Автономная гибридная энергоустановка

Изобретение относится энергетике, в частности к автономным системам энергоснабжения объектов, удаленных от центрального энергоснабжения, и может быть использовано в оптимизации режимов работы автономного источника электрической энергии для обеспечения бесперебойного снабжения потребителя электрической энергией. Техническим результатом заявленного изобретения является расширение арсенала автономных гибридных энергоустановок (АГЭУ) для бесперебойного, в том числе и автономного, снабжения электрической энергией изолированных, удаленных, труднодоступных и островных территорий. АГЭУ за счет присоединения любых внешних источников энергии, взаимодополняемости элементов системы накопления энергии (СНЭ) с использованием интеллектуальной системы управления (ИСУ) автоматизированной системы управления технологическими процессами (АСУ ТП) и мобильного климатического исполнения обеспечивает бесперебойное, в том числе и автономное, снабжение электрической энергией изолированные, удаленные, труднодоступные и островные территории. 4 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

Область техники

Изобретение относится энергетике, к автономным системам энергоснабжения объектов, удаленных от центрального энергоснабжения, и может быть использована в оптимизации режимов работы автономного источника электрической энергии для обеспечения бесперебойного снабжения потребителя электрической энергией.

Уровень техники

Известен способ работы автономной энергетической установки на возобновляемом источнике энергии (RU2095913 от 10.11.1997, МПК H02J 15/00, F03D 9/02, H02J 7/35) мощностью 0,5-16,0 кВт, включающий непрерывное преобразование энергии источника в электрическую, аккумулирование ее в аккумуляторной батарее до полной зарядки, подачу потребителю, отличающийся тем, что при минимальной мощности потребления в период интенсивного излучения энергии источником при вырабатываемой установкой мощности от 4 до 16 кВт параллельно с аккумулированием электроэнергии в аккумуляторной батарее ее подают в тепловой аккумулятор, а в период неинтенсивного излучения энергии источником при вырабатываемой установкой мощности 0,5 4,0 кВт электроэнергию в тепловой аккумулятор подают от аккумуляторной батареи, при этом при полной зарядке аккумуляторной батареи и теплового аккумулятора электроэнергию подают от аккумуляторной батареи на установку.

Известна автономная система электроснабжения (RU 2156534 от 20.09.2000, МПК H02J 7/34, H02J 7/35), содержит солнечную батарею (СБ), состоящую из m секций, n аккумуляторных батарей с индивидуальными зарядно-разрядными устройствами, последовательный стабилизатор напряжения (СН) для питания нагрузки от СБ, выполненный из m каналов, причем каждая секция СБ через разделительный диод соединена с соответствующим каналом СН, а через другие диоды все секции СБ соединены с общей шиной, к которой подключены силовые входы всех зарядных устройств. Разделение СН на несколько каналов (по числу секций СБ), индивидуальное управление ими от блока управления с источником смещения диапазонов регулирования каналов СН, установка параллельно каждой секции СБ устройства ограничения напряжения позволяют повысить надежность системы, снизить пульсации выходного напряжения и потери мощности, в том числе при отказах в СЭС, исключить перенапряжения во входных цепях, что является техническим результатом.

Известен способ бесперебойного электроснабжения потребителей электроэнергетической системы, работающей на возобновляемых источниках энергии (варианты) (RU 2208890 от 20.07.2003, МПК H02J 3/28, H02J 15/00), включающий преобразование энергии возобновляемого источника энергии в электрическую энергию переменного тока с помощью электрогенератора переменного тока, преобразование посредством выпрямителя энергии переменного тока в энергию постоянного тока, стабилизацию напряжения источника, накопление энергии постоянного тока в аккумуляторе и выдачу энергии на нагрузку потребителя, дополнительно посредством широтно-импульсного преобразователя с гальванической развязкой на выходе преобразовывают напряжение аккумулятора в регулируемое постоянное напряжение и с помощью «вольт-добавки» суммируют его с напряжением на выходе выпрямителя путем последовательного подключения выходных цепей преобразователя и выпрямителя, причем регулирование широтно-импульсного преобразователя осуществляют из условия поддержания на входе стабилизатора напряжения выше напряжения стабилизации. Кроме того, данное техническое решение реализовано и для варианта электроэнергетической системы, содержащей более одного возобновляемого источника энергии (особенно разного типа).

Известна автономная система бесперебойного электроснабжения, использующая возобновляемый источник энергии (RU 2262790 от 20.10.2005, МПК H02J 7/34, H02J 3/38, F03D 9/00), содержащая, по крайней мере, одну ветротурбину переменной скорости вращения, жестко связанную с генератором переменного тока, вспомогательный электрический потребитель, выполненный в виде аккумуляторной батареи, соединенный с генератором переменного тока устройством регулирования мощности, дизель, механически связанный с синхронным генератором, образующие дизель-генераторную установку, отличающаяся тем, что в системе сформировано два независимых источника электроснабжения, соединенных между собой блоком переключения, функцию одного из них выполняет дизель-генераторная установка, снабженная системой автоматического регулирования активной мощности, функцию другого -синхронный компенсатор с устройством разгона и системой автоматического регулирования скорости, аккумуляторная батарея, соединенная с синхронным компенсатором посредством двухкомплектного реверсивного тиристорного преобразователя постоянного тока, который при превышении мощности ветротурбины над мощностью нагрузки управляется в системе автоматической стабилизации скорости синхронного компенсатора, а в режиме, когда мощность ветротурбины меньше мощности нагрузки и аккумуляторная батарея разряжена, - в системе стабилизации активной мощности дизель-генераторной установки; функцию генератора переменного тока выполняет многоскоростная асинхронная машина, управляемая блоком выбора режима, задающего его рабочую скорость в функции активной мощности.

