления описан, исходя из того, что система выработки энергии согласно рассматриваемому варианту осуществления применяется в центре обработки данных. Тем не менее, такие же выгоды, как описано выше, достигаются при условии, что нагрузка является легко прогнозируемой. Например, даже на изолированной территории или другой территории с уязвимой энергетической системой может быть размещена система постоянного снабжения электроэнергией распределительного центра, завода, овощного хозяйства и т.п. без необходимости или с уменьшенной необходимостью в постоянной транспортировке топлива для выработки электроэнергии и т.п. при условии, что установлен генератор на основе возобновляемого источника энергии, система выработки энергии согласно рассматриваемому варианту осуществления и вспомогательный дизель-генератор.
Следует отметить, что при необходимости установки резервного электропитания согласно рассматриваемому варианту осуществления в центре обработки данных должна быть надлежащим образом определена номинальная мощность генератора 1 на основе возобновляемого источника энергии, стабилизаторов мощности и аккумуляторных батарей. Например, допустим, что задачей является обеспечение непрерывной работы центра обработки данных по меньшей мере в течение 24 часов в качестве аварийного электропитания на время прерывания снабжения электроэнергией из магистральной энергетической системы. Процедура, которая обычно выполняется в нормальных условиях, включает прогнозирование 24-часового потребления электроэнергии центром обработки данных на основании данных предшествующих измерений, установление емкости аккумуляторной батареи, более чем достаточной для прогнозированного значения с учетом резерва установленной мощности, и обеспечение аккумуляторных батарей с установленной емкостью. Если резервное электропитание согласно рассматриваемому варианту осуществления используется в описанной выше ситуации, общая номинальная емкость двух аккумуляторных батарей может быть уменьшена по сравнению с аккумуляторными батареями, обычно используемыми в качестве резервного электропитания, в частности, за счет уменьшения величины резерва установленной мощности.
Седьмой вариант осуществления
Далее со ссылкой на фиг.13 описан седьмой вариант осуществления настоящего изобретения. Части, идентичные частям рассмотренных выше вариантов осуществления, опущены.
В седьмом варианте осуществления в качестве генератора 1 на основе возобновляемого источника энергии согласно рассмотренным выше вариантам осуществления используется солнечный фотоэлектрический генератор 50. В рассматриваемом варианте осуществления также используется два комплекта аккумуляторных батарей 8, 9, которые переключаются дважды в сутки. Шестой вариант осуществления описан со ссылкой на цикл колебаний нагрузки кривой потребности в электроэнергии. Тем не менее, в рассматриваемом варианте осуществления момент переключения аккумуляторных батарей определяется на основании периодичности прогнозированной кривой, отображающей количество вырабатываемой электроэнергии.
В отличие от колебаний количества электроэнергии, вырабатываемой ветряными турбогенераторами, которое сложно прогнозировать, количество электроэнергии, вырабатываемой солнечными фотоэлектрическими генераторами, достигает максимума в дневное время и изменяется в течение приблизительно 24-часового цикла. Один цикл прогнозированной кривой, отображающей количество вырабатываемой электроэнергии, делится на два для переключения аккумуляторных батарей таким образом, чтобы степень заряженности равнялась степени разряженности.
Даже если периодичность прогнозированной кривой количества вырабатываемой электроэнергии отличается от периодичности кривой потребности в электроэнергии, может быть снижена вычислительная нагрузка на схему управления с целью повышения точности и эффективности управления аккумуляторными батареями при условии, что момент переключения определяется на основании данных комбинированного цикла, образованного двумя различными циклами.
Кроме того, что касается солнечного света, погода на следующий день является более или менее прогнозируемой. Соответственно, если количество вырабатываемой электроэнергии недостаточно для удовлетворения потребности в электроэнергии из-за облачной погоды во второй половине текущего дня в ситуации, когда генератор согласно рассматриваемому варианту осуществления действует путем переключения двух аккумуляторных батарей, чтобы заряжать или разряжать их, например, один раз в сутки, можно до определенной степени прогнозировать, возможно ли компенсировать недостаток электроэнергии при следующей зарядке. Это позволяет использовать прогноз погоды, чтобы определять, следует ли приводить в действие дизель-генератор во второй половине текущего дня, и принимать решение не приводить в действие дизель-генератор в период между переключениями аккумуляторных батарей во второй половине текущего дня. Соответственно, может сокращаться потребление топлива дизелем-генератором.
