система автоматического управления многофункциональным энергетическим комплексом

Формула изобретения

Система автоматического управления комплекса энергоснабжения пассивной нагрузки, содержащая разнородные источники питания и накопитель электроэнергии, выходы которых через преобразователи ac-dc (ac-dc-ac) подключены к шинам нагрузки, а выходы нагрузки через датчики мощности и напряжения присоединены к входам систем управления каждого преобразователя ac-dc (ac-dc-ac), отличающаяся тем, что, с целью бесперебойного энергоснабжения и улучшения качества переходных процессов при коммутации преобразователей ac-dc (ac-dc-ac), выход их систем управления подается на вход системы управления верхнего уровня, а ее выход соединяется с цепями управления выключателей указанных преобразователей ac-dc (ac-dc-ac).

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электротехнике, а именно к системам автоматического управления многофункциональным энергетическим комплексом (МЭК), встроенным в энергосистему, работающим на пассивную нагрузку, т.е. нагревающимся без ЭДС и включающим разнородные источники электроэнергии и накопитель электроэнергии (НЭЭ). Используется в системах распределительной и малой энергетики (до 10 МВт) гарантированного энергоснабжения потребителей.

Системы МЭК в качестве источников электроэнергии содержат базисные энергоустановки (ЭУ): синхронный генератор (СГ), вращаемый дизелем; асинхронный генератор (АГ); ветровую электроустановку (ВЭУ), вращаемую ветром; асинхронная связь которых с нагрузкой осуществляется через ac-dc-ac преобразователи, питаемые от энергосистемы, и выключатели. Дополнительным источником электроэнергии для МЭК могут быть фотоэлектрические установки (ФЭУ), подключаемые к МЭК через ac-dc преобразователь; микрогидроэлектростанции (ГЭС), дизельные генераторы (ДЭЗ) и другие источники. Разнотипный характер источников с резко переменным графиком выработки электроэнергии обуславливает необходимость применения в составе МЭК накопителя НЭЭ, в качестве которого могут быть использованы: аккумуляторные батареи (АБ); топливные элементы (ТЭ); суперконденсаторы и другие электрохимические источники, присоединенные к МЭК через ac-dc преобразователь.

Задача изобретения - создание системы автоматического управления комплексом (САУК), способной обеспечить: согласованную работу разнотипных источников электроэнергии; гарантированное питание пассивной нагрузки при пропадании питания от базисного источника или энергосистемы; накопление, хранение, заряд НЭЭ, а также его разряд; стабилизацию и демпфирование колебаний напряжения на шинах нагрузки и при коммутации различных источников.

Известно изобретение («Harada Seiji», Разнородная система энергоснабжения, Патент JPA2001177995, класс H02J 3/28, опубликован 29.06.2001 г.) [1] системы управления разнородной системой энергоснабжения, в которой используются ФЭУ и НЭЭ, присоединенные к энергосистеме через один или несколько преобразователей напряжения ac-dc, причем указанные преобразователи коммутируются выключателями, осуществляющими их попеременное подключение.

Недостатком данного изобретения является отсутствие регуляторов мощности и напряжения, обеспечивающих гарантированное качество напряжения, которое обеспечивается генераторами энергосистемы, то есть рассматривается не пассивная, а активная нагрузка. Кроме того, исключено мешающее влияние регуляторов каждого из преобразователей при их коммутации, что увеличивает длительность пропадания напряжения на шинах нагрузки и приводит к перегрузке преобразователей.

Известно также другое изобретение (L.Gyugyi «Apparatus and method for interline power flow contro». Патент US 5698969, класс G05F 1/70, опубликован 16.12.1997 г.) [2], в котором применяется один или несколько параллельно соединенных преобразователей ac-dc-ac, регулирующих потоки активной и реактивной мощностей в одной или нескольких параллельных линиях, соединяющих две энергосистемы. Недостатком приведенного изобретения является то, что в нем не рассматривается энергоснабжение пассивной нагрузки и не учитывается мешающее влияние регуляторов преобразователей.

