Автономная комбинированная система электроснабжения с возобновляемыми источниками электроэнергии и частотно-фазовым регулированием гибкости Российский патент 2024 года по МПК H02J3/06 H02J3/46 H02S10/12 H02P9/00 

Изобретение относится к области электроэнергетики, а именно к системам питания потребителей автономных (изолированных) электроэнергетических сетей с возобновляемыми источниками энергии и электрохимическими накопителями энергии разных типов и назначений. Изобретение имеет блочно-транспортабельное (контейнерное) исполнение и может быть использовано в качестве комплекса полевого мобильного или стационарного электроснабжения объектов Министерства обороны Российской Федерации, а также вооружения, военной и специальной техники (ВВСТ).

Уровень техники

Эффективное использование возобновляемых энергетических ресурсов в изолированных энергосистемах требует специальных подходов к их устройству и управлению.

Известен способ организации параллельной работы возобновляемых источников энергии [CN110429649A, IPC H02J 3/38, опубликован 2019-11-08]. Изобретение раскрывает способ разделения возобновляемых источников энергии (ВИЭ) на кластеры с высокой проницаемостью с учетом гибкости. Метод включает создание гибкой модели спроса и предложения, основанный на характеристиках баланса гибкости, баланса спроса и предложения, гибкости кластера и характеристики структуры кластера, учитывающие динамические характеристики баланса гибкости кластера. Несмотря на очевидные преимущества рассматриваемого метода, оптимальное разделение источников ВИЭ на кластеры, регулирование ресурсов гибкости исходной сетевой нагрузки и, как следствие, снижение потребности в гибкости кластеров, повышения скорости и точности работы и регулирования системы распределения электроэнергии на фоне увеличения доступа к сложной высокопроницаемой возобновляемой энергии, данный подход предполагает проведение обширных исследований для планирования и эксплуатации кластеров ВИЭ, нагрузки и требует управления системой посредством верхнего уровня. Данный подход не возможен для применения в автономных изолированных системах из-за ограниченности ресурсов нагрузки для проявления гибкости, они не сопоставимы с сетью и низкой прогнозируемостью ветроэнергетического потенциала.

Известны три основных вида схем соединения инверторных генераторов ВИЭ в автономных комбинированных системах электроснабжения (АКСЭ):

1. Параллельная работа инверторных генераторов ВИЭ как источников тока на сборную шину.

2. Параллельная работа инверторных генераторов ВИЭ как источников напряжения со статизмом.

3. Параллельная работа инверторных генераторов ВИЭ как источников напряжения на сборную шину.

Так, например, в части параллельной работы ВИЭ в качестве источника тока на сборную шину известна система автономного электроснабжения с комбинированным накопителем энергии [RU 2726735 С1, МПК H02J 7/34, H02J 3/38 (2006.01), опубликовано: 15.07.2020, Бюл. №20], содержащая две ветровые электроустановки, два датчика тока, два контроллера отбора максимальной мощности, дизельную генераторную установку, три управляемых выпрямителя, две аккумуляторные батареи, автономный инвертор, электрическую нагрузку переменного тока, балластную нагрузку, регулятор балластной нагрузки, шину постоянного тока, причем выход первой ветровой электроустановки соединен с входом первого выпрямителя, выход которого соединен с шиной постоянного тока, первый датчик тока установлен на линии между первой ветровой электроустановкой и первым выпрямителем, выход первого датчика тока соединен с входом первого контроллера отбора максимальной мощности, выход которого соединен с цепью управления первого выпрямителя, выход второй ветровой электроустановки соединен с входом второго выпрямителя, соединенного с шиной постоянного тока, второй датчик тока установлен на линии между выходом второй ветровой электроустановки и вторым выпрямителем, выход второго датчика тока подключен к входу второго контроллера отбора максимальной мощности, выход которого соединен с цепью управления второго выпрямителя, дизельная генераторная установка подключена к входу третьего выпрямителя, соединенного с шиной постоянного тока, электрическая нагрузка переменного тока подключена от автономного инвертора, соединенного с шиной постоянного тока, балластная нагрузка соединена с регулятором балластной нагрузки, который соединен с шиной постоянного тока, отличающаяся тем, что содержит накопитель энергии в виде батареи суперконденсаторов, подключенной непосредственно к шине постоянного тока, а также содержит два согласующих зарядно-разрядных устройства на основе двунаправленных импульсных повышающих-понижающих преобразователей постоянного тока, входы которых соединены с шиной постоянного тока, а выходы соединены с соответствующей аккумуляторной батареей.