В рассматриваемом варианте осуществления применяется солнечный фотоэлектрический генератор для определения момента переключения аккумуляторных батарей на основании цикла прогнозированной кривой, отображающей количество вырабатываемой электроэнергии. Тем не менее, рассматриваемый вариант осуществления также применим в случае, когда может распознаваться периодичность для определения часового пояса, в котором, например, легкодоступна энергия ветра независимо от того, применяется ли ветряной турбогенератор и т.п.
Может быть предусмотрено, что количество электроэнергии, генерируемой солнечным фотоэлектрическим генератором 50, может постоянно уменьшаться из-за неисправности панели или модуля. Даже в случае частичной неисправности модуля электроэнергия может передаваться непрерывно, поскольку его влияние на количество вырабатываемой электроэнергии является ограниченным. Соответственно, может быть предусмотрено, что система выработки энергии согласно рассматриваемому варианту осуществления может непрерывно действовать без устранения неисправности с учетом соображений затрат, в особенности, если система выработки энергии установлена на удаленном острове или изолированной территории. В таком случае системе выработки энергии требуется обнаруживать такую неисправность, определять возможное уменьшение количества вырабатываемой электроэнергии и отображать определенное уменьшение в процессе управления с целью достижения баланса степени заряженнисти и степени разряженности.
В рассматриваемом варианте осуществления, в котором в качестве генератора 1 на основе возобновляемого источника энергии используется солнечный фотоэлектрический генератор 50, система выработки энергии содержит устройство 51 обнаружения неисправностей в генераторе на основе возобновляемого источника энергии. Если устройство 51 обнаружения неисправностей обнаруживает неисправность, например в одном или нескольких модулях, сведения об обнаруженной неисправности передаются контроллеру 6. Затем контроллер 6 определяет число неисправных модулей и прогнозирует результирующее уменьшение количества вырабатываемой электроэнергии. Если устройство 51 обнаружения неисправностей способно определять число неисправных модулей или прогнозировать результирующее уменьшение количества вырабатываемой электроэнергии, оно может выполнять такую задачу. Результат вычислений с целью прогнозирования уменьшения количества вырабатываемой электроэнергии вследствие неисправности модулей используется для корректировки данных прогнозируемого количества вырабатываемой электроэнергии, которые обрабатываются контроллером 6. Затем скорректированные данные отображаются при определении момента переключения переключателя 20 соединений. Тем самым обеспечивается поддержание баланса зарядки и разрядки, даже когда генератор 1 на основе возобновляемого источника энергии отклоняется от нормального идеального режима работы. Это позволяет повышать доступность возобновляемого источника энергии и сдерживать старение аккумуляторных батарей.
Уменьшение количества вырабатываемой электроэнергии вследствие неисправности может аналогичным образом прогнозироваться даже при использовании ветряного турбогенератора в качестве генератора 1 на основе возобновляемого источника энергии, некоторые из ветряных турбин которого не способны вырабатывать электроэнергию, и использоваться для осуществления управления с отображением прогнозированного уменьшения при упомянутом управлении переключениями при условии, что остальные ветряные турбины способны непрерывно вырабатывать электроэнергию.
Восьмой вариант осуществления
Далее со ссылкой на фиг.14 и 15 описан восьмой вариант осуществления настоящего изобретения. Части, идентичные частям рассмотренных выше вариантов осуществления, опущены.
На фиг.14 показана функциональная блок-схема, иллюстрирующая контроллер, используемый в восьмом варианте осуществления.
Как и в рассмотренных выше вариантах осуществления, контроллер 6, показанный на фиг.14, соединен с системой выработки энергии, которая содержит энергетическую установку, первый преобразователь, первую аккумуляторную батарею, вторую аккумуляторную батарею, второй преобразователь и переключатель соединений. Энергетическая установка использует возобновляемый источник энергии. Первый преобразователь действует таким образом, что электроэнергия, подаваемая из энергетической установки, преобразуется из мощности переменного тока в мощность постоянного тока. В первой аккумуляторной батарее накапливается электроэнергия, преобразованная первым преобразователем. Второй преобразователь действует таким образом, что электроэнергия, подаваемая из второй аккумуляторной батареи, преобразуется из мощности постоянного тока в мощность переменного тока и подается в энергетическую систему. Переключатель соединений переключает первую аккумуляторную батарею и вторую аккумуляторную батарею.
