КОМБИНИРОВАННАЯ СИСТЕМА ПЛАВКИ ГОЛОЛЕДА И СГЛАЖИВАНИЯ ГРАФИКОВ НАГРУЗКИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ НАКОПИТЕЛЕЙ ЭНЕРГИИ НА ОСНОВЕ АККУМУЛЯТОРНЫХ БАТАРЕЙ И СУПЕРКОНДЕНСАТОРОВ БОЛЬШОЙ МОЩНОСТИ, НАХОДЯЩИХСЯ В СОСТАВЕ АВТОНОМНОЙ ЭНЕРГОУСТАНОВКИ Российский патент 2020 года по МПК H02G7/16 H02J3/28 

Изобретение относится к области электротехники и может найти применение в автономных системах электроснабжения уже оснащенных накопителями электроэнергии (НЭ), которыми комплектуются газопоршневые установки (ГПУ), и требующих сглаживания графика нагрузки и плавки гололеда на воздушных линиях электропередачи.

В отличие от крупных энергосистем автономные энергосистемы, находящиеся в отдаленных районах, обладают значительно меньшим потенциалом регулирования за счет изменения мощности генерирующих объектов и межсистемных перетоков. Изолированные энергосистемы характеризуются весьма ограниченным количеством генерирующих объектов и групп потребителей. В качестве автономного источника основного и резервного электроснабжения все чаще используются ГПУ. В ходе исследований было определено, что наиболее рационально использовать в автономных системах для ГПУ на попутном газе электрохимические накопители для снижения затрат на покупку топлива, поскольку именно накопители энергии (НЭ) обеспечивают работоспособность установок при набросах нагрузки (см. Bakhteev K., Fedotov A., Chernova N., Misbakhov R. Methodological Approaches to the Choice of Energy Storage and Optimization of Their Parameters to Improve the Electric Power Quality in Various Types of Electric Power Systems / Proceedings of the 10th International Scientific Symposium on Electrical Power Engineering ELEKTROENERGETIKA 2019. - - Slovak Republic. - 2019, pp. 488-493.). Применение НЭ в комплекте с ГПУ позволяют предотвратить провалы частоты переменного тока при возмущающих воздействиях нагрузки, обеспечить поддержание требуемого уровня остаточного напряжения при коротких замыканиях в сети (см. Bakhteev K., Fedotov A. and Misbakhov R. The Improving quality of power supply to industrial consumers using high-power energy storage / 2018 IEEE 59th International Scientific Conference on Power and Electrical Engineering of Riga Technical University (RTUCON), Riga, Latvia, 2018, pp. 1-5.), выравнять график нагрузки, снизить потери энергии в электросетях (см. Брагин А.А. Алгоритм формирования графиков электрических нагрузок предприятия с применением аккумуляторных батарей в качестве потребителей-регуляторов мощности / Диссертация канд.тех.наук. - СПб. - 2013.). Разработка подхода к рациональному использованию НЭ с учетом исходного переменного графика нагрузки позволит существенно снизить не только затраты на потребление электроэнергии предприятием, но и затраты при ее производстве.

Другой важной технической задачей, направленной на повышение надежности электроснабжения потребителей, является плавка гололеда на воздушных линиях электропередачи, которая позволяет предотвратить опасную механическую перегрузку и ликвидировать пляску проводов. Для нагрева проводов может использоваться как переменный, так и постоянный ток. Применение переменного тока не требует значительных затрат, поскольку плавка производится непосредственно от существующей сети, и возможна только на относительно небольших длинах обогреваемых линий, требуемых токах плавки и напряжениях. Для линий с проводами значительной длины преимущество имеет плавка постоянным током. Для плавки постоянным током применяют разнообразные преобразователи, выполненные также на полупроводниковых силовых ключевых элементах. Однако они используются по назначению сравнительно непродолжительное время и только в периоды гололедообразования. В связи с этим целесообразно объединение функций сглаживания графиков нагрузки и плавки гололеда в одном устройстве, НЭ большой мощности, находящихся в составе автономной энергоустановки, для экономии капитальных затрат в связи с сокращением общего объема отдельно устанавливаемого оборудования.

Известны комбинированные установки для компенсации реактивной мощности и плавки гололеда, выполненные на основе трехфазного мостового преобразователя (двух или трехуровневого) на полностью управляемых силовых полупроводниковых приборах - IGBT или запираемых тиристорах (см. Патент РФ №2505903 от 27.01.2014 г.).

