ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС Российский патент 2016 года по МПК H02J3/38 

Область техники

Изобретение относится к электроэнергетике и может найти применение в автономных электроэнергетических комплексах, использующих нестабильные источники энергии.

Уровень техники

Известен электроэнергетический комплекс, содержащий дизельные генераторы и ветроэнергетичекие установки, работающие на сборные шины [RU 75793].

В качестве прототипа выбран электроэнергетический комплекс, содержащий дизельные генераторы и ветроэнергетические установки, работающие на сборные шины, а также регулируемую балластную нагрузку [Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук. Хошнау Зана Пешанг Халил. Автономные системы электроснабжения на основе энергоэффективных ветродизельных электростанций. Томск. 2012].

Общий недостаток, присущий вышеуказанным аналогу и прототипу, - низкое качество вырабатываемой электроэнергии, напряжение и частота которой значительно отклоняются от номинальных значений при возникновении дисбаланса между вырабатываемой и забираемой потребителями мощности. В прототипе этот недостаток проявляется в переходных режимах при кратковременных нарушениях баланса, которые не успевают отслеживать соответствующие регуляторы дизельного генератора и балластной нагрузки.

Раскрытие изобретения

В отличие от прототипа в предлагаемом комплексе к сборным шинам дополнительно подключен синхронный компенсатор, снабженный автоматическим регулятором возбуждения, при этом параметры подключенного компенсатора соответствуют условию

где J - момент инерции ротора компенсатора, кг·м²,

N - число пар полюсов компенсатора,

ΔW - максимально допустимый для данного комплекса дисбаланс энергии, Дж,

Δf - допустимое отклонение частоты от f_ном. , Гц.

Это позволяет поддерживать в заданных пределах отклонения напряжения и частоты переменного тока на сборных шинах комплекса как при плавных (статических), так и при кратковременных (динамических) дисбалансах вырабатываемой и потребляемой энергии.

Изобретение имеет развития.

В соответствии с одним из развитий изобретения на валу компенсатора 6 установлен маховик, с помощью которого обеспечивается требуемый момент инерции ротора компенсатора.

В соответствии с другим развитием изобретения балластная нагрузка может быть выполнена в виде электробойлера, связанного с потребителями тепла.

Осуществление изобретения с учетом его развитий

На фигуре показан пример структуры предлагаемого электроэнергетического комплекса. Комплекс содержит дизельный генератор 1 и ветроэнергетичекие установки 2, соединенные сборными шинами 3, к которым подключены регулируемая балластная нагрузка 4 и синхронный компенсатор 5, снабженный автоматическим регулятором возбуждения 6.

На валу компенсатора 5 установлен маховик 7, с помощью которого обеспечивается требуемая величина вращательного момента инерции J ротора компенсатора 5.

Балластная нагрузка 4 представляет собой электрический бойлер, в который отводятся излишки электроэнергии, используемые, например, на нагрев воды для отопления отдельных помещений или поселка.

Работает комплекс следующим образом.

Ветроэнергетические установки (ВЭУ) 2 работают постоянно, используя дешевую энергию ветра. При избытке этой энергии баланс вырабатываемой и потребляемой электроэнергии, необходимый для поддержания частоты, обеспечивается за счет ступенчатого регулирования балластной нагрузки, а при недостаточности энергии ВЭУ - включается дизельный генератор 1.

Поддержание напряжения и частоты на сборных шинах 3 комплекса должно обеспечиваться в допустимых пределах (при заданных ограничениях на величину дисбаланса мощностей) независимо от скорости ветра и величины потребительской нагрузки.

Для статического поддержания напряжения на сборных шинах 3 в заданных пределах используется регулировка возбуждения дизельного генератора 1 и синхронного компенсатора 5.

Синхронный компенсатор 5 представляет собой ненагруженный синхронный электродвигатель, снабженный широкодиапазонным автоматическим регулятором 6, изменяющим величину тока возбуждения электродвигателя так, что напряжение на сборных шинах, к которым подключены выводы компенсатора 5, остается неизменным. При этом компенсатор 5 функционирует по основному назначению - в качестве источника реактивной энергии, компенсирующего потери от реактивной составляющей тока нагрузки.