Как показано на фиг.14, контроллер 6 содержит блок вычисления моментов переключения, блок памяти, блок оценки моментов переключения и блок команд управления генератором. Блок вычисления моментов переключения вычисляет момент переключения, исходя из сравнения количества электроэнергии, накопленной в заряжаемой аккумуляторной батарее 8 за период между процессом управления переключениями переключателем соединений и следующим процессом управления переключениями переключателем соединений и количества электроэнергии, отобранной от разряжаемой аккумуляторной батареи за тот же период. Момент переключения сохраняется в блоке памяти. Блок оценки моментов переключения передает переключателю соединений команду переключения в соответствии с моментом переключения, вычисленным блоком вычисления моментов переключения.
На фиг.15 показана другая функциональная блок-схема, иллюстрирующая контроллер 6. Как показано на фиг.15, контроллер 6 содержит блок памяти, блок вычисления прогнозированной кривой, блок оценки количества электроэнергии, блок определения моментов переключения, блок оценки моментов переключения и блок команд управления генератором.
В блоке памяти хранятся данные временного ряда, включающие, например, измеренное значение, отображающее электроэнергию, подаваемую из разряжаемой аккумуляторной батареи в энергетическую систему, измеренное значение, отображающее электроэнергию, подаваемую из энергетической установки в заряжаемую аккумуляторную батарею, измеренное значение, отображающее количество электроэнергии, накопленной в заряжаемой аккумуляторной батарее и в разряжаемой аккумуляторной батарее, и сведения о погоде.
Блок вычисления прогнозированной кривой вычисляет прогнозированную кривую количества вырабатываемой электроэнергии и прогнозированную кривую потребности в электроэнергии на основании измеренного значения, отображающего электроэнергию, подаваемую из разряжаемой аккумуляторной батареи в систему 5 передачи электроэнергии, и измеренного значения, отображающего электроэнергию, подаваемую из энергетической установки на основе возобновляемого источника энергии в заряжаемую аккумуляторную батарею.
На основании прогнозированной кривой количества вырабатываемой электроэнергии и прогнозированной кривой потребности в электроэнергии, вычисленными блоком вычисления прогнозированной кривой, и измеренного значения, отображающего количество электроэнергии, накопленной в заряжаемой аккумуляторной батарее и в разряжаемой аккумуляторной батарее, блок оценки количества электроэнергии прогнозирует количество электроэнергии, накапливаемой в заряжаемой аккумуляторной батарее за период между последним процессом управления с целью переключения переключателя соединений и заданным моментом, и количество электроэнергии, отбираемой от разряжаемой аккумуляторной батареи за тот же период.
Блок определения моментов переключения определяет момент, в который прогнозированное количество накапливаемой электроэнергии приближено к количеству отбираемой электроэнергии, и определяет момент, в который осуществляется управление с целью переключения переключателя соединений.
Блок оценки моментов переключения передает переключателю соединений команду переключения в соответствии с моментом переключения, вычисленным блоком вычисления моментов переключения.
На основании определенного момента переключения и измеренных значений блок команд управления генератором отдает команду дизелю-генератору, генератору на основе возобновляемого источника энергии и магистральной энергетической системе с целью определения количества подаваемой электроэнергии.
Функциональные блок-схемы, иллюстрирующие контроллер 6 согласно рассматриваемому варианту осуществления, применимы к аппаратной конфигурации, отдельной от контроллера 6. Например, блок вычисления прогнозированной кривой и блок вычисления моментов переключения могут быть реализованы вне контроллера 6.
Изобретение относится к системам выработки энергии. Система содержит энергетическую установку на основе возобновляемого источника энергии, первую аккумуляторную батарею, заряжаемую электроэнергией, поступающей из энергетической установки, и вторую аккумуляторную батарею для подачи электроэнергии в энергетическую систему. Система также содержит переключатель соединений для переключения первой аккумуляторной батареи и второй аккумуляторной батареи и контроллер для управления переключателем соединений. Контроллер управляет переключением переключателя соединений в момент переключения, который определяется на основании прогнозированного количества электроэнергии, вырабатываемой энергетической установкой, и прогнозированной потребности в электроэнергии энергетической системы. Использование изобретения позволяет эффективно использовать выходную мощность возобновляемого источника энергии, включая ее колебания, и обеспечивать электроснабжение в соответствии с запросами потребителей электроэнергии путем разрядки аккумуляторной батареи. 7 н. и 11 з. п. ф-лы, 15 ил.
1. Система выработки энергии, содержащая:
энергетическую установку, использующую возобновляемый источник энергии;
первую аккумуляторную батарею для накопления электроэнергии, подаваемой из энергетической установки;
вторую аккумуляторную батарею для снабжения электроэнергией энергетической системы;
переключатель соединений для переключения первой и второй аккумуляторных батарей; и
контроллер для управления переключателем соединений,
при этом контроллер выполнен с возможностью управления переключением переключателя соединений в момент переключения, который определяется на основании прогнозированного количества электроэнергии, вырабатываемой энергетической установкой, и прогнозированной потребности в электроэнергии энергетической системы.