В части параллельной работы ВИЭ как источников напряжения со статизмом известен способ эксплуатации ветряного парка [RU 2727939 С1, МПК H02J 3/38(2006.01), конвенционный приоритет: 07.06.2017 DE 102017112491.8, опубликовано: 15.07.2020, Бюл. №20] Описываемый способ эксплуатации ветроэнергетической установки (100) или ветряного парка (112) с несколькими ветроэнергетическими установками (100) для обмена электрической мощности между ветряным парком и сетью электроснабжения, при этом каждая ветроэнергетическая установка (100) имеет одно или несколько устройств подачи питания (808, 810), и ветроэнергетическая установка (100) или соответственно ветряной парк (112) соединены через точку сетевого подключения (118) с сетью электроснабжения (120), и мощность обменивается через точку сетевого подключения (118), при этом одно или несколько устройств подачи питания (808, 810) работают как формирующие напряжение блоки (808) и одно или несколько устройств подачи питания (808, 810) работают как формирующие ток блоки (810), при этом, в частности, предусмотрено, чтобы формирующие напряжение блоки (808) и формирующие ток блоки (810) работали, формируя напряжение или соответственно формируя ток, также в безаварийном режиме работы сети.

Первый вид схемотехнических решений относиться к наиболее простой организации систем, имеющий наименьшую надежность с единой точкой отказа.

Второй вид имеет существенные ограничения по динамической устойчивости системы.

Кроме того, рассмотренные выше решения с групповым первичным регулятором гибкости не обеспечивают достижения локальных максимумов в коэффициенте использования установленной мощности (КИУМ) отдельных ветроэнергетических установок (ВЭУ) вследствие несбалансированности их реальной динамики и, следовательно, ограничены в достижении высокой эффективности схемы в целом. При увеличении числа ВЭУ, подключенных к общей шине, этот недостаток устройства усиливается, что ограничивает возможности масштабирования таких систем. Кроме этого наличие одного узла отказа в первичном регулировании гибкости существенно снижает надежность работы подобной системы.

Третий вид схемы соединения лишен недостатков первых двух, но ограничен по масштабированию, из-за сложности в организации параллельной работы опорных генераторов.

Известен способ управления распределенным преобразователем мощности в микросети для обеспечения параллельной работы более чем одного источника питания [CN106877387A, IPC H02J 3/38, опубликован 2017-06-20]. По сравнению с традиционной стратегией управления преобразователем, подключенным к сети, стратегия управления преобразователем с распределенной мощностью в микросети явно усложняется. Традиционный преобразователь, подключенный к сети, имеет выходную характеристику источника тока и отвечает только за обеспечение питания сети, а преобразователь в микросети в автономном режиме должен обеспечить стабильное напряжение и поддержание частоты, поэтому преобразователь мощности должен иметь выходные характеристики источника напряжения. В микросети с распределенными источниками питания часто необходимо использовать несколько источников питания параллельно, чтобы разделить нагрузку, общую стабильность напряжения и частоты в микросети.

Способ управления преобразователем распределенной мощности для микросети включает в себя три части: управление активной мощностью - характеристикой спада частоты, управление реактивной мощностью - характеристикой спада амплитуды и управление бесшовным переключением цепи. Контролируя характеристики спада частоты активной мощности косвенно управляется угол мощности, регулируя фазовый угол напряжения, тем самым реализуя управление выходной мощностью преобразователя.

