СИСТЕМА АДАПТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕМЕНТАМИ (ОБОРУДОВАНИЕМ, УСТРОЙСТВАМИ) СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ НАГРУЗКИ, ПОДКЛЮЧЁННОЙ К ДВУМ И БОЛЕЕ ИСТОЧНИКАМ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2018 года по МПК H02J7/34 

Область техники

Настоящее изобретение относится к области систем управления электропитанием, элементам электропитания, источникам электрической энергии, электрическим нагрузкам, аккумуляторам электрической энергии, накопителям электрической энергии, преобразователям электрической энергии, а также связанным с ними системам управления, и может быть использовано в системах основного электропитания для реализации модели ценозависимого электропотребления, а также в системах аварийного и резервного электропитания потребителей постоянного тока для повышения эффективности их использования.

Уровень техники

Известны системы автономного электроснабжения и управления элементами (оборудованием, устройствами) системы электропитания электрической нагрузки, (см., например, патент RU 2444105 С1, опубликован 27.02.2012).

Известная система обладает рядом существенных недостатков, а именно данная система не позволяет обеспечить адаптивное управление элементами системы электропитания постоянного тока.

Раскрытие изобретения

Заявленная система и ее варианты в формуле изобретения охарактеризованы с использованием следующей терминологии.

Ценозависимое электропотребление: под ценозависимым электропотреблением понимается:

- ценозависимое снижение объема покупки (потребления) электрической энергии - снижение объема покупки (потребления) электрической энергии покупателем (электропотребителем) от электрической сети бесконечной мощности;

- ценозависимое снижение потребления (покупки) мощности - снижение потребления (покупки) мощности покупателем (электропотребителем) от электрической сети бесконечной мощности, определяемые соответствующими законодательными требованиями, требованиями нормативно-правовых актов, требованиями прочих регуляторных документов.

Система управления: Система адаптивного управления элементами системы электропитания постоянного тока (далее - Система управления).

Система электропитания: преобразователи электрической энергии, в том числе запитанные от электрической сети бесконечной мощности, аккумуляторы электрической энергии или накопители электрической энергии, автономные источники генерации электрической энергии (далее - Система электропитания), коммутационные аппараты электрической энергии, измерительные датчики, информационные каналы связи.

Автономные источники генерации электрической энергии: солнечные батареи для производства электроэнергии, ветряные электрогенераторы для производства электрической энергии, тепловые электростанции малой мощности (далее - Автономные источники генерации электрической энергии).

Электрическая сеть бесконечной мощности: совокупность производственных и иных имущественных объектов электроэнергетики, связанных единым процессом производства и передачи электрической энергии в условиях централизованного оперативно-диспетчерского управления в электроэнергетике.

Аккумуляторы электрической энергии или накопители электрической энергии: источники ЭДС многоразового действия, предполагающие циклическое использование (через заряд-разряд) для накопления и последующей отдачи энергии.

Источники электрической энергии: Электрическая сеть бесконечной мощности, Автономные источники генерации электрической энергии, Аккумуляторы электрической энергии или накопители электрической энергии.

Внешние источники электрической энергии: Электрическая сеть бесконечной мощности, Автономные источники генерации электрической энергии.

Целью настоящего изобретения является создание системы адаптивного управления элементами системы электропитания постоянного тока (далее - Система управления), подключенной к двум и более источникам электрической энергии, для реализации модели ценозависимого электропотребления в системах основного электропитания, а также для повышения общей эффективности систем аварийного и резервного электропитания потребителей постоянного тока.

Разработанные технические решения, алгоритмы управления направлены на автоматизацию процесса определения экономически целесообразного источника электропитания и его использования путем автоматического, без коммутационного регулирования уровня электрической нагрузки для каждого источника электрической энергии, а также повышения энергоэффективности системы электропитания в целом при сохранении функций гарантированного электропитания.

Технический результат заключается в возможности осуществить регулируемую параллельную работу двух и более источников электрической энергии на единую нагрузку на постоянном токе, при этом сохраняется заданное гарантированное время работы объекта в автономном режиме и не происходит коммутаций источников электрической энергии. Загрузка каждого параллельно работающего источника электрической энергии регулируется по заданному алгоритму, при этом алгоритм Системы управления в каждый момент времени определяет источник электрической энергии с наиболее низкой стоимостью электроэнергии и загружает его в объеме и на время, рассчитанное исходя из статических и динамических данных. получаемых из внешней информационной системы и от системы электропитания объекта.

Кроме того, при использовании Системы управления повышается энергоэффективность объектов с системами электропитания постоянного тока за счет более эффективного использования элементов системы электропитания (в частности, аккумуляторов электрической энергии/накопителей электрической энергии) при сохранении заданного гарантированного времени работы объекта в автономном режиме.

Для решения поставленной задачи и достижения указанного выше технического результата предложено два варианта реализации системы электропитания потребителей постоянного тока.

По первому варианту система электропитания потребителей постоянного тока охарактеризована следующей совокупностью существенных признаков.