2. Система по п. 1, в которой контроллер выполнен с возможностью определения момента переключения, когда переключатель соединений должен переключиться, на основании сравнения прогнозированной степени заряженности заряжаемой аккумуляторной батареи и прогнозированной степени разряженности разряжаемой аккумуляторной батареи.
3. Система по п. 1, в которой контроллер выполнен с возможностью управления переключением переключателя соединений два раза в сутки.
4. Система по п. 1, в которой контроллер выполнен с возможностью управления переключением переключателя соединений в момент второго процесса управления переключениями, который определяется на основании прогнозированного количества электроэнергии, накапливаемого в любой из аккумуляторных батарей за период между первым процессом управления переключениями и вторым процессом управления переключениями, и на основании прогнозированного количества электроэнергии, отбираемого от любой из аккумуляторных батарей за период между вторым процессом управления переключениями и третьим процессом управления переключениями.
5. Система по п. 1, в которой контроллер выполнен с возможностью определения момента второго процесса управления переключениями на основании прогнозированного количества электроэнергии, накапливаемого в заряжаемой аккумуляторной батарее за период между первым процессом управления переключениями и вторым процессом управления переключениями, и на основании прогнозированного количества электроэнергии, отбираемого от разряжаемой аккумуляторной батареи за период между первым процессом управления переключениями и вторым процессом управления переключениями, и управления переключением переключателя соединений.
6. Система по п. 1, в которой контроллер выполнен с возможностью управления дизелем-генератором, соединенным с энергетической системой.
7. Система по п. 1, в которой контроллер выполнен с возможностью управления переключением переключателя соединений в прогнозированный момент, в который разность между количеством электроэнергии, накопленным в заряжаемой аккумуляторной батарее, и количеством электроэнергии, отобранным от разряжаемой аккумуляторной батареи, не превышает заданную величину.
8. Система по п. 1, содержащая:
первый преобразователь для преобразования электроэнергии, подаваемой из энергетической установки, из мощности переменного тока в мощность постоянного тока и подачи преобразованной электроэнергии в первую аккумуляторную батарею;
второй преобразователь для преобразования электроэнергии, подаваемой из второй аккумуляторной батареи, из мощности постоянного тока в мощность переменного тока и подачи преобразованной электроэнергии в энергетическую систему; и
прерыватель, установленный между первым преобразователем и первой аккумуляторной батарей или между вторым преобразователем и второй аккумуляторной батареей.
9. Система по п. 8, в которой второй преобразователь содержит две или более входных цепей для соединения с разряжаемой аккумуляторной батарей, при этом входные цепи содержат соответствующие прерыватели.
10. Система резервного электропитания, содержащая:
энергетическую установку, использующую возобновляемый источник энергии;
первую аккумуляторную батарею;
вторую аккумуляторную батарею;
переключатель соединений для переключения первой и второй аккумуляторных батарей; и
контроллер,
при этом обеспечивается накапливание электроэнергии, подаваемой из энергетической установки в одну из аккумуляторных батарей,
другая аккумуляторная батарея, в которой не накапливается электроэнергия, подаваемая из энергетической установки, обеспечивает подачу электроэнергии на нагрузку, а
контроллер выполнен с возможностью управления переключением переключателя соединений в момент переключения, который определяется на основании прогнозированного количества электроэнергии, подаваемой на нагрузку.
11. Способ монтирования центра обработки данных, включающий установку системы резервного электропитания по п. 10 в центре обработки данных.
12. Контроллер системы выработки энергии, содержащий:
блок вычисления моментов переключения, выполненный с возможностью ввода измеренного значения, отображающего количество электроэнергии в аккумуляторной батарее, заряжаемой электроэнергией, подаваемой из энергетической установки на основе возобновляемого источника энергии, и измеренного значения, отображающего количество электроэнергии в аккумуляторной батарее, разряжаемой в энергетическую систему, сравнения количества электроэнергии, накопленной в заряжаемой аккумуляторной батарее за период между моментом управления переключением двух аккумуляторных батарей, в результате которого меняются местами их соединения с энергетической системой и с энергетической установкой, и моментом управления следующим переключением и количеством электроэнергии, отобранной от разряжаемой аккумуляторной батареи за тот же период, и вычисления момента переключения на основании сравнения;
блок памяти, в котором хранятся данные момента переключения; и
блок оценки моментов переключения, выполненный с возможностью передачи команды переключения двух аккумуляторных батарей в соответствии с моментом переключения.