Контролируя характеристики спада амплитуды реактивной мощности, осуществляется управление выходной реактивной мощностью преобразователя, путем регулирования величины фазы напряжения.

Система управления микросети осуществляет скоординированное управление и передачу энергии на множество параллельно работающих преобразователей в микросети.

Недостатком данного способа управления распределенным преобразователем мощности в микросети для обеспечения параллельной работы нескольких источников питания по частоте является не высокая скорость управления системой и лимит для компенсации реактивной мощности, что приводит к существенному ограничению быстродействия системы в целом и неэффективному оперативному управлению на коротких быстрых интервалах времени.

Известен способ подключения одной сети питания переменного тока ко второй сети питания переменного тока, или управление микросетями [WO2016023574A1, МПК H02J 3/06, H02J 3/08, H02J 3/40, H02J 3/42 (2006.01), опубликован 2016-02-18]. Способ заключается в следующем: когда первая микроэнергосеть отключена от второй микроэнергосети, управление частотой переменного тока (f1) первой микроэнергосети выполняется на основе частоты переменного тока (f2) второй микроэнергосети для обеспечения того, что, когда первая и вторая микроэнергосети сети соединены, энергия будет течь из первой микроэнергосети и второй микроэнергосети, имеющих более высокую частоту, в сеть питания первой и второй микроэнергосети, имеющих более низкую частоту. Способ также включает, после управления, подключение (3) первой микроэнергосети ко второй микроэнергосети, при этом мощность в момент подключения перетекает из первой микроэнергосети и второй микроэнергосети, имеющих более высокую частоту, в первую микроэнергосеть и вторую микроэнергосеть, имеющую более низкую частоту.

Недостатком данного устройства и способа управления по частоте, известного как droop control, соединенными микроэнергетическими сетями является невозможность поддержания динамической устойчивости системы в целом из-за ограниченного диапазона компенсации реактивной мощности и низкого быстродействия. Несмотря на способность восстанавливать исходный или близкий к исходному режим работы микроэнергосистемы после малого возмущения или медленных изменений параметров режима, то есть на длительных, часовых интервалах работы, такой способ не позволяет учитывать большие возмущения и быстрые изменения в работе микроэнергосистем с ВИЭ, и, как следствие, не способно максимальным образом принять мощность от ВИЭ в систему.

Наиболее близкие технические решения по организации и устройству автономных комбинированных систем электроснабжения с возобновляемыми источниками электроэнергии (прототипы) представлены в проекте стандарта Министерства обороны США «Tactical microgrid communications and control) (Управление и связи в тактических микросетях), опубликованном 19 апреля 2021 года, номер проекта «TBD», индекс MIL-STD-XXX DRAFT [https://docs.bidfortune.com/documents/bidfortune/bids/1946/2021/07/09/13926947775391631275/Draft%20Tactical%20Microgrid%20Standard%20-%20Tactical%20Ground%20Power%20TMS-TGP%20MIL-STD-XXX19%20April%202021_Approved%20fbr%20Public%20Release.pdf], где определена архитектура управления и связи тактической сетью. По своему определению тактическая микросеть - это управляемая энергосистема, состоящая из мобильной группы взаимосвязанных источников выработки энергии, распределения, накопления энергии и электроприемных устройств.

В приведенном проекте стандарта выделены следующие типы оборудования:

1) Источники электроэнергии

Предназначены для производства электроэнергии способные работать как отдельные источники питания или синхронизированные в группу и управляться для включения и выключения в зависимости от нагрузки. Оборудование данного типа включает типовые генераторные установки с дизельным двигателем, альтернативные источники энергии, такие как солнечная энергия, ветер, топливные элементы и гибриды.

2) Системы накопления и хранения энергии

Предназначены обеспечивать устойчивость во время переходов и сглаживания пиков. Системы накопления энергии должны обеспечивать электроэнергию в период, когда дополнительная мощность необходима, но источник энергии не добавлен в сеть. Кроме того, системы накопления энергии должны функционировать как источник бесперебойного питания или как гибрид при соединении с источником питания для отдельных нагрузок.