Недостатком этой установки является то, что плавка гололеда осуществляется на небольшие расстояния.

Задачей изобретения является разработка комбинированной системы плавки гололеда и сглаживания графиков нагрузки с использованием накопителей энергии на основе аккумуляторных батарей и суперконденсаторов большой мощности, находящихся в составе автономной энергоустановки, где устранены недостатки прототипа.

Техническим результатом является возможность плавить гололед на большие расстояния при помощи НЭ большой мощности, находящихся в составе ГПУ в автономных системах электроснабжения на воздушных линиях напряжением 0,4 кВ, 6-10 кВ, т.е. без покупки дополнительного оборудования.

Технический результат достигается тем, что комбинированная система плавки гололеда и сглаживания графиков нагрузки с использованием накопителей энергии на основе аккумуляторных батарей и суперконденсаторов большой мощности, находящихся в составе автономной энергоустановки, содержащая трехфазный мостовой преобразователь на полностью управляемых полупроводниковых вентилях, шунтированных встречно включенными диодами, первый трехполюсный выключатель и последовательно соединенный трехфазный дроссель, параллельно первому трехполюсному выключателю подключен генератор переменного тока, с последовательно включенным вторым трехполюсным выключателем для питания нагрузки, n-блоков аккумуляторных батарей и/или суперконденсаторов большой мощности (далее - блоки) имеют возможность параллельного и последовательного соединения в группу накопителей, первый двухполюсный выключатель контактами соединяет группу накопителей с эмиттерными и коллекторными выводами вентилей преобразователя, параллельное соединение блоков в группу накопителей осуществляется с использованием n-двухполюсных выключателей, последовательное соединение блоков в группу накопителей осуществляется с использованием n-однополюсных выключателей, один выход группы накопителей соединен посредством первого контакта третьего трехполюсного выключателя с проводом воздушной линии, второй выход группы накопителей соединен посредством второго контакта трехполюсного выключателя с первым выводом преобразователя, третий контакт трехполюсного выключателя замыкает землю со вторым выводом преобразователя, в первом случае блоки, используемые для сглаживания графиков нагрузки замкнуты первым выключателем, разомкнутым во втором случае, и замкнуты оставшимися n-двухполюсными выключателями, образующими группу накопителей, состоящих из параллельно соединенных блоков, разомкнутыми во втором случае, который предназначен для плавки гололеда, группа накопителей замкнута третьим трехполюсным выключателем, разомкнутым в первом случае и замкнута n-однополюсными выключателями, образующими последовательно соединение блоков, разомкнутыми в первом случае, один выход группы накопителей соединен «плюсом» с проводом воздушной линии, а второй выход группы накопителей «минусом» с первым выводом преобразователя, где второй вывод преобразователя, соединен с землей, при этом плавка гололеда постоянным током осуществляется по схеме «провод - земля».

Большое влияние на энергоэффективность оказывает суточный график нагрузки электротехнического комплекса предприятия, в случае его выравнивания происходит снижение удельного расхода топлива на выработку электроэнергии, блоки в нормальном режиме предназначены для накопления электроэнергии из сети в период низкого спроса и отдачи ее в сеть или на нагрузку в период высокого спроса, а при плавке гололеда блоки подключаются последовательно в группу накопителей для увеличения напряжения подаваемого на провод и работают по схеме плавки гололеда с использованием рабочего заземления «провод - земля».

На чертеже представлена схема комбинированной системы плавки гололеда и сглаживания графиков нагрузки с использованием НЭ на основе аккумуляторных батарей и суперконденсаторов большой мощности, находящихся в составе автономной энергоустановки.

Цифрами на чертеже обозначены:

1-3 - последовательно соединенные полностью управляемые полупроводниковые ключи - IGBT-транзисторы, шунтированные встречно включенными диодами;

4 - генератор переменного тока;

5 - первый трехполюсный выключатель;

6 - трехфазный дроссель;

7 - двухполюсный выключатель;

8 - блоки аккумуляторных батарей или суперконденсаторов большой мощности с возможностью параллельного или последовательного подключения в группу накопителей;

8.1.1-8.1.N - блоки аккумуляторных батарей или суперконденсаторов большой мощности от 1 до N;

8.2.1-8.2.N - однополюсные выключатели, служащие для последовательного соединения блоков;

8.3.1-8.3.N - двухполюсные выключатели, служащие для параллельного соединения блоков;

9 - второй трехполюсный выключатель;

10 - схема плавки гололеда «провод - земля»;

11 - третий трехполюсный выключатель.

