автономная система бесперебойного электроснабжения, использующая возобновляемый источник энергии

Формула изобретения

Автономная система бесперебойного электроснабжения, 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, 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.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к энергетике, в частности к автономным системам электроснабжения трехфазным переменным током объектов, удаленных от систем централизованного электроснабжения, при использовании возобновляемых видов энергии, например энергии ветра.

Известны системы преобразования механической энергии ветротурбины (патенты RU 2171913, кл. F 03 D 9/00, опубл. 14.06.2000 г., RU 2173928, кл. Н 02 М 5/40, опубл. 23.08.1999 г., RU 2153752, кл. H 02 J 3/28, опубл. 07.05.1999 г.) в энергию трехфазного переменного тока потребителя, включающие две ступени преобразования:

1) преобразование энергии ветротурбины в энергию заряда аккумуляторной батареи;

2) преобразование энергии аккумуляторной батареи в энергию, поставляемую потребителю.

Каждая из ступеней содержит цепь последовательных преобразований, причем преобразуется вся энергия, вырабатываемая ветротурбиной на первой ступени и передаваемая потребителю на второй.

Так, например, в соответствии с источниками RU 2171913, кл. F 03 D 9/00, опубл. 14.06.2000 г., RU 2173928, кл. Н 02 М 5/40, опубл. 23.08.1999 г., энергия ветротурбины преобразуется дважды, а по источнику RU 2153752, кл. H 02 J 3/28, опубл. 07.05.1999 г. - трижды в тракте "ветротурбина-аккумулятор". Преобразование энергии на второй ступени содержит одно преобразование по RU 2171913, кл. F 03 D 9/00, опубл. 14.06.2000 г., RU 2153752, кл. H 02 J 3/28, опубл. 07.05.1999 г. и три преобразования по источнику RU 2173928, кл. Н 02 М 5/40, опубл. 23.08.1999 г. Каждое из этих преобразований всего потока мощности, циркулирующего в системе сопровождается соответствующими потерями энергии.

Известны системы автономного электроснабжения с дизелем и ветряной турбиной в качестве первичных двигателей. Одна из таких систем, наиболее близкая к заявленному изобретению по применяемым устройствам и принятая в качестве прототипа, представлена в нидерландском патенте EP 0046530 A1 (STICHTING ENERGIE ONDERZOEK CENTRUM NEDERLAND), кл. H 02 J 3/38, H 02 P 9/42, F 03 D 9/00, опубл. 03.03.1982 г.

Система, представленная в этом патенте, содержит:

1) ветротурбину (ВТ) (одну или несколько), связанную механически через редуктор с синхронным ветротурбогенератором. Скорость вращения этого агрегата изменяется в функции скорости ветра по закону съема максимума вырабатываемой ветротурбиной мощности путем регулирования тока возбуждения генератора. Цепь статора генератора электрически связана с неуправляемым выпрямителем и ведомым сетью инвертором. В качестве источника коммутирующего напряжения инвертора используется автономная сеть трехфазного переменного тока постоянной частоты, формируемая в системе;

2) дизель-генераторную установку (ДГУ), содержащую дизель, соединенный с помощью управляемой муфты с синхронным дизельным генератором. Этот агрегат вращается с постоянной скоростью, он формирует напряжение у потребителя энергии в режимах, когда мощность, вырабатываемая ветротурбиной, меньше мощности потребителя (Р_вт<Р_п). Стабилизация напряжения у потребителя производится путем регулирования тока возбуждения синхронного дизельного генератора;

3) вспомогательный потребитель электроэнергии, подсоединенный через регулирующее устройство к системе в одной из ее точек, - в точке стабилизации напряжения синхронного дизельного генератора, цепи выпрямленного тока в тракте преобразования энергии ветротурбины или непосредственно на зажимах ветротурбогенератора. Этот потребитель, согласно источнику, может использоваться:

а) для нагрева воды;

б) для электролиза воды (с последующим получением энергии при соединении водорода с кислородом);

в) для заряда аккумуляторных батарей;

г) для подъема воды на некоторую высоту.