3) Системы подключения

Системы подключения, это распределительное оборудование, которое обеспечивает интерфейс или точки подключения к системе для других типов оборудования микросети. Системы подключения определяют саму микросеть. Их можно складывать или вычитать, чтобы определить электрическую шину, необходимую для подачи питания на нагрузки напрямую или через распределительные системы. Они также могут обеспечивать преобразование энергии источников питания в микросети или нагрузки из микросети. Фидерные системы должны включать возможность управления цепями посредством независимого управления или с помощью оборудования системы управления.

4) Системы распределения

Распределительные системы обеспечивают питание от микросети через системы подключения к нагрузкам, которым требуются отдельные цепи для стандартного освещения и стандартные дуплексные розетки. Системы распределения должны включать возможность управления цепями посредством независимого управления или с помощью системы управления. Системы распределения должны иметь встроенные системы измерения и мониторинга, для ручного и автоматического управления системой.

5) Системы управления

Системы управления обеспечивают управление питанием микросети. Системы управления контролируют различные параметры микросети, такие как ток, и добавляют или вычитают источники выработки энергии и/или добавляют или вычитают нагрузку, чтобы гарантировать доступность энергии. Системы управления должны контролировать и защищать систему в случае перегрузки или неисправностей. Системы управления должны располагаться как отдельный элемент или быть встроенными в различные типы оборудования микросети.

6) Электроприемные установки

Электроприемные установки потребляют мощность, обеспечиваемую микросетью. Стандартные нагрузки потребляют мощность, но не взаимодействуют с микросетью. Интеллектуальные нагрузки также потребляют энергию, но могут связываться с системой управления для защиты микросети. Интеллектуальные нагрузки позволяют контроллеру микросети контролировать свои нагрузки, чтобы предотвратить перегрузку сети. Кроме того, интеллектуальные нагрузки могут уведомить контроллер микросети об ожидаемой активации. Это уведомление позволит контроллеру микросети обеспечить достаточное питание для дополнительной нагрузки.

7) Системы преобразования энергии

Системы преобразования энергии позволяют источникам питания и системам накопления энергии, подключаться к системе подключения. Эти системы преобразуют мощность источника / накопителя в напряжение переменного тока общей шины микросети. Эти системы могут быть отдельными элементами или могут быть интегрированы в системы источника / хранения, которые они поддерживают.

Недостатками указанного прототипа является архитектура системы и отсутствие установок, не позволяющих обеспечивать максимальный отбор мощности с ВИЭ, в частности:

при проектировании системы подбор оборудования выполняется с учетом статической характеристики, когда мощность энергетической установки напрямую зависит от скорости ветрового потока или солнечной инсоляции.

Не менее важным параметром, обеспечивающим максимальное использование ветроэнергетического потенциала или солнечной инсоляции, является скорость изменения этого потока. Учитывая динамику изменения скорости ветрового потока, способную проявляться на коротких интервалах времени, возможно максимально использовать существующие распределенные ресурсы, особенно в районах с неустойчивым энергоклиматическим фактором. В противном случае эта энергия будет теряться. Этот момент определяет использование технических решений для получений полного спектра мощности ветра в этом диапазоне.

Значительная часть энергии колебаний ВИЭ находится в высокочастотной области, в диапазоне секунд, десятков секунд. Рассматриваемый прототип не имеет в своем составе энергетических установок, способных использовать данные спектры.

Архитектура системы не имеет решения для использования высокочастотных спектров ветра и не обеспечивает полноту отбора мощности с ВИЭ. Это приводит к необходимости увеличения мощности генератора ВИЭ для съема этих динамических характеристик.

Также схемотехническое решение тактической микросистемы предполагает сборку системы на сборную шину с выделением одного опорного источника электрической энергии для поддержания напряжения частоты, при этом другие источники подключаются каждый со своим статизмом. Параллельная работа источников в системе с одним опорным узлом, особенно независимых ВИЭ, подключенных со своим статизмом, приводит к обеспечению статической устойчивости системы, но не учитывает динамические характеристики и, как следствие, не обеспечивает работу источников в оптимальных режимах.

