способ бесперебойного электроснабжения потребителей электроэнергетической системы, работающей на возобновляемых источниках энергии (варианты)

Формула изобретения

1. Способ бесперебойного электроснабжения потребителей электроэнергетической системы, работающей на возобновляемом источнике энергии, 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, отличающийся тем, что 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.

2. Способ бесперебойного электроснабжения потребителей электроэнергетической системы, работающей на возобновляемых источниках энергии, включающий преобразование энергии как минимум двух возобновляемых источников энергии в электрическую энергию переменного тока с помощью электрогенераторов переменного тока, преобразование посредством выпрямителей энергии переменного тока в энергию постоянного тока, стабилизацию напряжения каждого отдельного источника, накопление суммарной энергии постоянного тока в общем аккумуляторе и выдачу энергии на нагрузку потребителя, отличающийся тем, что дополнительно посредством широтно-импульсных преобразователей с гальванической развязкой на выходе преобразовывают напряжение аккумулятора в регулируемое постоянное напряжение и с помощью "вольт-добавок" суммируют его с напряжением на выходе выпрямителей путем последовательного подключения выходных цепей преобразователей и выпрямителей, причем регулирование широтно-импульсных преобразователей осуществляют из условия поддержания на входах стабилизатора напряжения выше напряжения стабилизации.

Описание изобретения к патенту

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).

Известен способ бесперебойного электроснабжения потребителей электроэнергетической системы, работающей на возобновляемых источниках энергии, принятый за прототип (патент РФ 2153752, Н 02 J 3/28, 3/32), включающий преобразование энергии нескольких возобновляемых источников энергии в электрическую энергию переменного тока с помощью электрогенераторов переменного тока, преобразование посредством выпрямителей энергии переменного тока в энергию постоянного тока, стабилизацию напряжения каждого отдельного источника, накопление суммарной энергии постоянного тока в общем заряжаемом от выпрямителя аккумуляторе с емкостью, рассчитанной по величине суточного потребления энергии нагрузкой потребителя, преобразование с помощью инвертора электрической энергии постоянного тока в электрическую энергию переменного тока и выдачу ее на нагрузку потребителю. При этом управление режимом работы генератора производят путем изменения емкостного сопротивления аккумулятора в процессе его зарядки при поддержании величины напряжения зарядки, заданной в диапазоне между минимальной и максимальной величинами напряжения на нагрузке потребителя.

При использовании данного способа в системе могут использоваться как однотипные, так и разнотипные источники энергии. Управление режимом работы генератора путем изменения емкостного сопротивления аккумулятора при поддержании величины напряжения зарядки приводит к изменению величины тока зарядки, что и позволяет аккумулятору выступать в роли регулируемой нагрузки. Сглаживание колебаний генерируемой энергии здесь происходит за счет операции аккумулирования электроэнергии. При стабилизированном напряжении зарядка аккумулятора осуществляется током, равным разности между суммарным током всех источников и током нагрузки. При токах нагрузки, превышающих суммарный ток, начинается зарядка аккумулятора.

Существенными признаками прототипа, совпадающими с существенными признаками заявляемого изобретения, являются:

По варианту 1 - 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.

По варианту 2 - преобразование энергии как минимум двух возобновляемых источников энергии в электрическую энергию переменного тока с помощью электрогенераторов переменного тока, преобразование посредством выпрямителей энергии переменного тока в энергию постоянного тока, стабилизацию напряжения каждого отдельного источника, накопление суммарной энергии постоянного тока в общем аккумуляторе и выдачу энергии на нагрузку потребителя.

Недостатком обоих вариантов способа бесперебойного электроснабжения потребителей электроэнергетической системы, работающей на возобновляемых источниках энергии, принятого за прототип, является низкий коэффициент использования энергии нестационарных источников, работающих в диапазоне мощностей меньше выбранных номинальных. Это объясняется тем, что за счет применения стабилизаторов напряжения и параллельного подключения выходов стабилизаторов и шин питания аккумуляторной батареи энергия генератора с малой мощностью, когда его напряжение менее выбранного стабилизированного напряжения, не передается ни в нагрузку, ни в аккумулятор. Например, в области ветроэнергетики полезная работа ветрогенератора начинается только со значительных ветров, что, во-первых, снижает к.п.д. электроэнергетической установки, а во-вторых, значительно уменьшает область (территорию) возможного применения.