Этот вспомогательный потребитель, согласно описанию и формуле изобретения, используется только в режиме, когда Р_вт>Р_п, покрывая их дисбаланс и стабилизируя тем самым напряжение в сети. Дизель в этом случае не используется: он останавливается, а синхронный дизельный генератор продолжает вращаться, работая со стабильными частотой и напряжением.

К недостаткам такой системы следует отнести:

1) использование различных способов получения стабильной частоты напряжения у потребителя в режимах Р_вт >Р_п и Р_вт<Р_п. Соотношение между этими мощностями зависит от двух факторов - скорости ветра и потребляемой мощности, каждая из которых может изменяться очень быстро и в широких пределах. Поэтому, во-первых, перевод системы из одного режима в другой должен быть произведен за очень малое время, несоизмеримое со временем запуска дизеля, а, во-вторых, требуемая частота этих переводов может измеряться десятками за одну минуту. Это затрудняет реализацию данного способа и снижает его эффективность. Весьма проблематичным нам представляется запуск короткозамкнутого асинхронного двигателя - одного из типичных промышленных электроприемников, если мощность его соизмерима с мощностью системы. Вместе с тем, непрерывная работа дизельного агрегата во всех режимах системы нам представляется крайне нежелательной вследствие повышенного расхода топлива. Именно эта цель - снижение расхода топлива - преследуется при введении в работу ветротурбины совместно с дизелем;

2) система представляет для потребителя один независимый источник энергии - ДГУ, т.к. при выходе ее из строя исключается возможность нормального электропитания приемников даже III категории, если Р_вт<Р_п. Вместе с тем, в системе используются два первичных двигателя - дизель и ветротурбина, и построение на их базе двух независимых источников электроснабжения нам представляется задачей осуществимой.

Предлагаемое изобретение ставит задачей повышение надежности автономной системы электроснабжения, содержащей два первичных двигателя - дизель и ветротурбину (их может быть несколько), распространив область ее использования на потребителей II и I категории путем формирования двух независимых источников электроснабжения; снижение расхода топлива ДГУ путем оптимизации ее работы в режиме Р_вт<Р_п и остановки при Р_вт >Р_п; увеличение максимума мощности, вырабатываемой в системе, без увеличения установленной мощности электрогенерирующих устройств, повышение кпд системы.

Технический результат предлагаемого изобретения состоит в следующем:

1) существенно повышается надежность электроснабжения. В системе обеспечиваются требования "Правил устройства электроустановок" как по качеству напряжения на зажимах потребителя, так и по бесперебойности его электроснабжения, включая потребителей I и II категории, за счет формирования двух независимых источников. Вместе с тем, для электроснабжения потребителей III категории система может быть упрощена исключением второго - резервного - источника электроснабжения (дизель-генераторной установки), стоимость выработки электроэнергии которой очень высока;

2) основной источник электроснабжения, использующий в качестве первичного двигателя ветротурбину, обеспечивает высокий уровень бесперебойности электроснабжения: переход от режима заряда аккумуляторной батареи при Р_вт>Р _п к режиму ее разряда при Р_вт<Р_п и обратный переход осуществляются за время, измеряемое несколькими миллисекундами при динамическом изменении скорости синхронного компенсатора, формирующего напряжение в сети, на ±2-3% от ее номинального значения, без перерыва электроснабжения. Качество напряжения на зажимах синхронного компенсатора остается высоким как в статических, так и динамических режимах без применения фильтрующих устройств;

3) в системе обеспечиваются оптимальные условия работы ДГУ: периоды ее работы в режиме постоянной нагрузки при минимуме удельного расхода топлива перемежаются с паузами, когда ДГУ остановлена;

4) в системе минимизированы потери энергии при ее преобразованиях за счет, во-первых, использования принципа непосредственного однократного преобразования энергии ветротурбины в энергию потребителя, а также энергии аккумуляторной батареи в энергию потребителя, причем через аккумуляторную батарею и тиристорный преобразователь циркулирует только разбаланс мощностей ветротурбины и потребителя;

5) максимум вырабатываемой в системе мощности, которая может быть передана потребителю, определяется суммой установленных мощностей: асинхронного ветротурбогенератора, тиристорного преобразователя, связанного с аккумулятором, и ДГУ.

