ВЕТРОДИЗЕЛЬНАЯ СИСТЕМА АВТОНОМНОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ Российский патент 2016 года по МПК H02J3/38 F03D9/11 

Изобретение относится к сфере альтернативной энергетики и может быть использовано для электроснабжения отдельных изолированных потребителей, в частности сельских поселений, коттеджных, дачных поселков, фермерских хозяйств, малых предприятий различного назначения, отдаленных нефтепромысловых участков.

Известна система автономного электроснабжения, содержащая ветрогенератор, преобразователь солнечной энергии в электрическую, аккумуляторные батареи, выходы которых через инвертор напряжения и распределительное устройство подключены к нагрузке, узел управления, входы-выходы которого подключены к соответствующим входам-выходам управления инвертора и распределительного устройства. Ветрогенератор и преобразователь солнечной энергии в электрическую соединены с секциями аккумуляторных батарей через блок заряда аккумуляторных батарей, вход управления которого подключен к выходу узла управления (патент РФ №2452637, МПК В60Р 3/00, опубл. 10.06.2012).

Недостатком известной системы является то, что в ней не предусмотрена возможность бесперебойного электроснабжения потребителей при длительном штиле и отсутствии солнечной инсоляции.

Известна также система автономного электроснабжения, содержащая ветроэнергетические установки, дизель-генераторы, синхронный компенсатор и электробойлер, а также автоматическую систему, которая осуществляет управление всеми элементами системы, регулируя уровень загрузки синхронного компенсатора и балластной нагрузки в зависимости от мгновенной мощности ветроэнергетических установок, нагрузки системы электроснабжения и возможности дизель-генераторов по поддержанию частоты и напряжения (патент РФ №113309, МПК F03D 9/00, опубл. 10.02.2011).

Недостатком данного аналога является сложность конструкции. Кроме того, применение указанной ветродизельный системы является целесообразным только для достаточно больших мощностей.

Прототипом настоящего изобретения является ветродизельная система автономного электроснабжения, содержащая ветрогенератор, дизель-генератор с блоком управления, два выпрямительно-зарядных устройства, аккумуляторную батарею, инвертор, причем выходы ветрогенератора и дизель-генератора присоединены к входам выпрямительно-зарядных устройств, выходы которых подключены к аккумуляторной батарее и образуют шину постоянного тока, к которой через инвертор подключена нагрузка (патент РФ №45060, МПК Н02Р 9/04, опубл. 10.04.2004).

Недостатком прототипа является большая вероятность возникновения перегрузок и ложных срабатываний защиты при одновременном включении мощных электроприемников. Эти ситуации могут быть устранены за счет увеличения установленной мощности электрогенерирующего оборудования и аккумуляторной батареи. Однако это сопровождается значительным ростом материальных затрат на приобретение и эксплуатацию оборудования.

Задачей изобретения является создание ветродизельной системы автономного электроснабжения с улучшенными техническими характеристиками.

Техническим результатом является повышение надежности электроснабжения за счет исключения перегрузок, возникающих при одновременном включении мощных электроприемников, и уменьшение установленной мощности электрооборудования.

Сущность предлагаемого изобретения состоит в том, что ветродизельная система автономного электроснабжения, содержащая ветрогенератор, дизель-генератор, два выпрямительно-зарядных устройства, аккумуляторную батарею, инвертор, причем выходы ветрогенератора и дизель-генератора присоединены к входам выпрямительно-зарядных устройств, выходы которых подключены к аккумуляторной батарее и образуют шину постоянного тока, дополнительно содержит распределительное устройство для подключения электроприемников, датчик мощности ветрогенератора, датчик мощности дизель-генератора, датчик мощности нагрузки, сумматор, элементы сравнения, задатчики номинальных мощностей электроприемников, блоки разрешения включения с кнопками управления, при этом входы датчиков мощностей ветрогенератора и дизель-генератора соединены с информационными выходами ветрогенератора и дизель-генератора соответственно, выходы подключены к входам сумматора, выход которого соединен с первым входом первого элемента сравнения, второй вход которого подключен к выходу датчика мощности нагрузки, который включен между шиной постоянного тока и входом инвертора, при этом выход инвертора соединен с входом распределительного устройства и образует шину переменного тока, распределительное устройство выполнено в виде коммутаторов, имеющих управляющие входы, которые подключены к выходам блоков разрешения включения, входы которых соединены с выходами элементов сравнения по числу электроприемников, первые входы элементов сравнения подключены к выходам задатчиков номинальных мощностей электроприемников, вторые подключены к выходу первого элемента сравнения.

