Способ и устройство передачи электрической энергии Российский патент 2021 года по МПК H02J13/00 

Изобретение относится к области электротехники, в частности, к способу и устройству передачи электрической энергии.

Известны способ и устройство для передачи электрической энергии от источника энергии к потребителю в резонансном режиме на повышенной частоте по однопроводной линии, содержащие передающий преобразователь, однопроводную резонансную линию, приёмный преобразователь (патент РФ № 2241176, МПК F21S 9/00, опубл. 27.11. 2004, Бюл. № 33). Известные способ и устройство обеспечивают передачу электрической энергии по однопроводной линии электроэнергии от передающего преобразователя одному или нескольким приёмным преобразователям.

Недостатком известных способа и устройства является невозможность передачи электрической энергии по однопроводной линии от нескольких передающих преобразователей одному распределённому потребителю, в качестве которого используют магистральную линию или микросеть.

Известно устройство электроснабжения потребителей по трёхфазной сети от нескольких источников энергии на основе возобновляемых и традиционных источников энергии с использованием микросети и управлением генерацией электроэнергии (патент РФ № 2539875, H02J 13/00, опубл. 27.01.2015, Бюл. № 27). Управление различными источниками генерации электрической энергии в локальной микросети низкого напряжения осуществляют с приоритетным использованием энергии от возобновляемых источников энергии для обеспечения потребителя качественной электроэнергией при наименьшей себестоимости выработки электроэнергии. Устройство электроснабжения потребителей включает в себя систему управления генерацией и распределением энергии, локальные модули управления, объекты генерации на основе возобновляемых и резервных источников энергии, а также систему взаимного обмена электрической энергией с магистральными электросетями низкого, среднего или высокого напряжения (прототип).

Недостатком известного устройства является нестабильность частоты источников энергии на основе возобновляемых источников энергии, связанная с зависимостью поступления возобновляемой энергии от времени суток и времени года, и влияние этой нестабильности частоты на частоту и режимы работы микросети.

Задачей предлагаемого изобретения является снижение и устранение влияния частоты источников энергии, использующих возобновляемую энергию, на частоту и режимы работы распределённого потребителя энергии в виде магистральной линии или микросети, уменьшение эксплуатационных издержек и потерь при передаче электрической энергии, повышение надёжности электроснабжения.

Технический результат заключается в создании способа и устройства передачи электрической энергии от нескольких источников энергии по однопроводной линии на повышенной частоте к одному распределённому потребителю в виде магистральной линии или микросети с управлением от одного диспетчерского центра.

Технический результат достигается тем, что в способе передачи электрической энергии, включающим преобразование источника энергии по частоте в преобразователе частоты и по напряжению в передающем трансформаторе Тесла, передачу электрической энергии на высокой частоте по высоковольтной однопроводной линии к приёмному трансформатору Тесла, преобразование электрической энергии по напряжению в приёмном трансформаторе Тесла, и по частоте в инверторе и передачи электрической энергии потребителю, согласно изобретению, передачу электрической энергии производят от n удалённых друг от друга управляемых из диспетчерского центра источников энергии на частоте 1 – 500 кГц и напряжением 1 – 1000 кВ по n однопроводным линиям, где n = 1, 2, 3…, натуральный ряд чисел, к одному распределённому потребителю, управляемые источники электрической энергии преобразуют энергию возобновляемых источников энергию и энергию ископаемого топлива в электрическую энергию, распределённый потребитель выполняют в виде трёхфазной линии или микросети, вдоль которой на удалении друг от друга устанавливают управляемые из диспетчерского центра приёмные трансформаторы Тесла и инверторы, каждый преобразователь частоты осуществляет функцию контроля и регулирования частоты, напряжения и передаваемой мощности, а каждый инвертор выполняет функции регулирования поддержки симметрии напряжения и передаваемой мощности по фазам трёхфазной линии, а полная длина каждой однопроводной линии связана с резонансной частотой соотношением: fл = nC/2l, где fл – резонансная частота колебаний; l – длина линии; С – скорость света.

