Устройство управления энергоснабжением для жилых домов, коммерческих и промышленных объектов с использованием сетевых, вспомогательных и возобновляемых источников электрической энергии и их комбинаций и способ интеллектуального управления подключением источников электроэнергии Российский патент 2019 года по МПК H02J3/38 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

Использование в области электротехники. Настоящее изобретение относится к устройству и связанному с ним способу управления для интеллектуального управления подключением источников и потребителей нагрузки электрической сети низкого или среднего напряжения различных объектов, например, сети электроснабжения зданий и домов жилого, промышленного и коммерческого назначения, на которых могут быть установлены собственные источники генерации электроэнергии.

ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

В настоящее время широко применяются различные конфигурации систем индивидуального энергоснабжения объектов с использованием энергии из возобновляемых источников, а также широко известны многочисленные решения по организации систем бесперебойного энергоснабжения с использованием аккумуляторных батарей.

Как правило каждое такое решение предполагает использование определенных устройств для решения конкретной специфической задачи и представляет из себя ряд отдельных устройств соединяемых определенным образом между собой или отдельно стоящих, при этом каждое из них управляется собственным блоком управления.

Примеры существующих решений:

- Солнечная электростанция - помимо фотоэлектрических элементов включает в себя отдельно стоящие устройства такие как: контроллер заряда аккумуляторных батарей, силовой инвертер, аккумуляторные батареи и допускает подключение только солнечных батарей в качестве источника энергии. Такие системы также часто допускают подключение к внешней электросети, но основная функция в такого подключения - передача в сеть излишков энергии.

- Ветровая электростанция - конфигурируется по аналогичным принципам также как и солнечная, источником энергии выступает ветровой генератор

- Гибридные электростанции - объединяющие несколько возможных источников генерации.

- Источник бесперебойного питания (ИБП) - имеет в своем составе AC/DC инвертер, систему заряда аккумуляторных батарей, аккумуляторные батареи - основная задача ИБП обеспечить резервный запас энергии и быстрое переключение мощности на резервный аккумулятор в случае пропажи напряжения в сети.

- Устройства автоматического ввода резерва и управления запуском резервного генератора (работающего с использованием двигателя внутреннего сгорания в качестве привода генератора).

Из публикаций в открытых источниках, например интернет журнал Института Инженеров Электротехники и Электроники «ШЕЕ Access», статья «DC Microgrid Technology: System Architectures, AC Grid Interfaces, Grounding Schemes, Power Quality, Communication Networks, Applications,and Standardizations Aspects" Авторы: DINESH KUMAR, FIRUZ ZARE, ARINDAM GHOSH3. Дата публикации 1 июня, 2017, дата последней версии 24 июля, 2017. Digital Object Identifier 10.1109/ACCESS.2017.2705914 известны проблемы, возможности и различные методы объединения многочисленных источников генерации электроэнергии из возобновляемых источников посредством подключения их к единой шине постоянного тока в рамках микросети, при этом возможно автоматическое поддержание заданных пределов напряжения такой шины несмотря на существенные колебания напряжения непосредственно на источниках генерации. Известна «Система электроснабжения потребителей в сетях напряжения с использованием возобновляемых и невозобновляемых источников энергии и управлением генерацией электроэнергии», патент РФ №2539875

Основными недостатками данного решения являются необходимость установки индивидуальных блоков управления у источников генерации а также необходимость синхронизации выходных параметров источников генерации для обеспечения возможности их одновременного включения в общую сеть, кроме того в составе системы отсутствует модуль хранения энергии в виде аккумуляторных батарей или подобный, что делает систему более зависимой от необходимости наличия генерации как минимум на одном из источников генерации.

Известна «Система и метод управления электроэнергией для дома», «Ноте energy Control system and controlling method thereof», патент США: US 9,543,761 B2. Система предполагает использование источников генерации возобновляемой энергии, модуля хранения энергии, нереверсивных инвертеров отдельных для передачи энергии к потребителям и для передачи энергии во внешнюю сеть. Недостатками данной системы являются то, что каждый функциональный модуль представляет из себя отдельное устройство, отсутствует возможность непосредственного подключения внешней сети к питающей сети потребителей внутри здания, в процессе обмена энергией постоянно задействована аккумуляторная батарея, что увеличивает количество циклов заряда-разряда и уменьшает ее срок службы. Также применены раздельные инвертеры для передачи энергии во внутреннюю сеть и во внешнюю сеть.

Известна «Система, устройство и метод управления энергией для приоритизации источника генерации энергии в зависимости от возможности продажи произведенной энергии», «Energy Control System, Energy Control Device and Energy Control method for prioritizing a power generation source based on the possibility of selling generated power» патент США: US 9,846,418 B2

Система предлагает подключение источников генерации таких как фотоэлектрические панели и газовый генератор на топливных элементах к единой системе управления, при этом программа управления сфокусирована в основном на обеспечении возможности продажи произведенной энергии в общую сеть. Система не предполагает наличия резервного хранения энергии в аккумуляторных батареях. Наиболее близким прототипом является «Устройство управления мощностью, метод управления мощностью, программа и система управления энергией», "Power control apparatus, power control method, program and energy management system" патент США: US 9,853,452 B2. Данное устройство предполагает возможность подключения нескольких устройств генерации и хранения электроэнергии посредством шины постоянного тока и последующую конвертацию энергии в переменный ток для выдачи мощности потребителям или во внешнюю сеть. Недостатком данного устройства является отсутствие возможности подключения устройств генерации на стороне переменного тока, а также постоянное подключение устройства к внешней сети, что не позволяет гибко менять приоритеты подключения различных вводов от источников генерации и аккумуляторных батарей. Также способ управления устройства предполагает управление системой с жестко заданным приоритетом только исходя из наличия и качества электроэнергии производимой одним источником генерации.