Указанный технический результат достигается тем, что автономная система бесперебойного электроснабжения, использующая возобновляемый источник энергии, содержит, 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, два независимых источника электроснабжения, соединенных между собой блоком согласования, 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.

Для решения этой задачи

1) формирование напряжения на зажимах потребителя основным источником, функцию первичного двигателя для которого выполняет ветряная турбина, производится трехфазной синхронной машиной, работающей в режиме синхронного компенсатора со свободно вращающимся валом. Ее разгон осуществляется с помощью разгонного двигателя малой мощности, его номинальная мощность составляет 50-60% от мощности потерь холостого хода разгоняемого синхронного компенсатора или при мощности синхронного компенсатора до 100кВт - вручную. Синхронный компенсатор покрывает реактивную мощность, потребляемую в системе. По цепи статора компенсатор соединен с зажимами переменного тока реверсивного двухкомплектного тиристорного преобразователя постоянного тока, в цепь постоянного тока которого включена аккумуляторная батарея. Скорость вращения синхронного компенсатора стабилизируется в замкнутой CAP скорости с воздействием выходного сигнала CAP на тиристорный преобразователь;

2) отбор энергии от ветротурбины (ветротурбин) осуществляется многоскоростной асинхронной машиной с короткозамкнутым ротором, включенной на зажимы синхронного компенсатора. Включение асинхронной машины в сеть и выбор ее рабочей скорости и, следовательно, скорости ветротурбины, осуществляется управляющим устройством, задающим оптимальную скорость ветротурбины, при которой она вырабатывает максимум энергии.

Совокупность ветротурбины, асинхронной машины с управляющим устройством, аккумуляторной батареи с реверсивным тиристорным преобразователем и синхронного компенсатора составляет основной независимый источник питания в системе автономного электроснабжения.

Данная система отбора мощности от ветротурбины характеризуется высокой надежностью и минимальной стоимостью. Вместе с тем, ступенчатый характер регулирования скорости ветротурбины обуславливает снижение отбираемой мощности на 8-10% при использовании двухскоростной асинхронной машины и на 3-4% - трехскоростной - по сравнению с системами плавного регулирования скорости ветротурбины с точной ее настройкой на максимум отбираемой мощности. И если для конкретных условий этот критерий играет принципиальную роль, в предлагаемой системе может быть использована схема отбора мощности, представленная, например, в прототипе: синхронный генератор - неуправляемый выпрямитель - ведомый сетью инвертор. Отметим, однако, что трехкратное преобразование энергии в такой схеме обуславливает пониженное значение номинального кпд; кроме того, пониженные показатели надежности синхронных машин по сравнению с асинхронными, а также сложность настройки следящей системы на максимум мощности, отбираемой в широком диапазоне скоростей ветра, требует тщательной проработки этого вопроса, прежде чем принять к реализации тот или иной вариант;

