Электроэнергетическая система на возобновляемых источниках энергии

Авторы патента:

H02J3/32 - с помощью батарей в сочетании с преобразователями

Владельцы патента RU 2476970:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" (RU)

Изобретение относится к энергетике, в частности к электроснабжению потребителей, подключенных к электроэнергетической системе, работающей на возобновляемых источниках энергии, и может быть использовано при организации электроснабжения ответственных потребителей переменного тока. Технический результат - повышение энергетической эффективности и улучшение технико-экономических характеристик достигается тем, что электроэнергетическая система содержит два генератора, два выпрямителя, аккумуляторную батарею, инвертор, три контроллера заряда, солнечные панели, две системы управления, регулятор балласта, балластную нагрузку, а также датчики ветра, воды, температуры и солнечной радиации, при этом вход первого генератора соединен с ветродвигателем, а выход первого генератора с первым выпрямителем, вход второго генератора соединен с гидротурбиной, а выход второго генератора связан со вторым выпрямителем, датчики ветра, воды, температуры и солнечной радиации подключены к входу первой системы управления, к выходу которой подключены входы трех контроллеров заряда и один из входов второй системы управления, вход первого контроллера заряда соединен с солнечными панелями, вход второго контроллера заряда соединен с выходом первого выпрямителя, вход третьего контроллера заряда соединен с выходом второго выпрямителя, выходы трех контроллеров заряда подключены к входу аккумуляторной батареи и входу инвертора, выход которого соединен с нагрузкой, выход которой подключен к входу второй системы управления вместе с выходом аккумуляторной батареи, при этом к выходу второй системы управления подключен вход регулятора балласта, выход которого связан с балластной нагрузкой. 1 ил.

Известна конструкция электроэнергетической системы электроснабжения потребителей, содержащая возобновляемый источник энергии, который подключен к электрогенератору, выход которого соединен с электронагревательным элементом, выпрямитель, вход которого подключен к выходу электрогенератора, а выход подключен к аккумуляторной батарее, инвертор, вход которого соединен с выходом выпрямителя, а к выходу подключена нагрузка [Дж.Твайделл, А.Уэйр. Возобновляемые источники энергии. М.: Энергоатомиздат, 1990 г., с. 234].

Это устройство не позволяет полностью использовать всю энергию ВИЭ, так как аккумуляторная батарея может компенсировать только кратковременные провалы в работе генератора, вызванные колебанием мощности ВИЭ, переключениями и пусковыми токами нагрузки. Это приводит к уменьшению длительности режима потребления пиковых нагрузок и снижению надежности электроснабжения.

Известна конструкция электроэнергетической системы на возобновляемых источниках энергии, выбранная в качестве прототипа, содержащая два возобновляемых источника энергии, два генератора, два выпрямителя, два стабилизатора напряжения и два инвертора, при этом вход каждого генератора соединен с соответствующим возобновляемым источником энергии, а выход с одним из выпрямителей, вход каждого стабилизатора напряжения соединен с соответствующим выходом выпрямителя, а выходы двух стабилизаторов напряжения подключены к аккумуляторной батарее, к выходу которой подключены два инвертора, выходы которых соединены с соответствующей нагрузкой [Патент РФ №2153752, МПК H02J 3/28, H02J 3/32, опубл. 27.07.2000].

Это устройство не позволяет утилизировать текущую избыточную мощность первичных возобновляемых источников, в случаях, когда она превышает суммарную текущую мощность нагрузки и мощность, которую может запасти аккумуляторная батарея. Например, в случае, когда аккумуляторная батарея заряжена, а мощность нагрузки невелика.

Задачей изобретения является повышение энергетической эффективности и улучшение технико-экономических характеристик электроэнергетической системы.

Решение поставленной задачи достигается тем, что электроэнергетическая система на возобновляемых источниках энергии, также как в прототипе, содержит два генератора, два выпрямителя, аккумуляторную батарею и инвертор, при этом вход первого генератора соединен с ветродвигателем, а выход первого генератора с первым выпрямителем, вход второго генератора соединен с гидротурбиной, а выход второго генератора связан со вторым выпрямителем.