ОПИСАНИЕ КОНСТРУКЦИИ УСТРОЙСТВА

Устройство (схема приведена на фиг. 1 фиг. 2) содержит внутри единого корпуса, соединенные между собой посредством шины постоянного тока и шины переменного тока, следующие модули: модули преобразования электроэнергии получаемой от внешних источников генерации, а именно преобразователи напряжения постоянного тока (DC/DC преобразователи) 103, 203, 105, 205; преобразователи переменного тока в постоянный (AC/DC преобразователи) 103, 203, 106, 206; реверсивные преобразователи AC/DC - один, в случае однофазного исполнения, и три в случае трехфазного исполнения 108, 208; реле переключения S1-Sn; модули синхронизации фаз переменного тока; силовые трансформаторы; аккумуляторные батареи 102, 202; система управления зарядом аккумуляторных батарей 104, 204 микропроцессорный модуль управления 101, 201; защитные автоматы и устройства электробезопасности. Преобразователи напряжения 103, 203, 105, 205, 106, 206, оборудованы регулятором напряжения постоянного тока на стороне подключения к шине постоянного тока. Устройство имеет следующие выходы для подключения: подключение одной или более цепей фотоэлектрических элементов постоянного тока; подключение одного или более трехфазных генераторов переменного тока таких как ветровые генераторы; подключение внешнего однофазного или трехфазного генератора с собственной системой управления, такого как модульный генератор работающий от двигателя внутреннего сгорания; один или более вводы от внешней сети поставщика электроэнергии; выход постоянного тока для подключения силового нагрузочного сопротивления 107, 207; выход переменного тока для подключения основных потребителей электрической мощности объекта; устройство также может иметь или не иметь выход постоянного тока для подключения нагрузок постоянного тока потребителя с DC/DC преобразователем напряжения 209. Управление устройством осуществляется с помощью программы заложенной в микропроцессорный модуль управления 101, 201, к которому по кабелям подключены датчики электрической мощности, тока и напряжения VA1, VA2, VA3, VA4, VA5, VA6, VA7, VA8…VAn и исполнительные устройства реле переключения S1, S2, S3, S4, S5, S6, S7, S8, S9…Sn. Также к микропроцессорному модулю управления посредством внутренней шины передачи данных, подключены AC/DC и DC/DC преобразователи 103, 203, 105, 205, 106, 206, 108, 208 и система управления зарядом аккумуляторов 104, 204. Для описания схемы функционирования устройства предлагается схема однофазного исполнения устройства имеющего один ввод от внешней электросети переменного тока, один ввод постоянного тока от фотоэлектрических модулей генерации, один ввод от трехфазного генератора переменного тока - ветрового генератора, один ввод от вспомогательного генератора на основе двигателя внутреннего сгорания, один вывод в сеть переменного тока объекта для питания основных потребителей, один выход постоянного тока на нагрузочное сопротивление.

ОПИСАНИЕ СПОСОБА УПРАВЛЕНИЯ УСТРОЙСТВОМ

Способ управления основан на выполнении циклического алгоритма (фиг. 3) программы, реализуемой с помощью микропроцессорного модуля управления 101, 201, с применением гибкой системы автоматической корректировки исходных параметров программы. В качестве исходных параметров программы пользователем задаются основные параметры такие как, но не только: приоритет входов от источников генерации и от внешней сети, приоритет работы от аккумуляторных батарей (АКБ), приоритеты вводов от источников генерации и АКБ могут задаваться гибко в зависимости от времени суток и дня недели, допустимая степень разряда АКБ, минимальные параметры электрической мощности от источников возобновляемой энергии при которых возможно их включение, возможность поставки избыточной произведенной электроэнергии в общую сеть, основные параметры себестоимости электроэнергии такие как: тарифы поставщика энергии, себестоимость электроэнергии производимой вспомогательным генератором на базе двигателя внутреннего сгорания, и т.п.

Микропроцессорный модуль 101, 201 может иметь связь с внешней компьютерной сетью и интернетом и может иметь встроенный интернет сервер. Микропроцессорный модуль 101, 201 может получать данные о прогнозе силы ветра и интенсивности солнечного излучения от внешних сервисов в сети интернет. Микропроцессорный модуль 101, 201 производит постоянный анализ и накопление статистических данных относительно профиля нагрузки потребителей и систематических приоритетов использования потребителем электроэнергии по времени суток, дням недели и месяцам в течение года, таким образом всегда известна ожидаемая средняя часовая потребность в электроэнергии на ближайшее время, в каждую единицу времени, а также ожидания относительно систематических пиковых нагрузок от потребителей.