Известно устройство бесперебойного электроснабжения потребителей электроэнергетической системы, работающей на нестабильных источниках энергии (RU 56085 от 27.08.2006, МПК H02J 3/28, H02J 3/32, H02J 9/06), 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.

Известен способ бесперебойного электроснабжения потребителей электроэнергетической системы, работающей на нестабильных источниках энергии (RU 286639 от 27.10.2006, МПК H02J 3/28, Н02Н 9/00), включающий преобразование энергии нестабильного источника в электрическую энергию переменного тока с помощью электрогенератора переменного тока и накопление энергии постоянного тока в аккумуляторе, отличающийся тем, что стабилизацию частоты напряжения сети осуществляют при помощи регулируемой емкостной матрицы с двунаправленными ключами, номиналы конденсаторов которой выбраны из соотношения 8-4-2-1, которой управляют аналого-цифровой схемой фазочастотной автоподстройки частоты сети к частоте опорного генератора промышленной частоты, а стабилизацию амплитуды осуществляют за счет модуляции напряжения сети широтно-импульсным модулятором, причем коммутацию емкостной матрицы и сети к источнику постоянного тока выполняют двумя тиристорными ключевыми мостами, диагонали постоянного тока которых подключены к аккумулятору через транзистор, которым управляют широтно-импульсным модулятором, а диагонали переменного тока мостов подключены к сети переменного тока и к емкостной матрице соответственно.

Известен многофункциональный энергетический комплекс (МЭК) (RU 95434 от 27.06.2010, МПК H02J 3/28, G05F 1/66), содержащий разнородные источники и накопитель электроэнергии, присоединенные к входам сетевого и автономного преобразователей, входы которых подключены к нагрузке, выходы датчиков которой присоединены к входам агрегатных систем автоматического управления каждого преобразователя, а выходы указанных систем присоединены к цепям управления каждого преобразователя, отличающийся тем, что сетевой преобразователь выполняется на высоковольтных вакуумных приборах, а выходы агрегатных систем управления преобразователей подсоединяются к входу блока системы управления верхнего уровня, выходы которого соединены с цепями управления вентилей каждого преобразователя.

Известна автономная система бесперебойного электроснабжения (RU 113615 от 20.02.2012, МПК H02J 3/00), использующая возобновляемый источник энергии, содержащая, по крайней мере, одну ветротурбину переменной скорости вращения, жестко связанную с генератором переменного тока, вспомогательный электрический потребитель, выполненный в виде аккумуляторной батареи, соединенный с генератором переменного тока устройством регулирования мощности, дизель, механически связанный с синхронным генератором, образующие дизель-генераторную установку, с сформированием двух независимых источников электроснабжения, соединенных между собой блоком переключения, функцию одного из них выполняет дизель-генераторная установка, снабженная системой автоматического регулирования активной мощности, функцию другого -синхронный компенсатор с устройством разгона и системой автоматического регулирования скорости, аккумуляторная батарея, соединенная с синхронным компенсатором посредством двухкомплектного реверсивного тиристорного преобразователя постоянного тока, который при превышении мощности ветротурбины над мощностью нагрузки управляется в системе автоматической стабилизации скорости синхронного компенсатора, а в режиме, когда мощность ветротурбины меньше мощности нагрузки, и аккумуляторная батарея разряжена, - в системе стабилизации активной мощности дизель-генераторной установки; функцию генератора переменного тока выполняет многоскоростная асинхронная машина, управляемая блоком выбора режима, задающего его рабочую скорость в функции активной мощности, отличающаяся тем, что в систему введено устройство разгрузки потребителей, вход которого соединен с выходом блока переключения, а выход - с входом узла потребителей электроэнергии.

Известна система накопления электрической энергии и оптимизации параметров электрической сети (RU 155652 от 20.10.2015, МПК H02J 7/02, H02J 3/18), которая содержит аккумулятор, реверсивный инвертор, сеть переменного тока, автономную нагрузку, выключатели, синхронный генератор с приводным двигателем и обмоткой возбуждения, блок компаундирования, синхронный компенсатор с обмоткой возбуждения, блок точной синхронизации, блок автоматического регулирования, трансформатор, понижающий напряжение и соединенный с реверсивным инвертором и аккумулятором. Блок автоматического регулирования соединен с синхронным генератором и синхронным компенсатором и регулирует величину частоты и напряжения на зажимах синхронного генератора и синхронного компенсатора. Синхронный компенсатор соединен с устройством точной синхронизации через генераторный выключатель синхронного компенсатора, и с сетью потребителей через шинный выключатель синхронного компенсатора. В цикле пуска сеть потребителей отключена шинными выключателями синхронного генератора и компенсатора. Баланс реактивной мощности системы обеспечивается за счет внедрения синхронного компенсатора и блока электронного регулирования системы накопления электрической энергии и оптимизации параметров электрической сети, что позволяет осуществлять регулирование потока реактивной мощности в индуктивном и емкостном режимах, исключает лавинообразный рост напряжений.

