Объединенная система пуска и сглаживания графиков нагрузок группы автономных газопоршневых и дизель-генераторных установок с использованием аккумуляторных батарей большой мощности Российский патент 2020 года по МПК F02B63/04 

Изобретение относится к области электротехники и может найти применение в автономных системах электроснабжения уже оснащенных накопителями электроэнергии (НЭ) большой мощности, которыми комплектуются газопоршневые установки (ГПУ), дизель-генераторные установки (ДГУ), в целях повышения эффективности пуска группы силовых установок и сглаживания графиков нагрузки (Fedotov A., Misbakhov R., Bakhteev K., Chernova N. Use of electrochemical storages for small generation systems / В сборнике: Proceedings - 2019 International Ural Conference on Electrical Power Engineering. UralCon 2019. - 2019. № 8877670. - pp. 40-44).

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 (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. - 2019. - pp. 488-493).

Система пуска ДГУ, ГПУ предназначена для преобразования электрической энергии стартера в механический момент при запуске двигателя, а также для питания его электрических элементов. Тип системы запуска - электростартерный, то есть от блока стартерных аккумуляторных батарей. В состав системы входят: комплект аккумуляторных батарей, электростартер, зарядный генератор, выключатель массы аккумуляторных батарей. В момент запуска электростанции стартер питается от аккумулятора. После того как ДГУ, ГПУ запущены, питание стартера прекращается, и зарядный генератор производит зарядку аккумуляторных батарей. Зарядный генератор предназначается для зарядки аккумуляторных батарей ДГУ, ГПУ. Максимальный ток заряда определяется исходя из количества и мощности используемых аккумуляторов (Оташехов Д. И. Дизель-генераторная установка. Диагностика. Ремонт. Техобслуживание / - Екатеринбург: Издательские решения, 2018. - 760 с.)

Известна система форсировки возбуждения автономного синхронного генератора, входящего в электротехнический комплекс, с применением накопителей энергии на основе аккумуляторных батарей (АКБ) и суперконденсаторов большой мощности (см. Патент РФ №2704313 С1 от 26.11.2009), где аккумуляторные батареи большой мощности (АББМ) используются для ограничения глубины провала напряжения на выводах генератора при коротких замыканиях в электрической сети или при пусках электродвигателей, т.е. обеспечивают регулирование возбуждения синхронных генераторов, применяемых в автономных источниках электрической энергии, передвижных электроагрегатах и электростанциях.

Недостатком данного метода является то, что для запуска энергоустановок используется стандартная пусковая батарея.

Известен способ работы ДГУ на электропотребителей путем преобразования внутренней энергии дизельного топлива в электрическую стандартной частоты и напряжения и подачи электрической энергии электропотребителям (см. Патент РФ №2361099 С2 от 10.07.2009), где при режиме нормального электропотребления электрическая энергия аккумулируется в батарее конденсаторов. Электрическая энергия с батареи конденсаторов и АКБ подается на вход преобразователя частоты и напряжения. При значительных кратковременных перегрузках и при остановленном двигателе силовой установки преобразователь частоты и напряжения преобразует электрическую энергию и подает ее потребителям. Блок датчиков реактивного тока вычисляет реактивную мощность и выводит результаты на вход преобразователя частоты. Тип системы запуска - электростартерный, то есть от блока стартерных аккумуляторных батарей.

Устройство, реализующее данный способ работы, включает в себя: ДГУ, состоящую из генератора, АКБ, потребителей электрической энергии, преобразователя частоты и напряжения, проводники, связывающие генератор и преобразователь частоты и напряжения, батареи конденсаторов и связи батареи конденсаторов, АКБ с преобразователем частоты и напряжения, отличающийся тем, что он дополнительно содержит блок датчиков реактивного тока и связи блока датчиков реактивного тока с преобразователем частоты и напряжения и сетью питания потребителей электрической энергии.

Недостатки данного способа:

- емкость АКБ ограничена и способна обеспечить работу дизель-генераторной установки только при кратковременных перегрузках;

- отсутствие согласующего трансформатора для перехода с одного класса напряжения АББМ, к напряжению сети.

Задачами заявляемого изобретения являются повышение эффективности запуска группы энергоустановок и работы первичных двигателей на переходных режимах работы (запуск, разгон, наброс нагрузки) с использованием АББМ вместо стандартных пусковых батарей и сглаживание графиков нагрузки для экономии топлива с использованием АББМ.

Технический результат представляет возможность пуска группы ДГУ или группы ГПУ в автономных системах электроснабжения при помощи АББМ, а также возможность экономии топлива.