Так, система электропитания потребителей постоянного тока, запитанная от внешних источников электрической энергии через AC/DC преобразователь, содержит выводы отрицательной и положительной полярности для подключения к ним нагрузки, а также для подключения входящих в систему электропитания аккумуляторов электрической энергии/накопителей электрической энергии и автономных источников генерации электрической энергии, блока управления, узла коммутации аккумуляторов электрической энергии/накопителей электрической энергии, защитного автоматического выключателя, по меньшей мере одного датчика величины постоянного тока, при этом блок управления выполнен с возможностью получения и обработки данных от аккумуляторов электрической энергии /накопителей электрической энергии для мониторинга параметров их напряжения и емкости, от AC/DC преобразователя, от узла коммутации, от автономных источников генерации электрической энергии в случае их подключения к электрической цепи системы электропитания постоянного тока, от каналообразующего оборудования внешней информационной сети передачи данных, от датчика величины переменного напряжения в цепи внешнего сетевого электропитания, от по меньшей мере одного датчика величины постоянного напряжения, который или которые установлены в цепи отрицательной полярности на выводах аккумуляторов электрической энергии/накопителей электрической энергии и автономных источников генерации электрической энергии в случае их подключения к электрической цепи системы электропитания постоянного тока, причем выводы отрицательной и положительной полярности имеют электрическое соединение с блоком управления для осуществления питания блока управления как от внешних источников электрической энергии, так и от аккумуляторов электрической энергии/накопителей электрической энергии и автономных источников генерации электрической энергии в случае их подключения к электрической цепи системы электропитания постоянного тока, кроме того, блок управления выполнен с возможностью управления работой узла коммутации, а также режимом работы защитного автоматического выключателя, который установлен в цепи отрицательной полярности так, что обеспечивается возможность отключения вывода отрицательной полярности аккумуляторов электрической энергии/накопителей электрической энергии от выводов отрицательной полярности системы электропитания потребителей постоянного тока, причем блок управления обеспечивает возможность подключения аккумуляторов электрической энергии/накопителей электрической энергии к нагрузке как в режиме ее параллельного питания от внешних источников электрической энергии, так и в режиме падения напряжения в сети внешних источников электрической энергии и/или при полном его отсутствии.

Блок управления представляет собой микропроцессорный блок управления.

Система электропитания содержит автономные источники генерации электрической энергии, которые подключены к предусмотренным выводам для их параллельного подключения.

Система электропитания содержит реле разрешения заряда и разряда аккумуляторных батарей, которое управляется блоком управления и имеет возможность включать/отключать вывод отрицательной полярности аккумуляторных батарей от нагрузки.

В системе электропитания узел коммутации аккумуляторов электрической энергии/накопителей электрической энергии содержит диод и отрицательный контактный вывод аккумуляторов электрической энергии/накопителей электрической энергии, причем диод своим анодом подключен к отрицательному выводу аккумуляторов электрической энергии/накопителей электрической энергии, а его катод имеет возможность быть подключенным к клемме реле разрешения заряда и разряда аккумуляторов электрической энергии/накопителей электрической энергии в случае включения режима разряда аккумуляторов электрической энергии/накопителей электрической энергии, причем в случае включения режима параллельной работы или заряда аккумуляторов электрической энергии/накопителей электрической энергии к клемме реле разрешения заряда и разряда подключается отрицательный вывод аккумуляторов электрической энергии/накопителей электрической энергии и соответственно катод диода в данном режиме не подключен к клемме реле.

В системе электропитания режим параллельной работы включает одновременное питание нагрузки как от аккумуляторов электрической энергии/накопителей электрической энергии, так и от внешних источников электрической энергии, причем алгоритм управления данным режимом является адаптивным и осуществляется блоком управления.

В системе электропитания отрицательный вывод для параллельного подключения автономных источников генерации электрической энергии к аккумуляторам электрической энергии/накопителям электрической энергии содержит диод для предотвращения протекания тока к автономным источникам генерации электрической энергии от аккумуляторов электрической энергии/накопителей электрической энергии.

По второму варианту система электропитания потребителей постоянного тока охарактеризована следующей совокупностью существенных признаков.