Сущность изобретения поясняется чертежами. На фиг. 1 представлена структурная схема гибридной системы автономного электроснабжения, на фиг. 2 - возможный вариант реализации блока разрешения включения 17 и его сопряжение с остальными элементами заявляемого устройства.

Ветродизельная система автономного электроснабжения содержит ветрогенератор 1, дизель-генератор 2, два выпрямительно-зарядных устройства 3 и 4, аккумуляторную батарею 5, инвертор 6, причем выходы ветрогенератора 1 и дизель-генератора 2 присоединены ко входам выпрямительно-зарядных устройств 3 и 4, выходы которых подключены к аккумуляторной батарее 5 и образуют шину постоянного тока 7, распределительное устройство 8 для подключения электроприемников 9, датчик 10 мощности ветрогенератора, датчик 11 мощности дизель-генератора, датчик 12 мощности нагрузки, сумматор 13, элементы сравнения 14 и 15, задатчики 16 номинальных мощностей электроприемников, блоки разрешения включения 17 с кнопками управления 18, при этом входы датчиков 10 и 11 мощностей ветрогенератора и дизель-генератора соединены с информационными выходами ветрогенератора 1 и дизель-генератора 2 соответственно, выходы подключены к входам сумматора 13, выход которого соединен с первым входом первого элемента сравнения 14, второй вход которого подключен к выходу датчика мощности нагрузки 12, который включен между шиной постоянного тока 7 и входом инвертора 6, при этом выход инвертора 6 соединен со входом рапределительного устройства 8 и образует шину переменного тока 19, распределительное устройство 8 выполнено в виде коммутаторов 20, имеющих управляющие входы, которые подключены к выходам блоков разрешения включения 17, входы которых соединены с выходами элементов сравнения 15 по числу электроприемников 9, первые входы элементов сравнения 15 подключены к выходам задатчиков 16 номинальных мощностей электроприемников 9, вторые входы элементов сравнения 15 подключены к выходу первого элемента сравнения 14.

Блок разрешения включения 17 может быть выполнен в виде порогового элемента 21 и усилителя 22, на выходе которого включена обмотка реле 23, снабженного нормально разомкнутым контактом 24. Параллельно обмотке 23 включен обратный диод 25.

Если коммутатор 20 реализован в виде магнитного пускателя, то он содержит обмотку 26 и дополнительный нормально разомкнутый контакт 27.

Нормально разомкнутый контакт реле 24 включен последовательно с кнопкой управления 18 «Пуск», нормально замкнутым контактом кнопки 28 «Стоп» и обмоткой 26 коммутатора 20. Нормально разомкнутый контакт 27 коммутатора 20 шунтирует контакты кнопки 18 и контакт 24. Для электропитания блока разрешения включения 17 может быть использовано напряжение на шине переменного тока 19.

Ветродизельная система автономного электроснабжения работает следующим образом. Ветрогенератор 1 под действием ветра вырабатывает электрическую энергию, которая через выпрямительно-зарядное устройство 3 поступает на шину постоянного тока 7. На эту же шину поступает также через выпрямительно-зарядное устройство 4 электрическая энергия, которую вырабатывает дизель-генератор 2.

Аккумуляторная батарея 5 выполняет роль накопителя энергии и обеспечивает работу системы электроснабжения в период безветрия.

Инвертор 6 преобразует напряжение на шине постоянного тока 7 в переменное напряжение с заданными параметрами на шине переменного тока 19. Это напряжение подается электроприемникам 9 через коммутаторы 20 распределительного устройства 8.

Датчик 12 мощности нагрузки подключен на входе инвертора 6. Это позволяет упростить процедуру определения активной мощности путем измерения входных значений напряжения U_d, тока I_d инвертора 6 и вычисления мощности по формуле:

Для исключения аварийных ситуаций, обусловленных перегрузкой ветрогенератора 1 и дизель-генератора 2, в системе автономного электроснабжения осуществляется оперативный контроль нагрузочной способности источников электроэнергии с помощью датчиков мощности 10 и 11 ветродвигателя 1 и дизель-генератора 2. Выходные сигналы этих датчиков подаются на входы сумматора 13, который формирует сигнал, пропорциональный сумме мощностей ветродвигателя 1 и дизель-генератора 2. Этот сигнал в элементе 14 сравнивается с сигналом, который пропорционален мощности, потребляемой электроприемниками 9 от инвертора 6.

Таким образом, на выходе элемента сравнения 14 формируется сигнал, который пропорционален запасу мощности

где P₁ - мощность, развиваемая ветрогенератором 1; Р₂ - мощность, развиваемая дизель-генератором 2; P_H - мощность, потребляемая электроприемниками 9 от инвертора 6.

