Устройство бесперебойного электроснабжения потребителей электроэнергетической системы, работающей на нестабильных источниках энергии
Владельцы патента RU 2304836:
ОТКРЫТОЕ АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО "ГОСУДАРСТВЕННОЕ МАШИНОСТРОИТЕЛЬНОЕ КОНСТРУКТОРСКОЕ БЮРО "РАДУГА" ИМЕНИ А.Я. БЕРЕЗНЯКА" (RU)
Изобретение относится к области электроэнергетики, в частности к области электроснабжения потребителей, подключенных к электроэнергетической системе, работающей на нестабильных возобновляемых источниках энергии (ветро-, гидро-, фото- и т.п. электрические станции). Предлагаемым устройством решается техническая задача повышения надежности электроснабжения потребителя и уменьшения числа преобразований электроэнергии при сохранении высокого коэффициента использования энергии. Для достижения технического результата устройство бесперебойного электроснабжения потребителей электроэнергетической системы содержит нестабильный источник энергии с генератором переменного тока, соединенным с сетью потребителя промышленной частоты посредством ключа, управляемого пороговым устройством, дизельный двигатель, который снабжен устройством автоматического включения, входом соединенным с выходом контроллера заряда аккумуляторной батареи, и который через обгонную муфту соединен с синхронной электромашиной, подключенной к сети потребителя, при этом на один вал с синхронной электромашиной подключен двигатель постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов, якорем подключенный к 4-квадрантному широтно-импульсному преобразователю, выход которого соединен с аккумуляторной батареей, а управляющий вход которого соединен с выходом фазочувствительного выпрямителя, один вход которого соединен с выходом задающего генератора промышленной частоты, а другой вход соединен с выходом датчика частоты сети потребителя. 1 ил.
Изобретение относится к электроэнергетике, в частности к области электроснабжения потребителей, подключенных к электроэнергетической системе, работающей на нестабильных возобновляемых источниках энергии (ветро-, гидро-, фото- и т.п. электрические станции).
Известно принятое за прототип устройство бесперебойного электроснабжения потребителей электроэнергетической системы, работающей на нестабильных источниках энергии, - патент РФ №2208890, содержащее нестабильный источник энергии с генератором переменного тока, выходом подключенного к выпрямителю, выход которого соединен последовательно с «вольтдобавкой», вход питания которой соединен с выходом широтно-импульсного преобразователя, входная диагональ которого подключена к аккумуляторной батарее, а общий выход выпрямителя и вольтдобавки подключен через стабилизатор к нагрузке и к аккумулятору так, что вход и выход «вольтдобавки» гальванически развязаны через трансформатор широтно-импульсного преобразователя, который включен в выходную диагональ широтно-импульсного преобразователя. В качестве нагрузки может выступать инвертор, если потребитель использует энергию переменного тока промышленной сети.
Общими существенными признаками прототипа, совпадающими с существенными признаками предлагаемого устройства, являются наличие нестабильного источника энергии с генератором переменного тока, широтно-импульсного преобразователя с питанием от аккумуляторной батареи.
Известное устройство бесперебойного электроснабжения потребителей электроэнергетической системы, работающей на нестабильных источниках энергии, позволяет использовать практически весь диапазон энергии, производимой нестабильным источником, однако в случае продолжительного отсутствия, например ветровой энергии, могут возникать перебои с питанием потребителя, а, кроме того, в известном устройстве происходит двойное преобразование энергии переменного тока в энергию постоянного тока и затем наоборот, что существенно усложняет и удорожает устройство, поскольку требуется инвертор, цена которого составляет до 10% стоимости всей системы.
Предлагаемым устройством решается техническая задача повышения надежности электроснабжения потребителя и уменьшения числа преобразований электроэнергии при сохранении высокого коэффициента использования энергии.
