АВТОНОМНАЯ СТАНЦИЯ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ Российский патент 2025 года по МПК H02K7/20 H02J7/34 

Автономная станция электропитания относится к гибридным энергетическим комплексам и может быть использована для самостоятельного электроснабжения автономного потребителя в полевых условиях, а также как источник бесперебойного резервного электроснабжения.

Из уровня техники, патент на полезную модель №44751 с приоритетом от 05.07.2004 г., известна контейнерная дизель-электростанция, при размещении которой в контейнере силового оборудования совместно с вентилятором и установленном в торцевой стенке контейнера водо-воздушным радиатором, при наличии боковых воздушных впускных окон и выпускного управляемого клапана, отличающаяся тем, что к наружной стороне радиаторной стенки контейнера прикреплен воздушно-перепускной колпак с выпускным управляемым клапаном при наличии на радиаторной стенке впускного в контейнер управляемого клапана.

Из уровня техники, патент на полезную модель №109801 с приоритетом от 27.05.2011 г. Дизельная электростанция, содержащая микроконтроллер, к которому подключены два блока управления, два дизель-генератора и два выключателя, причем вход каждого дизель-генератора соединен со своим блоком управления, а выход каждого дизельгенератора связан с соответствующим выключателем, выходы которых подключены к шине дизельной электростанции, отличающаяся тем, что в нее дополнительно введен блок прогнозирования нагрузки дизельной электростанции по температуре окружающей среды, вход которого подключен к датчику температуры, а выход связан с микроконтроллером.

Но данные электростанции не позволяют накапливать электрическую энергию, снижать удельное потребление топлива и покрывать пики нагрузочного режима.

Самым близким по своей технической сущности является гибридный энергетический комплекс, описанный в патенте №2759192 с приоритетом от 16.03.2021 г., содержащий фотоэлектрический преобразователь, преобразующий световую энергию в электрическую энергию постоянного тока, приводной дизель, механически связанный с аксиальным многофазным бесконтактным синхронным генератором, аккумуляторную батарею, выполненную с возможностью соединения через выпрямитель с выходом аксиального многофазного бесконтактного синхронного генератора и имеющую возможность подключения к потребителям постоянного тока и через инвертор к потребителям переменного тока, тепловой преобразователь, трехвходовую аксиальную генераторную установку, механически связанную с приводным дизелем и имеющую механический, световой и тепловой входы, при этом выход фотоэлектрического преобразователя соединен со световым входом трехвходовой аксиальной генераторной установки, при этом аккумуляторная батарея выполнена с возможностью подключения через выпрямитель к выходу трехвходовую, а приводной дизель сообщен с блоком утилизации тепла, отличающийся тем, что дополнительно содержит солнечную тепловую панель, холодильный аппарат, преобразователь «тепло-холод» и тепловой аккумулятор, выполненный с первым и вторым входами и первым и вторым выходами, при этом его первый вход подключен к солнечной тепловой панели, а его второй вход подключен к выходу блока утилизации тепла, его первый выход выполнен с возможностью подключения к потребителям тепловой энергии, а его второй выход подключен ко входу преобразователя «тепло-холод», выход которого выполнен с возможностью подключения к потребителям холода, при этом аксиальная трехвходовая генераторная установка выполнена вертикально-осевой, а выход теплового преобразователя подключен к тепловому входу вертикально-осевой трехвходовой аксиальной генераторной установки, при этом вход холодильного аппарата выполнен с возможностью подключения к выходу вертикально-осевой трехвходовой аксиальной генераторной установки, аксиального многофазного бесконтактного синхронного генератора и инвертора, а выход выполнен с возможностью подключения к потребителям холода.

Но данный энергетический комплекс не позволяет получать энергию для электроснабжения объектов круглосуточно и независимо от погодных условий. Кроме того, объекты могут находиться в местности, где скорость ветра минимальна, а солнечная инсоляция не может обеспечить достаточную выработку электроэнергии, - это значит, что данная установка неэффективна для обеспечения бесперебойного энергоснабжения на основе возобновляемых источников энергии. Для обеспечения необходимой нагрузки с помощью предложенной установки требуются большие размеры солнечных батарей, что указывает на сложность транспортировки к устьям скважин, а также установки.

Техническая проблема, решаемая созданием заявленного изобретения, состоит в создании автономной дистанционно-управляемой станции электропитания, обеспечивающей бесперебойное энергоснабжение оборудования, необходимого для осуществления производственных и бытовых нужд передвижных бригад, производящих текущий и капитальный ремонт нефтяных и газовых скважин (ТКРС).