Перед началом выполнения программного алгоритма, в систему вводятся основные исходные данные - параметры системы 302 фиг. 3. В числе исходных параметров могут быть такие как, но не только: номинальная электрическая мощность основных компонентов системы - внешних устройств генерации, выходная мощность к потребителям; номинальная емкость АКБ; допустимая степень разряда АКБ, приоритеты соответствующих вводов от устройств генерации и внешней сети поставщика электроэнергии, приоритет работы от АКБ, показатели стоимости электроэнергии, возможность поставки избытков электроэнергии во внешнюю сеть, и т.п. Для упрощения описания принципа работы системы примем следующие приоритеты: Приоритет 1 - вводы от устройств собственной генерации с датчиками VA5, VA6, … VAn; Приоритет 2 - ввод от внешней сети поставщика электроэнергии, датчик VA2; Приоритет 3 - ввод от резервного генератора на базе двигателя внутреннего сгорания. Аккумуляторные батареи имеют динамически изменяющийся приоритет в зависимости от внешней информации поступающий в микропроцессорный модуль 101, 201 из внешней компьютерной сети.

После ввода основных параметров происходит переход к выполнению программы управления 303. В рамках выполнения алгоритма управления выполняется циклический опрос данных от датчиков тока и напряжения VA1-VAn. По показаниям датчиков VA1-VAn определяется наличие и качество электроэнергии на вводах устройства.

На этапе 304 при наличии электрической мощности на датчиках VA5;VA6;VAn происходит переход к выполнению этапа 305 программы. При отсутствии таковой - к выполнению этапа 316.

На этапе 305 микропроцессор дает команду на включение реле вводов с приоритетом 1, таких как реле S5, S6, Sn - для тех вводов на соответствующих датчиках которых VA5, VA6, VAn обнаружено наличие достаточной мощности. В рамках данного этапа может быть подключено как один, так и несколько вводов, на которых имеет место генерация электроэнергии. Также происходит включение реле S8, подключения реверсивного инвертора AC/DC, и реле S1 - подключения потребителей переменного тока. Если на момент выполнения этапа 305 указанные реле уже находились в подключенном состоянии, они остаются в таком состоянии. Далее происходит переход к этапу 306 на котором происходит оценка электрической мощности требуемой потребителям в текущий момент времени, согласно показаниям датчика VA1 и анализу статистической информации в памяти системы управления, и сравнение потребности с текущим производством электроэнергии от источников с приоритетом 1 - датчики VA5, VA6, VAn. В случае если текущей производимой мощности недостаточно, происходит переход к этапу 316. В случае если текущей мощности достаточно, происходит переход к этапу 307. На этапе 307 осуществляется отключение источников генерации с приоритетом 2 и 3, а именно реле S2 внешней сети и реле S3 вспомогательного генератора. Также модуль управления дает команду на остановку генератора, в случае если тот работает. На этапе 308 происходит анализ уровня SOC - текущего заряда аккумуляторных батарей 102, 202. Анализируются данные поступающие от датчика VA4 и от системы управления зарядом аккумуляторов 104, 204. В случае если АКБ заряжены на 100%, происходит переход к этапу 311. В случае если АКБ требуют подзарядки, происходит переход к этапу 309. На этапе 309 система управления дает команду на включение реле S4 подключения АКБ, далее происходит переход к этапу 310. На этапе 310 происходит анализ уровня текущего заряда аккумуляторных батарей 102, 202. Анализируются данные поступающие от датчика VA4 и от системы управления зарядом аккумуляторов 104, 204. В случае если АКБ требуют дальнейшей подзарядки, происходит возврат к этапу 309. В случае если АКБ заряжены на 100%, происходит переход к этапу 311. На этапе 311 происходит отключение АКБ от шины постоянного тока путем выключения реле S4. Далее, на этапе 312 происходит сравнение электрической мощности, производимой собственными источниками генерации, с потребностью в электроэнергии на выходе к собственным потребителям. В случае если производство электроэнергии достаточно для покрытия собственных потребностей, но не более, происходит завершение данной ветви программы и переход в начало нового цикла. В случае если производство электроэнергии превышает потребности, происходит переход к этапу 313. На данном этапе проверяется возможность поставки электроэнергии в общую сеть, данное условие может являться частью исходных параметров, выбираемых пользователем на этапе 302 программы, либо поступать в модуль управления посредством каналов связи, в том числе через сеть интернет. В случае если поставка возможно, программа осуществляет переход к этапу 314, если поставка невозможна, происходит переход к этапу 315. На этапе 314 происходит включение реле S2 подключения системы к внешней сети. На этапе 315, при наличии избытка производимой электроэнергии, система управления дает команду на подключение нагрузочного сопротивления путем включения реле S7. После выполнения этапов 314 или 315, устройство продолжает работу в установившемся режиме, до наступления изменений в программном модуле 304 или 306. При изменении состояния программных модулей 304 и 306, а именно в случае исчезновения или недостатка электрической мощности от собственных устройств генерации, происходит переход к этапу 316. На этапе 316 система проверяет наличие мощности на вводах с приоритетом «2», в частности это может быть ввод от внешней сети поставщика электроэнергии. В случае отсутствия мощности на вводах с приоритетом «2», осуществляется переход к этапу 327. В случае наличия мощности на хотя бы одном вводе с приоритетом «2», осуществляется переход к этапу 317. На данном этапе проверяется условие приоритетной работы от аккумуляторных батарей (АКБ) над вводами с приоритетом «2», данное условие может являться частью исходных параметров, выбираемых пользователем на этапе 302 программы, либо поступать в модуль управления посредством каналов связи, в том числе через сеть интернет. Корректировка текущего приоритета АКБ согласно данным поступающим из внешних систем, может выполняться по алгоритму приведенному на Фиг. 4.