Известно устройство для автономного электроснабжения (RU 158875 от 20.01.2016, МПК H02J 3/04, H02J 7/34), содержащее общую шину переменного тока, к которой через коммутаторы подключены источники переменного тока в виде дизель-генератора, первого инвертора, вход которого предназначен для подключения к батарее солнечных панелей, и второго инвертора с батареей аккумуляторов на входе, и снабженное блоком управления, к выходам которого подключены цепи управления источниками переменного тока и коммутаторами, а к входам - датчики контролируемых параметров, отличающееся тем, что введены блок зарядки аккумуляторов и дополнительный коммутатор, через которые батарея аккумуляторов подключена к общей шине переменного тока, при этом цепи управления блока зарядки аккумуляторов и дополнительного коммутатора подключены к дополнительным выходам блока управления, который выполнен с возможностью оптимизации процесса зарядки батареи аккумуляторов по показаниям датчика напряжения на ней.

Известны автономная гибридная система электропитания для электрооборудования и блок и способ управления системой (RU 2589889 от 10.07.2016, МПК H02J 3/38). Система для питания электрооборудования под контролем блока управления. Блок управления обеспечивает бесперебойность питания электрооборудования и способен быть питаемым преимущественно за счет нестабильного источника питания, содержит также модуль накопления электроэнергии и электрохимическую энергетическую установку для вырабатывания и накопления топлива в электрохимической энергетической установке, когда источник способен вырабатывать мощность, превосходящую рабочую мощность оборудования, а мощность модуля накопления электроэнергии способна достигать значения мощности, по меньшей мере, равной первому пороговому значению мощности. Способ управления системой обеспечивает бесперебойность электропитания электрооборудования и основан на модуле накопления электроэнергии и газовой электрохимической энергетической установке, при этом электропитание электрооборудования обеспечивается преимущественно за счет нестабильного источника питания, а также за счет источника оборудования, модуля накопления электроэнергии и электрохимической энергетической установки для вырабатывания и накопления топлива в электрохимической энергетической установке, когда мощность источника превосходит рабочую мощность оборудования, а мощность модуля накопления электроэнергии соответствует первому пороговому значению мощности, и расходование топлива в электрохимической энергетической установке, питание оборудования за счет электрохимической энергетической установки и заряд модуля накопления электроэнергии за счет электрохимической энергетической установки, когда мощность модуля накопления электроэнергии соответствует второму пороговому значению мощности, находясь ниже первого порогового значения мощности, до достижения мощностью модуля накопления электроэнергии, заряжаемого за счет электрохимической энергетической установки, первого порогового значения мощности.

Известна гибридная электростанция, в которой используется комбинирование генерирующих средств и системы аккумулирования энергии в режиме реального времени (RU 2642422 от 25.01.2018, МПК H02J 3/28, H02J 3/30, H02J 3/34), в которой управление мощностью гибридной электростанции осуществляют с использованием комбинирования генерирующих средств и системы аккумулирования энергии в режиме реального времени принимают показатель мощности, которая должна подаваться в электрическую сеть, генерируют мощность с помощью электрогенератора и регулируют, используя генерированную мощность, уровень энергии устройства аккумулирования энергии таким образом, чтобы управлять мощностью, подаваемой в сеть, в соответствии с принятым показателем. Система содержит: приемник показателя сети, предназначенный для приема показателя мощности, которая должна подаваться в электрическую сеть; электрогенератор, соединенный с сетью; устройство аккумулирования энергии, связанное с электрогенератором; контроллер для регулирования с использованием генерированной мощности от генератора уровня энергии устройства аккумулирования энергии так, чтобы регулировать мощность, подаваемую в сеть в соответствии с принятым показателем.

Известны способ и устройство для управления гибридной системой аккумулирования энергии (RU 2644415 от 12.02.2018, МПК H02J 1/10, H02J 3/32, H02J 7/34). Способ управления двумя или более модулями аккумулирования энергии в гибридной системе аккумулирования энергии, связанной с электрической сетью, содержащей одну или более электрических шин, причем по меньшей мере два модуля аккумулирования энергии имеют различные характеристики аккумулирования энергии, включающий: генерирование командного сигнала распределения мощности индивидуально для каждого модуля аккумулирования энергии на основе: получения входного сигнала для каждого модуля аккумулирования энергии, который отражает изменения нагрузки на электрическую сеть; фильтрации входного сигнала для каждого модуля аккумулирования энергии с помощью схемы фильтра, имеющей характеристику фильтра, которая адаптирована к характеристикам аккумулирования энергии указанного модуля аккумулирования энергии, с тем чтобы получить отфильтрованный входной сигнал; и объединение отфильтрованного входного сигнала для каждого модуля аккумулирования энергии с командным сигналом установившегося режима для модуля аккумулирования энергии, при этом указанный командный сигнал установившегося режима представляет целевое состояние в установившемся режиме модуля аккумулирования энергии, с тем чтобы таким образом получить командный сигнал распределения мощности для модуля аккумулирования энергии; и управление разрядкой и зарядкой каждого модуля аккумулирования энергии с помощью контроллера состояния зарядки, который конфигурируют таким образом, чтобы управлять локальным модулем-преобразователем, связанным с модулем аккумулирования энергии, в ответ на командный сигнал распределения мощности, индивидуально генерированный для модуля аккумулирования энергии.