Для решения данной технической задачи устройство бесперебойного электроснабжения потребителей электроэнергетической системы содержит нестабильный источник энергии с генератором переменного тока, соединенным с сетью потребителя промышленной частоты посредством ключа, управляемого пороговым устройством, дизельный двигатель, который снабжен устройством автоматического включения, входом соединенным с выходом контроллера заряда аккумуляторной батареи, и который через обгонную муфту соединен с синхронной электромашиной, подключенной к сети потребителя, при этом на один вал с синхронной электромашиной подключен двигатель постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов, якорем подключенный к 4-квадрантному широтно-импульсному преобразователю, выход которого соединен с аккумуляторной батареей, а управляющий вход которого соединен с выходом фазочувствительного выпрямителя, один вход которого соединен с выходом задающего генератора промышленной частоты, а другой вход соединен с выходом датчика частоты сети потребителя.
Отличительными признаками предлагаемого устройства являются подключение нестабильного источника энергии с генератором переменного тока посредством ключа, управляемого пороговым устройством, наличие дизельного двигателя, который снабжен устройством автоматического включения, входом соединенным с выходом контроллера заряда аккумуляторной батареи, и который через обгонную муфту соединен с дополнительно введенной синхронной электромашиной, подключенной к сети потребителя, при этом на один вал с синхронной электромашиной подключен дополнительно введенный двигатель постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов, якорем подключенный к 4-квадрантному широтно-импульсному преобразователю, выполненному 4-квадрантным; выход широтно-импульсного преобразователя соединен с аккумуляторной батареей, а управляющий вход соединен с выходом фазочувствительного выпрямителя, один вход которого соединен с выходом задающего генератора промышленной частоты, а другой вход соединен с выходом датчика частоты сети потребителя. Фазочувствительный выпрямитель, задающий генератор промышленной частоты и датчик сети потребителя также введены дополнительно.
Предложенные технические решения могут найти применение в энергетике для бесперебойного электроснабжения ответственных потребителей, подключенных к электроэнергетической системе, работающей на нестабильных возобновляемых источниках энергии (ветро-, гидро-, фото- и т.п. электрические станции).
Предлагаемое техническое решение поясняется схемой. На схеме изображено. Нестабильный источник энергии - ветроэнергетическая установка (ВЭУ) 1 с генератором переменного тока 2, соединен с сетью промышленной частоты (трехфазной) потребителя 3 посредством ключа 4, управляемого пороговым устройством 5. Дизельный двигатель 6, который снабжен устройством автоматического включения (на схеме не обозначено), входом соединенным с выходом контроллера заряда 7 аккумулятора 8, и который через обгонную муфту 9 соединен с синхронной электромашиной 10, подключенной к сети потребителя 3. При этом на один вал с синхронной электромашиной 10 подключен двигатель постоянного тока 11 с возбуждением от постоянных магнитов, якорем подключенный к 4-квадрантному широтно-импульсному преобразователю 12, выход которого соединен с аккумулятом 8, а управляющий вход которого соединен с выходом фазочувствительного выпрямителя 13, один вход которого соединен с выходом задающего генератора промышленной частоты 14, а другой вход соединен с выходом датчика частоты сети 15 потребителя 3.
Описание работы предлагаемого устройства удобнее вести для трех режимов.
1. Энергия ветра больше номинальной мощности.
2. Энергия ветра отсутствует (ВЭУ не вырабатывает электроэнергии).
3. Энергия ветра меньше номинальной мощности.
1-й режим. В этом режиме при избыточной энергии ветра избыточная мощность, вырабатываемая генератором переменного тока 2, поступает в сеть потребителя 3, при этом синхронная электромашина 10 переводится в режим двигателя, созданием на ее валу момента Мг. Возникающий при этом электромагнитный момент равен противодействующему тормозному моменту на валу синхронной электромашины 10 Мэ.м.=Мторм. Данный тормозной момент реализуется двигателем постоянного тока 11. В данном режиме ключ 4 открыт всегда. Двигатель 11 в этом режиме через широтно-импульсный преобразователь 12 подключен к аккумулятору 8 так, что обеспечивает рекуперативный режим между двигателем 11 и аккумулятором 8. Т.е. энергия с двигателя 11 идет в аккумулятор 8, заряжая последний, а ток заряда регулируется из условия поддержания частоты сети. При этом частота сети измеряется датчиком частоты сети 15 и сравнивается с частотой задающего генератора 14 на фазочувствительном преобразователе 13, выход которого управляет широтно-импульсным преобразователем 12 так, что при увеличении частоты сети увеличивается ток заряда аккумулятора 8. Больший зарядный ток, который генерируется двигателем 11, находящимся в режиме «генератора», создает больший момент на его валу, а значит и на валу синхронной электромашины 10, тем самым изменяя ее угол между напряжением и током. За счет изменения угла между током и напряжением в сети будет уменьшаться частота согласно уравнению синхронной машины 10.