Так, система электропитания потребителей постоянного тока по второму варианту выполнения, запитанная от внешних источников электрической энергии через AC/DC преобразователь, содержит выводы отрицательной и положительной полярности для подключения к ним нагрузки, а также для подключения входящих в систему электропитания аккумуляторов электрической энергии/накопителей электрической энергии и автономных источников генерации электрической энергии, блока управления, защитного автоматического выключателя, по меньшей мере одного датчика величины постоянного тока, причем выводы аккумуляторов электрической энергии/накопителей электрической энергии имеют параллельное подключение к указанным выше выводам отрицательной и положительной полярности через регулируемый DC/DC преобразователь, при этом блок управления выполнен с возможностью получения и обработки данных по каналам связи от аккумуляторов электрической энергии/накопителей электрической энергии для мониторинга параметров их напряжения и емкости, от регулируемого DC/DC преобразователя, от автономных источников генерации электрической энергии в случае их подключения к электрической цепи системы электропитания постоянного тока, от каналообразующего оборудования внешней информационной сети передачи данных, от датчика величины переменного напряжения в цепи внешнего источника электрической энергии, от по меньшей мере одного датчика величины постоянного напряжения, который или которые установлены в цепи отрицательной полярности на выводах аккумуляторов электрической энергии/накопителей электрической энергии и от автономных источников генерации электрической энергии при их подключении к электрической цепи системы электропитания постоянного тока, причем вывод отрицательной полярности нагрузки и вывод отрицательной полярности блока управления подключены к выводу отрицательной полярности регулируемого DC/DC преобразователя через защитный автоматический выключатель, кроме того, выводы отрицательной и положительной полярности имеют электрическое соединение с блоком управления для осуществления его электропитания как от внешних источников электрической энергии через AC/DC преобразователь, так и от аккумуляторов электрической энергии/накопителей электрической энергии через регулируемый DC/DC преобразователь, кроме того. блок управления выполнен с возможностью управления работой регулируемого DC/DC преобразователя, а также режимом работы защитного автоматического выключателя, который установлен в цепи отрицательной полярности так, что обеспечивается возможность отключения вывода отрицательной полярности регулируемого DC/DC преобразователя от выводов отрицательной полярности системы электропитания потребителей постоянного тока, причем блок управления обеспечивает возможность регулирования баланса мощности, выдаваемой блоком аккумуляторных батарей через регулируемый DC/DC преобразователь и выдаваемой внешними источниками электрической энергии через AC/DC преобразователь на общую нагрузку в соответствии с алгоритмом управления.

В системе электропитания по второму варианту блок управления представляет собой микропроцессорный блок управления.

Система электропитания по второму варианту содержит автономные источники генерации электрической энергии, которые подключены к предусмотренным выводам для их параллельного подключения.

В системе электропитания по второму варианту регулирование баланса мощности обеспечивается посредством регулирования уровня напряжения на регулируемом DC/DC преобразователе.

В системе электропитания по второму варианту уровень напряжения на преобразователе рассчитывается с учетом следующих параметров: текущее время и дата, время действия дорогих и дешевых тарифов с привязкой к дням недели и месяцам, текущее напряжение аккумуляторов электрической энергии/накопителей электрической энергии, текущая емкость аккумуляторов электрической энергии/накопителей электрической энергии, текущий ток нагрузки, значение среднего потребления по дням недели за периоды дорогого и дешевого тарифа.

В системе электропитания по второму варианту отрицательный вывод для параллельного подключения автономных источников генерации электрической энергии к аккумуляторам электрической энергии/накопителям электрической энергии содержит диод для предотвращения протекания тока к автономным источникам генерации электрической энергии от аккумуляторов электрической энергии/накопителей электрической энергии.

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 (а) представлен общий вид схемы системы электропитания потребителей постоянного тока с реле разрешения разряда/заряда аккумуляторов электрической энергии/накопителей электрической энергии.

На фиг. 1 (б) представлен общий вид схемы системы электропитания потребителей постоянного тока с регулируемым DC/DC преобразователем.

На фиг. 2 представлен общий вид узла коммутации.

На фиг. 3 приведены графики, которые построены на основе моделирования схемы выдачи мощности для разных уровней напряжения и разных токов нагрузки.

Осуществление изобретения

Техническое решение предполагает наличие специализированного микропроцессорного блока управления, аккумуляторов электрической энергии/накопителей электрической энергии, системы контроля заряда и разряда, автономных источников генерации электрической энергии (при наличии), преобразователей электрической энергии, датчиков и исполнительных механизмов, а также специального программного обеспечения, реализующего алгоритмы автоматического управления.

Специализированный микропроцессорный блок управления характеризуется высокими интеграционными показателями (т.е. способен осуществлять информационный обмен с разными видами устройств и систем питания), высокой надежностью и быстродействием. Структура блока управления является модульной и предполагает наличие одного процессорного модуля и набора интерфейсных модулей, подключаемых к процессорному модулю по единой шине обмена данными. Состав интерфейсных модулей подбирается исходя из характеристик устройств и систем питания. Системное программное обеспечение блока управления позволяет выполнять алгоритмы программируемой логики в режиме реального времени.

Система автоматического контроля заряда и разряда аккумуляторов электрической энергии/накопителей электрической энергии обеспечивает автоматический контроль емкости в процессе разряда и автоматический режим заряда с балансировкой ячеек.

Автономные источники генерации электрической энергии (при наличии) обеспечивают подачу напряжения в систему питания через входящие в их состав блоки преобразования и обеспечивают, в зависимости от режима, зарядку аккумуляторных батарей или компенсацию нагрузки.

Датчики и исполнительные механизмы характеризуются высокими показателями точности и быстродействия, а также простотой установки в существующие системы питания.

Алгоритмы управления характеризуются высокой адаптивностью, т.е. пересчетом параметров работы системы питания исходя из текущих значений напряжения, тока, температуры и ценовых показателей на каждой итерации цикла управления.

