РАСПРЕДЕЛЕННАЯ СИСТЕМА СТАБИЛИЗАЦИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СЕТИ Российский патент 2022 года по МПК H02J3/12 

Область техники

Изобретение относится к области энергетики и может быть использовано для стабилизации частоты и баланса мощности в централизованных и распределенных электрических сетях.

Уровень техники

Известно устройство и способ работы виртуальной электростанции, описанный в публикации к патенту US 20170373509, 2017 г. Данная конструкция принята за аналог. Устройство - аналог включает энергетическую силовую установку, содержащую: множество распределенных накопителей электрической энергии, электрически связанных линиями электропередач сети электростанций; измерительные устройства, обнаруживающие соответствующее состояние заряда каждой из множества систем хранения электрической энергии; и устройство управления, регулирующее состояния заряда между нижним пределом и верхним пределами заряда.

Недостаток аналога - не раскрыта система управления и взаимосвязь с потребителем, не описано, как производится стабилизация баланса мощности между потребителем и генерирующими установками.

Известна система управления на базе информационно-вычислительной платформы, описанной на сайте «Федерального государственного бюджетного учреждения науки - Институт систем энергетики им. Л.А. Мелентьева Сибирского отделения Российской академии наук http://isem.irk.ru/institute/results/res2013_2/. Реализованный на ее основе распределенный программно-вычислительный комплекс (интернет система гидравлических расчетов) позволяет выполнять расчеты режимов систем водо- и газоснабжения средней размерности, зарегистрирован в государственном реестре программ для ЭВМ, проходит опытную апробацию в открытом доступе по адресу http://isem.irk.ru/51/. Эта система также принята за аналог. Недостатком аналога является ее прикладная задача онлайн расчета энергетических трубопроводных сетей и не описывается ее взаимодействие с сопряженными устройствами.

Известна система децентрализованного цифрового расчетного сервиса, описанная в патенте RU 2679532, 03.10.2018. Система содержит: i серверов банков, где i=1, 2, 3, …, N, распределенный реестр - блокчейн, клиентский портал и к мобильных устройств клиентов, причем элементы соединены между собой через телекоммуникационные средства связи, каждый сервер банка содержит автоматизированную банковскую систему с базой данных. Эта система принята за аналог. Недостатком аналога является исключительно узкая задача по выполнению финансово-денежных операций между клиентами - потребителями.

Известна система стабилизации, описанная в патенте ЕР 3566277А1, опубликованная 13.11.2019. Это устройство принято за прототип. Устройство-прототип обеспечивает стабилизацию колебаний частоты в энергосистеме и содержит средство накопления энергии, которое выполнено с возможностью подключения к электросети, и двунаправленный преобразователь энергии, подключенный между средством накопления энергии и электросетью Недостатком прототипа является то, что достижение задачи изобретения осуществляется только использованием накопителей энергии и не описаны смежные устройства - потребитель и производитель энергии, а также их взаимодействие.

Задача изобретения

Технической задачей предложенного устройства является создание надежной системы стабилизации частоты и баланса мощности в централизованных и распределенных электрических сетях.

Эта задача решается тем, что система управления выполнена в виде одной или нескольких информационно-вычислительных платформ с искусственным интеллектом, а также распределенных по энергетической сети датчиков, связанных с вычислительными платформами; введены потребители энергии, выступающие при необходимости в качестве источников электрической энергии, а также тепловой энергии, и потребители энергии также могут выполнять функцию устройств для охлаждения соответствующих масс как с фазовым переходом, так и без него, для охлаждения объектов, нуждающихся в этом; упомянутые потребители снабжены одним или несколькими двухсторонними счетчиками потоков энергий, одним или несколькими автоматическими и коммуникационными устройствами, позволяющими определять оптимальное время потребления или отдачи энергии и изменять потоки энергии; вышеупомянутые устройства подключены к информационно - вычислительной платформе, причем информационно-вычислительная платформа выполнена с возможностью прогнозирования и управления устройствами, а также осуществлением контроля за выработкой, накоплением, потреблением и потерями в энергетических сетях.

Следующим отличием предлагаемого устройства является то, что информационно-вычислительная платформа выполнена на основе логического контроллера.

Другим отличием предлагаемого устройства является то, что потребитель снабжен устройствами генерации на основе возобновляемых источников энергии и представлен, как промышленные предприятия, муниципальные, и/или региональные образования, и/или частные, и/или кооперативные домохозяйства.

Следующим отличием является то, что системы накопления и преобразования энергии выполнены в виде накопителей кинетической энергии и/или электрохимических накопителей энергии и/или тепловых накопителей и/или устройств охлаждения, и/или суперконденсаторных, и/или гравитационных.