Предлагаемыми вариантами технического решения решается задача расширения диапазона используемых мощностей возобновляемых источников энергии при высоком коэффициенте использования энергии источников не только в режимах, когда мощность источника выше номинальной, но и в режимах, когда мощность источника ниже выбранной.

Для достижения указанного технического результата в способе бесперебойного электроснабжения потребителей электроэнергетической системы, работающей на возобновляемых источниках энергии:

По варианту 1, включающему 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.

По варианту 2, включающему преобразование энергии как минимум двух возобновляемых источников энергии в электрическую энергию переменного тока с помощью электрогенераторов переменного тока, преобразование посредством выпрямителей энергии переменного тока в энергию постоянного тока, стабилизацию напряжения каждого отдельного источника, накопление суммарной энергии постоянного тока в общем аккумуляторе и выдачу энергии на нагрузку потребителя, дополнительно посредством широтно-импульсных преобразователей с гальванической развязкой на выходе преобразовывают напряжение аккумулятора в регулируемое постоянное напряжение и с помощью "вольт-добавок" суммируют его с напряжением на выходе выпрямителей путем последовательного подключения выходных цепей преобразователей и выпрямителей, причем регулирование широтно-импульсных преобразователей осуществляют из условия поддержания на входах стабилизатора напряжения выше напряжения стабилизации.

Отличительными признаками предлагаемого способа является:

По варианту 1 то, что 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.

По варианту 2 то, что посредством широтно-импульсных преобразователей с гальванической развязкой на выходе преобразовывают напряжение аккумулятора в регулируемое постоянное напряжение и с помощью "вольт-добавок" суммируют его с напряжением на выходе выпрямителей путем последовательного подключения выходных цепей преобразователей и выпрямителей, причем регулирование широтно-импульсных преобразователей осуществляют из условия поддержания на входах стабилизатора напряжения выше напряжения стабилизации.

Благодаря наличию указанных отличительных признаков в совокупности с известными (указанными в ограничительных частях вариантов формулы) достигается следующий технический результат - за счет использования мощности возобновляемого источника энергии, меньшей выбранной, повышается к.п.д. электроэнергетической системы, а также появляется возможность использования в случаях, когда ранее это было нецелесообразно из-за высокой нестабильности или низких энергетических свойств источника энергии. Кроме того, по варианту 2 формулы при работе более одного источника энергии (особенно разного типа) происходит обмен (подпитка) энергиями между параллельно работающими источниками.

В результате поиска по источникам патентной и научно-технической информации совокупность признаков, характеризующая предлагаемые варианты способа бесперебойного электроснабжения потребителей электроэнергетической системы, работающей на возобновляемых источниках энергии, не была обнаружена. Таким образом, предлагаемые варианты изобретения соответствуют критерию охраноспособности "новое".

На основании сравнительного анализа вариантов предложенного решения с известным уровнем техники по источникам научно-технической и патентной информации можно утверждать, что между совокупностью признаков, в том числе и отличительных, и выполняемых ими функций и достигаемой целью наблюдается неочевидная причинно-следственная связь. На основании вышеизложенного можно сделать вывод о том, что в предложенных вариантах способа техническое решение не следует явным образом из уровня техники и, следовательно, соответствует критерию охраноспособности "изобретательский уровень".

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).

Предложенный способ реализуется с помощью устройства, блок-схема которого приведена по варианту 1 на фиг.1, по варианту 2 - на фиг.2.

Изображенное на фиг.1-2 обозначено: возобновляемый источник энергии 1, генератор переменного тока 2 (например, синхронный), выпрямитель 3, стабилизатор 4, аккумулятор 5, нагрузка 6, "вольт-добавка" 7, широтно-импульсный преобразователь 8.