Согласно фиг. 1 (а) система электропитания содержит выводы отрицательной и положительной полярности (10) для подключения к ним нагрузки (7), аккумуляторов электрической энергии/накопителей электрической энергии (5), блока управления (1), реле разрешения заряда и разряда аккумуляторов электрической энергии/накопителей электрической энергии (2), защитного автоматического выключателя (3), датчика величины постоянного тока (4). При этом блок управления выполнен с возможностью получения и обработки данных по каналам связи (9) от аккумуляторов электрической энергии/накопителей электрической энергии (5) для мониторинга параметров их напряжения и емкости, от каналообразующего оборудования внешней информационной сети передачи данных (6), датчика величины переменного напряжения в цепи внешнего сетевого электропитания (не показан), датчика величины постоянного тока (4). Реле разрешения заряда и разряда (2) выполнено с возможностью подключения цепи отрицательной полярности к отрицательному выводу аккумуляторов электрической энергии/накопителей электрической энергии через узел коммутации (11). Система электропитания также содержит выводы для параллельного подключения автономных источников генерации электрической энергии в случае их подключения к электрической цепи системы электропитания постоянного тока (12) через диод (13). Узел коммутации (11) содержит диод и отрицательный контактный вывод аккумуляторов электрической энергии/накопителей электрической энергии. Блок управления (1) обеспечивает возможность регулирования баланса мощности, выдаваемой преобразователем AC/DC (8).

Согласно фиг. 1 (б) система электропитания содержит выводы отрицательной и положительной полярности (10) для подключения к ним нагрузки (7), аккумуляторов электрической энергии/накопителей электрической энергии (5), блока управления (1), защитного автоматического выключателя (3), датчика величины постоянного тока (4). При этом блок управления выполнен с возможностью получения и обработки данных по каналам связи (9) от аккумуляторов электрической энергии/накопителей электрической энергии (5) для мониторинга параметров их напряжения и емкости, от каналообразующего оборудования внешней информационной сети передачи данных (6), датчика величины переменного напряжения в цепи внешнего сетевого электропитания, датчика величины постоянного тока (4). Соединение аккумуляторов электрической энергии/накопителей электрической энергии (5) с выводами отрицательной и положительной полярности (10) и нагрузкой (7) осуществляется через DC/DC преобразователь (14). Система электропитания также содержит выводы для параллельного подключения автономных источников генерации электрической энергии в случае их подключения к электрической цепи системы электропитания постоянного тока (12) через диод (13). DC/DC преобразователь (14) выступает в качестве узла коммутации и содержит отрицательный и положительный контактные выводы аккумуляторов электрической энергии/накопителей электрической энергии. Блок управления (1) обеспечивает возможность регулирования баланса мощности, выдаваемой преобразователем DC/DC (14).

На схеме (см. фиг. 1 (а) и (б)) показан принцип включения аккумуляторов электрической энергии/накопителей электрической энергии в систему электропитания постоянного тока и информационные соединения блока управления с элементами системы.

Основной особенностью схемы является независимость аккумуляторов электрической энергии/накопителей электрической энергии в комплекте с блоком управления от схемы системы электропитания, инкапсуляция всех функций в отдельном модуле и возможность присоединения данного модуля к существующим системам электропитания без необходимости внесения в них изменений и остановки их работы.

Обеспечение бесперебойного электроснабжения от аккумуляторов электрической энергии/накопителей электрической энергии выполняется за счет их постоянного электрического соединения с системой электропитания - через узел коммутации (в т.ч. DC/DC преобразователь). Схема работы узла коммутации такова, что независимо от текущего режима работы аккумуляторов электрической энергии/накопителей электрической энергии (заряд или разряд), при пропадании питания от внешних источников электрической энергии, нагрузка продолжит получать питание от аккумуляторов электрической энергии/накопителей электрической энергии без прерывания.

Обеспечение остальных функций технического решения выполняется за счет информационных связей блока управления.

Заявленные технические решения (варианты) применимы:

А) в качестве источника резервирования систем электроснабжения объектов телекоммуникационной отрасли, базовых станций сотовой связи;

Б) в качестве технического решения, используемого для снижения количества электрической энергии и мощности, потребляемой от электрической сети в часы плановой пиковой нагрузки единой энергетической системы Российской Федерации, также в часы, определенные коммерческим оператором торговой системы оптового рынка.

Заявленные варианты системы работают согласно заданному алгоритму.

В частности, алгоритм параллельной работы двух и более источников электрической энергии является адаптивным и с заданной частотой регулирует баланс мощности, выдаваемой источником электрической энергии на единую нагрузку. Регулировка баланса происходит посредством регулирования уровня напряжения на преобразователях (AC/DC или DC/DC в другом из вариантов), рассчитываемого на основе ряда параметров.

Основными входными параметрами алгоритма являются:

• текущее время и дата;

• расписание времени работы и объема загрузки каждого источника электрической энергии, разработанное для каждого часа в году (статический параметр);

• текущее напряжение аккумуляторов электрической энергии/накопителей электрической энергии;

• текущая емкость аккумуляторов электрической энергии/накопителей электрической энергии;

• текущий ток нагрузки;

• значение среднечасового потребления по дням расчетного месяца за периоды (статистические данные, пересчитываемые ежедневно).

Кроме того, заявленная система работает в нескольких режимах, среди которых можно выделить: режим инициализации, режим разряда аккумуляторов электрической энергии/накопителей электрической энергии, режим заряда аккумуляторов электрической энергии/накопителей электрической энергии, аварийный режим.