Технический результат достигается также тем, что устройство для передачи электрической энергии, содержащее источник электрической энергии, преобразователь частоты, передающий трансформатор Тесла, однопроводную линию, приёмный трансформатор Тесла, инвертор и распределённый потребитель, согласно изобретению, содержит n удалённых друг от друга управляемых из диспетчерского центра источников энергии, где n = 1, 2, 3… – натуральный ряд чисел, соединённых с распределённым потребителем через управляемые из диспетчерского центра преобразователи частоты, передающие трансформаторы Тесла, однопроводные линии, приёмные трансформаторы Тесла и инверторы, установленных на расстоянии, вдоль распределённого потребителя, выполненного в виде трёхфазной линии или в виде микросети, источники электрической энергии выполнены в виде генераторов на основе возобновляемых источников энергии и на основе энергии ископаемого топлива, каждый преобразователь частоты содержит контроллер и регулятор частоты, напряжения и передаваемой мощности, а каждый инвертор имеет регулятор поддержки симметрии напряжения по фазам трёхфазной линии, а длина каждой однопроводной линии связана с резонансной частотой соотношением: fл = nC/2l, где fл – резонансная частота колебаний; l – длина линии; С – скорость света.

Сущность предлагаемого поясняется чертежом, на котором представлена электрическая блок-схема способа и устройства для передачи электрической энергии.

Управляемые из диспетчерского центра 1 по линии управления 2 источники электрической энергии содержат солнечную энергетическую установку 3,ветрогенератор (группу ветрогенераторов) 4, мини ГЭС (группу мини ГЭС) 5, генератор 6 на ископаемом топливе (бензиновый ДВС, дизельный ДВС, газотурбинный). Каждый источник энергии передает электрическую энергию через передающий преобразователь 7 по однопроводной, резонансной воздушной или кабельной линии 8, приёмный преобразователь 9 распределённому потребителю в виде трёхфазной линии 10 или микросети.

Полная длина l однопроводной линии равна

l= l₁ + l₂ + l₃,

где: l₁ – длина высоковольтной обмотки передающего трансформатора Тесла;

l₂ – длина высоковольтной обмотки приемного трансформатора Тесла;

l₃ – длина однопроводной линии между передающим и приёмным трансформаторами Тесла.

l = nλ/2 = nC/2fл,

где: С – скорость света;

λ – длина волны в однопроводной линии;

fл – резонансная частота колебаний в однопроводной линии.

Передающий преобразователь 7 и приёмный преобразователь 9 через линию управления 2 и диспетчерский центр 1 своей автоматикой контролирует постоянство напряжения в однопроводной линии 8, ток передачи, а также частоту. Таким образом увеличивается надёжность электроснабжения. Приёмный преобразователь 9 преобразует полученную электроэнергию в трёхфазную напряжением 380 В, частотой 50 Гц. Электроэнергию от приёмного преобразователя 9 передают распределённому потребителю в виде трёхфазной линии 10 или микросети для электропитания сельских потребителей. Микросеть является постоянной нагрузкой для резонансной системы передачи, что исключает броски напряжения при включении на холостом ходу, тем самым не нужны в конце линии нагрузочные компенсаторы, что удешевляет приёмный преобразователь 9. В данной системе генератор 6 на ископаемом топливе выполняет роль буферного резервного источника энергии микросети, при нехватке мощности от ВИЭ в трёхфазной линии 10 падает напряжение. Автоматика через диспетчерский центр 1 автоматически запускает генератор 6, который добавляет необходимую мощность, поддерживая нужное напряжение в трёхфазной линии 10 или микросети, при увеличении мощности от ВИЭ автоматически отключается, диспетчерский центр 1 по линии управления 8 автоматически отключает генератор 6 на ископаемом топливе.