В случае если на текущий момент выполнения программы приоритет подключения у ввода с приоритетом «2», программа переходит к модулю 321. В случае если на текущий момент выполнения программы приоритет подключения у АКБ, программа переходит к модулю 318. На этапе 318 происходит проверка SOC - состояния заряда АКБ. Если состояние заряда не достаточно для обеспечения устойчивой работы потребителей в течение промежутка времени, задаваемого на этапе 302 программы, происходит переход к этапу 321, если состояние заряда достаточно - переход к этапу 319. На этапе 319 происходит подключение АКБ 202, через инвертор 108, 208, к сети потребителей переменного тока, а именно включение реле S1, S4, S8 на Фиг. 1 и Фиг. 2. На последующем этапе 320 система управления отслеживает достаточность электрической мощности поставляемой от АКБ 102, 202, через инвертор 108, 208, для питания потребителей сети переменного тока. В случае если мощности достаточно, система продолжает работу от АКБ до наступления изменений в предшествующих модулях программы согласно циклу опроса датчиков. В случае если на текущий момент мощности недостаточно, программа переходит к этапу 321. На этапе 321 происходит подключение вводов от внешней сети переменного тока с приоритетом «2» путем включения реле S2. На последующем этапе 322 программы, происходит проверка и команда на отключение вводов с приоритетом "3" и команда на остановку резервного генератора. В случае если вводы с приоритетом "1" подключены, их состояние не изменяется. На последующем этапе 323 программы управления происходит анализ уровня SOC - текущего заряда аккумуляторных батарей 102, 202. Анализируются данные поступающие от датчика VA4 и от системы управления зарядом аккумуляторов 104, 204. В случае если АКБ заряжены на 100%, система продолжает работу в установившемся режиме до наступления изменений в программном модуле 304 или 316.

В случае если АКБ требуют подзарядки, происходит переход к этапу 324. На этапе 324 система управления дает команду на включение реле S4 подключения АКБ, а также реле S1 и S8 подключения инвертора. После этого происходит переход к этапу 325. На этапе 325 происходит анализ уровня текущего заряда аккумуляторных батарей 102, 202. Анализируются данные поступающие от датчика VA4 и от системы управления зарядом аккумуляторов 104, 204. В случае если АКБ требуют дальнейшей подзарядки, происходит возврат к этапу 324. В случае если АКБ заряжены на 100%, происходит переход к этапу 326. На этапе 326 происходит отключение АКБ от шины постоянного тока путем выключения реле S4 а также отключение реле инвертора S1 и S8, но только в случае если параллельно не задействованы источники генерации подключенные к шине постоянного тока командой модуля 305, если на текущий момент они используются, реле S1 и S8 остаются включенными. После этого система продолжает работу в установившемся режиме до наступления изменений в программном модуле 304 или 316.

На этапе 327 проверяется условие приоритетной работы от аккумуляторных батарей (АКБ) над вводами с приоритетом «3», таковыми могут являться например ввод от вспомогательного генератора работающего от двигателя внутреннего сгорания, данное условие может являться частью исходных параметров, выбираемых пользователем на этапе 302 программы, либо поступать в модуль управления посредством каналов связи, в том числе через сеть интернет. Корректировка текущего приоритета АКБ согласно данным поступающим из внешних систем, может выполняться по алгоритму приведенному на Фиг. 4. по аналогии с приоритетом АКБ над вводами с приоритетом «2».

В случае если на текущий момент выполнения программы приоритет подключения у ввода с приоритетом «3», программа переходит к модулю 331. В случае если на текущий момент выполнения программы приоритет подключения у АКБ, программа переходит к модулю 328. На этапе 328 происходит проверка SOC - состояния заряда АКБ. Если состояние заряда не достаточно для обеспечения устойчивой работы потребителей в течение промежутка времени, задаваемого на этапе 302 программы, происходит переход к этапу 331, если состояние заряда достаточно - переход к этапу 329. На этапе 329 происходит подключение АКБ 102, 202, через инвертор 108, 208, к сети потребителей переменного тока, а именно включение реле S1, S4, S8 на Фиг. 1 и Фиг. 2. На последующем этапе 330 система управления отслеживает достаточность электрической мощности поставляемой от АКБ 102, 202, через инвертор 108, 208, для питания потребителей сети переменного тока. В случае если мощности достаточно, система продолжает работу от АКБ до наступления изменений в предшествующих модулях программы согласно циклу опроса датчиков. В случае если на текущий момент мощности недостаточно, программа переходит к этапу 331. На этапе 331 происходит формирование команды на запуск резервного генератора направляемой в устройство управления резервным генератором, находящееся за пределами устройства описываемого в данном контексте, после чего происходит переход к программному модулю 332 в котором происходит ожидание запуска генератора в течение промежутка времени, задаваемого на этапе 302 настоящей программы. На последующем этапе 333 происходит проверка наличия мощности на вводах от вспомогательного генератора, по показаниям датчика VA3. При отсутствии электрической мощности на датчике VA3, происходит возврат к модулю 331 для повторной команды на запуск резервного генератора. В случае наличия электрической мощности на датчике VA3, что свидетельствует об успешном запуске генератора, происходит переход к этапу 334, на котором происходит подключение генератора к потребителям путем включения реле S3.

На последующем этапе 335 программы управления происходит анализ уровня SOC - текущего заряда аккумуляторных батарей 102, 202. Анализируются данные поступающие от датчика VA4 и от системы управления зарядом аккумуляторов 104, 204. В случае если АКБ заряжены на 100%, система продолжает работу в установившемся режиме до наступления изменений в программном модуле 304, 316 или 327.