В системе электропитания режим параллельной работы двух и более источников электрической энергии включает одновременное питание нагрузки как от аккумуляторов электрической энергии/накопителей электрической энергии, так и от внешних источников электрической энергии, причем алгоритм управления данным режимом является адаптивным и осуществляется блоком управления посредством регулирования уровня напряжения на AC/DC преобразователе, запитанном от внешних источников электрической энергии.

В другом варианте управление режимом работы двух и более источников электрической энергии осуществляется блоком управления посредством регулирования уровня напряжения на DC/DC преобразователе, реализованном в составе узла коммутации аккумуляторов электрической энергии/накопителей электрической энергии.

Схемотехника заявленного изобретения.

В заявленном изобретении узел коммутации содержит диод и отрицательный контактный вывод блока аккумуляторных батарей, причем диод своим анодом подключен к отрицательному выводу блока аккумуляторных батарей, а его катод имеет возможность быть подключенным к клемме реле разрешения заряда и разряда аккумуляторных батарей в случае включения режима разряда аккумуляторных батарей, причем в случае включения режима параллельного питания или заряда аккумуляторных батарей к клемме реле разрешения заряда и разряда подключается отрицательный вывод блока аккумуляторных батарей и, соответственно, катод диода в данном режиме не подключен к клемме реле.

В другом из вариантов выполнения заявленного изобретения узел коммутации содержит преобразователь DC/DC, подключенный между аккумуляторными батареями и шинами системы электропитания постоянного тока.

Функции заявленного изобретения.

Работа алгоритма заявленного изобретения заключается в управлении физическими параметрами с учетом статических и динамических данных, получаемых из внешней информационной системы и от системы электропитания объекта. Уровень напряжения на преобразователе (AC/DC или DC/DC в другом из вариантов) рассчитывается с учетом: текущего времени и даты, уровней цен на электрическую энергию и мощность с привязкой ко времени суток, дням недели, месяцам; текущего напряжения блока аккумуляторных батарей; текущей емкости аккумуляторных батарей; текущего напряжения автономных источников генерации электрической энергии; текущего тока нагрузки; значения среднего потребления по дням недели за периоды разных уровней цен на электрическую энергию и мощность.

Для увеличения эффективности работы системы электропитания в целом в заявленной системе управления предусмотрено взаимодействие с инженерными системами объекта установки.

Совокупность перечисленных выше признаков наряду с указанным выше техническим результатом позволяет также:

- осуществлять мониторинг работы системы электропитания с расчетом и фиксацией контрольных параметров режимов потребления;

- осуществлять взаимодействие с источниками информации по текущим и прогнозируемым уровням цен на электрическую энергию и мощность;

- рассчитывать необходимые объемы мощности и промежутки времени работы каждого источника электрической энергии (мощности);

- осуществлять расчет остаточной емкости аккумуляторов или накопителей электрической энергии по параметрам тока, напряжения и температуры;

- управлять зарядом и разрядом накопителей электроэнергии в составе системы электропитания с заданными параметрами по потребляемому и выдаваемому току;

- осуществлять пошаговое управление уровнем напряжения системы питания для частичного или полного перераспределения нагрузки на аккумуляторы и/или накопители электроэнергии;

- осуществлять защиту аккумуляторов или накопителей электрической энергии от перезаряда, глубокого разряда, небаланса напряжения между отдельными элементами, перенапряжения и перегрева;

- осуществлять управление инженерными и климатическими подсистемами системы электропитания для увеличения коэффициента полезного действия аккумуляторов электрической энергии или накопителей электрической энергии

Информация о результатах.

Поскольку емкость аккумуляторов электрической энергии или накопителей электрической энергии, а так же мощность автономных источников генерации электрической энергии являются переменными в расчете параметров выдачи мощности при параллельной работе, алгоритм Системы управления применим для аккумуляторов электрической энергии или накопителей электрической энергии любой емкости и автономных источников генерации электрической энергии любой мощности и, при достаточном значении данных параметров, может обеспечить полное замещение питания нагрузки от сети бесконечной мощности для реализации ценозависимого потребления.

Краткое описание режимов работы системы.

Режим инициализации

В данном режиме блок управления подключается к преобразователю электрической энергии и каналообразующему оборудованию внешней информационной сети передачи данных и выполняет последовательно следующие действия:

1) синхронизация внутреннего таймера блока управления и преобразователя с астрономическим временем внешней информационной сети;

2) считывание из памяти преобразователя значений по току или потребленной мощности нагрузки с привязкой к времени и дате;

3) расчет среднего тока для периодов дорогой и дешевой энергии с занесением в свою внутреннюю энергонезависимую память по дням недели;

4) расчет максимально допустимого суммарного тока потребления (нагрузка + аккумуляторы электрической энергии/накопители электрической энергии в режиме зарядки) на основе минимального периода дешевого потребления, максимального тока нагрузки (из статистики), номинальной емкости и параметров заряда;

5) установка параметра ограничения тока заряда в преобразователе электрической энергии в соответствие с рассчитанным максимально допустимым током нагрузки + заданный % (для защиты от нештатных ситуаций на стороне аккумуляторов электрической энергии/накопителей электрической энергии, связанных с ростом тока потребления);

6) расчет остаточной емкости аккумуляторов электрической энергии/накопителей электрической энергии, требуемой для резервирования нагрузки в аварийном режиме, для каждого дня недели на основе максимального тока из журнала событий, а также остаточной емкости, требуемой для недопущения глубокого разряда аккумуляторов электрической энергии/накопителей электрической энергии. Запись рассчитанных параметров в энергонезависимую память блока управления.