Предлагаемая комбинированная установка для сглаживания графиков нагрузки и плавки гололеда выполнена на основе мостового преобразователя, содержащего три плеча 1-3 на последовательно соединенных полностью управляемых полупроводниковых ключах - IGBT-транзисторах, шунтированных встречно включенными диодами. Со стороны переменного тока подключен генератор переменного тока 4 с последовательно включенным трехполюсным выключателем 11 для питания нагрузки, параллельно генератору подсоединен через трехполюсный выключатель 5 трехфазный дроссель 6. К выходу постоянного тока преобразователя подключен блок аккумуляторных батарей и суперконденсаторов большой мощности 8.

По первому варианту установки в режиме сглаживания графиков нагрузки блоки аккумуляторных батарей и суперконденсаторов 8.1.1-8.1.N соединены контактами первого двухполюсного выключателя 7, с эмиттерными (коллекторными) выводами вентилей преобразователя, разомкнутого в режиме плавки гололеда, блоки аккумуляторных батарей и суперконденсаторов соединены параллельно двухполюсными выключателями 8.3.1-8.3.N в группу накопителей, разомкнутыми в режиме плавки гололеда.

По второму варианту в режиме плавки гололеда блоки аккумуляторных батарей и суперконденсаторов 8.1.1-8.1.N подключены последовательно однополюсными выключателями 8.2.1-8.2.N для увеличения напряжения подаваемого на провод, разомкнутыми в режиме сглаживания графиков нагрузки, один выход группы накопителей 8 «плюсом» соединен посредством первого контакта второго трехполюсного выключателя 9 с проводом воздушной линии, второй выход группы накопителей «минусом» соединен посредством второго контакта трехполюсного выключателя с первым выводом преобразователя, третий контакт трехполюсного выключателя замыкает землю со вторым выводом преобразователя, трехполюсный выключатель размокнут в режиме сглаживания графиков нагрузки, при этом плавка гололеда постоянным током осуществляется по схеме «провод - земля».

Установка работает следующим образом:

В режиме сглаживания графиков нагрузки генератор 4 работает на нагрузку, выключатель 11 находится в замкнутом состоянии, а блоки батарей 8 работают на поддержание равномерного графика нагрузки, соединены первым двухполюсным выключателем 7. Блоки соединены параллельно двухполюсными выключателями 8.31-8.3.N с эмиттерными и коллекторными выводами вентилей обратимых преобразователей AC/DC, состоящих из модулей на IGBT-транзисторах 1-3, через трехполюсный выключатель 5 и трехфазный дроссель 6, который используется как выходной фильтр на заданный коэффициент пульсации напряжения, группа накопителей отдают запасенную энергию в сеть. Экономию топлива в электротехническом комплексе можно обеспечить, если график нагрузки существенно неравномерный. Тогда в часы минимальной нагрузки блоки накопителей энергии 8 заряжаются, а в часы максимальной нагрузки отдают свою энергию в сеть. Разработка подхода к рациональному использованию накопителей энергии с учетом исходного переменного графика нагрузки позволит существенно снизить не только затраты на потребление электроэнергии предприятием, но и затраты при ее производстве. Разработка подхода к рациональному использованию накопителей энергии с учетом исходного переменного графика нагрузки позволит существенно снизить не только затраты на потребление электроэнергии предприятием, но и затраты при ее производстве.

В режиме плавки гололеда генератор переменного тока 4 отключается от нагрузки при помощи выключателя 11 и начинает работать на плавку гололеда, двухполюсный выключатель 7 и двухполюсные выключатели 8.3.1-8.3.N размыкают, трехполюсный выключатель 9 и однополюсные выключатели 8.2.1-8.2.N замыкают, образуя последовательное соединение блоков, тем самым увеличивая напряжение, подаваемое на провод и начинают плавить гололед по схеме «провод-земля» 10, где земля используется в качестве обратного провода. Поэтому плавка постоянным током проводов высоковольтных линий с использованием земли, выгодна как с технической (возможность плавки высоковольтных линий длиной 100 и более км), так и с экономической (уменьшение времени плавки и количества циклов плавки) точек зрения.