Устройство управления гибридной системой аккумулирования энергии, содержащей два или несколько модулей аккумулирования энергии, связанных с электрической сетью, содержащей одну или несколько электрических шин, при этом по меньшей мере два модуля аккумулирования энергии имеют различные характеристики аккумулирования энергии, содержащее: контроллер распределения мощности, соответствующий каждому модулю аккумулирования энергии, при этом каждый контроллер распределения мощности выполнен с возможностью генерировать командный сигнал распределения мощности; и контроллер состояния зарядки, соответствующий каждому модулю аккумулирования энергии, при этом каждый контроллер состояния зарядки выполнен с возможностью управления зарядкой и разрядкой соответствующего модуля аккумулирования энергии через связанный с ним локальный модуль-преобразователь в ответ на командный сигнал распределения мощности, генерируемый соответствующим контроллером распределения мощности, при этом каждый контроллер распределения мощности содержит: схему фильтра, сконфигурированную с возможностью получения отфильтрованного входного сигнала посредством фильтрования входного сигнала в контроллере распределения мощности, в соответствии с характеристикой фильтра, которая адаптирована к характеристикам аккумулирования энергии соответствующего модуля аккумулирования энергии, причем указанный входной сигнал отражает изменения нагрузки на электрическую сеть; и схему управления, сконфигурированную с возможностью генерировать командный сигнал распределения мощности, в виде объединения отфильтрованного входного сигнала и командного сигнала установившегося режима, представляющего целевое состояние в установившемся режиме соответствующего модуля аккумулирования энергии.

Известна модульная электроэнергетическая установка (RU 2695633 от 13.07.2018, МПК H02J 3/26, H02J 3/32, H02J 9/06), содержащая разнотипные возобновляемые источники энергии с выходами на постоянном и переменном токе, соединенные с входами универсального зарядного контроллера, автономным инвертором, накопителем энергии и устройством управления, отличающаяся тем, что в нее дополнительно введены преобразователь DC/DC и/или фильтр электромагнитной совместимости, повышающий трехфазный трансформатор, первый, второй и третий блоки фазных датчиков тока и напряжения, двунаправленный трехфазный счетчик электрической энергии, первый, второй и третий коммутаторы и двигатель-генератор, причем выход каждого возобновляемого источника энергии соединен с одним из входов универсального зарядного контроллера, выход универсального зарядного контроллера через накопитель энергии и преобразователь DC/DC и/или фильтр электромагнитной совместимости соединен с нагрузкой постоянного тока и с входом автономного инвертора, фазные группы выхода автономного инвертора через первый фильтр соединены с первичными обмотками повышающего трехфазного трансформатора, выход которого через второй фильтр, первый блок фазных датчиков токов и напряжений и первый коммутатор соединен через промежуточную цепь трехфазного переменного тока с нагрузкой переменного тока и пятым входом универсального зарядного контроллера, промежуточная цепь трехфазного переменного тока через второй коммутатор, второй блок датчиков токов и напряжений и двунаправленный трехфазный счетчик электрической энергии соединена с внешней трехфазной сетью, через третий коммутатор и третий блок фазных датчиков токов и напряжений соединена с двигатель-генератором, управляющий вход/выход универсального зарядного контроллера соединен с устройством управления, которое через первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой входы соединено соответственно с накопителем энергии, двунаправленным трехфазным счетчиком электрической энергии, пультом управления, первым, вторым и третьим блоками фазных датчиков токов и напряжений, а первый, второй, третий, четвертый, пятый и шестой выходы устройства управления соединены соответственно с автономным инвертором, первым, вторым и третьим коммутаторами, двигатель-генератором, преобразователем DC/DC и/или фильтром электромагнитной совместимости.

Известна система энергоснабжения локальных потребителей (RU 2679685 от 12.02.2019, МПК F01K 25/08), состоящая из генераторов на основе возобновляемых источников электроэнергии, генератора на основе невозобновляемого источника энергии - топливного элемента, управляющего устройства, соединенного с генераторами, накопителями энергии и потребителями энергии, отличающаяся тем, что система дополнительно содержит криобак со сжатым природным газом, соединенный через клапанную систему, эжектор и трубопровод с топливным элементом, датчики измерения температуры, акустической эмиссии, давления и механических напряжений, установленные на криобаке и трубопроводе и соединенные с управляющим устройством, выполненным в виде информационно-измерительной и управляющей системы.

Известна автономная энергетическая установка (RU 2686844 от 06.05.2019, МПК H02J 7/34), которая содержит аппаратный и топливный отсек, расположенные внутри корпуса, первичный источник энергии в виде источника возобновляемой энергии, вторичный источник энергии в виде топливного генератора с воздушным охлаждением, расположенного на теплопроводящей подложке с нагревательным элементом в термоизолированном шкафу топливного отсека, накопители энергии в виде аккумуляторных батарей и блок управления установкой, расположенные в климатическом шкафу аппаратного отсека, при этом топливный генератор снабжен патрубком отвода пара в дренажную емкость через термоизолированный канал и патрубком отвода горячего воздуха, соединенным с распределительным клапаном с двумя выходами, один выход которого соединен с воздуховыводящей трубой топливного отсека, а второй выход соединен с каналом, проходящим через радиатор, установленный под климатическим шкафом и соединенный с воздуховыводящей трубой аппаратного отсека.

Известны способ и система питания потребителей постоянного тока источником электроснабжения на основе возобновляемых энергоресурсов (RU 2759009 от 08.11.2021, МПК H02J 3/28). Система питания потребителей постоянного тока источником электроснабжения на основе возобновляемых энергоресурсов, включает выпрямитель, по меньшей мере один источник электроснабжения на основе возобновляемых энергоресурсов, связанный с потребителем постоянного тока, отличающаяся тем, что система снабжена, по меньшей мере одной линией питания с источником электроснабжения на основе традиционных энергоресурсов и выпрямителем на выходе, подключенной параллельно линии с источником электроснабжения на основе возобновляемых энергоресурсов, по меньшей мере одним преобразователем напряжения, размещенным на одной или обеих линиях источников электроснабжения, при этом номинальное напряжение постоянного тока на выходе линии источника электроснабжения на основе возобновляемых энергоресурсов установлено выше номинального напряжения на выходе параллельной линии источника электроснабжения на основе традиционных энергоресурсов.