3) в качестве второго - резервного - независимого источника питания в предлагаемой системе, как и в системе, принятой за прототип, используется ДГУ. Вместе с тем, в заявленном изобретении предложена CAP активной мощности синхронного дизельного генератора, обеспечивающая постоянство нагрузки на валу генератора и на валу дизеля в режимах, когда он введен в работу, причем эта нагрузка может регулироваться в широких пределах - от номинальной до отрицательной, покрывающей потери в ДГУ при холостом ходе. Выбор источников, вводимых в работу, согласование их режимов, выбор принципов совместной работы производится по критерию минимальной стоимости вырабатываемой электроэнергии при безусловном обеспечении требуемой надежности электроснабжения потребителей. В описании изобретения предложены варианты режимов системы при выходе из строя ее отдельных устройств. Во всех случаях предпочтительным является режим выведенной из работы ДГУ или, например, при длительном безветрии или малой скорости ветра - его периодический ввод в работу в оптимальном режиме минимума удельного расхода топлива на единицу вырабатываемой энергии при максимальном использовании мощности, генерируемой ветротурбиной;

4) в системе обеспечивается суммирование мощности, вырабатываемой ветротурбиной, отбираемой от аккумуляторной батареи и вырабатываемой ДГУ в общей сети, включающей синхронный компенсатор, тиристорный преобразователь, связанный с аккумуляторной батареей, ДГУ, ветротурбогенератор и нагрузку. При необходимости все три указанных источника могут быть включены на параллельную работу на ограниченное время для покрытия пиковых нагрузок.

Сущность предлагаемого изобретения состоит в следующем.

Функциональная схема системы представлена на чертеже, где приняты следующие обозначения: 1 - подсистема ветротурбогенератора; 2 - подсистема синхронного компенсатора; 3 - подсистема дизель-генераторной установки (ДГУ); 4 - потребитель электроэнергии; 5 - блок переключения; 6 - ветротурбина; 7 - мультипликатор; 8 - многоскоростная асинхронная машина; 9 - блок выбора режима ветротурбогенератора; 10 - разгонный асинхронный двигатель; 11 - автономный инвертор напряжения; 12 - аккумуляторная батарея; 13 - синхронный компенсатор; 14 - обгонная муфта; 15 - датчик скорости вращения синхронного компенсатора; 16 - CAP скорости вращения синхронного компенсатора; 17 - двухкомплектный реверсивный тиристорный преобразователь постоянного тока; 18 - синхронный дизельный генератор; 19 - дизель; 20 - датчик активной мощности дизельного генератора; 21 - датчик напряжения; 22 - датчик тока; 23 - CAP активной мощности дизельного генератора; 24 - система самовозбуждения синхронного генератора.

Система состоит из подсистемы 1 ветротурбогенератора, подсистемы 2 синхронного компенсатора, подсистемы 3 дизель-генераторной установки, соединенных между собой и потребителем электроэнергии 4 блоком переключения 5. Заявляемая система способна функционировать при выходе из работы (по разным причинам), как минимум, одной из подсистем, обеспечивая бесперебойное электроснабжение потребителя электроэнергии 4.

Подсистема 1 ветротурбогенератора состоит из ветротурбины 6, жестко связанной через мультипликатор 7 с многоскоростной асинхронной машиной 8, управляемой блоком 9 выбора режима ветротурбогенератора в функции скорости ветра, что дает возможность выбора оптимальных рабочих скоростей вращения ветротурбины 6, тем самым обеспечивается максимум вырабатываемой подсистемой 1 мощности.

Подсистема 2 синхронного компенсатора состоит из асинхронного двигателя 10, статор которого соединен с выходом автономного инвертора напряжения 11, последний по цепи постоянного тока соединен с аккумуляторной батареей 12. Синхронный компенсатор 13 механически связан через обгонную муфту 14 с двигателем 10, что обеспечивает разгон компенсатора 13 до околосинхронной скорости и выход его на рабочий режим. Выход датчика 15 скорости вращения синхронного компенсатора 13 соединен со входом системы автоматического регулирования (CAP) 16 скорости вращения синхронного компенсатора. Выход последней соединен со входом управления двухкомплектного реверсивного тиристорного преобразователя 17 постоянного тока, включенного между статором синхронного компенсатора 13 и аккумуляторной батареей 12, что дает возможность управления током заряда или разряда аккумуляторной батареи 12 в функции скорости вращения синхронного компенсатора 13, чем обеспечивается стабилизация частоты напряжения питания электропотребителей при широком диапазоне изменения мощности, снимаемой с ветротурбины 6.