На решение данной проблемы направлено предлагаемое техническое решение.

Раскрытие сущности изобретения

Техническим результатом заявленного изобретения является повышение надежности, управляемости системы и эффективности отбора максимальной мощности от возобновляемых источников электроэнергии.

Для достижения технического результата предлагается в дополнение к перечисленным семи типам оборудования ввести еще один тип: «Опорные терминалы с гибкой связью», обеспечивающие динамическую устойчивость режимов АКСЭ в части отбора максимальной мощности ВИЭ в широком диапазоне спектра колебаний энергии первичного возобновляемого ресурса (частотное регулирование) и гибкий обмен мощностью между опорными узлами с целью обеспечения устойчивости сети опорных узлов (фазовое регулирование).

Устройство системы организовано таким образом, что сборка АКСЭ с ВИЭ выполняется на шине переменного тока. К данной шине через преобразователь электрической энергии, работающий как виртуальная синхронная машина, подключается накопитель электрической энергии, реализующие в связке функционал сборной шины системы с поддержанием напряжения и частоты. В зависимости от типов и количества источников электрической энергии в системе или узлов устройство системы может отличаться, но устойчивость системы обеспечивается посредством быстрого динамичного источника электрической энергии, будь то накопитель или многорежимная дизельная электростанция, подключенные к сборной шине через преобразователь электрической энергии.

По требованиям, предъявляемым при проектировании данного типа энергетических систем, рассматриваемые преобразователь и накопитель электрической энергии должны иметь круговую диаграмму активной и реактивной мощности, которые способны обеспечивать все возможные состояния энергосистемы. Данный подход позволяет обеспечить статический баланс системы.

Таким образом, частота тока и напряжение сборной шины формируется системой электрохимического накопления энергией, работающей в «сете-формирующем» режиме известном в источниках, как «grid forming». Силовые полупроводниковые инверторы ВЭУ работают, как виртуальные синхронные генераторы с полной выдачей мощности от ВЭУ в систему через сборную шину (см. фиг. 1).

АКСЭ с ВИЭ на фиг. 1 представляет собой параллельную работу возобновляемых источников энергии (1), как источников напряжения на сборную шину переменного тока (2), где поддержание напряжения частоты на сборной шине обеспечивается накопителем электрической энергии (4), подключенным через двунаправленный силовой электронный преобразователь (3), где:

P_W1, P_W2, P_W3 - потоки мощности от ВЭУ;

P_F - поток мощности в опорном узле системы;

P_L - поток мощности нагрузки.

Нестационарный характер мощности ВЭУ требует от АКСЭ проявления гибкости в части обеспечения баланса мощности в системе и возможности работы всех ВЭУ в точках максимальной генерации (МРРТ, maximum power point tracking (ОТММ, отслеживание точки максимальной мощности)).

Гибкость - способность АКСЭ обеспечить динамическую устойчивость режимов максимального отбора мощности ВИЭ в широком диапазоне спектра колебаний энергии первичного возобновляемого ресурса.

Система демонстрирует устойчивость, если изменение баланса мощности имеет равноценный отклик в опорном узле системы, соответствующий изменению активной и реактивной мощности.

По сути, если рассматриваемая энергетическая система имеет способность адаптивного отклика на изменение баланса мощности, такая система имеет устойчивость и обладает требуемым свойством гибкостью, отражающим динамику баланса мощности в системе.

Связь между потоком активной мощности (P) и потоком реактивной мощности (Q) и возникающими изменениями по P и Q зависит от того, в какой точке находится рассматриваемая система.

Таким образом, уравнение динамики, описывающее поведение системы, может быть представлено в пространстве состояний потоков активной и реактивной мощности в опорном накопителе электрической энергии:

где:

P - параметр состояния, поток активной мощности;

- параметр состояния, поток реактивной мощности;

a₁₁ - коэффициент уравнения параметров состояния системы;

а₁₂ - коэффициент уравнения параметров состояния системы;

R_P - рэмп активной мощности;

а₂₁ - коэффициент уравнения параметров состояния системы;

а₂₂ - коэффициент уравнения параметров состояния системы;

R_Q - рэмп реактивной мощности.