Техническим результатом заявленного изобретения является обеспечение автономного бесперебойного энергоснабжения объектов в полевых условиях.

Указанный технический результат достигается за счет того, что автономная система электропитания содержит контейнер, в котором установлена дизельная электростанция (ДЭС), источник бесперебойного питания (ИБП), аккумуляторные батареи (АКБ), система автоматического пуска ДЭС, резервный бак для топлива, система автоматической дозаправки топлива из резервного бака, карта удаленного управления для ИБП, система удаленного мониторинга ДЭС, система управления батареями (BMS), выпрямительный агрегат зарядно-подзарядный, причем ДЭС подключена к аккумуляторным батареям через выпрямительный агрегат зарядно-подзарядный и также подключена к источнику бесперебойного питания. От источника бесперебойного питания идет подключение к потребителю посредством распределительного щита. Аккумуляторные батареи имеют подключение к источнику бесперебойного питания. В энергоустановке есть система автоматического запуска ДЭС, которая подключена к ИБП и ДЭС. Система автоматической дозаправки топлива подключена к ДЭС. Система управления батареями отправляет сигналы с аккумуляторных батарей на ИБП. Карта удаленного управления ИБП позволяет передавать всю получаемую информацию с устройств гибридной системы в режиме реального времени в диспетчерский пункт. Карта удаленного мониторинга устанавливается в разъем SNMP/HTTP на источнике бесперебойного питания. Благодаря наличию встроенного http-сервера доступ к карте может осуществляться через любой веб-браузер. Все сигналы передаются от устройств (ДЭС, АКБ, топливные датчики) на ИБП посредством контрольного кабеля, а с помощью карты удаленного мониторинга и GSM-модема все данные передаются на пункт диспетчерского персонала. Данная электроустановка способна обеспечивать качественное и бесперебойное электроснабжение оборудования, необходимого для осуществления производственных и бытовых нужд передвижных бригад, производящих текущий и капитальный ремонт скважин ТКРС. Базовой технологией накопителей энергии являются гибридные системы накопления энергии на базе долговременных накопителей систем - аккумуляторов, которые позволяют повысить управляемость, надежность и экономичность функционирования электроснабжения. Под термином «гибрид» подразумевается электротехнический комплекс, сформированный путем комбинирования двух видов компонентов, которые выдают одинаковые или похожие результаты. Для преобразования постоянного тока накопителей энергии в переменный используется источник бесперебойного питания (ИБП). В качестве приемника электрической энергии (нагрузки) выступает потребитель. Генератор - локальная генерирующая установка на основе дизельной электростанции. Автономная станция электропитания состоит из жидкотопливного генератора, аккумуляторной батареи и инвертора (входит в состав ИБП). Инвертор - это устройство для преобразования постоянного тока в переменный с изменением величины напряжения. Обычно представляет собой генератор периодического напряжения, по форме приближенного к синусоиде, или дискретного сигнала. Двусторонний инвертор управляет потоками энергии между дизельным генератором (ДГ), аккумуляторной батарей (АКБ) и нагрузкой. Встроенный в него микропроцессор контролирует нагрузку и зарядный ток аккумуляторов так, что дизель-генератор (ДГ) всегда работает в оптимальном режиме. При использовании накопителей генератор может работать не круглосуточно, а определенное количество времени. В остальное время энергия поступает от аккумуляторных батарей через инвертор. Аккумуляторная батарея заряжается каждый раз, когда запускается генератор. Поэтому генератор работает только тот период времени, который необходим для заряда аккумуляторной батареи. При этом общее количество потребляемой электроэнергии остается на том же уровне, а затраты на потребление топлива снизится за счет уменьшения времени работы генератора, что приводит к снижению потребления топлива, уменьшения удельного потребление топлива вследствие оптимальной загрузки генератора, т.е. количества топлива для выработки одного кВтч электроэнергии. Время питания от заряженных аккумуляторов зависит от графика расхода электроэнергии потребителя. При стабильном максимуме загрузки заряженные аккумуляторные батареи могут работать не менее 6 часов, а при низких нагрузках - до 12-15 часов без подзарядки. Анализ суточного графика нагрузки показал, что электропотребление в течение суток имеет переменный характер и резко меняется, поэтому при низких нагрузках аккумуляторы могут питать нагрузку намного дольше. После проведения необходимых расчетов решено использовать 16 аккумуляторных батарей емкостью 250 А*ч. При стабильном максимуме загрузки заряженные аккумуляторные батареи могут работать не менее 6 часов, а при низких нагрузках - до 12-15 часов без подзарядки. Анализ суточного графика нагрузки показал, что электропотребление передвижных бригад в течение суток резко меняется, т.