где f - частота сети,
p - число полюсов,
i - ток в обмотке,
U - напряжение в сети,
X - реактивное сопротивление обмотоки,
М - момент электромагнитный,
θ - угол между Е и U,
где Е - э.д.с. генератора.
Здесь описано векторное регулирование частоты сети. Чтобы оно реализовалось, необходимо выбирать электрическую машину 10 мощностью большей номинальной мощности генератора переменного тока 2 ВЭУ 1. Для других случаев это «нонсенс», но для случая бесперебойного питания ответственных потребителей, когда резервный источник на случай отсутствия ветра выбирается из этих условий, и «нонсенс» исчезает.
При увеличении тормозного момента на валу синхронной электромашины 10 ротор машины замедляет частоту своего вращения и значение Θ начинает возрастать, что приводит к увеличению электромагнитного момента, а значит и потребление из сети машиной 10 увеличивается. Т.е. при увеличении энергии ветра автоматически растет потребление независимо от ответственного потребителя 11. При этом обгонная муфта 9 дизеля 6 размыкает его вал от синхронной электромашины 10 и дизеля 6, который выключен и не оказывает влияния на работу системы.
2-й режим. В этом режиме при отсутствии энергии ветра (ветер мал для вращения ветроколеса или ВЭУ отключена по другим причинам) включается дизель 6 и он вращает вал синхронной электромашины 10, которая в этом режиме переводится в режим генератора и обеспечивает питание сети. В течение времени переходного процесса, пока дизель 6 не наберет требуемые номинальные обороты и момент на валу синхронной электромашины 10 обеспечивает двигатель 11, регулируемый исходя из поддержания частоты сети.
3-й режим. В этом режиме при недостаточной энергии ветра недостаток энергии компенсируется энергией аккумулятора 8, запасенной в режиме, когда энергия ветра была избыточной.
Это происходит следующим образом. При уменьшении энергии, вырабатываемой генератором 2 ВЭУ 1, потребитель 11, не обращая на это внимания, потребляет номинальный ток, но из-за уменьшения момента на валу генератора 2 последний начинает сбавлять скорость, т.е. частота сети должна была бы падать. Но датчик частоты сети 15 при этом выдаст также уменьшение частоты и на фазочувствительном преобразователе 13 увеличится сигнал рассогласования между задающим генератором 14 и датчиком частоты сети 15. При этом широтно-импульсный преобразователь 12 увеличит длительность подключения двигателя постоянного тока 11 к аккумуляторной батарее 8 и на валу синхронной электромашины 10 увеличивается механический момент, который возвращает скорость вращения генераторов 2 и 10 в исходное стабильное состояние, но уже при других значениях их токов.
При полной потере мощности энергии ветра ключ 4 закроется и сеть полностью переходит на питание от синхронной электромашины 10, а далее следует переход в режим 2 с включением дизеля 6 и зарядкой аккумулятора 8, если последний разряжен.
Устройство бесперебойного снабжения потребителей электроэнергетической системы, содержащее нестабильный источник энергии с генератором переменного тока, соединенным с сетью потребителя промышленной частоты посредством ключа, управляемого пороговым устройством, дизельный двигатель, который снабжен устройством автоматического включения, входом соединенным с выходом контроллера заряда аккумуляторной батареи, и который через обгонную муфту соединен с синхронной электромашиной, подключенной к сети потребителя, при этом на один вал с синхронной электромашиной подключен двигатель постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов, якорем подключенный к 4-квадрантному широтно-импульсному преобразователю, выход которого соединен с аккумуляторной батареей, а управляющий вход которого соединен с выходом фазочувствительного выпрямителя, один вход которого соединен с выходом задающего генератора промышленной частоты, а другой вход соединен с выходом датчика частоты сети потребителя.