Технический результат достигается за счет того, что объединенная система пуска и сглаживания графиков нагрузок группы автономных газопоршневых и дизель-генераторных установок с использованием аккумуляторных батарей большой мощности, включающая операции преобразования внутренней энергии топлива в электрическую стандартной частоты и напряжения, аккумулирования электрической энергии в батареи конденсаторов при режиме нормального электропотребления, подачи электрической энергии с батареи конденсаторов и аккумуляторной батареи на вход преобразователя частоты и напряжения, взаимосвязанные операции вычисления реактивной мощности в блоке датчиков реактивного тока, вывод результатов работы датчика реактивной мощности на вход преобразователя частоты и форсировка силовой установки по реактивной мощности, согласно предлагаемому изобретению, вместо обычных пусковых батарей на каждой из N энергоустановок установлены две общие группы аккумуляторных батарей большой мощности, соединенных между собой первым двухполюсным выключателем, которые в нормальном режиме подключены между собой последовательно и работают через преобразователь частоты и напряжения и подключенный последовательно согласующий трансформатор на сеть для сглаживания графиков нагрузки, первая группа батарей соединена с первичными двигателями энергоустановок через второй, третий и четвертый двухполюсные выключатели и используется для пуска автономных газопоршневых и дизель-генераторных установок в режиме максимальной выдачи мощности в сеть и одновременно для пуска двигателей, эти две группы батарей могут работать автономно при разомкнутом первом двухполюсном выключателе и замкнутом однополюсном выключателе.

Большое влияние на энергоэффективность оказывает суточный график нагрузки электротехнического комплекса предприятия. В случае его выравнивания происходит снижение удельного расхода топлива на выработку электроэнергии, что реализуется управлением режимами работы аккумуляторных батарей. В нормальном режиме они запасают электроэнергию, потребляя ее от энергоустановок в период низкого спроса, и отдают ее нагрузку в период высокого спроса.

На чертеже представлена схема объединенной системы пуска и сглаживания графиков нагрузок группы автономных газопоршневых и дизель-генераторных установок с использованием аккумуляторных батарей большой мощности

Цифрами на чертеже обозначены:

1.1 - первый первичный двигатель (Д);

1.2 - второй первичный двигатель (Д);

1.3 - третий первичный двигатель (Д);

2.1 - первая группа аккумуляторной батареи большой мощности (АББМ1)

2.2 - вторая группа аккумуляторная батарея большой мощности (АББМ2);

3.1 - первый синхронный генератор (СГ);

3.2 - второй синхронный генератор (СГ);

3.3 - третий синхронный генератор (СГ);

4 - согласующий трансформатор (СТ);

5 - преобразователь частоты и напряжения (ПЧ);

6 - конденсаторная батарея (КБ);

7 - датчик реактивного тока (ДРТ);

8 - потребителей электрической энергии;

9 - 12 - проводники;

13 - первый двухполюсный выключатель;

14 - второй двухполюсный выключатель;

15 - третий двухполюсный выключатель;

16 - четвертый двухполюсный выключатель;

17 - однополюсный выключатель.

Система пуска и сглаживания графиков нагрузок группы автономных газопоршневых и дизель-генераторных установок с использованием аккумуляторных батарей большой мощности включает первый 3.1, второй 3.2 и третий 3.3 синхронный генератор, соединенные с потребителями электроэнергии 8, связанных с преобразователем частоты и напряжения 5 с помощью проводников 9, блока датчиков реактивного тока 7, связанных с преобразователем частоты и напряжения 5 с помощью проводника 11 и с сетью с помощью проводников 12, первый синхронный генератор 3.1 приводится во вращение первым первичным двигателем 1.1, второй синхронный генератор 3.2 приводится во вращение вторым первичным двигателем 1.2, третий синхронный генератор 3.3 приводится во вращение третьим первичным двигателем 1.3, все первичные двигатели подключены к первой группе аккумуляторных батарей большой мощности 2.1, через второй 14, третий 15 и четвертый 16 двухполюсный выключатель, первая группа батарей имеет возможность последовательного включения со второй группой аккумуляторных батарей большой мощности 2.2, через первый двухполюсный выключатель 13, две группы батарей 2.1-2.2 имеют возможность автономной работы при разомкнутом первом 13, втором 14, третьим 15 и четвертым 16 двухполюсных выключателях и замкнутом однополюсным выключателе 17, вторая группа батарей 2.2 через преобразователь частоты и напряжения 5, который также соединен с конденсаторной батарей 6 через проводники 10, и согласующий трансформатор 4, через проводники 9 присоединена к сети.

Установка работает следующим образом:

1. Режим пуска ДГУ или ГПУ.