Режим разряда аккумуляторов электрической энергии/накопителей электрической энергии

В данном режиме блок управления выполняет постоянное считывание данных с преобразователя электрической энергии и системы автоматического контроля заряда и разряда аккумуляторных батарей, управляет узлом коммутации и уровнем напряжения на преобразователе электрической энергии. Подключение аккумуляторов электрической энергии/накопителей электрической энергии к шинам нагрузки выполняется через реле (2).

На фиг. 2 показана электрическая схема узла коммутации (11) и контакты реле (2).

По умолчанию (без внешнего напряжения на клеммах управления) положение реле коммутирует аккумуляторы электрической энергии/накопители электрической энергии на шины нагрузки через диод VD, т.е. по умолчанию схема находится в режиме разряда аккумуляторов электрической энергии/накопителей электрической энергии. Если происходит аварийная ситуация на стороне аккумуляторов электрической энергии/накопителей электрической энергии (напр., падение напряжения вследствие выхода из строя отдельных ячеек), роста тока потребления не происходит и, в то же время, аккумуляторы электрической энергии/накопители электрической энергии остаются в режиме резервирования нагрузки, т.е. смогут выдавать (пусть и пониженное) напряжение на оборудование нагрузки при пропадании питания от внешних источников электрической энергии.

Основным параметром, определяющим работу алгоритма в режиме разряда аккумуляторов электрической энергии/накопителей электрической энергии, является ток, выдаваемый аккумуляторами электрической энергии/накопителями электрической энергии на общую нагрузку. Расчет тока строится на основе графика зависимости уменьшения тока аккумуляторов электрической энергии/накопителей электрической энергии от приращения напряжения на преобразователе электрической энергии при их включении на общую нагрузку.

На фиг. 3 приведены графики, которые построены на основе моделирования схемы выдачи мощности для разных уровней напряжения и разных токов нагрузки. Соотношения уточняются на реальном оборудовании.

На большем участке графика зависимость демонстрирует линейный характер, что может быть взято за основу расчета тока аккумуляторов электрической энергии/накопителей электрической энергии на основе коэффициента пропорциональности. Также прослеживается зависимость пределов регулирования напряжения от тока нагрузки. В целом зависимость может быть выражена простой линейной функцией:

U=a*I+b.

В режиме разряда аккумуляторов электрической энергии/накопителей электрической энергии блок управления выполняет следующие действия:

1) срабатывание триггера начала процесса по таймеру (наступления периода регулирования баланса загрузки источников электрической энергии);

2) считывание текущего значения напряжения на выходе аккумуляторов электрической энергии/накопителей электрической энергии;

3) расчет емкости аккумуляторов электрической энергии/накопителей электрической энергии на начало периода регулирования баланса загрузки источников электрической энергии с учетом необходимой остаточной емкости;

4) установка напряжения на преобразователе электрической энергии на границу, соответствующему нулевому току на аккумуляторах электрической энергии/накопителях электрической энергии при его текущем напряжении;

5) изменение положения реле;

6) циклический опрос преобразователя электрической энергии и считывание текущего значения тока нагрузки;

7) расчет нового значения напряжения для преобразователя электрической энергии на каждом шаге (подробное описание основной формулы ниже);

8) Установка нового значения напряжения на преобразователе электрической энергии;

9) Сравнение рассчитанного ранее (на основе данных, считанных из памяти преобразователя) среднего тока для первой половины дня с фактическим интегральным значением. Перерасчет среднего тока для текущего дня;

10) Расчет коэффициента прироста тока аккумуляторов электрической энергии/накопителей электрической энергии на последних периодах дорогого периода исходя из фактического тока нагрузки и зарезервированной аварийной емкости (для эффективного использования остаточной аварийной емкости). Перерасчет среднего тока на каждом шаге;

11) Перезапись среднего тока нагрузки для первой половины и дня недели целиком в энергонезависимой памяти блока управления.

Основная формула пересчета напряжения для преобразователя:

- напряжение на преобразователе электрической энергии, В;

- напряжение на АКБ, В;

- текущий ток нагрузки, А;

- среднее значение тока на периоде дорогого энергопотребления в тот же день на прошлой неделе, А;

- емкость АКБ на начало периода дорогого энергопотребления, А*ч;

- резервная емкость АКБ, А*ч;

- промежуток времени дорогого энергопотребления, ч;

- коэффициент пропорциональности. Рассчитывается по модели и опытным путем;

- рассчитывается на основе тока нагрузки и данных моделирования.

