Способ управления автономной системой электропитания Российский патент 2025 года по МПК H02J3/12 G05F1/66 

Изобретение относится к области электротехники, в частности к автоматическому управлению автономной энергоустановкой (АЭУ), к электрическому генератору которой подключаются потребители. При этом электрическая мощность АЭУ обычно равна или несколько превышает суммарную мощность ее потребителей.

Известны способы управления несколькими турбогенераторами, работающими в режиме следования за нагрузкой, с подключенной параллельно силовой внешней сетью, когда доля питания от силовой сети поддерживается на нулевом уровне при стационарных по мощности режимах работы [патенты US 6664653 B1 кл. F02N 11/06; US 7122916 В2 кл. H02J 3/04]. Силовая внешняя сеть служит буфером, компенсирующим недостаток мощности при переходных процессах подключения потребителей. Однако при отключении потребителей возникает обратный переток мощности в силовую внешнюю сеть, который при определенных условиях приводит к неустойчивой работе всей системы электроснабжения в целом.

Известен способ управления турбогенераторами АЭУ, работающими полностью изолированно от силовой внешней сети, являющийся прототипом [патент RU 2479908 кл. H02J 3/46]. В режиме работы изолированно от внешней силовой сети при формировании управляющего воздействия используют сигнал запроса на подключение одного или нескольких подключаемых потребителей и формируют сигнал на подключение балластных сопротивлений со скоростью не более заданного значения, при равенстве мощности на балластных сопротивлениях и добавочной мощности производят отключение балластных сопротивлений и подключение потребителей. Во многих типа АЭУ (установки на термодинамических циклах Брайтона, Стирлинга, Ренкина с нагревателем - ядерным реактором, термоэмиссионные ядерные установки и пр.) изменение мощности происходит, начиная с некоторого начального значения мощности источника питания. В противном случае происходит резкое изменение параметров турбины и электрогенератора.

Поэтому определение добавочной мощности как значение мощностей подключаемых потребителей непригодно. Также плавное подключение балластных сопротивлений (типа реостата) предполагает значительные времена при изменении величины электросопротивления и мощности балластной нагрузки. А для АЭУ с ядерным реактором, у которых изменение мощности происходит с большой постоянной времени, значительно превышающей длительность процесса электрической коммутации, необходимо иметь быстродействующие системы, заменяющие собой отключаемые потребители и поглощающие избыточную мощность турбогенераторного источника питания. В противном случае происходит резкое увеличение скорости вращения турбины и электрогенератора.

А для предотвращения ядерной аварии реактора должна быть предусмотрена утилизация всей электрической мощности источника питания АЭУ на длительный период времени. Имеет значение и точность регулирования мощности во всем диапазоне изменения мощности АЭУ от минимальной до номинальной.

Техническим результатом заявленного изобретения является учет начальной мощности источника питания АЭУ и обеспечение быстродействия управления.

Указанный технический результат достигается следующим образом. Способ управления автономной системой электропитания, содержащей регулируемый источник питания, балластную нагрузку и потребитель, заключающийся в подключении, отключении и регулировании балластной нагрузки, содержащей секции нагрузочных резисторов. При этом регулирование мощности источника питания производят при подключенной балластной нагрузке до значения Р_п=P_o+Р, где Р_п - мощность потребителя, P_o - начальная мощность источника питания, Р -регулируемая мощность источника питания. Увеличивают или уменьшают регулируемую мощность источника питания, регулируя балластную нагрузку путем коммутации секций нагрузочных резисторов и применяя шаговую величину изменения мощности балластной нагрузки, равную и коммутируя различные комбинации параллельно включаемых секций нагрузочных резисторов из ряда где Р_бн - мощность балластной нагрузки, Р_ип - мощность источника питания, P_i - мощность i-ой секции нагрузочных резисторов в балластной нагрузке, n - количество секций нагрузочных резисторов в балластной нагрузке, и переключают источник питания на потребитель при достижении условия Р_бн=Р_п=Р_о+Р.