Способ по варианту 1 (фиг. 1) реализуется следующим образом. Для использования возобновляемого источника энергии 1, уровень вырабатываемой энергии которого ниже выбранного, которой соответствует напряжение на выходе выпрямителя 3, обеспечивающее минимальную величину напряжения на нагрузке потребителя 6, к выходному напряжению выпрямителя 3 добавляют такое напряжение, чтобы суммарное напряжение на выходе стабилизатора 4 стало не менее напряжения, обеспечивающего минимальную величину напряжения на нагрузке 6. Для этого выходную цепь выпрямителя 3 соединяют последовательно со схемой "вольт-добавка" 7, выполняющей роль сумматора напряжений. Чтобы реализовался сумматор, необходима гальваническая развязка выходной цепи выпрямителя 3 и источника 1, играющего роль "вольт-добавки". Поэтому применен широтно-импульсный преобразователь напряжения постоянное-постоянное (DC/DC). Это, например, полумостовой или мостовой двухполупериодный или однотактный обратноходовый преобразователь. В предложенном способе напряжение на входе стабилизатора 4 - U_c равно сумме напряжений выпрямителя 3 - U_в и преобразователя 8 - U_п: U_c=U_в+U_п. Преобразователь 8 выполнен так, что его выходное напряжение регулируется из условия U_п=U_см-U_в, где U_см - напряжение на входе стабилизатора 4, которое обеспечивает минимальное напряжение на нагрузке 6 при работе источника 1. Эту регулировку может осуществлять отрицательная обратная связь по напряжению на входе стабилизатора 4, введенная в преобразователь 8. Тогда при энергии первичного источника 1, обеспечивающей напряжение на входе стабилизатора 4, равное или большее заданному (которое определяется минимальным напряжением на нагрузке 6), введенный преобразователь 8 будет закрыт, напряжение "вольт-добавки" 7 равно нулю и схема ведет себя аналогично схеме-прототипу. Если же энергия первичного источника 1 меньше заданного, преобразователь 8 формирует на своем выходе напряжение U_п, которое, суммируясь с напряжением выпрямителя 3, обеспечивает на выходе стабилизатора 4 напряжение, обеспечивающее минимальное напряжение нагрузки 6. Таким образом, мы к энергии первичного источника 1 добавляем лишь ту часть энергии аккумулятора 5, которой не достает до обеспечения минимального напряжения на нагрузке 6. В прототипе же, в данной ситуации, в нагрузку шла лишь энергия аккумулятора.

Так, для проведенного эксперимента с ветрогенератором мощностью 800 Вт, работающего совместно со стабилизатором, коэффициент использования энергии при мощностях 200 Вт составил лишь 8%, а после реализации предлагаемого способа он увеличился до 32%.

Необходимо иметь ввиду, что при выборе минимальной энергии, при которой необходимо осуществлять "вольт-добавку", нужно исходить из потерь на преобразование. Так, если к. п.д. стабилизатора и преобразователя составляют соответственно 0,9 и 0,85, то при мощности 200 Вт мы получим потери около 24 Вт на преобразование. Естественно, что работу преобразователя необходимо начинать с мощностей, которые больше данных потерь. Если учесть также экономические факторы (стоимость электроэнергии, полученной за счет способа), то эта величина может оказаться еще большей. Однако, когда малые ветра доминируют, то данный способ может оказаться единственным, позволяющим обеспечить бесперебойное питание потребителей энергосистемы при экономии энергии аккумулятора.

Способ по варианту 2 (фиг.2) реализуется аналогичным образом, но благодаря использованию предлагаемого способа при работе как минимум одного дополнительного возобновляемого источника энергии (возможно другого типа) система работает следующим образом. Если первый возобновляемый источник энергии имеет мощность, меньшую установленной (той, которая обеспечивает минимально допустимое напряжение на нагрузке), а второй возобновляемый источник - мощность, большую установленной, то энергия второго источника передается к нагрузке по цепи, которая присутствует и у прототипа, а именно: источник - генератор - выпрямитель - стабилизатор - нагрузка, но кроме этого, энергия второго источника через дополнительно введенные элементы "вольт-добавка" 7, широтно-импульсный преобразователь 8 первого источника передается на вход стабилизатора 4, суммируясь с энергией первого источника. За счет этого открывается стабилизатор 4 первого источника и энергия первого источника таким образом передается в нагрузку. Это новое качество, реализованное в общей для двух и более возобновляемых источников линии постоянного тока можно обозначить как "способность передавать энергию от источника с меньшим напряжением в линию с большим напряжением".