Изобретение в отличие от прототипа снабжено тремя контроллерами заряда, солнечными панелями, двумя системами управления, регулятором балласта, балластной нагрузкой, а также датчиками ветра, воды, температуры и солнечной радиации. При этом датчики ветра, воды, температуры и солнечной радиации подключены к входу первой системы управления, к выходу которой подключены входы трех контроллеров заряда и один из входов второй системы управления, вход первого контроллера заряда соединен с солнечными панелями, вход второго контроллера заряда соединен с выходом первого выпрямителя, вход третьего контроллера заряда соединен с выходом второго выпрямителя, выходы трех контроллеров заряда подключены к входу аккумуляторной батареи и входу инвертора, выход которого соединен с нагрузкой, выход которой подключен к входу второй системы управления вместе с выходом аккумуляторной батареи, при этом к выходу второй системы управления подключен вход регулятора балласта, выход которого связан с балластной нагрузкой.

Именно заявленное выполнение конструкции электроэнергетической системы на возобновляемых источниках энергии обеспечивает возможность повышения энергетической эффективности и улучшения технико-экономических характеристик электроэнергетической системы, тем самым выполняется задача изобретения. Это достигается за счет того, что датчик воды измеряет скорость потока воды, поступающей на гидротурбину, датчик ветра измеряет текущую скорость ветра, датчик температуры измеряет температуру окружающей среды, датчик солнечной радиации определяет текущую мощность светового излучения, что позволяет определять в реальном масштабе времени текущую мощность первичных возобновляемых источников энергии: ветра, солнца и потока воды. Каждый датчик непрерывно преобразует текущие измеряемые величины в аналоговые сигналы, поступающие на первую систему управления, которая, на основании полученной информации, формирует управляющий сигнал, который поступает на контроллеры заряда аккумуляторной батареи и обеспечивает снятие максимальной текущей мощности возобновляемых источников. При этом первая система управления посылает сигнал, пропорциональный максимальной текущей мощности возобновляемых источников энергии, на вторую систему управления, которая проверяет баланс между мощностью, вырабатываемой возобновляемыми источниками энергии, и мощностью, потребляемой нагрузкой и запасенной в аккумуляторной батарее. Если мощность источников превышает мощность, потребленную нагрузкой и аккумуляторной батареей, то вторая система управления выдает сигнал на регулятор балласта, при этом подключается балластная нагрузка, в которую сбрасывается излишек мощности.

На чертеже представлена структурная схема электроэнергетической системы на возобновляемых источниках энергии.

Электроэнергетическая система на возобновляемых источниках энергии содержит ветродвигатель 1, к выходу которого подключен первый генератор 2, выход которого соединен с входом первого выпрямителя 3. К выходу гидротурбины 4 подключен вход второго генератора 5, выход которого соединен с входом второго выпрямителя 6. Солнечные панели 7 подключены к входу первого контроллера заряда 8. Вход второго контроллера заряда 9 подключен к первому выпрямителю 3, а вход третьего контроллера заряда 10 подключен ко второму выпрямителю 6. К входу аккумуляторной батареи 11 подключены выходы трех контроллеров заряда 8, 9, 10. Вход инвертора 12 подключен к выходам трех контроллеров заряда 8, 9, 10, а выход соединен с входом нагрузки 13. К входу первой системы управления 14 подключены выходы датчика ветра 15, датчика воды 16, датчика температуры 17 и датчика солнечной радиации 18. К выходу первой системы управления 14 подключены входы трех контроллеров заряда 8, 9, 10. К входу второй системы управления 19 подключены выходы аккумуляторной батареи 11, нагрузки 13 и первой системы управления 14. Вход регулятора балласта 20 соединен с выходом второй системы управления 19, а выход - с балластной нагрузкой 21.

В данной схеме могут быть использованы многополюсные синхронные генераторы 2 и 5 с постоянными магнитами, стандартная свинцово-кремниевая аккумуляторная батарея 11 напряжением 12 В и емкостью от 100 до 230 А/ч, полупроводниковые выпрямители 3, 6 мостового типа. В качестве ветродвигателя 1 может быть выбрано крыльчатое ветроколесо с горизонтальной осью вращения, а в качестве гидротурбины 4 - пропеллерная гидротурбина, которая устанавливается в свободном потоке воды. В качестве солнечных панелей 7 могут быть выбраны стандартные солнечные модули с рабочим напряжением 12 В. В качестве контроллеров заряда 8, 9, 10 можно выбрать контроллеры Morningstar TriStar MPPT. В качестве автономного инвертора 12 может быть использован инвертор Tripp Lite APSX6048 VR. В качестве нагрузки 13 могут использоваться любые электрические приборы. В качестве датчика ветра 15 может быть использован датчик ветра М-127М; в качестве датчика воды 16 - измеритель скорости течения ОТТ SLD; в качестве датчика температуры 17 - датчик температуры воздуха ИПТВ, а в качестве датчика солнечной радиации 18 - датчик солнечной радиации SP Lite. В качестве систем управления 14, 19 могут использоваться, например, микроконтроллеры Modicon Micro 612. Регулятор балласта 20 выполняется на основе биполярной тиристорной ячейки, обеспечивающей регулирование выходного напряжения на балластной нагрузке 21 от нуля до максимума. В качестве балластной нагрузки 21 могут использоваться нагрузки, не критичные к качеству электроэнергии, использование которых возможно в любое время суток, например, трубчатые электронагреватели.