Наиболее близким к заявленному (прототип) является изобретение (Bebic Jovan, Lehn Peter, Hybrid power flow controller and method. Патент ЕР 1573878, класс H02J 3/18, опубликован 17.09.2005 г.) [3], в котором также рассматривается случай соединения двух энергосистем через гибридный преобразователь ac-dc-ac, дополненный компенсатором реактивной мощности. Недостатком данного [3] изобретения, как и второго [2] изобретения, является отсутствие питания пассивной нагрузки и не учет мешающего влияния регуляторов преобразователей.

Предлагаемое устройство САУК предназначено для обеспечения гарантированного энергоснабжения пассивной нагрузки при наличии разнородных источников энергоснабжения, содержащих дизель - синхронный генератор и/или асинхронный генератор ВЭУ, накопитель электроэнергии (НЭЭ) в виде топливных элементов (ТЭ) или аккумуляторных батарей (АБ). При этом используется один или более преобразователей напряжения ac-dc (ac-dc-ac) от источников, а также сетевой преобразователь ac-dc (ac-dc-ac), присоединенный к энергосистеме.

Предложенное изобретение обеспечит бесперебойное энергоснабжение; улучшение качества переходных процессов (мощности активной и мощности реактивной); отклонение напряжения в пределах допустимых норм (норма для провала: не более 30 с.) согласно Межгосударственному стандарту ГОСТ 13109-97 "Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения" [4].

Цель изобретения в отличие от первого [1] аналога состоит в том, что для обеспечения бесперебойного энергоснабжения и улучшения качества переходных процессов при коммутации преобразователей ac-dc (ac-dc-ac) выход их систем управления подается на вход системы управления верхнего уровня, а ее выход соединяется с цепями управления выключателей указанных преобразователей ac-dc (ac-dc-ac).

Средством достижения указанной цели является система управления верхнего уровня, которая задает режимы работы каждого преобразователя ac-dc (ac-dc-ac) (заряд-разряд), уставки мощности и напряжений, аварийное или коммутационное отключение импульсов управления на выключатели преобразователей ac-dc (ac-dc-ac).

Для пояснения существа изобретения приводятся чертежи (фиг.1-6). На фиг.1 приведена упрощенная схема предлагаемого устройства САУК. На фиг.2 приведена более детальная схема с учетом датчиков мощности и напряжения, уставок регуляторов и ключей, задающих режимы работы преобразователей ac-dc (ac-dc-ac). Фиг.3 иллюстрирует состояние выключателей и прохождение импульсов управления каждого преобразователя ac-dc (ac-dc-ac). Влияние качества переходных процессов при коммутации преобразователей ac-dc (ac-dc-ac) иллюстрируется графиками (фиг.4-6), причем фиг.4 соответствует неблагоприятному варианту коммутации преобразователей ac-dc (ac-dc-ac), приводящему к провалу напряжения на шинах нагрузки; фиг.5 соответствует отсутствию провала напряжения нагрузки, но регуляторы преобразователей ac-dc (ac-dc-ac) мешают друг другу, приводя к перегрузке преобразователей ac-dc (ac-dc-ac) по реактивной мощности; фиг.6 соответствует применению рекомендуемой схемы, которая обеспечивает отсутствие провала напряжения нагрузки и плавной коммутации преобразователей ac-dc (ac-dc-ac) без их перегрузки.

Схема замещения силовой части многофункционального энергетического комплекса (МЭК) в минимальной конфигурации приведена на фиг.1, где принимаются следующие обозначения:

1 - синхронный генератор СГ 6 кВ;

2,2 - выключатели преобразователей ac-dc (ac-dc-ac);

3 - эквивалент нагрузки, приведенный к напряжению 6 кВ;

4,4 - соответственно преобразовательные трансформаторы 6/35 кВ и 6/0,4 кВ;

5,5 - соответственно РУ 6 кВ и РУ 0,4 кВ с фильтрами;

6,6 - соответственно фазные реакторы преобразователей ас-dc (ac-dc-ac);

7,7 - соответственно преобразователи ас-dc (ac-dc-ac) (инверторы) напряжения на ВВП и СПП;

10 - система синхронизации и синфазирования;

11- щит управления (ЩУДГ);

12, 13 (12 , 13 ) - соответственно агрегатные системы управления и фазоимпульсные устройства сетевого и автономного преобразователей ас-dc (ac-dc-ac);

14 (14 ) - блоки управления преобразователями ас-dc (ac-dc-ac);

15 (15 ) - ключи управления верхнего уровня, блок управления верхнего уровня ЩУДГ;

16 - блок управления ДГ (АГ);

17 (17 ) - ключи управления режимом преобразователей ас-dc (ac-dc-ac);

21 - система управления агрегатного уровня;

22 - система управления верхнего уровня.