Подсистема 3 дизель-генераторной установки состоит из синхронного дизельного генератора 18, вал которого соединен с выходным валом дизеля 19, статор - с блоком переключения 5. Вход датчика 20 активной мощности дизель-генераторной установки соединен с выходами датчика 21 напряжения и датчика 22 тока, подключенных к статору синхронного генератора 18. CAP 23 активной мощности дизельного генератора, соединенная с выходом датчика 20 активной мощности дизельного генератора и входом управления тиристорного преобразователя 17, обеспечивает регулирование активной составляющей тока синхронного генератора 18 и за счет этого оптимизацию режима работы ДГУ. Синхронный компенсатор 13 и синхронный дизельный генератор 18 снабжены системами самовозбуждения 24.

Разогнав синхронный компенсатор 13 до номинальной скорости с помощью устройства разгона 10-11 и включив систему самовозбуждения 24 синхронного компенсатора, устанавливают номинальное напряжение на зажимах его статора. Нагрузка 4 при этом должна быть отключена, как отключенным должен быть и тиристорный преобразователь 17. Затем включают систему управления 16 тиристорным преобразователем 17 и подают напряжение на его силовую схему, одновременно отключая питание автономного инвертора 11 напряжения. Операции подачи напряжения на силовую часть тиристорного преобразователя 17 и одновременного снятия питания с автономного инвертора 11 напряжения осуществляется в автоматическом режиме.

Далее синхронный компенсатор 13 продолжает вращение самостоятельно, а разогнанный привод 10-11 останавливается и остается неподвижным в течение всего времени работы компенсатора. Передача движения от компенсатора 13 к асинхронному двигателю 10 исключается путем введения между ними обгонной муфты 14.

Подсистема 2 входит в режим самосинхронизации со стабилизацией частоты на зажимах синхронного компенсатора 13 путем стабилизации его скорости вращения. Частота ЭДС синхронного компенсатора 13, пропорциональная скорости его вращения, поддерживается постоянной: при отклонении скорости вращения от номинального значения в сторону уменьшения на входе CAP 16 скорости компенсатора появляется рассогласование (примем условно его положительным), при котором вводится в работу тот комплект преобразователя 17, которому задается режим ведомого сетью инвертора в сеть, формируемую статором синхронного компенсатора 13, вводится энергия, отбираемая от аккумуляторной батареи 12 через тиристорный преобразователь 17. По обмоткам статора протекает ток, активная составляющая которого в противофазе с его ЭДС, - компенсатор 13 переводится в режим двигателя с появлением на его валу движущего момента и увеличением скорости. Положительное рассогласование на входе CAP 16 снижается. При отрицательном рассогласовании на входе CAP 16 (скорость компенсатора больше номинальной) вводится в работу тот комплект преобразователя 17, которому задан режим выпрямления, и скорость синхронного компенсатора 13 снижается, восстанавливая динамическое равновесие в системе при U_oc=U_зс.

Таким образом, система находится в состоянии динамической самосинхронизации: компенсатор 13 вращается со стабилизированной скоростью, вырабатывая ЭДС частота которой близка к номинальной, тиристорный преобразователь 17 работает на частоте ЭДС синхронного компенсатора 13, используя эту ЭДС в качестве коммутирующего напряжения и стабилизируя скорость вращения компенсатора 13. Система работоспособна, если динамические изменения напряжения и частоты на зажимах питания тиристорного преобразователя 17 не превышают 10% от номинального значения. Для современных преобразователей с безынерционными синхронными системами импульсно-фазового управления вертикального принципа работы в сочетании с быстродействующими CAP скорости это требование выполняется для всех серийных комплектно изготавливаемых тиристорных преобразователей.