Другим отличием является то, что при коротких до 30 секунд и частых -более 10 в час колебаниях мощности, вызванных дисбалансом выработки и потребления электрической энергии используются преимущественно накопители кинетической энергии.

Следующим отличием является то, что в качестве системы накопления и преобразования кинетической энергии применен ленточный разрывобезопасный супермаховик с одной или несколькими обратимыми электромашинами.

Еще одним отличием является то, что системы накопления энергии могут быть смонтированы на любом участке энергетической сети.

Следующим отличием является то, что потребителем является электрозаправочная станция с электромобилем.

Другим отличием является то, что потребителем является подъемные краны или лифты.

Еще одним отличием является то, что системы накопления энергии смонтированы на участке, принадлежащем потребителю электрической энергии.

Другим отличием является то, что системы накопления энергии смонтированы на участке, принадлежащем генерирующим компаниям.

Следующим отличием является то, что системы накопления энергии смонтированы на участке, принадлежащем компаниям, осуществляющим передачу электрической энергии.

Последним отличием является то, что информационно-вычислительная платформа осуществляет задачу финансового расчета между генерирующими, накопляющими, передающими и потребляющими устройствами.

Краткое описание изображений

На фиг. 1 изображена схема предлагаемого устройства стабилизации электрической сети.

Раскрытие изобретения

Распределенная система стабилизации электрической сети состоит, как минимум, из одной электрогенерирующей установки 1, которая может быть представлена как традиционной генерацией 2 (тепловой, атомной, гидроэнергетикой), так и альтернативной 3 (солнечная, ветряная и др.). Электрогенерирующие установки 1, могут быть снабжены устройствами накопления энергии 4, например, электроаккумуляторами, кинетическими накопителями энергии, например с ленточным разрывобезопасным супермаховиком с одной или несколькими обратимыми электромашинами, гидроаккумулирующими станциями, суперконденсаторными и др. Электрогенерирующие установки 1 и входящие в них накопители энергии 4 по энергетическим сетям 5 (тройная пунктирная линия см. фиг. .1) с помощью устройств передачи и преобразования электроэнергии 6, которые также могут быть снабжены устройствами накопления энергии 4, связаны с конечными распределительными устройствами 7. Распределительные устройства 7 могут быть также оборудованы устройствами накопления энергии 4. Распределительные устройства 7 связаны посредством энергетической сети 5 с потребителями энергии 8, подключенных к одной или нескольким информационно-вычислительным платформам 9 с помощью линий информационной связи 10 (например, интернета, мобильной радиосвязи и др., тонкая пунктирная линия см. фиг. .1). Распределительные устройства 7 также связаны с потребителями 11, которые по какой-то причине не подключены к информационно-вычислительным платформам 9 и не получают и не передают информацию по линиям связи 10, являясь при этом исключительно потребителями энергии. Информационно-вычислительные платформы 9 могут быть выполнены, как с искусственным интеллектом 12, так и с логическим контроллером 13. Устройства, подключенные к информационно-вычислительной платформе 9, снабжаются различными (в зависимости от задач) датчиками и системами автоматики 14, приборами учета потоков энергии 15. Потребители 8 могут быть оборудованы индивидуальными электрогенерирующими установками 16, и иметь различные группы устройств потребления - электрических нагрузок 17, тепловых конвекторов с теплоносителем 18 и устройств охлаждения с хладагентом 19. Потребитель 8, также может иметь системы накопления энергии 4, которые помимо перечисленных выше могут быть выполнены в виде накопителей тепловой энергии 20, как с фазовым переходом, так и без него. Потребители 9 и 11 могут быть связаны как между собой, так и с центральным тепловым пунктом 21, посредством тепловой магистрали 22 (толстая сплошная линия, см. фиг. 1). Потребители 9 и 11 могут быть связаны как между собой, так и с центральным тепловым пунктом 21, посредством магистрали 23 с хладагентом (штрихпунктирная линия, см. фиг. 1). Центральный тепловой пункт 21 может быть оборудован накопителем тепловой энергии 20 и связан как с энергетической сетью 5, так и с информационно-вычислительными платформами 9 с помощью информационных линий связи 10. Потребитель энергии 8 может быть выполнен в виде электрозаправочной станции с заряжаемым электромобилем 24 и подъемных механизмов и кранов 25, осуществляющих генерацию, например, при рекуперативном торможении при опускании груза. Потребители энергии 8 могут снабжаться коммуникационными устройствами 26 с соответствующим программным обеспечением, связанные, например, по радиосвязи, спутниковой связи, мобильной сети с информационно-вычислительной платформой 9 и осуществлять управление дистанционно.