Режим заряда аккумуляторов электрической энергии/накопителей электрической энергии

В данном режиме выполняются последовательно следующие действия:

1) срабатывание триггера начала процесса по таймеру (наступления периода дешевой электроэнергий);

2) поднятие уровня напряжения на преобразователе электрической энергии выше границы начала перетока;

3) расчет тока заряда исходя из времени дешевого энергопотребления и требуемой к заряду емкости (включая растраченную аварийную емкость), а также максимально возможного времени отсутствия питания от внешних источников электрической энергии;

4) изменение положения реле;

5) чтение текущего тока потребления и расчет суммарного (вместе с током заряда аккумуляторов электрической энергии/накопителей электрической энергии) тока;

6) установка параметра ограничения тока заряда в преобразователе в значение рассчитанной величины (режим СС);

7) контроль емкости аккумуляторов электрической энергии/накопителей электрической энергии;

8) перезапись среднего тока нагрузки для периода дешевой электроэнергии для данного дня в энергонезависимой памяти блока управления.

Аварийный режим

Данный режим наступает при пропадании питания от внешних источников электрической энергии. Питание нагрузки происходит от аккумуляторов электрической энергии/накопителей электрической энергии, где в рамках всех прочих режимов поддерживается аварийный запас емкости, достаточный для питания нагрузки в течение заданного периода.

Изменение параметров работы преобразователя электрической энергии в данном режиме не предполагается.

Заявленная группа изобретений относится к области электротехники, конкретно - к системе адаптивного управления элементами системы электропитания электрической нагрузки. В системе электропитания режим параллельной работы двух и более источников электрической энергии включает одновременное питание нагрузки как от аккумуляторов электрической энергии/накопителей электрической энергии, так и от внешних источников электрической энергии, причем алгоритм управления данным режимом является адаптивным и осуществляется блоком управления посредством регулирования уровня напряжения на AC/DC преобразователе, запитанном от внешних источников электрической энергии. В другом варианте управление режимом работы двух и более источников электрической энергии осуществляется блоком управления посредством регулирования уровня напряжения на DC/DC преобразователе, реализованном в составе узла коммутации аккумуляторов электрической энергии/накопителей электрической энергии. Технический результат заключается в возможности осуществить регулируемую параллельную работу двух и более источников электрической энергии на единую нагрузку на постоянном токе, при этом сохраняется заданное гарантированное время работы объекта в автономном режиме и не происходит коммутаций источников электрической энергии. Повышается эффективность использования системы электропитания. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Система электропитания потребителей постоянного тока, запитанная от внешних источников электрической энергии через AC/DC преобразователь, содержит выводы отрицательной и положительной полярности для подключения к ним нагрузки, а также для подключения входящих в систему электропитания аккумуляторов электрической энергии/накопителей электрической энергии и автономных источников генерации электрической энергии, блока управления, узла коммутации аккумуляторов электрической энергии/накопителей электрической энергии, защитного автоматического выключателя, по меньшей мере одного датчика величины постоянного тока, при этом блок управления выполнен с возможностью получения и обработки данных от аккумуляторов электрической энергии/накопителей электрической энергии для мониторинга параметров их напряжения и емкости, от AC/DC преобразователя, от узла коммутации, от автономных источников генерации электрической энергии в случае их подключения к электрической цепи системы электропитания постоянного тока, от каналообразующего оборудования внешней информационной сети передачи данных, от датчика величины переменного напряжения в цепи внешнего сетевого электропитания, от по меньшей мере одного датчика величины постоянного напряжения, который или которые установлены в цепи отрицательной полярности на выводах аккумуляторов электрической энергии/накопителей электрической энергии и автономных источников генерации электрической энергии в случае их подключения к электрической цепи системы электропитания постоянного тока, причем выводы отрицательной и положительной полярности имеют электрическое соединение с блоком управления для осуществления питания блока управления как от внешних источников электрической энергии, так и от аккумуляторов электрической энергии/накопителей электрической энергии и автономных источников генерации электрической энергии в случае их подключения к электрической цепи системы электропитания постоянного тока, кроме того, блок управления выполнен с возможностью управления работой узла коммутации, а также режимом работы защитного автоматического выключателя, который установлен в цепи отрицательной полярности так, что обеспечивается возможность отключения вывода отрицательной полярности аккумуляторов электрической энергии/накопителей электрической энергии от выводов отрицательной полярности системы электропитания потребителей постоянного тока, причем блок управления обеспечивает возможность подключения аккумуляторов электрической энергии/накопителей электрической энергии к нагрузке как в режиме ее параллельного питания от внешних источников электрической энергии, так и в режиме падения напряжения в сети внешних источников электрической энергии и/или при полном его отсутствии.

2. Система электропитания по п. 1, отличающаяся тем, что блок управления представляет собой микропроцессорный блок управления.

3. Система электропитания по п. 1, отличающаяся тем, что автономные источники генерации электрической энергии подключены к предусмотренным выводам для их параллельного подключения.

4. Система электропитания по п. 1, отличающаяся тем, что система электропитания содержит реле разрешения заряда и разряда аккумуляторных батарей, которое управляется блоком управления и имеет возможность включать/отключать вывод отрицательной полярности аккумуляторных батарей от нагрузки.