Устройство работает следующим образом. В качестве возобновляемых источников энергии используется энергия ветра, воды и солнца. Ветродвигатель 1 под действием ветра приходит в движение, вращающий момент передается на вал первого генератора 2, вырабатывающего электрический ток, который поступает на первый выпрямитель 3. Свободопоточная гидротурбина 4 под действием воды вращает вал второго генератора 5, вырабатывающего электрический ток, поступающий на второй выпрямитель 6. Под действием солнечного излучения солнечные панели 7 вырабатывают постоянный электрический ток. Датчик ветра 15 измеряет текущую скорость ветра и преобразует ее в аналоговый сигнал, пропорциональный максимальной мощности, которую можно снять при данном ветре. Аналоговый сигнал с датчика ветра 15 поступает на первую систему управления 14. Датчик воды 16 измеряет текущую скорость потока воды, поступающей на гидротурбину 4, и преобразует ее в аналоговый сигнал, который поступает на первую систему управления 14. Аналоговый сигнал с датчика воды 16 пропорционален максимальной мощности, которую можно снять при данной скорости течения потока воды. Датчик температуры 17 и датчик солнечной радиации 18, измерив текущую температуру окружающей среды и мощность светового излучения, преобразуют их в аналоговые сигналы, пропорциональные максимальной мощности, которую можно снять в данном режиме. Сформированные аналоговые сигналы поступают на первую систему управления 14. На основании информации, поступающей от датчиков ветра 15, воды 16, температуры 17 и солнечной радиации 18, первая система управления 14 формирует управляющий сигнал, который поступает на контроллеры заряда 8, 9 и 10 аккумуляторной батареи 11 и обеспечивает снятие максимальной текущей мощности возобновляемых источников. Первая система управления 14 посылает сигнал на вторую систему управления 19, которая проверяет баланс между мощностью, вырабатываемой генераторами 2 и 5 и солнечными панелями 7, и мощностью, потребляемой нагрузкой 13 и запасенной в аккумуляторной батарее 11. Если текущая мощность, вырабатываемая генераторами 2 и 5 и солнечными панелями 7, не превышает мощность, потребляемую нагрузкой 13 и аккумуляторной батареей 11, то постоянный ток с выходов контроллеров заряда 8, 9, 10 подается на инвертор 12, с выхода которого переменное напряжение подается на нагрузку 13. Контроллеры заряда 8, 9, 10 обеспечивают зарядку аккумуляторной батареи 11. Если текущая мощность, вырабатываемая генераторами 2 и 5 и солнечными панелями 7, превышает мощность, потребляемую нагрузкой 13 и аккумуляторной батареей 11, то вторая система управления 19 выдает сигнал на блок регулятора балласта 20, при этом подключается балластная нагрузка 21, в которую утилизируется излишек мощности.

Электроэнергетическая система на возобновляемых источниках энергии, содержащая два генератора, два выпрямителя, аккумуляторную батарею и инвертор, при этом вход первого генератора соединен с ветродвигателем, а выход первого генератора - с первым выпрямителем, вход второго генератора соединен с гидротурбиной, а выход второго генератора связан со вторым выпрямителем, отличающаяся тем, что датчик ветра, датчик воды, датчик температуры и датчик солнечной радиации подключены к входу первой системы управления, к выходу которой подключены входы трех контроллеров заряда и один из входов второй системы управления, вход первого контроллера заряда соединен с солнечными панелями, вход второго контроллера заряда соединен с выходом первого выпрямителя, вход третьего контроллера заряда соединен с выходом второго выпрямителя, выходы трех контроллеров заряда подключены к входу аккумуляторной батареи и входу инвертора, выход которого соединен с нагрузкой, выход которой подключен к входу второй системы управления вместе с выходом аккумуляторной батареи, при этом к выходу второй системы управления подключен вход регулятора балласта, выход которого связан с балластной нагрузкой.