Матрица уравнения параметров состояния системы представлена ниже:

Таким образом, устройство системы позволяет получить статическую и динамическую устойчивость системы как по P так и по Q, при этом участники системы собираются в общую группу и нет необходимости отслеживать их локальные параметры.

Однако, известные решения с параллельной работой инверторных генераторов ВИЭ, как источников напряжения на сборную шину, соответствующие фиг. 1 с групповым первичным регулятором гибкости, не обеспечивают достижения локальных максимумов в коэффициенте использования установленной мощности (КИУМ) отдельных ВЭУ вследствие несбалансированности их реальной динамики и, следовательно, ограничены в достижении высокой эффективности схемы в целом. При увеличении числа ВЭУ, подключенных к общей шине, этот недостаток устройства усиливается, что ограничивает возможности масштабирования таких систем. Кроме этого, наличие одного узла отказа в первичном регулировании гибкости существенно снижает надежность работы подобной системы.

Групповое регулирование потоков мощности от ВЭУ одним опорным узлом имеет существенные ограничения, так как сумма всех изменений потоков мощности, приходящих на сборную шину, не равна потоку мощности в опорном узле системы, что приводит к потерям и выходу из МРРТ отдельно взятых ВЭУ или системы в целом.

Предлагаемое техническое решение и управление АКСЭ с ВИЭ лишено этих недостатков, но требует обеспечения устойчивой параллельной работы двух независимых первичных регуляторов. Решение этой задачи достигается посредством соединения секций сборных шин через вольтодобавочный фазовый регулятор.

Для повышения эффективности и надежности системы предлагается секционирование системы на несколько подсистем, где у каждого источника ВИЭ будет свой опорный терминал с гибкой связью.

Сущность предлагаемого технического решения поясняется на фиг. 2, на которой представлено АКСЭ с ВИЭ со сборной шиной переменного тока, где сборная шина переменного тока (2) с параллельно работающими ВИЭ (1), как источниками напряжения, секционируется на несколько подсистем и соединяется друг с другом посредством вольтодобавочного фазового регулятора (5), представляющего вместе с двунаправленным силовым электронным преобразователем (3) и накопителем электрической энергии (4) опорный терминал с гибкой связью (6). Поддержание напряжения частоты на сборной шине переменного тока (2) обеспечивается накопителем электрической энергии (4), подключенным через двунаправленный силовой электронный преобразователь (3).

Таким образом, АКСЭ с ВИЭ формирует статическую устойчивость системы, что обеспечивается круговой PQ диаграммой, посредством сете-формирующей СНЭ, позволяющей сбалансировать все возможные состояния активной и реактивной мощности МРРТ ВЭУ и электроприемных установок (нагрузки).

Также АКСЭ с ВИЭ реализует динамическую устойчивость системы, что обеспечивается сбалансированностью динамических характеристик всех электрогенерирующих и электроприемных установок с сете-формирующим накопителем электрической энергии, как первичным регулятором гибкости.

Также АКСЭ с ВИЭ обеспечивает масштабирование системы с включением новых ВИЭ путем секционирования сборной шины, выделения для каждого ВИЭ опорного терминала с гибкой связью и регулирования потоков мощности между выделенными секциями посредством вольтодобавочного фазового регулятора.

Краткое описание рисунков

Сущность изобретения поясняется с помощью рисунков, на которых представлены схемы подключения АКСЭ с ВИЭ.

На фиг. 1 изображено устройство АКСЭ в сете-формирующем режиме.

На фиг. 2 представлено устройство АКСЭ с секционированием системы на несколько подсистем.

На фиг. 3 представлена схема АКСЭ с опорными терминалами с гибкой связью.