Предлагаемое устройство САУК приведено на фиг.2, где принимаются следующие обозначения:

№ / № 1-10 - соответствуют элементам силовой схемы МЭК (фиг.1);

№ / № 11-22 - соответствуют элементам системы управления САУК (фиг.2),

которая состоит из следующих функциональных блоков:

1) системы измерения и преобразования сигналов (указана в пунктирных

квадратах (фиг.1) и сплошных квадратах (фиг.2));

2) система синфазирования и синхронизации (блок 10);

3) система управления агрегатами:

- блок 11-ЩУДГ;

- блок 12, 13 - СУП.С и ФИУ ПС для сетевого преобразователя ас-dc (ac-dc-ac) ПС;

- блок 12 , 13 - СУП.А и ФИУ ПА для автономного преобразователя ас-dc (ac-dc-ac) ПА.

Указанные блоки СУП и ФИУ предназначены для векторного управления

преобразователями ас-dc (ac-dc-ac) и соответствуют приведенным во втором [2] изобретении. Кроме того, они дополнены регуляторами мощности Р и Q и регуляторами напряжения U, которые показаны в виде апериодических звеньев вида . Выходными сигналами каждой СУП является угол управления и коэффициент модуляции m, по которым ФИУ ИМП ПС выдает импульсы управления преобразователей ас-dc (ac-dc-ac) ПС (ИМП ПС) и ПА (ИМП ПА).

Система управления агрегатного уровня соответствует пунктирному элементу 21.

Система управления верхнего уровня, выполняющая функции блока управления комплекса, соответствует элементу 22 (фиг.2), который состоит из блоков управления преобразователями ас-dc (ac-dc-ac) ПС и ПА - соответственно 14 и 14 , соответствующих ключей 15 и 15', разрешающих или запрещающих прохождение импульсов управления ИМП ПС и ИМП ПА и управляющих выключателями 2 преобразователей ас-dc (ac-dc-ac), блока управления ДГ (АГ) - 16, ключей управления режимом преобразователей ас-dc (ac-dc-ac) 17 (для ПС) и 17 (для ПА). Указанные ключи соответствуют двум возможным режимам: з - заряд, р - разряд. В общем случае режим заряд соответствует перетоку мощности из сети на сторону постоянного тока преобразователей ас-dc (ac-dc-ac), режим разряд - наоборот.

Уставки мощностей и напряжения, показанные «овалом» на фиг.2 входят в состав блока 22; выключатели 2 для упрощения связаны с блоками управления 14, 14 и 16 однолинейными связями, реально имеется два канала: состояние выключателя и его управления. Цепи защит от сверхтоков не показаны.

Работа блока 22 САУК иллюстрируется графиком (фиг.3), который соответствует режиму: на интервале:

0,0-0,3 с работает ДГ;	0,3-0,6 с работает ПС;
0,6-0,9 с работает ПА;	0,9-1,5 с работает ПС;

В интервале времени: 0,0-0,3 с работает ДГ, после чего ДГ отключается, что соответствует графику (фиг.3 а).

Выключатель автономного преобразователя ac-dc (ac-dc-ac) включен постоянно: 0,0 - 1,5 с. Выключатель сетевого преобразователя ас-dc (ac-dc-ac) ПС отключается в интервале времени: 0,6-0,9 с, что иллюстрируется графиком (фиг.3, б).

Импульсы управления, с выхода блока 15 (фиг.2), сетевого преобразователя ас-dc (ac-dc-ac) ПС, подаются с задержкой 0,05 с, а затем 0,1 с (относительно срабатывания сетевого выключателя) с тем, чтобы обеспечить устойчивую синхронизацию ПС (смотри фиг.3, в).