5. Система электропитания по п. 4, отличающаяся тем, что в системе электропитания узел коммутации аккумуляторов электрической энергии/накопителей электрической энергии содержит диод и отрицательный контактный вывод аккумуляторов электрической энергии/накопителей электрической энергии, причем диод своим анодом подключен к отрицательному выводу аккумуляторов электрической энергии/накопителей электрической энергии, а его катод имеет возможность быть подключенным к клемме реле разрешения заряда и разряда аккумуляторов электрической энергии/накопителей электрической энергии в случае включения режима разряда аккумуляторов электрической энергии/накопителей электрической энергии, причем в случае включения режима параллельной работы или заряда аккумуляторов электрической энергии/накопителей электрической энергии к клемме реле разрешения заряда и разряда подключается отрицательный вывод аккумуляторов электрической энергии/накопителей электрической энергии и соответственно катод диода в данном режиме не подключен к клемме реле.

6. Система электропитания по п. 5, отличающаяся тем, что режим параллельной работы включает одновременное питание нагрузки как от аккумуляторов электрической энергии/накопителей электрической энергии, так и от внешних источников электрической энергии, причем алгоритм управления данным режимом является адаптивным и осуществляется блоком управления.

7. Система электропитания по п. 1, отличающаяся тем, что отрицательный вывод для параллельного подключения автономных источников генерации электрической энергии к аккумуляторам электрической энергии/накопителям электрической энергии содержит диод для предотвращения протекания тока к автономным источникам генерации электрической энергии от аккумуляторов электрической энергии/накопителей электрической энергии.

8. Система электропитания потребителей постоянного тока, запитанная от внешних источников электрической энергии через AC/DC преобразователь, содержит выводы отрицательной и положительной полярности для подключения к ним нагрузки, а также для подключения входящих в систему электропитания аккумуляторов электрической энергии/накопителей электрической энергии и автономных источников генерации электрической энергии, блока управления, защитного автоматического выключателя, по меньшей мере одного датчика величины постоянного тока, причем выводы аккумуляторов электрической энергии/накопителей электрической энергии имеют параллельное подключение к указанным выше выводам отрицательной и положительной полярности через регулируемый DC/DC преобразователь, при этом блок управления выполнен с возможностью получения и обработки данных по каналам связи от аккумуляторов электрической энергии/накопителей электрической энергии для мониторинга параметров их напряжения и емкости, от регулируемого DC/DC преобразователя, от автономных источников генерации электрической энергии в случае их подключения к электрической цепи системы электропитания постоянного тока, от каналообразующего оборудования внешней информационной сети передачи данных, от датчика величины переменного напряжения в цепи внешнего источника электрической энергии, от по меньшей мере одного датчика величины постоянного напряжения, который или которые установлены в цепи отрицательной полярности на выводах аккумуляторов электрической энергии/накопителей электрической энергии и от автономных источников генерации электрической энергии при их подключении к электрической цепи системы электропитания постоянного тока, причем вывод отрицательной полярности нагрузки и вывод отрицательной полярности блока управления подключены к выводу отрицательной полярности регулируемого DC/DC преобразователя через защитный автоматический выключатель, кроме того, выводы отрицательной и положительной полярности имеют электрическое соединение с блоком управления для осуществления его электропитания как от внешних источников электрической энергии через AC/DC преобразователь, так и от аккумуляторов электрической энергии/накопителей электрической энергии через регулируемый DC/DC преобразователь, кроме того, блок управления выполнен с возможностью управления работой регулируемого DC/DC преобразователя, а также режимом работы защитного автоматического выключателя, который установлен в цепи отрицательной полярности так, что обеспечивается возможность отключения вывода отрицательной полярности регулируемого DC/DC преобразователя от выводов отрицательной полярности системы электропитания потребителей постоянного тока, причем блок управления обеспечивает возможность регулирования баланса мощности, выдаваемой блоком аккумуляторных батарей через регулируемый DC/DC преобразователь и выдаваемой внешними источниками электрической энергии через AC/DC преобразователь на общую нагрузку в соответствии с алгоритмом управления.

9. Система электропитания по п. 8, отличающаяся тем, что блок управления представляет собой микропроцессорный блок управления.

10. Система электропитания по п. 8, отличающаяся тем, что автономные источники генерации электрической энергии подключены к предусмотренным выводам для их параллельного подключения.

11. Система электропитания по п. 8, отличающаяся тем, что регулирование баланса мощности обеспечивается посредством регулирования уровня напряжения на регулируемом DC/DC преобразователе.

12. Система электропитания по п. 8, отличающаяся тем, что уровень напряжения на DC/DC преобразователе рассчитывается с учетом следующих параметров: текущее время и дата, время действия дорогих и дешевых тарифов с привязкой к дням недели и месяцам, текущее напряжение аккумуляторов электрической энергии/накопителей электрической энергии, текущая емкость аккумуляторов электрической энергии/накопителей электрической энергии, текущий ток нагрузки, значение среднего потребления по дням недели за периоды дорогого и дешевого тарифа.

13. Система электропитания по п. 8, отличающаяся тем, что отрицательный вывод для параллельного подключения автономных источников генерации электрической энергии к аккумуляторам электрической энергии/накопителям электрической энергии содержит диод для предотвращения протекания тока к автономным источникам генерации электрической энергии от аккумуляторов электрической энергии/накопителей электрической энергии.