На фигурах цифрами обозначены следующие позиции:

1 - возобновляемый источник энергии (ВИЭ);

2 - сборная шина переменного тока;

3 - двунаправленный силовой электронный преобразователь;

4 - накопитель электрической энергии;

5 - вольтодобавочный фазовый регулятор;

6 - опорный терминал с гибкой связью;

7 - источник электрической энергии;

8 - активный выпрямитель;

9 - электроприемные установки (нагрузка).

Осуществление изобретения

Автономная комбинированная система электроснабжения с возобновляемыми источниками электроэнергии и частотно-фазовым регулированием гибкости осуществляется в виде блочно-траспортабельного (контейнерного) комплекса мобильного или стационарного типа. Все типы (модули) оборудования размещены в контейнерах и соединяются комплектной кабельной сетью при развертывании АКСЭ на объекте. Силовая и слаботочная коммуникация между блок-контейнерами осуществляется через опорные терминалы с гибкими связями. Система управления одноранговая по протоколу издатель-подписчик. Схематично АКСЭ с ВИЭ представлена на фиг. 3.

Автономная комбинированная система электроснабжения с возобновляемыми источниками электроэнергии и частотно-фазовым регулированием гибкости, включающая источники электрической энергии, системы накопления и хранения электрической энергии, системы подключения, системы распределения, системы управления, электроприемные установки, системы преобразования электрической энергии и опорные терминалы с гибкой связью, содержит, по меньшей мере, два возобновляемых источника энергии (1), представляющих собой ветроэнергетические или фотоэнергетические установки, подключенные на сборную шину переменного тока (2), которая секционирована под каждый возобновляемый источник электрической энергии, с подключенными опорными терминалами с гибкой связью (6) в составе вольтодобавочного фазового регулятора (5) для соединения секций между собой и управления потоками мощности между ними, двунаправленных силовых электронных преобразователей (3), работающих по концепции виртуальных синхронных генераторов с подключенными накопителями электрической энергии (4) для поддержания напряжения и частоты на каждой секции сборной шины, активным выпрямителем (8) для подключения других известных источников электрической энергии (7) и электроприемные установки (нагрузка) (9).

Автономная комбинированная система электроснабжения с возобновляемыми источниками электроэнергии и частотно-фазовым регулированием гибкости работает следующим образом.

Возобновляемые источники энергии (1) находясь в своих оптимальных рабочих точках в зависимости от ветрового потока выдают максимально возможную электрическую мощность на сборную шину переменного тока (2), секционированную под каждый возобновляемый источник электрической энергии. Соединение секций сборной шины (2) между собой с поддержанием статической и динамической устойчивости на каждой секции обеспечивается опорным терминалом с гибкой связью (6), включающим в себя: вольтодобавочный фазовый регулятор (5), накопитель электрической энергии (4), двунаправленный силовой электронный преобразователь (3) и активный выпрямитель (8). Другие известные источники электрической энергии (7), подключенные через активный выпрямитель (8) опорного терминала с гибкой связью (6) к секциям сборной шины переменного тока (2) выдают электрическую мощность для отбора электроприемными установками (нагрузкой) (9). Статическую и динамическую устойчивость на каждой секции сборной шины (2) обеспечивают накопители электрической энергии (4), формирующие на них напряжение и частоту через двунаправленные силовые электронные преобразователи (3). При этом состояние заряда/разряда накопителей электрической энергии (4) характеризует избыток мощности в системе или дефицит. С учетом широкого спектра колебания скорости ветра и в целом не стационарного характера работы возобновляемых источников энергии (1), накопители электрической энергии (4) в связке с двунаправленными силовыми электронными преобразователями (3) обеспечивают первичное быстрое регулирование динамического баланса мощности, каждый для своей секции сборной шины (2), тем самым проявляя технологическую адаптивность гибкость, подстраиваясь под работу возобновляемых источников энергии (1). В случае увеличения заряда накопителя электрической энергии (4) на секции сборной шины (2) возникает профицит мощности, поступающей от возобновляемого источника энергии (1), и в противоположной ситуации при разряде накопителя электрической энергии (4) соответственно возникает дефицит мощности, поступающей от возобновляемого источника энергии (1). Для дальнейшего поддержания статической и динамической устойчивости на каждой из секций сборной шины (2) через вольтодобавочный фазовый регулятор (5) осуществляется регулируемый двунаправленный переток мощности. Таким образом секция сборной шины (2), где наблюдается дефицит мощности, получает необходимую мощность с другой секции сборной шины (2) через вольтодобавочный фазовый регулятор (5) и выдает мощность в обратном направлении при возникновении профицита.