Система "синхронный компенсатор 13 - тиристорный преобразователь 17 - аккумуляторная батарея 12", введенная в работу описанным выше способом, представляет собой независимый источник питания. В рассмотренном выше способе ввода в работу синхронного компенсатора 13 без нагрузки после окончания переходного процесса устанавливается статический режим, в котором преобразователь 17 работает в инверторном режиме, покрывая потери холостого хода компенсатора 13 Р_к. При включении нагрузки 4 на зажимы компенсатора 13 его динамическое снижение скорости повлечет увеличение тока тиристорного преобразователя 17, активная составляющая которого покрывает потребление активной мощности как нагрузкой 4, так и самим компенсатором 13. Вместе с тем, компенсатор 13 является источником реактивной мощности в системе - он покрывает реактивную мощность, потребляемую как нагрузкой 4, так и тиристорным преобразователем 17 и прочими устройствами, включенными в сеть.

Включение в работу ветротурбогенератора (одного или нескольких) приведет к тому, что вырабатываемая синхронным компенсатором 13 реактивная мощность возрастет на величину реактивной мощности, потребляемой асинхронной машиной 8, работающей в генераторном режиме, а тиристорный преобразователь 17 будет вырабатывать только активную мощность дисбаланса Р_вт и Р_п+Р _к, заряжая аккумулятор при Р_вт>Р _п+Р_к и расходуя его энергию при Р_вт <Р_п+Р_к (под Р_вт понимается активная мощность, вырабатываемая ветротурбогенератором).

При достаточной скорости ветра, когда среднее значение мощности, вырабатываемой подсистемой 1, равно средней мощности, потребляемой нагрузкой 4, оперативное управление избытком или дефицитом мощности осуществляется тиристорным преобразователем 17. Критерием баланса мощностей является постоянство скорости синхронного компенсатора 13: при ее избытке происходит ее динамическое увеличение, которое приводит к возрастанию ее отбора преобразователем 17 из сети переменного тока, и передача в аккумулятор 12; динамическое снижение скорости синхронного компенсатора 13 приводит к отбору энергии от аккумуляторной батареи 12 и ее передача в питающую сеть.

Ветротурбина 6 в данной системе имеет простую и надежную конструкцию неизменяемой геометрии, рассчитанной по критерию максимума вырабатываемой мощности в условиях преобладающих скоростей ветра при ступенчатом изменении скорости ветротурбины. Разгон ветротурбины производится при включении асинхронной машины в питающую сеть - в этом случае она работает в режиме двигателя, и при расчете геометрии режим разгона ветротурбины может не приниматься во внимание.

Выбор многоскоростной асинхронной машины 8 в качестве ветротурбогенератора обусловлен простотой, высокой надежностью и низкой стоимостью такой схемы, не требующей преобразовательных устройств, естественным ограничением скорости ветротурбины 6 за счет высокой жесткости естественной механической характеристики асинхронной машины 8 с перегрузочной способностью в режиме генератора, существенно большей, чем в двигательном режиме, а также естественным возбуждением ее при подключении к сети предварительно сформированного напряжения. Применение односкоростной машины сильно снизит эффективность процесса отбора энергии от ветротурбины, а применение более чем трех рабочих скоростей асинхронной машины лишено практического смысла, поскольку, усложнив и удорожив систему, не даст заметного повышения эффективности работы установки. Таким образом, к использованию рекомендуются двух- или трехскоростные асинхронные машины.