На один вход каждого элемента сравнения 15 поступает сигнал с выхода элемента сравнения 14, на другой - сигнал задатчика 16 номинальной мощности соответствующего электроприемника 9.

Блок разрешения включения 17 выдает сигнал на запуск соответствующего электроприемника 9, если выполняется условие

где Р_ном.К - номинальная мощность k-го электроприемника 9;

Р₀ - некоторая наперед заданная величина мощности.

Значение мощности Р₀ задается пороговым элементом 21. Если запас мощности в системе автономного электроснабжения превышает пороговое значение Р₀, то на выходе порогового элемента 21 появляется сигнал, который через усилитель 22 подается на обмотку реле 23. Контакт 24 замыкается и подготавливает цепь питания обмотки коммутатора 26 к включению.

После нажатия кнопки «Пуск» 18 обмотка 26 запитывается, коммутатор 20 подключает соответствующий электроприемник 9 к шине переменного тока 19. Контакт 27 ставит цепь питания обмотки 26 на блокировку. Обесточивание обмотки 26 и отключение коммутатора 20 происходит только при нажатии кнопки 28 «Стоп».

Таким образом, за счет контроля нагрузочной способности источников электроэнергии исключаются ситуации, когда одновременно включаются мощные электроприемники 9, при которых происходит перегрузка системы автономного электроснабжения. При этом разделение во времени пусковых режимов мощных электроприемников 9 позволяет уменьшить установленную мощность электрогенерирующего оборудования (ветрогенератор 1, дизель-генератор 2) и емкость аккумуляторной батареи 5, что способствует снижению стоимости системы электроснабжения.

Использование: в области электроснабжения. Технический результат - повышение надежности электроснабжения и уменьшение установленной мощности электрооборудования. Ветродизельная система автономного электроснабжения содержит ветрогенератор, дизель-генератор, два выпрямительно-зарядных устройства, аккумуляторную батарею, инвертор, причем выходы ветрогенератора и дизель-генератора присоединены к входам выпрямительно-зарядных устройств, выходы которых подключены к аккумуляторной батарее и образуют шину постоянного тока. Система дополнительно содержит распределительное устройство для подключения электроприемников, датчики мощности ветрогенератора, дизель-генератора и нагрузки, сумматор, элементы сравнения, задатчики номинальных мощностей электроприемников, блоки разрешения включения с кнопками управления. Входы датчиков мощностей ветрогенератора и дизель-генератора соединены с информационными выходами ветрогенератора и дизель-генератора соответственно, выходы подключены к входам сумматора, выход которого соединен с первым входом первого элемента сравнения, второй вход которого подключен к выходу датчика мощности нагрузки, который включен между шиной постоянного тока и входом инвертора. Выход инвертора соединен с входом распределительного устройства и образует шину переменного тока, распределительное устройство выполнено в виде коммутаторов, имеющих управляющие входы, которые подключены к выходам блоков разрешения включения, входы которых соединены с выходами элементов сравнения по числу электроприемников, первые входы элементов сравнения подключены к выходам задатчиков номинальных мощностей электроприемников, вторые подключены к выходу первого элемента сравнения. 2 ил.

Ветродизельная система автономного электроснабжения, содержащая ветрогенератор, дизель-генератор, два выпрямительно-зарядных устройства, аккумуляторную батарею, инвертор, причем выходы ветрогенератора и дизель-генератора присоединены к входам выпрямительно-зарядных устройств, выходы которых подключены к аккумуляторной батарее и образуют шину постоянного тока, отличающаяся тем, что дополнительно содержит распределительное устройство для подключения электроприемников, датчик мощности ветрогенератора, датчик мощности дизель-генератора, датчик мощности нагрузки, сумматор, элементы сравнения, задатчики номинальных мощностей электроприемников, блоки разрешения включения с кнопками управления, входы датчиков мощностей ветрогенератора и дизель-генератора соединены с информационными выходами ветрогенератора и дизель-генератора соответственно, выходы подключены ко входам сумматора, выход которого соединен с первым входом первого элемента сравнения, второй вход которого подключен к выходу датчика мощности нагрузки, который включен между шиной постоянного тока и входом инвертора, при этом выход инвертора соединен со входом распределительного устройства и образует шину переменного тока, распределительное устройство выполнено в виде коммутаторов, имеющих управляющие входы, которые подключены к выходам блоков разрешения включения, входы которых соединены с выходами элементов сравнения по числу электроприемников, первые входы элементов сравнения подключены к выходам задатчиков номинальных мощностей электроприемников, вторые входы подключены к выходу первого элемента сравнения.