Известна система автономного электроснабжения (RU 2762163 от 16.12.2021, МПК H02J 7/34, H02S 10/10), которая содержит первичный источник энергии в виде солнечных батарей и установленные внутри термошкафа с защитным кожухом блок контроля и управления, накопитель энергии, вторичный источник энергии в виде топливного генератора на топливных элементах с метанолом, систему охлаждения и вентиляции, включающую датчики температуры, вентиляторы и нагреватели, при этом системный контроллер блока контроля и управления содержит встроенные программные модули и алгоритмы для обеспечения функционирования системы автономного электроснабжения и реализации целевых задач во всех режимах работы по таким сигналам состояния системы автономного электроснабжения, как: сигналы состояния топливного генератора, сигналы состояния контроллера заряда аккумуляторной батареи, сигналы управления уставками для встроенных алгоритмов работы системы, сигналы управления контроллером системы питания и переключения топливных элементов, при этом включение топливного генератора предусмотрено, только если сумма текущей температуры будет больше заданной уставки с учетом плюс 4°С, для чего указанные датчики температуры установлены внутри термошкафа следующим образом: вверху и внизу термошкафа для определения средней температуры термошкафа и за его защитным кожухом. Система предназначена для использования в качестве источника электропитания при отсутствии внешних источников электроснабжения или в качестве резервного источника электропитания различных промышленных объектов в условиях умеренного и холодного климата при температуре окружающей среды от минус 50 до плюс 70°С.

Указанные выше технические решения в целом включают возобновляемые источники энергии, вырабатывающие электричество и гарантирующие относительную автономность, а также модули накопления электроэнергии - аккумуляторы, и контрольные блоки, обеспечивающие относительно постоянное электропитание. Существенным недостатком является низкая надежность обеспечения потребителей электроэнергией, предопределенная отсутствием резервных или аварийных источников электрической энергии. В случаях отсутствия или недостаточного количества электрической энергии первичных возобновляемых источников для питания нагрузки и снижении емкостного заряда аккумуляторной батареи до минимально допустимой величины, может произойти аварийное отключение системы электроснабжения. Другим фактором, значительно снижающим надежность, является утилизация излишков мощности с помощью балластной нагрузки, что ведет к значительным потерям электроэнергии и общему снижению КПД энергетической системы.

Сущность изобретения

Техническим результатом заявленного изобретения является создание автономной гибридной энергоустановки (АГЭУ) для бесперебойного, в том числе и автономного, снабжения электрической энергией изолированных, удаленных, труднодоступных и островных территорий.

Технический результат достигается тем, что для бесперебойного, в том числе и автономного, снабжения электрической энергией изолированных, удаленных, труднодоступных и островных территорий используют АГЭУ, включающую преобразование электроэнергии солнечной электрической станции (СЭС) в электрическую энергию переменного тока и систему накопления энергии, при этом фотоэлектрические модули (ФЭМ) СЭС, установлены на отдельной площадке с возможностью демонтажа, а система накопления энергии (СНЭ), элементы СЭС и автоматическая система управления технологическими процессами (АСУ ТП), выполнены в мобильном климатическом исполнении в виде транспортируемого блок-контейнера, который состоит из стального прямоугольного каркаса с обшивкой из оцинкованного листа и прокладкой из утеплительного материала и оснащен входной дверью и торцевыми распашными воротами; СНЭ включает по меньшей мере одну литий-ионную аккумуляторную батарею (ЛИАБ) и по меньшей мере одну проточную редокс-батарею (ПРБ), которые коммутируются с СЭС; при этом используют гибридные инверторы, обеспечивающие баланс мощностей и стабильную номинальную частоту при работе в автономном (off-grid) режиме и имеющие возможность работать на потребителя АС сеть 380В, а СНЭ выполняет две основные функции:

- ЛИАБ используют для компенсации провалов мощности из-за стохастического, неравномерного характера выработки электроэнергии СЭС;

- ПРБ применяют для переброса энергии с дневных часов на вечерние; АСУТП АГЭУ включает несколько уровней управления:

- верхний уровень, представляющий собой интеллектуальную систему управления (ИСУ АСУ ТП);

- средний уровень, представляющий собой систему управления (СУ) СНЭ;

- нижний уровень, включающий оборудование СНЭ, СЭС и вспомогательных систем, таких как пожаротушения, вентиляции, кондиционирования, отопления;

при этом АСУ ТП АГЭУ используют для скоординированного управления электрическими нагрузками, управления СНЭ, СЭС и вспомогательными системами;

ИСУ АСУ ТП устанавливает режим управления оборудованием АГЭУ, оптимизирует потребление электрической энергии и снижает расходы на электроснабжение, определяет приоритет заряда и разряда ЛИАБ и ПРБ, обеспечивает синхронизацию работы в параллельном режиме, при этом приоритетное использование ПРБ расширяет ресурс работы ЛИАБ, а ЛИАБ за счет дополнительной коммутации по шине постоянного тока упрощает обслуживание ПРБ,

ИСУ АСУ ТП используют для:

1. Увеличения коэффициента использования установленной мощности (КИУМ) СЭС за счет:

- автоматизированного управления работой СНЭ;

- прогнозирования электропотребления присоединенной нагрузки;

- прогнозирования выработки СЭС;

2. Получения из АСУ ТП необходимых для работы данных;

3. Передачи в АСУ ТП команд управления оборудованием, таких как:

- управление режимом работы СНЭ и СЭС;

- управление профилем потребления электроэнергии;

4. Сохранения данных о работе АСУ ТП и АГЭУ в локальном хранилище;

5. Визуализации собранной информации, отображения архивных данных, трендов и событий;

6. Контроля за состоянием оборудования АГЭУ;

7. Сервисных функций и интерфейс для обслуживающего персонала;

8. Удаленного доступа для мониторинга работоспособности АГЭУ, обновления программного обеспечения и ручного управления.