Номинальная (установленная) реактивная мощность компенсатора 5, необходимая для выполнения этой функции, как правило, в несколько раз меньше суммы номинальных активных мощностей всех генераторов комплекса.

Баланс активной мощности и, следовательно, поддержание частоты при медленных изменениях скорости ветра и/или потребительской нагрузки (в статических режимах) обеспечивается регулированием подачи топлива в дизельные двигатели генераторов 1 и балластной нагрузки 4. Однако в силу инерционности такого регулирования, оно не обеспечивает удержания частоты в заданных пределах при переходных процессах на коротких интервалах времени (1÷3 с).

Для этой цели, согласно изобретению, используются инерционные свойства синхронного компенсатора 5, параметры которого выбираются согласно условию (1), которое может быть обосновано и пояснено следующим образом.

Энергия W, запасенная вращающимся ротором компенсатора, связана с его угловой скоростью вращения ω и угловым моментом инерции J известным выражением . Учитывая, что допустимые отклонения частоты переменного тока, вырабатываемого комплексом, и вызывающий их допустимый дисбаланс энергии не превышают 1-2%, можно получить приближенное соотношение (1) для параметров ротора компенсатора 5, обеспечивающих за счет инерции его вращения удержание кратковременных колебаний частоты в пределах заданных требований к качеству энергии.

При выполнении условия (1) качество электроэнергии (по отклонению частоты) сохраняется в заданных пределах при допускаемой величине кратковременных дисбалансов активной энергии (связанных с колебаниями скорости ветра и потребляемой нагрузки), возникающих из-за инерционности регулирования мощностей дизельного генератора и балластной нагрузки.

Для выполнения условия (1) компенсатор 5 может быть выбран из номенклатурного ряда выпускаемых синхронных компенсаторов по значениям параметров N и J (информация о J может быть представлена производителем по запросу). При этом номинальная реактивная мощность компенсатора 5, выбранного по условию (1), оказывается численно близкой к суммарной активной мощности всех генераторов комплекса. Другая возможность выполнить условие (1) - установить соответствующий маховик на валу компенсатора 5 меньшей мощности, выбранного для компенсации потерь от реактивной составляющей тока нагрузки.

Использование: в области электроэнергетики. Технический результат - обеспечение возможности поддерживать в заданных пределах отклонения напряжения и частоты переменного тока на сборных шинах электроэнергетического комплекса. Электроэнергетический комплекс содержит дизельный генератор (1) и ветроэнергетичекие установки (2), соединенные сборными шинами (3), к которым подключены регулируемая балластная нагрузка (4) и синхронный компенсатор (5), снабженный автоматическим регулятором возбуждения (6). Для удержания частоты в заданных пределах при переходных процессах на коротких интервалах времени (1÷3 с) используются инерционные свойства ротора синхронного компенсатора (5). Момент инерции и число пар полюсов ротора компенсатора (5) выбираются согласно условию, приведенному в описании. Для обеспечения требуемой величины вращательного момента инерции на валу ротора компенсатора (5) может быть установлен маховик (7). Балластная нагрузка (4) может быть выполнена в виде электробойлера, связанного с потребителями тепла. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Электроэнергетический комплекс, содержащий по меньшей мере один дизельный генератор и по меньшей мере одну ветроэнергетическую установку, соединенные сборными шинами, к которым подключены регулируемая балластная нагрузка и синхронный компенсатор, снабженный автоматическим регулятором возбуждения, при этом параметры синхронного компенсатора соответствуют условию
J/N²≥ΔW/4f_номπ²Δf,
где J - момент инерции ротора компенсатора, кг·м²,
N - число пар полюсов компенсатора,
ΔW - максимально допустимый для данной электростанции дисбаланс энергии, Дж,
Δf - допустимое отклонение частоты от f_ном., Гц.

2. Электроэнергетический комплекс по п.1, в котором для получения требуемого момента инерции J на валу ротора компенсатора установлен маховик.

3. Электроэнергетический комплекс по п.1, в котором балластная нагрузка выполнена в виде электробойлера, связанного с потребителями тепла.