Изобретение относится к энергетике, в частности, к способу и устройству бесперебойного электропитания потребителей как подключенных, так и не подключенных к централизованной электросети, например, при организации бесперебойного снабжения электричеством многоквартирных жилых домов.

Устройство для покрытия пиковой нагрузки // 2340992

Изобретение относится к устройству для покрытия пиковой нагрузки потребителя электроэнергии, подключаемого к выводу переменного тока электрической сети общего пользования, с инвертором, который может запитываться от аккумулятора постоянного тока и может подключаться своим выходом параллельно к электроснабжению потребителя, с измерительным устройством, подключаемым в цепь подключения потребителя, и управляющим устройством, которое предназначено для того, чтобы с помощью измерительного устройства контролировать энергопотребление потребителя и, в случае увеличения полученного таким образом значения энергопотребления выше предварительно заданного порогового значения, вводить в действие инвертор для поддержки питания потребителя.

Устройство бесперебойного электроснабжения потребителей электроэнергетической системы, работающей на нестабильных источниках энергии // 2304836

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.

Способ бесперебойного электроснабжения потребителей электроэнергетической системы, работающей на возобновляемых источниках энергии // 2153752

Способ распределения тока между преобразователем и электрохимическим накопителем,включенными на импульсную нагрузку // 1042130

Реагирующее на частоту управление поддержанием заряда систем накопления электричества для вспомогательных услуг в электроэнергетической сети // 2492566

Возбудитель блока генерирования мощности, блок генерирования мощности и оборудование вывода энергии в электрической сети // 2576021

Использование: в области электроэнергетики. Технический результат - повышение надежности и стабильности подачи питания к электрической сети. Возбудитель блока генерирования мощности включает в себя контроллер возбуждения для генерирования сигнала возбуждения согласно первому управляющему сигналу и второму управляющему сигналу, полученному таким образом, преобразователь для преобразования входной энергии из первого напряжения во второе напряжение согласно упомянутому сигналу возбуждения и вывода ее к электродвигателю, соединенному с упомянутым возбудителем блока генерирования мощности, при этом упомянутый первый управляющий сигнал является информацией текущего состояния упомянутого электродвигателя, и упомянутый второй управляющий сигнал включает в себя частоту электрической сети и/или амплитуду напряжения упомянутой электрической сети. 3 н. и 14 з.п. ф-лы, 22 ил.

Способ регулирования возбуждения асинхронных вентильных генераторов // 2589719

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в системах производства электрической энергии с асинхронными вентильными генераторами, подключенными к сети постоянного напряжения, входящей в состав энергетических систем или комплексов. Технический результат заключается в регулировании возбуждения асинхронных вентильных генераторов независимо от величины напряжения на их выходе, что позволяет асинхронным вентильным генераторам работать параллельно на сеть постоянного напряжения. В способе регулирования возбуждения асинхронных вентильных генераторов скорость вращения вала асинхронной машины одного или нескольких генераторов может сильно отличаться от номинальной, например, при использовании в ветроэлектрических установках. Наибольший эффект достигается при подключении генераторов и потребителей к общей сети постоянного напряжения. 1 ил.

Способ управления работой блока питания энергией и контроллер для блока питания // 2599983

Использование: в области электротехники. Технический результат - обеспечение поддержки питающей электрической сети во время внезапных изменений нагрузки. Блок (2) питания статической энергией имеет накопитель (4) энергии, подключенный к питающей электрической сети (SN) переменного тока при помощи силового преобразователя (8). Узел (20) контроллера для блока (2) питания статической энергией содержит амплитудный регулятор (26), фазорегулятор (30) и частотный регулятор (34), которые измеряют и запоминают соответствующие характеристики напряжения питающей электрической сети переменного тока и вырабатывают выходные сигналы, свидетельствующие о характеристиках напряжения для рабочего состояния питающей электрической сети (SN) переменного тока. Предусмотрен генератор (22) сигналов, который служит для выработки сигнала (24а, 24b, 2c) смоделированного выходного напряжения для каждой фазы питающей электрической сети (SN) переменного тока. Сигнал (сигналы) (24а, 24b, 24c) имеет характеристики напряжения, производные от соответствующих выходных сигналов (28, 32, 36) амплитуды, фазы и частоты. Компаратор используют для сравнения сигнала (24а, 24b, 2c) и измеренного переменного напряжения для соответствующей фазы питающей электрической сети (SN) переменного тока. Контроллер (20) управляет работой силового преобразователя (8) так, чтобы изменять количество энергии, которое подают в питающую электрическую сеть (SN) переменного тока от накопителя (4) энергии, на основании результатов сравнения сигнала (сигналов) (24а, 24b, 24c) смоделированного выходного напряжения и измеренного переменного напряжения (напряжений). 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 3 ил.