Работа устройства

Электрогенерирующая установка 1 вырабатывает электроэнергию, например, с помощью сжигания топлива, высвобождения энергии при делении ядра или гидрогенерацией - так называемой традиционной генерацией 2 или альтернативной 3 - используя солнечную энергию, энергию ветра и др. По энергетическим сетям 5 с помощью устройств передачи и преобразования электроэнергии 6 и распределительных устройств 7 электрическая энергия доставляется потребителям 8 и 11, которые выступают нагрузкой для электрогенерирующей установки 1. Из уровня техники известно, что для соблюдения баланса мощности и поддержания частоты на заданном уровне в энергетических сетях 5 мощность электрогенерирующей установки должна быть равной мощности потребителей 8 и 11. Однако баланс мощности между электрогенерирующей установки 1 и потребителями 8 и 11 всегда меняется, то в большую, то в меньшую сторону. В обоих случаях колебания баланса и частоты нежелательны и могут приводить к ухудшению качеству электроэнергии и вызывать полное отключение в ее подаче потребителям 8 и 11. Для устранения колебаний используют регулирование непосредственно на электрогенерирующей установки 1. Однако, для этого приходится изменять оптимальные режимы работы традиционной генерации 2, при этом снижается КПД, зачастую увеличиваются выбросы вредных веществ в атмосферу, вводятся в работу резервные мощности или наоборот приходится резко снижать выработку электроэнергии, рассеивая ее избытки в окружающую среду. В случае использовании альтернативной генерации 3 дополнительно накладываются внешние факторы, влияющие на саму выработку электроэнергии, например, погодные условия, время суток и др. (зависимость мощности выработки от освещенности, скорости ветра и др.). Системы накопления энергии 4, которыми иногда снабжаются электрогенерирующие установки 1, устройства передачи и преобразования электроэнергии 6 и распределительные устройства 7, частично компенсируют изменения баланса между электрогенерирующими установками 1 и потребителями 8 и 11. Однако, часто их бывает недостаточно, а их управление зарядом и разрядом не согласовано. В предлагаемом изобретении, потребители 8, могут, кроме непосредственно потребления энергии, выступать ее источниками, например, электрозаправочная станция с заряжаемым электромобилем 24 или подъемные механизмы и краны 25, могут осуществлять генерацию при рекуперативном торможении при опускании груза или сам электромобиль, обладая запасенной энергией, может отдавать ее в энергетическую сеть 5. Частные домохозяйства, предприятия, муниципальные образования и др. выступающие потребителями 8, также могут снабжаться электрогенерирующими установками 16 и/или накопителями энергии 4 и быть источниками энергии, выдавая ее в энергетическую сеть 5. Однако несогласованное потребление и отдача энергии в энергетическую сеть 5, потребители 8 могут окончательно нарушить и дестабилизировать баланс мощностей.

В предлагаемом изобретении электрогенерирующие установки 1, устройства передачи и преобразования электроэнергии 6, распределительные устройства 7, системы накопления 4, а также потребители 8, снабжаются датчиками и системами автоматики 14, приборами учета потоков энергии 15, которые по линии информационной связи 10 направляют информацию о текущем статусе в информационно-вычислительные платформы 9, которые рассчитывают, согласовывают, управляют работой и стабилизируют работу, подключенных к ней устройств. Информационно-вычислительные платформы 9 могут самообучаться, при изменяющихся условиях, используя искусственный интеллект 12, или работать с заранее заложенной и неизменяемой программой, используя, логический контроллер 13. Кроме того, потребитель 8, может быть снабжен коммуникационными устройствами 26 с соответствующим программным обеспечением, связанные, например, по радиосвязи, спутниковой связи, мобильной сети с информационно-вычислительной платформой 9 и осуществлять управление дистанционно. Основная группа устройств потребления потребителей 8 и 11 - электрические нагрузки 17, тепловые конвекторы с теплоносителем 18 и устройства охлаждения с хладагентом 19. Таким образом, часть электроэнергии из энергетической сети 5 расходуется на подогрев или охлаждение объектов, например, для поддержания комфортных условий. При избытке выработки электроэнергии информационно-вычислительная платформа 9 может включать тепловые конвекторы с теплоносителем 18 и устройства охлаждения с хладагентом 19, а при недостатке выработки, наоборот отключать их, стабилизируя при этом сеть. Потребитель 8 может, также ее запасать, используя, например, тепловой накопитель 20 и передавать ее по запросу, поступившему от других потребителей 8 по тепловой магистрали 22 или магистрали 23 с хладагентом. Центральный тепловой пункт 21 при использовании централизованного теплоснабжения или подачи хладагента, также может быть оборудован тепловым накопителем 20 и связан с энергетической сетью 5 и информационно-вычислительной платформой 9, выполняя аналогичные функции по стабилизации электрической сети. Потребитель 8 или тепловой пункт 21 могут направлять тепловую энергию и хладагент потребителю 11, не имеющему возможность отправлять запрос на обеспечение теплом или охлаждением. Стоит отметить, что тепловые накопители 20 могут быть выполнены как с фазовым переходом, так и без него, обладать высокой энергоемкостью и иметь малую стоимость. Информационно-вычислительная платформа 9 может информировать потребителя 8 о наиболее выгодных в финансовом отношении тарифах на потребление, генерацию, теплоснабжение и др. и тем самым активнее участвовать в вышеперечисленных процессах, оказывая воздействия на стабилизацию электрической сети.