Отключают потребитель планово или при аварии, подключая к источнику питания балластную нагрузку с одновременной коммутацией соответствующей комбинации секций нагрузочных резисторов из вышеназванного ряда равной отключаемому потребителю мощностью.

Источник питания переводят в режим начальной мощности, отключая потребитель и подключая к источнику питания балластную нагрузку с одновременной коммутацией соответствующей комбинации секций нагрузочных резисторов из вышеназванного ряда равной отключаемому потребителю мощностью, и уменьшают регулируемую мощность источника питания, применяя шаговую величину изменения мощности балластной нагрузки, равную Р_ип/2ⁿ, и коммутируя различные комбинации включаемых секций нагрузочных резисторов из ряда до достижения условия Р_бн=P_o.

При необходимости подключают поочередно еще один потребитель или сразу группу потребителей или сразу все потребители, выполняя условие где - мощность j-го потребителя, m - количество подключаемых потребителей. Мощность балластной нагрузки выбирают превышающей мощность источника питания.

Действительно, в заявляемом изобретении учитывают начальную мощность источника питания, так как регулирование мощности источника питания производят при подключенной балластной нагрузке до значения Р_п=P_o+Р.

Регулируемую мощность источника питания Р увеличивают до достижения значения мощности подключаемого потребителя Р_п на балластной нагрузке, применяя шаговую величину изменения мощности балластной нагрузки, равную величине первого элемента и коммутируя различные комбинации параллельно включаемых секций нагрузочных резисторов из ряда и переключают источник питания на потребитель при достижении условия Р_бн=Р_п=P_o+Р.

Количество секций нагрузочных резисторов в используемом ряду определяет точность задания мощности балластной нагрузки при регулировании, которая равна шаговой величине изменения мощности балластной нагрузки Р₁.

Регулируемую мощность источника питания Р уменьшают после отключения потребителя и подключения к источнику питания одновременной коммутацией соответствующей комбинации секций нагрузочных резисторов из вышеназванного ряда равной отключаемому потребителю мощностью. Регулируемую мощность источника питания Р уменьшают до достижения пониженного значения мощности на балластной нагрузке, равной требуемой пониженной мощности потребителя Р_п, применяя шаговую величину изменения регулируемой мощности балластной нагрузки, равную Р_ип/2ⁿ, и коммутируя различные комбинации параллельно включаемых секций нагрузочных резисторов из ряда и переключают источник питания на потребитель при достижении условия Р_бн=Р_п=Р_о+Р.

При возникновении аварии в каком-либо потребителе или при плановом отключении его от источника питания равное значение мощности балластной нагрузки подключают к источнику питания посредством одновременной коммутации соответствующей комбинации секций нагрузочных резисторов из вышеописанного ряда равной отключаемому потребителю мощностью.

Одновременная коммутация комбинации параллельно включаемых секций нагрузочных резисторов обеспечивает быстродействие управления для любого значения мощности от минимальной до максимальной. При этом сумма мощностей всех секций нагрузочных резисторов равна или превышает мощность источника питания.

Отключают потребитель планово или при аварии, подключая к источнику питания балластную нагрузку с одновременной коммутацией соответствующей комбинации секций нагрузочных резисторов из вышеназванного ряда равной отключаемому потребителю мощностью.

Переводят источник питания в режим начальной мощности, отключая потребитель и подключая к источнику питания балластную нагрузку с одновременной коммутацией соответствующей комбинации секций нагрузочных резисторов из вышеназванного ряда равной отключаемому потребителю мощностью, и уменьшают регулируемую мощность источника питания, применяя шаговую величину изменения мощности балластной нагрузки, равную Р_ип/2^п, и коммутируя различные комбинации включаемых секций нагрузочных резисторов из ряда до достижения условия Р_бн=Р_о.

При нескольких потребителях в АЭУ подключают поочередно еще один потребитель или сразу группу потребителей или сразу все потребители. При этом выполняют условие где - мощность j-го потребителя, m - количество подключаемых потребителей.

Сумма мощностей всех секций нагрузочных резисторов равна мощности балластной нагрузки, которую выбирают превышающей (обычно на 5…10%) мощность источника питания.

Одновременная коммутация - подключение потребителей и отключение соответствующей комбинации секций нагрузочных резисторов и обратная операция - обеспечивают быстродействие управления и отсутствие избыточной электрической мощности в электрогенераторе, обеспечивают стабильность рабочего процесса в источнике питания - газотурбинном замкнутом контуре цикла Брайтона с нагревателем - ядерным реактором. При этом режимы изменения мощности источника питания происходят значительно медленнее, чем коммутация потребителей, например:

- подключение потребителей при отключении равной мощности балластной нагрузки, набираемой при предварительном медленном увеличении мощности источника питания - газового контура с турбиной и ядерным реактором;

- отключение потребителей при подключении равной мощности балластной нагрузки и медленное уменьшение мощности источника питания при параллельном уменьшении мощности подключенной балластной нагрузки с дальнейшим переключением источника питания на потребители для работы на режиме пониженной мощности;

- перевод АЭУ в режим начальной мощности источника питания - отключение потребителей при подключении равной мощности балластной нагрузки и медленное уменьшение мощности источника питания до значения Р_о при параллельном уменьшении мощности подключенной балластной нагрузки.

Изменение мощности источника питания происходит при изменении его рабочих параметров: давления газа внутри контура, температуры разогрева газа в реакторе. Экспериментальная модель с заменой ядерного реактора на омический нагреватель создана на стенде предприятия для изучения процессов в АЭУ.

Пример реализации способа

Для заданной мощности Р_ип и выбранной точности регулирования Р₁ заранее подобраны номиналы мощностей секций нагрузочных резисторов таким образом, что каждая последующая секция вдвое превосходит предыдущую по мощности секцию, т.е. Р₂=2Р₁, Р₃=2Р₂ и т.д. до достижения мощности около 0,5Р_ип. При этом сумма мощностей всех секций балластной нагрузки несколько превысит Р_ип.

Например, при Р_ип=100 кВт и точности регулирования 100 Вт (что составляет 0,1% Р_ип) имеем Р₁=0,1 кВт; Р₂=0,2 кВт; Р₃=0,4 кВт; Р₄=0,8 кВт; Р₅=1,6 кВт; Р₆=3,2 кВт; Р₇=6,4 кВт; Р₈=12,8 кВт; Р₉=25,6 кВт; Р₁₀=51,2 кВт.

Одновременная коммутация параллельно включенных всех секций дает значение балластной нагрузки Р_бн=102,3 кВт. Одновременная коммутация параллельно включенных всех секций без секций №1, 2, 3, 5 дает значение мощности Р_бн, равной мощности источника питания Р_ип=100 кВт.

Любое значение мощности балластной нагрузки в процессе управления АЭУ подключается к источнику питания одновременной коммутацией параллельно включаемых секций нагрузочных резисторов. Например, Р_бн=84 кВт реализуется при коммутации секций №4, 7, 9, 10; Р_бн=37 кВт - секций №2, 5, 6, 7, 9 и т.д. Комбинации одновременно включаемых секций нагрузочных резисторов для значения мощностей Р₀ и известных потребителей заранее определены.

Одновременная коммутация параллельно подключаемых требуемых секций нагрузочных резисторов обеспечивает быстродействие заявляемого способа управления АЭУ.

Увеличение мощности балластной нагрузки Р_бн с шагом Р₁ происходит при последовательном переборе и сложении одновременно подключаемых секций по №: 1, 2, 1+2, 3, 3+1, 3+2, 3+1+2, 4 и т.д., что соответствует увеличению мощности балластной нагрузки 0,1 кВт - 0,2 - 0,3 - 0,4 - 0,5 - 0,6 - 0,7 - 0,8 кВт и т.д.

Уменьшение мощности Р_бн происходит при последовательном переборе и вычитании одновременно отключаемых секций по №, начиная с некоторого значения Р_бн=Р_п.

В общем виде способ управления АЭУ записывается текстом п. 1 формулы изобретения.

Изобретение относится к области электротехники, в частности к автоматическому управлению автономной энергоустановкой (АЭУ), к электрическому генератору которой подключаются потребители. При этом электрическая мощность АЭУ обычно равна или несколько превышает суммарную мощность ее потребителей. Техническим результатом заявленного изобретения является учет начальной мощности источника питания АЭУ и обеспечение быстродействия управления. Технический результат достигается за счет того, что способ управления автономной системой электропитания, которая содержит регулируемый источник питания, балластную нагрузку и потребителя, заключается в подключении, отключении и регулировании балластной нагрузки, содержащей секции нагрузочных резисторов. При этом регулирование мощности источника питания производят при подключенной балластной нагрузки до значения Р_п=Р_о+Р, где Р_п - мощность потребителя, Р_о - начальная мощность источника питания, Р - регулируемая мощность источника питания. Увеличивают или уменьшают регулируемую мощность источника питания, регулируя балластную нагрузку путем коммутации секций нагрузочных резисторов и применяя шаговую величину изменения мощности балластной нагрузки, равную Р_ип/2ⁿ, и коммутируя различные комбинации параллельно включаемых секций нагрузочных резисторов из ряда где Р_бн - мощность балластной нагрузки, Р_ип - мощность источника питания, P_i - мощность i-ой секции нагрузочных резисторов в балластной нагрузке, n - количество секций нагрузочных резисторов в балластной нагрузке, и переключают источник питания на потребитель при достижении условия Р_бн=Р_п=P_o+Р. 4 з.п. ф-лы.

1. Способ управления автономной системой электропитания, содержащей регулируемый источник питания, балластную нагрузку и потребитель, заключающийся в подключении, отключении и регулировании балластной нагрузки, содержащей секции нагрузочных резисторов, отличающийся тем, что производят регулирование мощности источника питания при подключенной балластной нагрузке до значения Р_п=P_o+Р, где Р_п - мощность потребителя, P_o - начальная мощность источника питания, Р - регулируемая мощность источника питания, при этом увеличивают или уменьшают регулируемую мощность источника питания, регулируя балластную нагрузку путем коммутации секций нагрузочных резисторов и применяя шаговую величину изменения мощности балластной нагрузки, равную Р_ип/2ⁿ, и коммутируя различные комбинации параллельно включаемых секций нагрузочных резисторов из ряда , где P_бн - мощность балластной нагрузки, Р_ип - мощность источника питания, P_i - мощность i-ой секции нагрузочных резисторов в балластной нагрузке, n - количество секций нагрузочных резисторов в балластной нагрузке, и переключают источник питания на потребитель при достижении условия P_бн=P_п=P_o+Р.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что отключают потребитель планово или при аварии, подключая к источнику питания балластную нагрузку с одновременной коммутацией соответствующей комбинации секций нагрузочных резисторов из вышеназванного ряда равной отключаемому потребителю мощностью.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что переводят источник питания в режим начальной мощности, отключая потребитель и подключая к источнику питания балластную нагрузку с одновременной коммутацией соответствующей комбинации секций нагрузочных резисторов из вышеназванного ряда, равной отключаемому потребителю мощностью, и уменьшают регулируемую мощность источника питания, применяя шаговую величину изменения мощности балластной нагрузки, равную Р_ип/2^п, и коммутируя различные комбинации включаемых секций нагрузочных резисторов из ряда до достижения условия Р_бн=P_o.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что подключают поочередно еще один потребитель, или сразу группу потребителей, или сразу все потребители, выполняя условие , где - мощность j-го потребителя, m - количество подключаемых потребителей.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что мощность балластной нагрузки выбирают превышающей мощность источника питания.