Устройство автоматического включения резерва // 2624921

Использование – в области электротехники. Технический результат - обеспечение бесперебойным электропитанием потребителей группы А первой категории, с учетом фиксации момента аварийного включения резерва. Согласно изобретению устройство автоматического включения резерва состоит из источника негарантированного электроснабжения, резервного источника питания, щита автоматического ввода сети, шины надежного питания, силового блока, блока сравнения и памяти, электронного ключа. Новыми в устройстве автоматического включения резерва является силовой блок, блок сравнения и памяти, электронный ключ и совокупность новых связей. Предлагаемое устройство, по сравнению с известным, позволит повысить быстродействие включения резерва, а следовательно, обеспечить электроэнергией потребителей группы А первой категории, путем постоянного анализа состояния параметров сети и включением резерва с теми же номиналами напряжения, частоты и фазы, что и в момент пропадания сети. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

Управление мощностью в сети распределения энергии // 2632212

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в сетях распределения мощности. Техническим результатом является обеспечение возможности непрерывной коррекции и динамической поддержки сети (2) распределения энергии или в сети (2) распределения энергии. В устройстве для управления мощностью в сети распределения энергии, способе управления мощностью в сети распределения энергии, в устройстве для осуществления способа для управления мощностью в сети распределения энергии предусмотрен блок (3) обратного подвода, а также блок (4) управления. Блок (4) управления выполнен таким образом, чтобы регистрировать текущее сетевое состояние и в зависимости от зарегистрированного сетевого состояния инициировать отдачу энергии или получение энергии (отдачу/получение энергии, обратный подвод энергии) блока (3) обратного подвода. 3 н. и 11 з.п. ф-лы, 1 ил.

Управление емкостью аккумуляторной батареи // 2635101

Использование – в области электротехники. Технический результат – обеспечение эффективного регулирования электрической сети. Согласно способу избирательной модуляции в электрической сети от резервной системы аккумуляторных батарей аккумуляторные батареи используют в качестве источника бесперебойного питания (UPS). Часть емкости аккумуляторных батарей используют для услуг регулирования электрической сети, при этом поддерживают резерв емкости аккумуляторной батареи для обеспечения электропитания UPS, если необходимо. Преимуществом является то, что батарейная установка контролируется эффективнее, поскольку она регулярно заряжается и разряжается. 8 з.п. ф-лы, 5 ил.

Способ и устройство для управления гибридной системой аккумулирования энергии // 2644415

Использование – в области электротехники. Технический результат – оптимизация управления гибридной системой аккумулирования энергии. Согласно изобретению устройство управления и соответствующий способ управления используют фильтрование для отдельного модуля в ряде контроллеров распределения мощности, чтобы получить командный сигнал распределения мощности для соответствующего модуля из множества различных модулей аккумулирования энергии в гибридной системе аккумулирования энергии. Гибридная система аккумулирования энергии включает в себя два или более типов модулей аккумулирования энергии, при этом командный сигнал распределения мощности для каждого из модулей аккумулирования энергии получают путем фильтрования входного сигнала, используя фильтр, имеющий характеристику фильтра, которая адаптирована к характеристикам аккумулирования энергии модуля аккумулирования энергии. Входной сигнал отражает изменения нагрузки на электрическую сеть и может генерироваться локально или обеспечиваться удаленным узлом. Несмотря на то что контуры регулирования распределения мощности, используемые для каждого модуля аккумулирования энергии, предпочтительно могут быть одинаковыми в смысле архитектуры и реализации, каждый такой контур использует адаптированное индивидуальное фильтрование и, возможно, индивидуализированные значения одного или более других параметров управления, так что каждый модуль аккумулирования энергии управляется таким образом, что дополняются его характеристики аккумулирования энергии. 2 н. и 16 з.п. ф-лы, 11 ил.