Использование: в области электротехники. Технический результат - обеспечение надежной стабилизации частоты и баланса мощности в централизованных и распределенных электрических сетях. Согласно изобретению традиционные и нетрадиционные электрогенерирующие установки, устройства передачи и преобразования энергии, потребители оснащают накопителями энергии. В систему вводят потребителей энергии, выступающих в качестве источников электрической энергии, потребителей энергии, также выступающих в качестве источников тепловой энергии, потребителей энергии, выполняющих функцию охлаждения. Вышеуказанные устройства посредством линий информационной связи подключены к системе управления, выполненной в виде одной или нескольких информационно-вычислительных платформ, для отслеживания избытка и недостатка выработки электроэнергии, а также согласования работы подключенных устройств путем прогнозирования и управления выработкой, накоплением и потреблением энергии для стабилизации электрической сети. 7 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Распределенная система стабилизации электрической сети, включающая электрогенерирующую установку, устройство накопления и устройство передачи и преобразования энергии, отличающаяся тем, что используют традиционные и альтернативные электрогенерирующие установки, причем электрогенерирующие установки, устройства передачи и преобразования энергии, а также потребители снабжают накопителями энергии; электрогенерирующие установки по энергетическим сетям посредством устройств передачи и преобразования энергии связаны с конечными распределительными устройствами, к которым подключены потребители энергии; введены потребители энергии, выступающие также в качестве источников электрической энергии, потребители энергии, также выступающие в качестве источников тепловой энергии, потребители энергии, выполняющие функцию охлаждения; упомянутые электрогенерирующие установки, устройства передачи и преобразования электроэнергии, распределительные устройства, накопители энергии, а также потребители снабжены датчиками и двунаправленными счетчиками потоков энергий, а также одним или несколькими коммуникационными устройствами; вышеупомянутые устройства с помощью линий информационной связи подключены к информационно-вычислительной платформе, причем информационно-вычислительная платформа выполнена с возможностью отслеживать избыток и недостаток выработки электроэнергии, а также согласовывать работу подключенных к ней устройств путем прогнозирования и управления выработкой, накоплением и потреблением энергии для стабилизации электрической сети.

2. Распределенная система стабилизации электрической сети по п. 1, отличающаяся тем, что информационно-вычислительная платформа выполнена на основе логического контроллера.

3. Распределенная система стабилизации электрической сети по п. 1, отличающаяся тем, что потребитель снабжен устройствами генерации на основе возобновляемых источников энергии и представлен, как промышленные предприятия, муниципальные, и/или региональные образования, и/или частные, и/или кооперативные домохозяйства.

4. Распределенная система стабилизации электрической сети по п. 1, отличающаяся тем, что накопители энергии выбраны из накопителей кинетической энергии, электрохимических накопителей энергии, тепловых накопителей как с фазовым переходом, так и без него, устройств охлаждения, суперконденсаторных накопителей, гравитационных накопителей.

5. Распределенная система стабилизации электрической сети по пп. 1 и 4, отличающаяся тем, что при коротких до 30 секунд и частых - более 10 в час колебаниях мощности, вызванных дисбалансом выработки и потребления электрической энергии, используются преимущественно накопители кинетической энергии.

6. Распределенная система стабилизации электрической сети по п. 4, отличающаяся тем, что в качестве системы накопления и преобразования кинетической энергии применен ленточный разрывобезопасный супермаховик с одной или несколькими обратимыми электромашинами.

7. Распределенная система стабилизации электрической сети по п. 1, отличающаяся тем, что системы накопления энергии смонтированы на участке, принадлежащем генерирующим компаниям.

8. Распределенная система стабилизации электрической сети по п. 1, отличающаяся тем, что информационно-вычислительная платформа осуществляет задачу финансового расчета между генерирующими, накопляющими, передающими и потребляющими устройствами.