СУ СНЭ используют для скоординированного управления электрическими нагрузками, управления СНЭ и вспомогательными системами;

нижний уровень АСУ ТП осуществляет управление режимами работы систем отопления, вентиляции и кондиционирования в автоматическом режиме, а также получает команду на аварийное отключение АГЭУ при срабатывании автоматической системы пожаротушения при получении соответствующего сигнала;

при этом ПРБ представляет собой отсек, размещенный в блок-контейнере и включающий стеки с электролитом: анонитом и католитом, резервуары для хранения анолита и католита, циркуляционные насосы, трубную обвязку, включающую подающий кислотопровод анолита, подающий кислотопровод католита, обратный кислотопровод, запорные краны, систему управления ПРБ и гибридными инверторами, при этом под давлением, создаваемым циркуляционными насосами, электролит из резервуаров для хранения анолита и католита сначала перетекает в стеки с электролитом через основные входные каналы, далее после равномерного заполнения через входные каналы индивидуальной ячейки в нижней части пластины проточной рамы электролит равномерно перетекает в микропористые каналы электродов из углеродного войлока для вступления в электрохимическую реакцию; и прореагировав, электролит равномерно собирается через выходные каналы индивидуальных ячеек в верхней части пластин проточной рамы, вытекает из стеков с электролитом и возвращается в резервуары для хранения анолита и католита, при этом в процессе электрохимической реакции на электродах из углеродного войлока с электролитом вырабатывается напряжение постоянного тока, подаваемое на вход гибридных инверторов, которые могут как заряжать внешние аккумуляторы путем преобразования переменного тока в постоянный ток, так и преобразовывать энергию ПРБ - источника постоянного тока, в энергию переменного тока для экспорта в электросеть;

ЛИАБ представляет собой отсек из четырех параллельно соединенных литий-ионных аккумуляторных модулей и гибридных инверторов, размещенные в блок-контейнере, и предназначена для накопления и выдачи электроэнергии в зависимости от заданного режима работы, а гибридные инверторы могут заряжать внешние аккумуляторы путем преобразования переменного тока в постоянный ток, а также преобразуют энергию ЛИАБ - источника постоянного тока, в энергию переменного тока для экспорта в электросеть, при этом для заряда ЛИАБ, электроэнергия может быть получена как от внешней сети, так и от СЭС, при этом алгоритм заряда ЛИАБ определяет ИСУ АСУ ТП;

СЭС предназначена для производства электроэнергии в светлое время суток и ее передачи в сеть существующего объекта и включает, в том числе, ФЭМ, подключенные к бестрансформаторному трехфазному сетевому инвертору, преобразующему энергию постоянного тока от ФЭМ в энергию переменного тока для передачи в сеть потребителя.

В развитие изобретения в АГЭУ может быть включена вертоэнергетическая установка (ВЭУ).

В развитие изобретения в АГЭУ может быть включена дизель-генераторная установка (ДГУ).

В развитие изобретения АГЭУ может одновременно включать СЭС, ВЭУ и ДГУ.

В развитие изобретения АГЭУ может включать СНЭ и внешний источник энергии.

Заявленная АГЭУ за счет присоединения любых внешних источников энергии, взаимодополняемости элементов СНЭ с использованием ИСУ АСУ ТП и мобильного климатического исполнения обеспечивает бесперебойное, в том числе и автономное, снабжение электрической энергией изолированные, удаленные, труднодоступные и островные территории. Краткое описание чертежей

На фиг. 1 показана гидравлическая схема ПРБ в разряженном состоянии.

На фиг. 1 приняты следующие обозначения:

1. Подающий кислотопровод анолита;

2. Стек с анолитом;

3. Резервуар хранения анолита;

4. Подающий кислотопровод католита;

5. Стек с католитом;

6. Резервуар хранения католита;

7. Обратный кислотопровод;

8. Циркулярный насос;

9. Кран в открытом состоянии;

10. Кран в закрытом состоянии.

На фиг. 2 показан вид на отсек ПРБ в блок-контейнере.

На фиг. 2 приняты следующие обозначения:

2. Стек с анолитом;

3. Резервуар хранения анолита;

5. Стек с католитом;

6. Резервуар хранения католита;

11. Блок-контейнер;

12. Дренажная ванна;

13. Отсек проточного накопителя.

На фиг. 3 показана электрическая схема АГЭУ

На фиг. 3 приняты следующие обозначения:

2. Стек с анолитом;

5. Стек с католитом;

13. Отсек ПРБ;

14. Гибридный инвертор;

15. Зарядное устройство.

16. Отсек литий-ионного накопителя;

17. Литий-ионный аккумуляторный модуль.

18. Фотоэлектрические модули (ФЭМ);

19. Шкаф ввода ФЭМ;

20. Бестрансформаторный трехфазный сетевой инвертор;

21. Шкаф коммутации оборудования;

22. Шкаф управления СНЭ;

23. Шкаф собственных нужд;

24. Потребитель.

На фиг. 4 показана АСУ ТП АГЭУ.