Таким образом, архитектура автономной комбинированной системы электроснабжения с возобновляемыми источниками электроэнергии и частотно-фазовым регулированием гибкости отличается тем, что:

сборка системы выполнена на сборной шине переменного тока, секционированной под каждый источник ВИЭ;

соединение секций сборной шины между собой с поддержанием статической и динамической устойчивости на каждой секции обеспечивается опорным терминалом с гибкой связью посредством вольтодобавочного фазового регулирования и первичного регулирования, рассмотренного выше;

напряжение и частота каждой секции сборной шины переменного тока формируется посредством накопителя электрической энергии и двунаправленного силового электронного преобразователя;

первичное регулирование статического и динамического баланса мощности на каждой секции сборной шины переменного тока осуществляется накопителем электрической энергии и корректируется через отслеживание его состояния;

распределенное децентрализованное управление между опорными терминалами с гибкой связью и локальными регуляторами энергетических установок не требует верхнего уровня.

Данное схемотехническое решение по устройству автономных комбинированных систем электроснабжения с возобновляемыми источниками электроэнергии и частотно-фазовым регулированием гибкости обеспечивает максимальный отбор мощности с параллельно работающих возобновляемых источников энергии без их выхода из оптимальных режимов работы, а также позволяет разворачивать и свободно масштабировать подобные системы, с поддержанием оптимальных режимов работы всех энергетических установок, статической и динамической устойчивости системы, повышает надежность и управляемость систем в системе.

Изобретение относится к области электроэнергетики. Технический результат заключается в повышении надежности, управляемости системы и эффективности отбора максимальной мощности от возобновляемых источников электроэнергии. Технический результат достигается за счет того, что автономная комбинированная система электроснабжения (АКСЭ) с возобновляемыми источниками электроэнергии (ВИЭ) и частотно-фазовым регулированием гибкости содержит сборную шину переменного тока (2), секционированную под каждый ВИЭ, к которой подключены возобновляемые источники электроэнергии (1), и опорные терминалы с гибкой связью (6). Терминалы 6 содержат вольтодобавочные фазовые регуляторы (5) для соединения секций между собой и управления потоками мощности между ними, двунаправленные силовые электронные преобразователи (3), работающие по концепции виртуального синхронного генератора с подключенными накопителями электрической энергии (4) для поддержания напряжения и частоты на каждой секции, и активные выпрямители (8) для подключения других источников электрической энергии (7) и электроприемных установок (нагрузки) (9). 3 ил.

Автономная комбинированная система электроснабжения (АКСЭ) с возобновляемыми источниками электроэнергии (ВИЭ) и частотно-фазовым регулированием гибкости, включающая источники электроэнергии, системы накопления и хранения энергии, системы подключения, системы распределения, системы управления, электроприемные установки, системы преобразования электрической энергии, отличающаяся тем, что с целью повышения эффективности и надежности отбора максимальной мощности ВИЭ в АКСЭ введены опорные терминалы с гибкой связью, обеспечивающие за счет встроенных систем накопления электрической энергии и двунаправленных силовых электронных преобразователей поддержание стабильной частоты и напряжения на сборной шине, секционированной под каждый возобновляемый источник электрической энергии, а за счет вольтодобавочных фазорегулирующих устройств и активных выпрямителей - устойчивость параллельной работы и распределенное децентрализованное управление между опорными терминалами с гибкой связью на секциях сборной шины, не требующее верхнего уровня управления, а также возможность масштабирования АКСЭ.