Использование: в области электроэнергетики. Технический результат – обеспечение возможности плавить гололед на большие расстояния при помощи накопителей энергии большой мощности, находящихся в составе газопоршневых установок в автономных системах электроснабжения на воздушных линиях напряжением 0,4 кВ, 6-10 кВ, т.е. без покупки дополнительного оборудования. Установка содержит трехфазный мостовой преобразователь на полностью управляемых полупроводниковых вентилях, шунтированных встречно включенными диодами, первый трехполюсный выключатель и последовательно соединенный трехфазный дроссель, параллельно первому трехполюсному выключателю подключен генератор переменного тока с последовательно включенным вторым трехполюсным выключателем для питания нагрузки, n блоков аккумуляторных батарей и/или суперконденсаторов большой мощности (далее - блоки) имеют возможность параллельного и последовательного соединения в группу накопителей, первый двухполюсный выключатель контактами соединяет группу накопителей с эмиттерными и коллекторными выводами вентилей преобразователя, параллельное соединение блоков в группу накопителей осуществляется с использованием n двухполюсных выключателей, последовательное соединение блоков в группу накопителей осуществляется с использованием n однополюсных выключателей, один выход группы накопителей соединен посредством первого контакта третьего трехполюсного выключателя с проводом воздушной линии, второй выход группы накопителей соединен посредством второго контакта трехполюсного выключателя с первым выводом преобразователя, третий контакт трехполюсного выключателя замыкает землю со вторым выводом преобразователя. В первом случае блоки, используемые для сглаживания графиков нагрузки, замкнуты первым выключателем, разомкнутым во втором случае, и замкнуты оставшимися n двухполюсными выключателями, образующими группу накопителей, состоящих из параллельно соединенных блоков, разомкнутыми во втором случае. Во втором случае, который предназначен для плавки гололеда, группа накопителей замкнута третьим трехполюсным выключателем, разомкнутым в первом случае, и замкнута n однополюсными выключателями, образующими последовательно соединение блоков, разомкнутыми в первом случае, один выход группы накопителей соединен «плюсом» с проводом воздушной линии, а второй выход группы накопителей «минусом» с первым выводом преобразователя, где второй вывод преобразователя соединен с землей, при этом плавка гололеда постоянным током осуществляется по схеме «провод - земля». 1 ил.

Комбинированная система плавки гололеда и сглаживания графиков нагрузки с использованием накопителей энергии на основе аккумуляторных батарей и суперконденсаторов большой мощности, находящихся в составе автономной энергоустановки, содержащая трехфазный мостовой преобразователь на полностью управляемых полупроводниковых вентилях, шунтированных встречно включенными диодами, первый трехполюсный выключатель и последовательно соединенный трехфазный дроссель, отличающаяся тем, что параллельно первому трехполюсному выключателю подключен генератор переменного тока с последовательно включенным вторым трехполюсным выключателем для питания нагрузки, n блоков аккумуляторных батарей и/или суперконденсаторов большой мощности (далее - блоки) имеют возможность параллельного и последовательного соединения в группу накопителей, первый двухполюсный выключатель контактами соединяет группу накопителей с эмиттерными и коллекторными выводами вентилей преобразователя, параллельное соединение блоков в группу накопителей осуществляется с использованием n двухполюсных выключателей, последовательное соединение блоков в группу накопителей осуществляется с использованием n однополюсных выключателей, один выход группы накопителей соединен посредством первого контакта третьего трехполюсного выключателя с проводом воздушной линии, второй выход группы накопителей соединен посредством второго контакта трехполюсного выключателя с первым выводом преобразователя, третий контакт трехполюсного выключателя замыкает землю со вторым выводом преобразователя, в первом случае блоки, используемые для сглаживания графиков нагрузки, замкнуты первым выключателем, разомкнутым во втором случае, и замкнуты оставшимися n двухполюсными выключателями, образующими группу накопителей, состоящих из параллельно соединенных блоков, разомкнутыми во втором случае, который предназначен для плавки гололеда, группа накопителей замкнута третьим трехполюсным выключателем, разомкнутым в первом случае, и замкнута n однополюсными выключателями, образующими последовательное соединение блоков, разомкнутыми в первом случае, один выход группы накопителей соединен «плюсом» с проводом воздушной линии, а второй выход группы накопителей «минусом» с первым выводом преобразователя, где второй вывод преобразователя соединен с землей, при этом плавка гололеда постоянным током осуществляется по схеме «провод - земля».