На фиг. 4 приняты следующие обозначения:

24. Потребитель;

25. Верхний уровень;

26. ИСУ;

27. Средний уровень;

28. СНЭ;

29. Нижний уровень;

30. Оборудование ПРБ;

31. Оборудование ЛИАБ;

32. Оборудование СЭС;

33. Система пожаротушения;

34. Система вентиляции;

35. Система кондиционирования;

36. Система отопления.

На фиг. 5 показан пример установки АГЭУ.

На фиг. 5 приняты следующие обозначения:

11. Блок-контейнер;

18. ФЭМ.

Осуществление изобретения

АГЭУ выполнена в мобильном климатическом исполнении в виде транспортируемого блок-контейнера 11 (фиг. 2), в котором, в том числе, размещены СНЭ, элементы СЭС и АСУ ТП. ФЭМ 18 (фиг. 3) установлены на отдельной площадке с возможностью демонтажа и электрически связаны со шкафом ввода ФЭМ 19 (фиг. 1), размещенном в блок-контейнере 11 (фиг. 2).

СНЭ включает по меньшей мере ЛИАБ и по меньшей мере одну ПРБ (фиг. 1), которые коммутируются с СЭС; при этом используют гибридные инверторы 14 (фиг. 3), обеспечивающие баланс мощностей и стабильную номинальную частоту при работе в автономном (off-grid) режиме и имеющие возможность работать на потребителя АС сеть 380В

ПРБ состоит из стеков с электролитом: анонитом 2 (фиг. 1 и 2) и католитом 5 (фиг. 1 и 2), резервуаров для хранения анолита 3 (фиг. 1 и 2) и католита 6 (фиг. 1 и 2), циркуляционных насосов 8 (фиг. 1), трубной обвязки, включающей подающий кислотопровод анолита 1 (фиг. 1), подающий кислотопровод католита 4 (фиг. 1), обратный кислотопровод 7 (фиг. 1), запорные краны 9 и 10 (фиг. 1), гибридных инверторов 14 (фиг. 3). Под давлением, создаваемым циркуляционными насосами 8 (фиг. 1), электролит из резервуаров 3 и 6 (фиг. 1 и 2) сначала перетекает в стеки 2 и 5 (фиг. 1 и 2) через о входные каналы.

Каждый стек 2 и 5 (фиг. 1 и 2) состоит из отдельных последовательно соединенных электрохимических ячеек, каждая ячейка, в свою очередь, имеет в составе ионообменную мембрану (ИОМ), электроды из углеродного войлока, проводящие биполярные пластины, пластины проточной рамы, прокладки. Электроды из углеродного войлока расположены между ИОМ и биполярной пластиной. Пластины проточной рамы имеют соответственно входные и выходные каналы для электролита.

После прохождения через входные каналы и равномерного распределения по нижней части пластин проточной рамы электролит равномерно перетекает в микропористые каналы электродов из углеродного войлока для вступления в электрохимическую реакцию. Прореагировав, электролит проходит через выходные каналы пластин проточной рамы, и вытекает из стеков возвращается в анолита 3 (фиг. 1 и 2) и католита 6 (фиг. 1 и 2). Гидравлическая схема ПРБ (фиг. 1) замкнута и не контактирует с воздухом.

Отсек ПРБ 13 (фиг. 2 и 3) оборудован дренажной ванной 12 (фиг. 2) для предотвращения и сбора протечек электролита из кислотопроводов 1, 4, 7 (фиг. 1), стеков 2 и 5 (фиг. 1 и 2) и резервуаров для хранения анолита 3 (фиг. 1 и 2) и католита 6 (фиг. 1 и 2). Объем дренажной ванной 12 (фиг. 2) рассчитан на полное дренирование электролита, находящегося в ПРБ. Для автоматического контроля за выделением паров кислот АГЭУ оборудована датчиками предельно допустимой концентрации (ПДК) паров хлороводорода, водорода и хлора в воздухе отсека ПРБ 13 (фиг. 2 и 3) и управляются АСУ ТП АГЭУ. При достижении порогового значения на любом из датчиков ПДК АСУТП включает световую аварийную сигнализацию и выполняет аварийное отключение АГЭУ.

ЛИАБ состоит из 4 параллельно соединенных аккумуляторных модулей 17 (фиг. 3). Для заряда ЛИАБ, электроэнергия может быть получена как от внешней сети, так и от СЭС. Алгоритм заряда и разряда определяется ИУС АСУ ТП.

Принцип действия СЭС заключается в выработке напряжения постоянного тока ФЭМ 18 (фиг.3 ), которое подается на вход сетевого инвертора 20 (фиг. 3), и преобразуется в напряжение переменного тока для передачи в сеть потребителя 24 (фиг. 3 и 4).

ИСУ 26 (фиг. 4) АСУ ТП обеспечивает непрерывную круглосуточную работу АГЭУ в автоматическом режиме в соответствие с заданной конфигурацией.