Блок 9 выбора режима ветротурбогенератора служит для определения оптимальной скорости ветротурбины 6, обеспечивающей максимум отбираемой от нее мощности при данной скорости ветра. Основным чувствительным органом блока 9, на основании анализа уровня выходного сигнала которого принимается решение о выборе оптимальной скорости ветротурбины 6, является счетчик активной энергии, включаемый в цепь статора асинхронной машины 8. Алгоритм выбора оптимальной скорости следующий:

а) при малых скоростях ветра или полном безветрии блок 9 выбора режима задает ждущий режим работы ветротурбогенератора: асинхронная машина 8 включается в сеть на напряжение, сформированное синхронным компенсатором 13 или подсистемой 3 ДГУ, на минимальную скорость и замеряется ее активная энергия на 30-секундном интервале времени после снижения пускового броска тока до статического. Если энергия положительна (асинхронная машина 8 работает в двигательном режиме), ее отключают с повторным включением через 20-30 мин. Если активная энергия 30-секундного режима включения отрицательна и уровень ее достиг минимального порога W_пор, асинхронную машину 8 оставляют в работе, и блок 9 выбора режима переводит подсистему 1 в рабочий режим;

б) в рабочем режиме замеряется 10-минутная энергия асинхронной машины 8, после чего показания счетчика активной энергии обнуляются. Для этого режима предварительно рассчитываются (или определяются экспериментально) значения энергии W1, W2 и W3 - соответственно минимума энергии, рационального при работе системы на минимальной скорости (назовем ее первой), энергии рационального перехода с первой скорости на вторую и со второй на третью, максимальную скорость. Если W10 мин <W1, то подсистема 1 переводится в ждущий режим. Если W1<W10 мин <W2, подсистема 1 переводится в режим первой скорости или в ней сохраняется этот режим. Если W2<W10 мин <W3, подсистема 1 переводится в режим второй скорости или он сохраняется. И, наконец, если W3<W10 мин, подсистема 1 переводится в режим третьей скорости или в ней сохраняется этот режим.

Таким образом,

а) система реагирует на быстротекущие изменения скорости ветра изменением активного тока асинхронной машины 8 при практически постоянной ее скорости, усредняя вырабатываемую ветротурбогенератором мощность на 10-минутном интервале времени. Отметим, что выбранный 10-минутный интервал может быть изменен в зависимости от конкретных ветроклиматических условий, в которых эксплуатируется установка. Как показывают расчеты, слежение за всеми изменениями скорости ветра и перевод системы на режим съема максимума мощности с соответствующим изменением скорости ветротурбины приведет к тому, что система будет работать в непрерывных переходных режимах с повышенными токовыми нагрузками всех элементов и ухудшенной энергетикой. В предлагаемом изобретении перевод подсистемы 1 с одной скорости на другую производится не чаще, чем один раз в 10 мин, причем увеличение скорости требует доразгона асинхронной машины 8, она работает в двигательном режиме, а снижение скорости происходит в режиме ее рекуперативного торможения с возвратом избытка кинетической энергии в питающую сеть;

б) перевод подсистемы 1 на другую скорость производится по результатам оценки его режима на предыдущем 10-минутном интервале. Поэтому особенностью предлагаемого метода слежения за скоростью ветра является наличие чистого случайного запаздывания, максимальное значение которого составляет 10 мин.

Отметим, что на выбор скорости ветротурбины 6 накладываются ограничения по допустимой скорости ветра, максимальному току статора асинхронной машины 8, степени заряженности аккумуляторной батареи 12, исправности оборудования и т.д.

Режим работы ДГУ по заявленному изобретению формируется путем регулирования его нагрузки около номинальной воздействием на поток энергии в контуре "аккумуляторная батарея 12 - тиристорный преобразователь 17 - сеть". Для регулирования нагрузки ДГУ предусмотрен датчик 20 активной мощности дизельного генератора 18, выходной сигнал которого в качестве сигнала обратной связи U_ом по активной мощности ДГУ подается на вход CAP 23 мощности ДГУ, воздействующей на тиристорный преобразователь 17. CAP 16 скорости синхронного компенсатора 13 и CAP 23 мощности дизеля являются альтернативными - при вводе в работу ДГУ CAP 16 скорости синхронного компенсатора 13 отключается и тиристорный преобразователь 17 управляется сигналом, вырабатываемым CAP 23 мощности дизеля. Выбор вводимых в работу источников электроснабжения и задание режимов их работы производятся блоком 5 переключения режимов источников электроэнергии.