В случае если АКБ требуют подзарядки, происходит переход к этапу 336. На этапе 336 система управления дает команду на включение реле S4 подключения АКБ, а также реле S1 и S8 подключения инвертора. После этого происходит переход к этапу 337. На этапе 337 происходит анализ уровня текущего заряда аккумуляторных батарей 102, 202. Анализируются данные поступающие от датчика VA4 и от системы управления зарядом аккумуляторов 104, 204. В случае если АКБ требуют дальнейшей подзарядки, происходит возврат к этапу 336. В случае если АКБ заряжены на 100%, происходит переход к этапу 338. На этапе 338 происходит отключение АКБ от шины постоянного тока путем выключения реле S4 а также отключение реле инвертора S1 и S8, но только в случае если параллельно не задействованы источники генерации подключенные к шине постоянного тока командой модуля 305, если на текущий момент они используются, реле S1 и S8 остаются включенными. После этого, система продолжает работу в установившемся режиме, до наступления изменений в программном модуле 304, 316 или 327.

Корректировка исходных параметров модуля 302 происходит путем сравнения ожидаемого производства электроэнергии, при помощи собственных средств генерации, в зависимости от почасового прогноза силы ветра и солнечного излучения, получаемых из общедоступных ресурсов сети интернет, и ожидаемого расхода электроэнергии в зависимости от собственных статистических данных системы. Основным исходным параметром подлежащим корректировке по данному алгоритму является параметр «Приоритет АКБ». При корректировке данного параметра время действия приоритета АКБ по отношению к вводам с приоритетом «2» и «3», сдвигается в ту или иную сторону, в зависимости от ожидаемого производства собственной энергии. Например: мы имеем более низкий ночной тариф на электроэнергию, при этом ночью отсутствует солнечное излучение, то есть отсутствует производство электроэнергии от фотоэлементов, соответственно исходно может быть установлен более высокий приоритет ввода от внешней сети чем приоритет АКБ во время ночного периода, и система переключит ввод на внешнюю сеть. Однако, в случае применения динамической корректировки приоритета, если утром ожидается достаточное солнечное излучение для покрытия собственных потребностей в электроэнергии и зарядки АКБ, и при условии что текущего заряда АКБ достаточно для покрытия собственных потребностей в электроэнергии до начала собственного производства, приоритет может быть автоматически изменен в пользу работы от АКБ.

Время на которое будет смещено время приоритета АКБ может быть рассчитано по формуле:

где:

где:

С - Ач, номинальная полная емкость аккумуляторных батарей

V- Вольт, напряжение батарей

SOC - %, текущее состояние заряда батарей в % от максимального

SOC(min)- %, установленный пользователем минимально допустимый уровень заряда батарей,

dSOC- располагаемый текущий интервал использования заряда батарей

Р(ср.ч), кВтч - среднее статистическое часовое потребление электроэнергии в рассматриваемый промежуток времени,

Р(акб), кВтч - располагаемая емкость аккумуляторных батарей

Т(акб) - располагаемое время работы от АКБ при текущем уровне заряда, час

Решение об изменении приоритета АКБ принимается программой в зависимости от прогнозируемого времени выхода собственных источников генерации на полную мощность и располагаемого времени работы от АКБ. Т1 - время выхода источников генерации на полную мощность, Т0- наиболее раннее допустимое время включения работы потребителей от АКБ

Т0=Т1-Т(акб)

Таким образом система может принять решение об изменении приоритета и переходе на работу от АКБ в случае если текущее время момента переключения Т(тек) находится в интервале Т0<Т(тек)<Т1

Программная функция корректировки приоритета осуществляется следующим образом: из системы более высокого уровня (интернет) поступают данные об ожидаемом уровне солнечного излучения, наружной температуры, скорости ветра в географической точке установки системы, 401 фиг. 4.; 301 фиг. 3 В процессорном модуле осуществляется расчет ожидаемой мощности в определенное время, и происходит определение времени выхода производства электроэнергии от собственных источников генерации на требуемый уровень производства для покрытия собственных потребностей объекта. Далее происходит проверка уровня текущего заряда АКБ (SOC) и располагаемого заряда АКБ (dSOC), 402. В случае если заряда недостаточно, приоритет переключения остается за источником с приоритетом «2», как правило это сеть внешнего поставщика электроэнергии, и программа переходит к модулю 405. В случае если присутствует располагаемый запас энергии dSOC в АКБ, то есть dSOC>0, система переходит к следующему программному модулю 403.

На этапе 403 происходит сравнение располагаемого времени работы от АКБ с необходимым временем, оставшимся до прогнозируемого выхода собственных источников генерации на требуемую мощность. Если переключение на работу от АКБ в текущий момент времени позволяет обеспечить работу системы от АКБ, до момента прогнозируемого выхода производства электроэнергии от собственных источников генерации на требуемый уровень производства электроэнергии, а именно Т0<Т(тек)<Т1, происходит переход к этапу 404 и приоритет переходит к работе от АКБ. Если же не позволяет, то происходит переход к этапу 405, и приоритет остается за внешней сетью.