1. Автономная гибридная энергоустановка, включающая преобразование энергии солнечной электрической станции (СЭС) в электрическую энергию переменного тока и систему накопления энергии (СНЭ), отличающаяся тем,

что фотоэлектрические модули (ФЭМ) СЭС, установлены на отдельной площадке с возможностью демонтажа, а система накопления энергии (СНЭ), элементы СЭС и автоматическая система управления технологическими процессами (АСУ ТП), выполнены в мобильном климатическом исполнении в виде транспортируемого блок-контейнера, который состоит из стального прямоугольного каркаса с обшивкой из оцинкованного листа и прокладкой из утеплительного материала и оснащен входной дверью и торцевыми распашными воротами;

СНЭ включает по меньшей мере одну литий-ионную аккумуляторную батарею (ЛИАБ) и по меньшей мере одну проточную редокс-батарею (ПРБ), которые коммутируются с СЭС; при этом используют гибридные инверторы, обеспечивающие баланс мощностей и стабильную номинальную частоту при работе в автономном режиме и имеющие возможность работать на потребителя АС сеть 380 В, а СНЭ выполняет две основные функции:

- ЛИАБ используют для компенсации провалов мощности из-за стохастического, неравномерного характера выработки электроэнергии СЭС;

- ПРБ применяют для переброса энергии с дневных часов на вечерние; АСУТП АГЭУ включает несколько уровней управления:

- верхний уровень, представляющий собой интеллектуальную систему управления (ИСУ АСУ ТП);

- средний уровень, представляющий собой систему управления (СУ) СНЭ;

- нижний уровень, включающий оборудование СНЭ, СЭС и вспомогательных систем, таких как пожаротушения, вентиляции, кондиционирования, отопления;

при этом АСУ ТПАГЭУ используют для скоординированного управления электрическими нагрузками, управления СНЭ, СЭС и вспомогательными системами;

ИСУ АСУ ТП устанавливает режим управления оборудованием АГЭУ, оптимизирует потребление электрической энергии и снижает расходы на электроснабжение, определяет приоритет заряда и разряда ЛИАБ и ПРБ, обеспечивает синхронизацию работы в параллельном режиме, при этом приоритетное использование ПРБ расширяет ресурс работы ЛИАБ, а ЛИАБ за счет дополнительной коммутации по шине постоянного тока упрощает обслуживание ПРБ,

ИСУ АСУ ТП используют для:

- увеличения коэффициента использования установленной мощности (КИУМ) СЭС за счет: автоматизированного управления работой СНЭ, прогнозирования электропотребления присоединенной нагрузки и прогнозирования выработки СЭС;

- получения из АСУ ТП необходимых для работы данных;

передачи в АСУ ТП команд управления оборудованием, таких как управление режимом работы СНЭ и СЭС и управление профилем потребления электроэнергии;

- сохранения данных о работе АСУ ТП и АГЭУ в локальном хранилище;

- визуализации собранной информации, отображения архивных данных, трендов и событий;

- контроля за состоянием оборудования АГЭУ;

- сервисных функций и интерфейса для обслуживающего персонала;

- удаленного доступа для мониторинга работоспособности АГЭУ, обновления программного обеспечения и ручного управления;

СУ СНЭ используют для скоординированного управления электрическими нагрузками, управления СНЭ и вспомогательными системами;

нижний уровень АСУ ТП осуществляет управление режимами работы систем отопления, вентиляции и кондиционирования в автоматическом режиме, а также получает команду на аварийное отключение АГЭУ при срабатывании автоматической системы пожаротушения при получении соответствующего сигнала;

при этом ПРБ представляет собой отсек, размещенный в блок-контейнере и включающий стеки с электролитом: анонитом и католитом, резервуары для хранения анолита и католита, циркуляционные насосы, трубную обвязку, включающую подающий кислотопровод анолита, подающий кислотопровод католита, обратный кислотопровод, запорные краны, систему управления ПРБ и гибридными инверторами, при этом под давлением, создаваемым циркуляционными насосами, электролит из резервуаров для хранения анолита и католита сначала перетекает в стеки с электролитом через основные входные каналы, далее после равномерного заполнения через входные каналы индивидуальной ячейки в нижней части пластины проточной рамы электролит равномерно перетекает в микропористые каналы электродов из углеродного войлока для вступления в электрохимическую реакцию; и прореагировав, электролит равномерно собирается через выходные каналы индивидуальных ячеек в верхней части пластин проточной рамы, вытекает из стеков с электролитом и возвращается в резервуары для хранения анолита и католита, при этом в процессе электрохимической реакции на электродах из углеродного войлока с электролитом вырабатывается напряжение постоянного тока, подаваемое на вход гибридных инверторов, которые могут заряжать внешние аккумуляторы путем преобразования переменного тока в постоянный ток, а также преобразуют энергию ПРБ - источника постоянного тока в энергию переменного тока для экспорта в электросеть;

ЛИАБ представляет собой отсек из по меньшей мере четырех параллельно соединенных литий-ионных аккумуляторных модулей и гибридных инверторов, размещенный в блок-контейнере, и предназначена для накопления и выдачи электроэнергии в зависимости от заданного режима работы, а гибридные инверторы могут как заряжать внешние аккумуляторы путем преобразования переменного тока в постоянный ток, так и преобразовывать энергию ЛИАБ - источника постоянного тока, в энергию переменного тока для экспорта в электросеть, а для заряда ЛИАБ, электроэнергию получают как от внешней сети, так и от СЭС, при этом алгоритм заряда ЛИАБ определяет ИСУ АСУ ТП;

СЭС предназначена для производства электроэнергии в светлое время суток и ее передачи в сеть существующего объекта и включает, в том числе, ФЭМ, подключенные к бестрансформаторному трехфазному сетевому инвертору, преобразующему энергию постоянного тока от ФЭМ в энергию переменного тока для передачи в сеть потребителя.

2. Энергоустановка по п. 1, отличающаяся тем, что в нее включена вертоэнергетическая установка (ВЭУ).

3. Энергоустановка по п. 1, отличающаяся тем, что в нее включена дизель-генераторная установка (ДГУ).

4. Энергоустановка по п. 1, отличающаяся тем, что одновременно включает СЭС, ВЭУ и ДГУ.

5. Энергоустановка по п. 1, отличающаяся тем, что включает СНЭ и внешний источник энергии.