е. имеет переменный характер, поэтому при низких нагрузках аккумуляторы могут питать нагрузку намного дольше. Дополнительный бак предназначен для резерва топлива и системы автоматической дозаправки ДЭС, которая запускает процесс заправки при обнаружении недостаточного уровня топлива в баке ДЭС. Система автоматической дозаправки топливом состоит из дополнительного бака, основного бака ДЭС, электрического насоса, датчиков уровня топлива в основном и дополнительном баке, электромагнитного обратного клапана, топливоприводы и монтажный комплект. Ручной топливоподкачивающий насос выступает резервным, когда нет электроэнергии. Насос электрический подключается к щиту собственных нужд, посредством топливоприводов (трубки и шланги) подсоединяется к основному баку ДЭС и к дополнительному. Включение насоса может происходить как в автоматическом режиме - путем подачи сигнала от контроллера, расположенного в пульте управления, так и в ручном режиме - посредством включения с кнопки на корпусе насоса. В баке электростанции находятся датчики уровня топлива в количестве 2 штуки (датчик верхнего и нижнего уровней топлива). При понижении уровня топлива в баке ДЭС и срабатывании датчика нижнего уровня топлива включается насос, и открывается клапан. Идет процесс наполнения топливом бака ДЭС. При срабатывании датчика верхнего уровня топлива подается сигнал, отключается насос и обратный клапан. В дополнительном баке находятся 2 датчика верхнего и нижнего уровня для того, чтобы сигнализировать оператора о необходимости привоза топлива. Также внедрен ручной насос, если автоматический выйдет из строя. Использование системы дозаправки топливом обеспечивает продление работы дизельного генератора в автономном режиме. Минимальным показателем для включения системы автоматической дозаправки является 20% топлива (настройка задается контроллером), оставшегося в основном баке. В данном случае контроллер подаст сигнал запуска на топливный насос. Закачка производится до показателя в 80% наполненности основного топливного бака равномерно и под одинаковым давлением. Система удаленного мониторинга и управления дизельной электростанцией (ДЭС) позволяет оператору дистанционно контролировать все параметры ДЭС, производить ее запуск/остановку и выполнять другие функции, поддерживаемые пультом управления ДЭС. Все параметры ДЭС передаются на АРМ диспетчерского персонала посредством канала RS232, расположенного в станции управления ДЭС, и карты удаленного мониторинга через GSM-модем. Устанавливаются 2 SIM-карты - на объекте и у оператора. Дальность передачи данных не ограничена. Выпрямительный агрегат зарядный, подзарядный предназначен для преобразования трехфазного переменного тока частоты 50 Гц напряжением 380 В или 220 В в постоянный ток для заряда аккумуляторной батареи (АБ). В автоматическом режиме выпрямитель обеспечивает три вида заряда: трехступенчатый заряд АБ (ступень ограничения начального тока заряда (стабилизация тока), ступень ограничения напряжения (поддерживающий заряд), ступень термокомпенсированной стабилизации напряжения (последнее - при наличии датчика температуры)), уравнительный заряд АБ и двухступенчатый режим стабилизации тока. ВАЗП выполняет функции не только преобразования тока и заряда аккумуляторных батарей, но и функции защит от ударов молнии и переходных процессов, короткого замыкания (максимальный ток короткого замыкания не будет превышать 105% расчетного тока при полной нагрузке), пониженного входного напряжения (отключается выпрямительный модуль, когда присутствует низкое входное напряжение), перегрузки (максимальный выходной ток ограничивается постоянным значением), и превышения температуры (выпрямитель ограничивает выходную мощность и ток). Система управления батареями (BMS) проводит мониторинг состояния батарей и при падении заряда во всех АКБ до минимального заданного значения (40%) подает сигнал о разрядке АКБ в ИБП. В свою очередь источник бесперебойного питания направляет сигнал в систему автоматического пуска генератора (САП), который запускает ДЭС автоматически. При этом ДЭС начинает работать на питание потребителя и параллельно на заряд аккумуляторных батарей. При полном заряде батареи поступает сигнал в ИБП, и он подает команду на отключение ДЭС, а далее уже АКБ начинают «питать» потребителя.

Суть технического решения поясняется схемой, где на фиг. 1 изображена схема подключения оборудования, находящегося в контейнере. Система дозаправки, дизельная электростанция (ДЭС), система автоматического пуска генератора (САП ДЭС), выпрямительный агрегат зарядно-подзарядный (ВАЗП), аккумуляторные батареи (АКБ), источник бесперебойного питания (ИБП), распределительный щит потребителя (РЩ).

Автономная станция электропитания работает следующим образом. Сначала электроснабжение потребителя электроэнергией осуществляется от заряженных аккумуляторных батарей. Далее при падении заряда в аккумуляторных батареях до минимального заданного значения (40%) сигнал поступает в инвертор, от него направляется сигнал в систему автоматического пуска генератора (САП), которая и запускает ДЭС автоматически. При этом ДЭС начинает работать на снабжение потребителя и параллельно на заряд аккумуляторных батарей. При полном заряде батареи поступает сигнал в ИБП, он подает команду на отключение ДЭС, и АКБ вновь начинают «питать» потребителя. Также на случай форс-мажорных обстоятельств в данной установке предусмотрено резервное энергоснабжение напрямую от ДЭС к потребителю. При обнаружении недостаточного уровня топлива в баке ДЭС система автоматической дозаправки ДЭС запускает процесс заправки из дополнительного бака для резерва топлива. Использование системы дозаправки топливом обеспечивает продление работы дизельного генератора в автономном режиме. Система удаленного мониторинга и управления дизельной электростанцией (ДЭС) позволяет оператору дистанционно контролировать все параметры ДЭС, производить ее запуск/остановку и выполнять другие функции, поддерживаемые пультом управления ДЭС. С помощью систем мониторинга обеспечивается автономность и исключается необходимость постоянного нахождения человека для обслуживания ДЭС. В результате использования заявленной автономной станции электропитания осуществляется эффективный расход топлива, сокращаются затраты на выработку электроэнергии, уменьшается загрязнение окружающей среды, снижаются расходы на обслуживание электростанции.

Изобретение относится к автономной станции электропитания. Техническим результатом заявленного изобретения является обеспечение автономного бесперебойного энергоснабжения объектов в полевых условиях. Указанный технический результат достигается за счет того, что автономная система электропитания содержит контейнер, в котором установлена дизельная электростанция (ДЭС), источник бесперебойного питания (ИБП), аккумуляторные батареи (АКБ). Также установлена система автоматического пуска ДЭС (САП ДЭС), резервный бак для топлива, система автоматической дозаправки топлива из резервного бака, карта удаленного управления для ИБП, система удаленного мониторинга ДЭС, система управления батареями (BMS), выпрямительный агрегат зарядно-подзарядный, причем ДЭС подключена к аккумуляторным батареям через выпрямительный агрегат зарядно-подзарядный и также подключена к источнику бесперебойного питания. От источника бесперебойного питания идет подключение к потребителю посредством распределительного щита, аккумуляторные батареи имеют подключение к источнику бесперебойного питания. Система автоматического запуска ДЭС подключена к ИБП и ДЭС, а система автоматической дозаправки топлива подключена к ДЭС, при этом система управления батареями позволят отправлять сигналы с аккумуляторных батарей на ИБП. Карта удаленного управления ИБП позволяет передавать всю получаемую информацию с автономной станции электропитания в режиме реального времени в диспетчерский пункт. 1 ил.

Автономная система электропитания, содержащая контейнер, в котором установлена дизельная электростанция (ДЭС), источник бесперебойного питания (ИБП), аккумуляторные батареи (АКБ), отличающаяся тем, что дополнительно установлена система автоматического пуска ДЭС (САП ДЭС), резервный бак для топлива, система автоматической дозаправки топлива из резервного бака, карта удаленного управления для ИБП, система удаленного мониторинга ДЭС, система управления батареями (BMS), выпрямительный агрегат зарядно-подзарядный, причем ДЭС подключена к аккумуляторным батареям через выпрямительный агрегат зарядно-подзарядный и также подключена к источнику бесперебойного питания, от источника бесперебойного питания идет подключение к потребителю посредством распределительного щита, аккумуляторные батареи имеют подключение к источнику бесперебойного питания, система автоматического запуска ДЭС подключена к ИБП и ДЭС, а система автоматической дозаправки топлива подключена к ДЭС, при этом система управления позволят отправлять сигналы с аккумуляторных батарей на ИБП, а карта удаленного управления ИБП позволяет передавать всю получаемую информацию с автономной станции электропитания в режиме реального времени в диспетчерский пункт.