При пуске группы синхронных генераторов 3.1-3.3, которые раскручиваются первичными двигателями 1.1-1.3, питающимся от первой группы аккумуляторных батарей большой мощности 2.1, на время пуска подключаемых посредством замыкания контактов второго 14, третьего 15 и четвертого 16 двухполюсного выключателя, АББМ 2.1 должны обеспечить требуемый ток стартера в диапазоне допустимых условий применения ДГУ ил ГПУ. При этом АББМ 2.2 при разомкнутых контактах первого двухполюсного выключателя 13 и замкнутых контактах однополюсного выключателя 17 через преобразователь частоты и напряжения 5 и согласующий трансформатор 4 по проводникам 9 поддерживает стабильным напряжение в сети при пуске ДГУ или ГПУ.

2. Режим сглаживания графиков нагрузки.

В режиме сглаживания графиков нагрузки синхронные генераторы 3.1-3.3 работают на выдачу электроэнергии потребителям 8, первый двухполюсный выключатель 13 находится в замкнутом состоянии, а второй 14, третий 15 и четвертый 16 двухполюсный выключатель и однополюсный выключатель 17 находятся в разомкнутом состоянии, последовательно соединенные первая и вторая группы АББМ 2.1-2.2 работают на поддержание равномерного графика нагрузки. Экономию топлива в электротехническом комплексе можно обеспечить, если график нагрузки существенно неравномерный. Тогда в часы минимальной нагрузки блоки накопителей энергии 2.1-2.2 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.

Новизна предлагаемого способа заключается в объединении системы пуска и сглаживания графиков нагрузок автономных газопоршневых и дизель-генераторных установок с использованием аккумуляторных батарей большой мощности, т.е. отказе от стандартных пусковых батарей и выравнивании графика нагрузки с последующим снижением удельного расхода топлива на выработку электроэнергии.

Изобретение относится к области силовых установок и может быть использовано в целях повышения эффективности группы силовых установок. Техническим результатом является повышение эффективности пуска группы первичных электродвигателей и сглаживания графиков нагрузок при эксплуатации автономных газопоршневых и дизель-генераторных установок с использованием аккумуляторных батарей большой мощности. Объединенная система пуска и сглаживания графиков нагрузок группы автономных газопоршневых и дизель-генераторных установок с использованием аккумуляторных батарей большой мощности, включающая операции преобразования внутренней энергии топлива в электрическую стандартной частоты и напряжения, аккумулирования электрической энергии в батареи конденсаторов при режиме нормального электропотребления, подачи электрической энергии с батареи конденсаторов и аккумуляторной батареи на вход преобразователя частоты и напряжения, взаимосвязанные операции вычисления реактивной мощности в блоке датчиков реактивного тока, вывод результатов работы датчика реактивной мощности на вход преобразователя частоты и форсировка силовой установки по реактивной мощности, где вместо обычных пусковых батарей на каждой из N энергоустановок установлены две общие группы аккумуляторных батарей большой мощности, соединенных между собой первым двухполюсным выключателем, которые в нормальном режиме подключены между собой последовательно и работают через преобразователь частоты и напряжения и подключенный последовательно согласующий трансформатор на сеть для сглаживания графиков нагрузки, первая группа батарей соединена с первичными двигателями энергоустановок через второй, третий и четвертый двухполюсные выключатели и используется для пуска автономных газопоршневых и дизель-генераторных установок, в режиме максимальной выдачи мощности в сеть и одновременно пуске двигателей, группы батарей могут работать автономно при разомкнутом первом двухполюсном выключателе и замкнутом однополюсном выключателем. 1 ил.

Объединенная система пуска и сглаживания графиков нагрузок группы автономных газопоршневых и дизель-генераторных установок с использованием аккумуляторных батарей большой мощности, включающая операции преобразования внутренней энергии топлива в электрическую стандартной частоты и напряжения, аккумулирования электрической энергии в батареи конденсаторов при режиме нормального электропотребления, подачи электрической энергии с батареи конденсаторов и аккумуляторной батареи на вход преобразователя частоты и напряжения, взаимосвязанные операции вычисления реактивной мощности в блоке датчиков реактивного тока, вывод результатов работы датчика реактивной мощности на вход преобразователя частоты и форсировка силовой установки по реактивной мощности, отличающаяся тем, что на каждой из N энергоустановок установлены две общие группы аккумуляторных батарей большой мощности, соединенных между собой первым двухполюсным выключателем, которые в нормальном режиме подключены между собой последовательно и работают через преобразователь частоты и напряжения, и подключенный последовательно согласующий трансформатор на сеть для сглаживания графиков нагрузки, первая группа батарей соединена с первичными двигателями энергоустановок через второй, третий и четвертый двухполюсные выключатели и используется для пуска автономных газопоршневых и дизель-генераторных установок в режиме максимальной выдачи мощности в сеть и одновременно пуске двигателей, группы батарей могут работать автономно при разомкнутом первом двухполюсном выключателе и замкнутом однополюсном выключателем.