13. Контроллер для системы выработки энергии по пп. 1-9, содержащий:
блок памяти;
блок вычисления прогнозированной кривой, выполненный с возможностью вычисления прогнозированной кривой количества вырабатываемой электроэнергии и прогнозированной кривой потребности в электроэнергии на основании измеренного значения, отображающего электроэнергию, подаваемую из разряжаемой аккумуляторной батареи в энергетическую систему, и измеренного значения, отображающего электроэнергию, подаваемую из энергетической установки на основе возобновляемого источника энергии в заряжаемую аккумуляторную батарею;
блок оценки количества электроэнергии, выполненный с возможностью прогнозирования количества электроэнергии, накапливаемой в заряжаемой аккумуляторной батарее за период между последним процессом управления с целью переключения переключателя соединений и заданным моментом, и количества электроэнергии, отбираемой от разряжаемой аккумуляторной батареи за тот же период, на основании прогнозированной кривой количества вырабатываемой электроэнергии и прогнозированной кривой потребности в электроэнергии, вычисленных блоком вычисления прогнозированной кривой, и измеренных значений, отображающих электроэнергию в заряжаемой аккумуляторной батарее и электроэнергию в разряжаемой аккумуляторной батарее;
блок определения моментов переключения, выполненный с возможностью определения момента, в который количество накапливаемой электроэнергии приближено к количеству отбираемой электроэнергии, и определения момента управления с целью переключения переключателя соединений.
14. Система по п. 1, содержащая:
первый преобразователь для преобразования электроэнергии, подаваемой из энергетической установки, из мощности переменного тока в мощность постоянного тока;
первую аккумуляторную батарею, заряжаемую электроэнергией, преобразованной первым преобразователем;
вторую аккумуляторную батарею;
второй преобразователь для преобразования электроэнергии, подаваемой из второй аккумуляторной батареи, из мощности постоянного тока в мощность переменного тока и подачи преобразованной электроэнергии в энергетическую систему;
переключатель соединений для переключения первой и второй аккумуляторных батарей; и
контроллер для управления системой выработки энергии,
при этом контроллер выполнен с возможностью ввода измеренных значений, отображающих электроэнергию в первой аккумуляторной батарее и во второй аккумуляторной батарее, прогнозированной кривой потребности в электроэнергии энергетической системы и прогнозированной кривой количества электроэнергии, вырабатываемой энергетической установкой, причем контроллер позволяет первой аккумуляторной батарее или второй аккумуляторной батарее заряжаться электроэнергией, предназначенной для накопления в заряжаемой аккумуляторной батарее, и электроэнергией, поступающей из энергетической установки, после последнего процесса управления с целью переключения переключателя соединений, позволяет аккумуляторной батарее, не заряжаемой электроэнергией, поступающей из энергетической установки, подавать энергию в энергетическую систему, и выполнен с возможностью сравнения общей степени заряженности и общей степени разряженности, и на основании сравнения определения момента переключения заряжаемой аккумуляторной батареи и разряжаемой аккумуляторной батареи.
15. Система по п. 8 или 14, в которой второй преобразователь имеет меньшую номинальную мощность, чем номинальная мощность энергетической установки.
16. Система по п. 1, в которой емкость первой аккумуляторной батареи или второй аккумуляторной батареи составляет не менее половины суточной потребности в электроэнергии, вычисленной на основании кривой потребности в электроэнергии энергетической системы.
17. Энергетическая система, потребность в электроэнергии которой полностью обеспечивается системой по любому из пп. 1-9 и дизелем-генератором.
18. Способ эксплуатации системы выработки энергии, в которую входит энергетическая установка на основе возобновляемого источника энергии и по меньшей мере две аккумуляторные батареи, включающий:
разделение суток на два периода времени;
зарядку одной из батарей всей электроэнергией, вырабатываемой энергетической установкой на основе возобновляемого источника энергии на протяжении одного из двух периодов времени; и
подачу электроэнергии заряженной батареи в энергетическую систему на протяжении другого из двух периодов времени.
| JP 9121461 A, 06.05.1997JP 2009197587 A, 03.09.2009RU 2382900 C1, 27.02.2010RO 125806 A0, 29.10.2010RU 2095913 C1, 10.11.1997EP 2110549 A2, 21.10.2009 |