В системе реализуются следующие режимы.

1. При исправном состоянии всех элементов системы.

1.1. Режим выработки максимальной мощности для покрытия пиковых нагрузок электропотребителей 4:

а) ДГУ работает в режиме выработки максимальной номинальной мощности. Напряжение, формируемое на зажимах дизельного генератора 18, является ведущим для работы всех прочих элементов подсистемы 1, синхронного компенсатора 13, тиристорного преобразователя 17;

б) подсистема 1 ветротурбогенератора работает в своем стандартном режиме отбора максимума мощности от ветротурбины 6;

в) синхронный компенсатор 13 работает в режиме выработки реактивной мощности при отключенной CAP 16 скорости с возможным компаундированием при необходимости по току нагрузки;

г) тиристорный преобразователь 17 работает в режиме ведомого сетью инвертора в системе CAP 23 стабилизации активной мощности дизельного генератора 18.

1.2. Режим Р_вт>Р_п:

а) ДГУ остановлена;

б) подсистема 1 ветротурбогенератора работает в стандартном режиме, если аккумуляторная батарея 12 разряжена. При заряженной аккумуляторной батарее 12 ветротурбина 6 переводится на пониженную скорость (при большом дисбалансе Р=Р _вт-Р_п предлагается вариант остановки ветротурбины 6). Система работает в режиме минимизации мощности, циркулирующей в тракте "аккумуляторная батарея 12 - тиристорный преобразователь 17 - сеть";

в) тиристорный преобразователь 17 работает в своем стандартном режиме стабилизации скорости синхронного компенсатора 13 при введенной в работу CAP 16.

1.3. Режим Р_вт<Р_п:

а) подсистема 1 ветротурбогенератора работает в стандартном режиме выработки максимума мощности;

б) другие подсистемы работают в режиме 1.2 при снижении степени заряженности аккумуляторной батареи 12 от 100% до 50% и в режиме 1.1 при увеличении степени заряженности от 50% до 100%.

2. ДГУ выведена из работы (не исправна)

Оставшиеся исправными подсистемы работают в режиме 1.2 при Р_вт>Р _п и 1.3 при Р_вт<Р_п. Наименее ответственные электроприемники 4 в последнем случае могут быть отключены.

3. Выведен из работы (не исправен) синхронный компенсатор 13. В данном случае ДГУ не может быть остановлена - это единственный источник, формирующий напряжение на зажимах потребителя в данном режиме. Вместе с тем, расход горючего ДГУ может быть минимизирован за счет максимального использования энергии ветра.

Независимо от соотношения Р_вт и Р_п работа ДГУ регламентируется CAP 23 мощности:

а) при Р_вт>Р_п дизель 19 работает в режиме холостого хода. Потери холостого хода дизеля 19 покрываются ветротурбогенератором. Ветротурбина 6 переводится на пониженную скорость или останавливается, как это было показано в п.1.2.6;

б) при Р_вт<Р _п ДГУ работает в режиме постоянства мощности на уровне режима среднего значения мощности дисбаланса ветротурбогенератора и нагрузки при работе ветротурбины 6 в стандартном режиме максимума вырабатываемой мощности.

4. Выведены из работы (не исправен) один из узлов тракта "аккумуляторная батарея 12 - тиристорный преобразователь 17".

В этом случае обеспечивается параллельная работа ДГУ и ветротурбогенератора с контролем мощности ДГУ: при Р_дгу0 (Р_вт=Р_п) снижается скорость ветротурбогенератора или он выводятся из работы. Возможно использование синхронного компенсатора 13 для выработки реактивной мощности при отключенной CAP 16 скорости.