ПЕРЕЧЕНЬ ЧЕРТЕЖЕЙ

Фигура 1: Принципиальная схема устройства управления энергоснабжением объекта, оборудованного выходом переменного тока для подачи энергии потребителям и входами от следующих источников генерации: внешняя сеть, вспомогательный генератор приводимый от ДВС, солнечные панели, ветровой генератор, иные источники генерации

Фигура 2: Принципиальная схема устройства управления энергоснабжением объекта, оборудованного выходами переменного и постоянного тока для подачи энергии потребителям и входами от следующих источников генерации: внешняя сеть, вспомогательный генератор приводимый от ДВС, солнечные панели, ветровой генератор, иные источники генерации

Фигура 3: Принципиальная схема алгоритма работы способа управления подключением источников энергии

Фигура 4: Принципиальная схема алгоритма динамической корректировки приоритета подключения источников энергии

Использование: в области электроэнергетики. Технический результат – обеспечение возможности подключения устройств генерации на стороне переменного тока, а также возможности гибко менять приоритеты подключения различных вводов от источников генерации и аккумуляторных батарей. Устройство содержит внутри единого корпуса модули преобразования электроэнергии, получаемой от внешних источников генерации: преобразователи напряжения постоянного тока (DC/DC преобразователи103, 203, 105, 205); преобразователи переменного тока в постоянный (AC/DC преобразователи 103, 203,106, 206); реверсивные преобразователи AC/DC - один в случае однофазного исполнения и три в случае трехфазного исполнения (108, 208); реле переключения (S₁-Sn); модули синхронизации фаз переменного тока; силовые трансформаторы; аккумуляторные батареи (102, 202); систему управления зарядом аккумуляторных батарей (104, 204); микропроцессорный модуль управления (101, 201); защитные автоматы и устройства электробезопасности. Компоненты устройства соединены между собой посредством шины постоянного тока и шины переменного тока. Устройство имеет следующие выходы: для подключения: одной или более цепей фотоэлектрических элементов постоянного тока, одного или более трехфазных генераторов переменного тока, таких как ветровые генераторы, подключения внешнего однофазного или трехфазного генератора с собственной системой управления, такого как модульный генератор на базе ДВС, один или более вводы от внешней сети поставщика электроэнергии; выход постоянного тока для подключения силового нагрузочного сопротивления (107, 207), выход переменного тока для подключения основных потребителей электрической мощности объекта. Устройство также может иметь или не иметь выход постоянного тока для подключения нагрузок постоянного тока потребителя с DC/DC преобразователем напряжения (209). Управление устройством осуществляется с помощью программы, заложенной в блок управления (101, 201), к которому по кабелям подключены датчики электрической мощности, тока и напряжения (VA1, VA2, VA3, VA4, VA5, VA6, VA7, VA8…VAn) и реле переключения (S1, S2, S3, S4, S5, S6, S7, S8, S9…Sn). Также к блоку управления (101, 201) по шине передачи данных подключены AC/DC и DC/DC преобразователи (103, 203, 105, 205, 106, 206, 108, 208) и система управления зарядом аккумуляторов (104, 204). Способ управления основан на выполнении циклической программы, реализуемой с помощью блока управления (101, 201), с применением гибкой системы автоматической корректировки исходных параметров программы по алгоритму на фиг. 4. Программа определяет наличие электрической мощности на вводах устройства по показаниям датчиков тока и напряжения (VA1, VA2, VA3, VA4, VA5, VA6, VA7, VA8…VAn) и подключает реле (S1, S2, S3, S4, S5, S6, S7, S8, S9…Sn) вводов от внешней сети, источников генерации и аккумуляторных батарей в составе устройства. Программа учитывает время суток, исторические данные о потребности в электроэнергии, прогнозные данные о планируемом производстве электроэнергии собственными источниками генерации. Программа обеспечивает бесперебойное снабжение потребителей электроэнергией по минимально возможной стоимости энергии в каждый момент времени. 2 н. и 14 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Устройство интеллектуального управления энергоснабжением сетей низкого и среднего напряжения для жилых, коммерческих и промышленных объектов предназначено для обеспечения бесперебойного электроснабжения потребителей электроэнергией по наиболее выгодной цене в каждый момент времени с использованием коммерческой электросети, источников возобновляемой энергии и резервной генерации и представляет из себя смонтированные в едином корпусе, состоящем из одной или нескольких секций настенного или напольного исполнения, взаимосвязанные элементы управления электроэнергетической системой (модули): один или более DC/DC преобразователей, в том числе с функцией отслеживания максимальной точки мощности солнечных батарей (МРРТ); один или более AC/DC преобразователей, для подключения ветрового генератора или иных генерирующих устройств переменного тока; реверсивные DC/AC преобразователи - силовые инверторы, включающие встроенный силовой трансформатор и блок синхронизации синусоиды сети переменного тока и позволяющие осуществлять преобразование как в направлении из постоянного тока в переменный, так и из переменного тока в постоянный, в количестве, соответствующем количеству фаз подключаемой к устройству электросети переменного тока, аккумуляторные батареи, подключаемые к шине постоянного тока через модуль управления зарядом батарей, датчики тока и напряжения, установленные на входе каждого AC/DC и DC/DC преобразователя, на шинах постоянного и переменного тока, на входе системы заряда аккумуляторных батарей, и подключенные к контроллеру системы управления; модули AC/DC, DC/DC, DC/AC преобразователей подключены к единой шине постоянного тока через встроенные в них блоки регулирования напряжения постоянного тока для обеспечения синхронизации напряжения постоянного тока при одновременной работе нескольких устройств на единой шине постоянного тока и реле, установленные в точках подключения к шине, при этом силовые инверторы - реверсивные DC/AC преобразователи - подключены также и к шине переменного тока на стороне АС, к которой через силовые реле, установленные в точках подключения к шине, подключаются потребители электроэнергии, ввод из внешней электросети, а также устройства производства электроэнергии переменного тока, такие как вспомогательный генератор переменного тока; на входах от внешней сети и устройств генерации переменного тока и на выходах из устройства к потребителям также установлены датчики тока и напряжения, подключенные к контроллеру системы управления; входами устройства являются точки подключения к устройству кабелей от внешних устройств генерации постоянного и переменного тока и внешней электрической сети, выходами устройства являются точки подключения к устройству кабелей к потребителям постоянного и переменного тока, а также точка подключения внешней балластной нагрузки - нагрузочного сопротивления, при этом точка подключения внешней коммерческой электросети является как входом устройства при работе в режиме потребления из внешней сети, так и выходом устройства при работе в режиме экспорта электроэнергии во внешнюю сеть, а в точке подключения потребителей постоянного тока установлен DC/DC преобразователь, в случае если напряжение потребителя постоянного тока отличается от напряжения внутренней шины постоянного тока устройства; информационная связь между всеми модулями осуществляется посредством подключения всех перечисленных модулей через шину передачи данных к микропроцессорному блоку управления - программируемому логическому контроллеру или компьютеру, осуществляющему интеллектуальное управление и координацию работы всех перечисленных устройств на шинах постоянного и переменного тока, реализующему алгоритмы управления переключением источников и потребителей путем выдачи команд на включение силовых реле подключения каждого преобразователя, ввода внешней сети, ввода от резервного генератора и вывода к потребителям электроэнергии, а также обеспечивающему возможность подключения устройства к локальной сети передачи данных и сети интернет.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что вся система управления, преобразования и хранения электроэнергии расположена в едином корпусе устройства.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что оно позволяет подключать непосредственно к устройству более одного источника генерации электроэнергии разных типов, таких как фотоэлектрические элементы постоянного тока, индукционные генераторы переменного тока, прочие источники электроэнергии постоянного или переменного тока.

4. Устройство по в п. 1, отличающееся тем, что внутри устройства электроэнергия, поступающая от различных источников генерации, преобразуется в постоянный ток и накапливается в одной или более аккумуляторных батареях, подключаемых к шине постоянного тока как непосредственно, так и посредством DC/DC преобразователя.

5. Устройство по в п. 1, отличающееся тем, что на выходе из силового инвертора устройства электроэнергия преобразуется в переменный ток с напряжением и синусоидой, синхронизированными с напряжением и синусоидой внешней сети переменного тока.

6. Устройство по в п. 1, отличающееся тем, что на выходах из устройства в точках подключения потребителей переменного и постоянного тока электрическая мощность, выдаваемая потребителям, превышает мощность каждого отдельного подключенного источника генерации путем суммирования мощности нескольких подключенных источников генерации.

7. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что имеет встроенный Web Server и выход в локальную компьютерную сеть или сеть интернет посредством общепринятых технологий и протоколов проводной и беспроводной связи (таких как, но не только: Ethernet, TCPIP, WiFi).

8. Способ интеллектуального управления поступающей и расходуемой электроэнергией для домов, коммерческих и производственных объектов, оснащенных одним и более источниками поступления электрической энергии, в том числе возобновляемой, представляет из себя комбинацию циклических алгоритмов опроса датчиков и принятия решений о включении, выключении и объединении источников поступающей электрической мощности и ее потребителей путем измерения параметров тока и напряжения внешней коммерческой электросети, параметров тока и напряжения подключенных к устройству управления источников генерации электроэнергии постоянного и переменного тока, уровня заряда и параметров тока и напряжения аккумуляторных батарей, текущей и прогнозируемой потребности в электроэнергии на стороне потребителей и выполнения команд на подключение к шине постоянного тока или шине переменного тока, отдаваемых микропроцессорным модулем управления, на подключение одного или более источников электроэнергии, имеющих более высокий приоритет подключения, предварительно задаваемый пользователем, согласно себестоимости электроэнергии из конкретного источника и качеству электроэнергии, производимой источниками генерации в определенный отрезок времени; измерения параметров тока и напряжения на входе в систему от устройств генерации таких как, но не только, солнечные панели, ветрогенератор, вспомогательный генератор, внешняя сеть, производятся путем постоянного циклического опроса датчиков тока и напряжения; в случае если показания датчиков на входе от устройств возобновляемой энергии с высоким приоритетом подключения показывают наличие производства достаточной энергии источником, микропроцессорный модуль управления дает команду на подключение источника энергии к шине постоянного тока, а также команду на остановку резервного генератора, в случае если тот работает в данный момент, одновременно по показаниям датчиков напряжения аккумуляторных батарей и оценки их текущего уровня заряда модуль управления принимает решение о необходимости заряда батарей и дает команду на включение зарядного устройства в режим заряда батареи в случае такой необходимости, после этого путем опроса датчиков тока и напряжения на выходе к потребителю и сравнения их показаний с датчиками тока и напряжения на источнике возобновляемой энергии с высоким приоритетом подключения микропроцессорный модуль управления принимает решение о достаточности энергии, производимой источником генерации, с учетом энергии, расходуемой на заряд аккумуляторных батарей, в случае достаточности энергии от источника генерации с высоким приоритетом для покрытия текущей потребности в электроэнергии, микропроцессорный модуль управления анализирует данные о возможности экспорта электроэнергии во внешнюю сеть, эти данные либо закладываются пользователем при первоначальном запуске системы, либо поступают из внешней информационной сети более высокого уровня через локальную сеть или сеть интернет, и дает команду на отключение внешней электрической сети, если нет возможности экспорта электроэнергии, либо дает команду реверсивному инвертору на осуществление экспорта электроэнергии во внешнюю электрическую сеть, если экспорт в настоящий момент возможен и целесообразен; при отсутствии достаточной мощности на источниках генерации с более высоким приоритетом, процессорный модуль анализирует показания датчиков тока и напряжения источников электроэнергии со средним приоритетом и при наличии достаточной мощности на источниках со средним приоритетом, таких как, но не только, внешняя сеть, производит подключение таких источников по алгоритму, аналогичному подключению источников с высоким приоритетом, в случае отсутствия достаточной мощности на источниках с высоким и средним приоритетом подключения, микропроцессорный модуль управления осуществляет подключение источников с низким приоритетом, таких как резервный генератор, путем направления команды на включение источника и получения сигнала обратной связи от датчиков тока и напряжения на входе в устройство от такого источника; реализация основного алгоритма управления динамически корректируется путем поступления в микропроцессорный модуль управления информации из внешних систем посредством локальной вычислительной сети или сети интернет, данная информация анализируется микропроцессорным модулем управления и на основе такого анализа производится корректировка приоритетов подключения различных источников, при которой приоритет одних источников электроэнергии повышается, а других источников понижается, таким образом, при поступлении, например, информации о прогнозе погоды, показывающем благоприятные условия для производства требуемого количества энергии через определенный промежуток времени, микропроцессорный модуль анализирует остаточный уровень заряда батарей и прогноз потребления на промежуток времени, остающийся до начала собственного производства энергии согласно прогнозу погоды, и производит переключение потребления на аккумуляторные батареи, отключая при этом внешнюю сеть и иные источники энергии с более низким приоритетом, также в случае поступления информации из внешней информационной сети о благоприятной цене на экспортируемую энергию, при отсутствии производства энергии собственными источниками генерации с высоким приоритетом, микропроцессорный модуль управления анализирует текущее состояние заряда аккумуляторных батарей, сопоставляет потребность в электроэнергии собственных потребителей и планируемое производство энергии собственными источниками генерации согласно прогнозу погоды и в случае превышения текущего остаточного заряда в аккумуляторных батареях над собственными потребностями в электроэнергии до момента начала производства энергии собственными источниками генерации отдает команду на включение реверсивного AC/DC преобразователя (силового инвертора) в режим экспорта электроэнергии, при этом посредством считывания показаний датчиков тока и напряжения на выходе силового инвертора и на вводе внешней сети происходит учет и отслеживание количества электроэнергии, поставляемой во внешнюю сеть, и дает команду на отключение режима экспорта электроэнергии в момент, когда остаточный заряд аккумуляторных батарей снижается до уровня минимально необходимого и достаточного для энергоснабжения собственных потребителей.

9. Способ по п. 8, отличающийся тем, что он предусматривает постоянный контроль наличия и качества энергии от всех вышеперечисленных источников, контроль потребности в электроэнергии от потребителей и возможность реализации избыточной электроэнергии во внешнюю сеть.

10. Способ по в п. 8, отличающийся тем, что он обеспечивает преобразование электроэнергии, поступающей от различных источников генерации в разном виде (постоянный либо переменный ток, различное напряжение), в постоянный ток одинакового напряжения, находящегося в пределах рабочего напряжения аккумуляторных батарей, а после в переменный ток с параметрами внешней сети.

11. Способ по в п. 8, отличающийся тем, что он реализуется путем анализа основным процессором системы данных, поступающих от датчиков напряжения и тока на вводах в устройство, текущего времени суток, данных о состоянии уровня заряда аккумуляторной батареи, стоимости электроэнергии в сети поставщика на текущий момент, стоимости топлива для резервного генератора, его мощности и расхода топлива в час, с учетом прогноза погоды из открытых источников сети интернет, и подачи команд на управляющие реле системы, в результате процессор вычисляет, какой из источников энергии на настоящий момент является наиболее предпочтительным, и осуществляет переключение на этот ввод или вводы.

12. Способ по п. 8, отличающийся тем, что возможно одновременное подключение нескольких источников генерации электроэнергии, при этом, в каждый момент времени, приоритет имеют наиболее экономичные источники энергии.

13. Способ по п. 8, отличающийся тем, что подключение дополнительных источников электроэнергии происходит автоматически по потребности в большем количестве энергии со стороны потребителя.

14. Способ по п. 8, отличающийся тем, что в случае превышения производства электроэнергии над ее потребностью излишки энергии направляются в общую сеть.

15. Способ по п. 8, отличающийся тем, что система обладает способностью к самообучению, а именно запоминает наиболее часто повторяющиеся режимы использования и потребления электрической мощности в зависимости от дня недели и времени суток и позволяет автоматически корректировать программу подключения источников электроэнергии и генерации в зависимости от прогнозируемой потребности.

16. Способ по п. 8, отличающийся тем, что приоритеты подключения тех или иных источников динамически изменяются программой в зависимости от анализа прогноза погоды, получаемого из сети интернет.