Использование: в области электротехники. Технический результат - снижение влияния частоты источников энергии, использующих возобновляемую энергию, на частоту и режимы работы распределённого потребителя энергии в виде магистральной линии или микросети. Способ включает преобразование электрической энергии источника энергии по частоте в передающем преобразователе частоты и по напряжению в передающем трансформаторе Тесла, передачу электрической энергии на высокой частоте по высоковольтной однопроводной линии к приёмному трансформатору Тесла, преобразование электрической энергии по напряжению в приёмном трансформаторе Тесла и по частоте в приёмном инверторе и передачу электрической энергии потребителю. Согласно изобретению передачу электрической энергии производят от n удалённых друг от друга управляемых из диспетчерского пункта источников энергии на резонансной частоте fл – 500 кГц и напряжении 1–1000 кВ по n однопроводным линиям, где n=1, 2, 3…, к одному распределённому потребителю. Управляемые источники электрической энергии преобразуют энергию возобновляемых источников энергии и энергию ископаемого топлива в электрическую энергию. Распределённый потребитель выполняют в виде трёхфазной линии или микросети, вдоль которой на удалении друг от друга устанавливают управляемые из диспетчерского центра приёмные трансформаторы Тесла и инверторы. Каждый преобразователь частоты осуществляет функцию контроля и регулирования частоты, напряжения и передаваемой мощности, а каждый инвертор - функции регулирования поддержки симметрии напряжения и передаваемой мощности по фазам трёхфазной линии. Полная длина каждой однопроводной линии связана с резонансной частотой соотношением: fл = nC/2l, где fл – резонансная частота колебаний; l – длина линии; С – скорость света. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ передачи электрической энергии, включающий преобразование электрической энергии источника энергии по частоте в передающем преобразователе частоты и по напряжению в передающем трансформаторе Тесла, передачу электрической энергии на высокой частоте по высоковольтной однопроводной линии к приёмному трансформатору Тесла, преобразование электрической энергии по напряжению в приёмном трансформаторе Тесла и по частоте в приёмном инверторе и передачу электрической энергии потребителю, отличающийся тем, что передачу электрической энергии производят от n удалённых друг от друга управляемых из диспетчерского пункта источников энергии на резонансной частоте fл – 500 кГц и напряжении 1–1000 кВ по n однопроводным линиям, где n=1, 2, 3…, натуральный ряд чисел, к одному распределённому потребителю, управляемые источники электрической энергии преобразуют энергию возобновляемых источников энергии и энергию ископаемого топлива в электрическую энергию, распределённый потребитель выполняют в виде трёхфазной линии или микросети, вдоль которой на удалении друг от друга устанавливают управляемые из диспетчерского центра приёмные трансформаторы Тесла и инверторы, каждый преобразователь частоты осуществляет функцию контроля и регулирования частоты, напряжения и передаваемой мощности, а каждый инвертор выполняет функции регулирования поддержки симметрии напряжения и передаваемой мощности по фазам трёхфазной линии, а полная длина каждой однопроводной линии связана с резонансной частотой соотношением: fл = nC/2l, где fл – резонансная частота колебаний; l – длина линии; С – скорость света.

2. Устройство для передачи электрической энергии для осуществления способа по п.1, содержащее источник энергии, преобразователь частоты, передающий трансформатор Тесла, однопроводную линию, приёмный трансформатор Тесла, инвертор и распределённый потребитель, отличающееся тем, что содержит n удалённых друг от друга управляемых из диспетчерского центра источников энергии, где n= 1, 2, 3… – натуральный ряд чисел, соединённых с распределённым потребителем через управляемые из диспетчерского центра преобразователи частоты, передающие трансформаторы Тесла, однопроводные линии, приёмные трансформаторы Тесла и инверторы, установленных на расстоянии вдоль распределённого потребителя, выполненного в виде трёхфазной линии или в виде микросети, источники электрической энергии выполнены в виде генераторов на основе возобновляемых источников энергии и на основе энергии ископаемого топлива, каждый преобразователь частоты содержит контроллер и регулятор частоты, напряжения и передаваемой мощности, а каждый инвертор имеет регулятор поддержки симметрии напряжения по фазам трёхфазной линии, а длина каждой однопроводной линии связана с резонансной частотой соотношением: fл = nC/2l, где fл – резонансная частота колебаний; l – длина линии; С – скорость света.