Импульсы управления автономного преобразователя ас-dc (ac-dc-ac) ПА с выхода блока 15 (фиг.2) показаны на фиг.3, г. Видно, что в момент 1,0 с подачи импульсов на ПС следует снять импульсы на ПА для обеспечения надлежащего качества переходных процессов, которые соответствуют кривым на фиг.6. Подача импульсов на ПА может быть возобновлена в момент 1,2 с (то есть с задержкой на 0,2 с относительно подачи импульсов на ПС).

Следует отметить, что автономный преобразователь ac-dc (ac-dc-ac) по своему назначению должен быть постоянно подключен к шинам нагрузки, работая либо на заряд, либо на разряд накопителя. Поэтому кратковременный перерыв в подаче импульсов должен являться вынужденной мерой для успешной коммутации преобразователей ас-dc (ac-dc-ас) при сохранении показателей качества переходного режима.

Влияние качества переходных процессов коммутации преобразователей ас-dc (ac-dc-ac) ПС и ПА иллюстрируется графиками (фиг.4-6). На графике (фиг.4) приведен наиболее неблагоприятный вариант коммутации ПС и ПА, когда одновременно с подключением ПС (в момент 0,9 с) срабатывает блок 15 и подает импульсы управления на ПС. На графике (фиг.4) приведены кривые:

а) активных мощностей: нагрузки PN (верхняя кривая), РР1 для ПС, РР2 для ПА, [МВт]

б) реактивных мощностей: нагрузки QN, QQ1 для ПС, QQ2 для ПА, [MBА]

в, г) соответственно для напряжения нагрузки - UN, [В] и токов нагрузки IN верхняя

кривая и IPT для стороны постоянного тока ПС, [А].

Из анализа графиков (фиг.4) следует, что подача импульсов на ПС в момент 0,9 с не обеспечена согласованием с системой синфазирования, что приводит к сбросу активной и реактивной мощности нагрузки, графики (фиг.4 а, б), а также к недопустимому снижению напряжения на нагрузке, график (фиг.4 в), на время порядка 0,1 с. График (фиг.5) с аналогичным обозначением кривых отличается от графика (фиг.4) тем, что импульсы управления ПА не блокируются на интервале коммутации с ПА на ПС. В момент времени 0,9 с подключается сетевой выключатель, а затем в 1,0 с блок 15 подает импульсы управления на ПС. Коммутация, судя по графикам (фиг.5 а, в, г) проходит успешно, однако регуляторы реактивных мощностей и напряжений ПА и ПС противодействуют друг другу (смотри график фиг.5 б), что неблагоприятно сказывается в смысле перегрузки указанных преобразователей ac-dc (ac-dc-ac) и особенно автономного преобразователя ас-dc (ac-dc-ac) ПА.

На фиг.6 приведен рекомендуемый порядок работы блоков 15 и 15 , который соответствует графикам (фиг.3), то есть одновременному снятию и подаче импульсов соответственно на ПА и ПС в момент времени 1,0 с. При этом, как видно из фиг.6 а, б коммутация преобразователей ас-dc (ac-dc-ac) происходит без сильных колебаний, противодействие регуляторов Q и U отсутствует. Провал напряжения нагрузки, график (фиг.6в), кратковременный 0,05 с и незначительный. Возможность параллельной работы преобразователей ac-dc (ac-dc-ac) ПС и ПА, так же как и генератора ДГ реализуется раздачей уставок мощностей после завершения коммутации преобразователей ac-dc (ac-dc-ac), начиная с момента 1,2 с. Аварийные коммутации преобразователей ac-dc (ac-dc-ac), например, при срабатывании защиты от сверхтоков или других нарушениях осуществляются по сигналам, поступающим на вход блоков 14 (14 ) (цепи защит не показаны). После появления указанных сигналов безинерционно срабатывает блок 15 (15 ), который блокирует прохождение импульсов на соответствующий преобразователь ac-dc (ac-dc-ac).

Источники информации

[1]. Патент JPA2001177995, класс H02J 3/28, опубликован 29.06.2001 г.

[2]. Патент US 5698969, класс G05F 1/70, опубликован 16.12.1997 г.

[3]. ЕР1573878, класс Н0253/18, опубликован 17.09.2005 г.

[4]. Межгосударственный стандарт ГОСТ 13109-97 (введен в действие постановлением Госстандарта РФ от 28 августа 1998 г. N 338) "Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения".