способ снабжения индивидуальных потребителей и способ снабжения электропривода электроэнергией с использованием электрической сети переменного тока

Формула изобретения

1. Способ снабжения множества индивидуальных потребителей из по меньшей мере одного индивидуального потребителя электроэнергией с использованием электрической сети переменного тока, в котором указанные потребители питают в течение по меньшей мере части времени, характеризующегося повышенной нагрузкой на сеть, и по меньшей мере часть индивидуальных потребителей имеют возможность питания от собственных аккумуляторов, при отсутствии повышенной нагрузки на сеть непосредственно от электрической сети питают потребители и от питаемых от электрической сети выпрямителей заряжают аккумуляторы, а накопленную в аккумуляторах энергию используют для уменьшение повышенной нагрузки на сеть, отличающийся тем, что аккумуляторы заряжают регулярно в периоды суточного цикла с пониженной нагрузкой на сеть, а в течение по меньшей мере части периодов суточного цикла с повышенной нагрузкой на сеть индивидуальные потребители регулярно питают от их собственных аккумуляторов.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что моменты подключения потребителей для питания от аккумуляторов определяют как регулярные моменты увеличения тарифов или как моменты уменьшения частоты или напряжения сети до заранее заданных значений ниже номинальных, а моменты отключения потребителей от питания от аккумуляторов определяют как регулярные моменты уменьшения тарифов, или как моменты увеличения частоты или напряжения сети до заранее заданных значений ниже номинальных, или как моменты уменьшения энергии, накопленной в аккумуляторах, до заранее заданного значения.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что в течение некоторых первых интервалов времени, обусловленных состоянием сети и уровнем накопленной в аккумуляторах энергии, потребители питают одновременно от аккумуляторов и от электрической сети и регулируют соотношение отбираемых мощностей с помощью регулятора тока разряда аккумуляторов и/или регулятора тока, который поступает от электрической сети, и/или в течение некоторых вторых интервалов времени, обусловленных состоянием сети и уровнем накопленной в аккумуляторах энергии, часть накопленной в аккумуляторах энергии направляют обратно сеть.

4. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что в процессе заряда аккумуляторов регулируют ток заряда и/или в процессе питания потребителей от аккумуляторов регулируют ток разряда аккумуляторов.

5. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что протекание токов заряда или разряда аккумуляторов разрешают или запрещают, подавая сигналы управления на управляемые ключи.

6. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что указанные потребители представляют собой электроприводы агрегатов.

7. Способ по п.6, отличающийся тем, что аккумуляторы заряжают от отдельного выпрямителя, подключенного к электрической сети.

8. Способ по п.6, отличающийся тем, что электроприводы включают преобразователи частоты, в состав которых входят звенья постоянного тока, а аккумуляторы заряжают от выхода указанных звеньев постоянного тока.

9. Способ по п.6, отличающийся тем, что как аккумуляторы используют натриево-серные или натриево-никеле-хлоридные аккумуляторы.

10. Способ по п.7 или 8, отличающийся тем, что как аккумуляторы используют натриево-серные или натриево-никеле-хлоридные аккумуляторы.

11. Способ снабжения электропривода электроэнергией с использованием электрической сети переменного тока, в котором электропривод питают в течение по меньшей мере части периодов с повышенной нагрузкой на сеть в суточном цикле, отличающийся тем, что в периоды пониженной нагрузки на сеть в суточном цикле от питаемого от электрической сети выпрямителя регулярно заряжают аккумуляторы, которыми снабжен электропривод, а по меньшей мере часть времени работы электропривода в периоды с повышенной нагрузкой электропривод регулярно питают от указанных аккумуляторов.

12. Способ по п.11, отличающийся тем, что моменты подключения электропривода для питания от аккумуляторов определяют как моменты увеличения тарифов, или как моменты уменьшения частоты или напряжения сети до заранее заданных значений ниже номинальных, а моменты отключения электропривода от питания от аккумуляторов определяют как моменты уменьшения тарифов, или как моменты увеличения частоты или напряжения сети до заранее заданных значений, ниже номинальных, или как моменты уменьшения энергии, накопленной в аккумуляторах, до заранее заданного значения.

13. Способ по п.11 или 12, отличающийся тем, что в течение некоторых первых интервалов времени, обусловленных состоянием сети и уровнем накопленной в аккумуляторах энергии, электропривод питают одновременно от аккумуляторов и от электрической сети и регулируют соотношение отбираемых мощностей с помощью регулятора тока разряда аккумуляторов и/или регулятора тока, который поступает от электрической сети, и/или в течение некоторых вторых интервалов времени часть энергии, накопленной в аккумуляторах, направляют обратно в сеть.

14. Способ по п.11 или 12, отличающийся тем, что в процессе заряда аккумуляторов регулируют ток заряда и/или в процессе питания потребителей от аккумуляторов регулируют ток разряда аккумуляторов.

15. Способ по п.11 или 12, отличающийся тем, что протекание токов заряда или разряда аккумуляторов разрешают или запрещают, подавая сигналы управления на управляемые ключи.

16. Способ по п.11 или 12, отличающийся тем, что аккумуляторы заряжают от отдельного выпрямителя, подключенного к электрической сети.

17. Способ по п.11 или 12, отличающийся тем, что электропривод включает преобразователь частоты, в состав которого входит звено постоянного тока, а аккумуляторы заряжают от выхода указанного звена постоянного тока.

18. Способ по п.11 или 12, отличающийся тем, что как аккумуляторы используют натриево-серные или натриево-никеле-хлоридные аккумуляторы.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электроэнергетике и может быть использовано в электрических сетях любого уровня, в том числе в единой электроэнергетической системе страны для снабжения электроэнергией любых потребителей, режим работы которых по тем или иным причинам требует питания в регулярные периоды с повышенной нагрузкой на электрическую сеть, например потребителей с круглосуточным режимом работы.

В этом изобретении заявляются два объекта, одним из которых является способ снабжения электроэнергией обобщенных потребителей, а другим - способ снабжения электроэнергией конкретного потребителя - электропривода - с использованием электрической сети переменного тока.

Обычный способ снабжения электроэнергией потребителей от электрической сети включает подключение потребителей к электрической сети и их питание от электрической сети в течение необходимого времени.

Однако, как известно, потребление энергии в больших электроэнергетических системах, в том числе в единой энергетической системе страны, на протяжении суток очень неравномерно: в дневное время суток имеет место повышенная нагрузка на электроэнергетические системы, а в ночное - пониженная. Это влияет на работу электростанций и приводит к неэффективному их использованию.

В такой ситуации государства стимулируют ночное потребление, устанавливая разные тарифы на оплату электроэнергии в разное время суток. Во многих странах, в том числе в Украине, в течение суток действуют три разных тарифа: пиковый, полупиковый и сниженный.

Кроме того, для уменьшения отрицательного влияния неравномерной нагрузки на большие электроэнергетические системы применяют аккумулирование энергии в периоды пониженной нагрузки и использование накопленной энергии в периоды повышенной нагрузки.

С этой целью строят, например, гидроаккумулирующие электростанции (ГАЭС), и большие буферные аккумуляторные источники с преобразователями частоты для подпитки энергосистемы в периоды повышенного потребления. Известны также такие способы аккумулирования энергии, как закачка сжатого воздуха в подземные резервуары, закачка в специальные резервуары кислорода и водорода, полученных путем электролиза воды, и т.п.

Все эти способы и устройства предусматривают последующее преобразование накопленной энергии в электрическую энергию переменного тока и возвращение ее в электроэнергетическую систему в периоды повышенной нагрузки.

Недостатками этих устройств являются низкий кпд, значительные потери дорогой аккумулированной электроэнергии в сетях энергосистемы, высокая стоимость, большой срок строительства в связи с большой энергией, запасаемой в устройствах, и большой отдаваемой мощностью, большой срок окупаемости и, в связи с этим, возможность их строительства только за счет бюджета страны. Кроме того, недостатком ГАЭС является вывод из хозяйственного оборота значительных площадей земли за счет их затопления и значительный экологический убыток.

Известны способы питания локальных потребителей электрической энергией, устраняющие нежелательные последствия при аварийном отключении электроэнергии в сети, которые включают отключение потребителей от сети, включение источников аварийного питания и подключение к ним потребителей на время устранения аварии. Эти способы предназначены для кратковременного использования и для сравнительно небольших мощностей потребителей. В качестве таких источников аварийного питания используют электростанции небольшой мощности на двигателях внутреннего сгорания и аккумуляторы с выпрямителями и преобразователями постоянного тока в переменный (инверторами). Поскольку аварийное отключение энергии, как правило, длится сравнительно небольшое время и случается редко и нерегулярно, энергия и мощность таких устройств невелика и определяется мощностью потребления самых необходимых устройств потребления энергии, обеспечивающих жизнеспособность системы локального потребителя, а запас энергии таких устройств определяется временем, необходимым для безаварийного отключения потребителей, которые могут быть отключены, и энергией, необходимой для поддержания неотключаемых потребителей в течение времени устранения аварии.

Указанные способы сравнительно просты, требуют небольших затрат и потому могут быть реализованы практически для любого потребителя, который нуждается в бесперебойном питании. Однако даже в совокупности они не могут решить задачу выравнивания нагрузки на всю электроэнергетическую систему в суточном цикле.

В основу данного изобретения поставлена задача создания простого и надежного способа снабжения множества потребителей электроэнергией, который был бы лишен недостатков описанных выше способов и сохранял бы их преимущества, а именно обеспечивал бы снижение нагрузки на энергосистему в периоды повышенной нагрузки в суточном цикле, нормальное качество электрической энергии для потребителей в течение необходимого времени и в аварийных ситуациях и возможность решения этих задач на локальном уровне, т.е. на уровне индивидуальных потребителей так, чтобы в результате это позволило бы постепенно решать задачу выравнивания нагрузки в суточном цикле в масштабах всей электроэнергетической системы.

Наиболее близким к заявляемому способу снабжения множества потребителей электроэнергией является способ, описанный в патенте РФ № 2160955, в котором по меньшей мере часть потребителей оснащена системами аварийного снабжения электроэнергией, содержащими аккумуляторы и питаемые от сети выпрямители, а при возникновении кратковременной пиковой нагрузки в электрической сети часть энергии из аккумуляторов индивидуальных децентрализованных сетей аварийного электроснабжения через инверторы отдают в сеть так долго, пока существует пиковая нагрузка и в аккумуляторах еще имеется достаточно энергии для аварийного электроснабжения.

Недостатком указанного способа является кратковременный характер передачи электроэнергии, накопленной в аккумуляторах, в сеть, необходимость согласования фаз напряжения инверторов с фазами сети и, в связи с небольшой энергией, накопленной в системах аварийного обеспечения, низкая эффективность. Еще одним недостатком этого способа является то, что поскольку реально мощности всех индивидуальных аккумуляторов недостаточно для существенного повышения ресурса энергосистемы, питание самих локальных потребителей осуществляется от перегруженной сети. Кроме того, количество локальных потребителей, которые требуют обеспечения системой аварийного питания, растет довольно медленно.

Для решения поставленной выше задачи в известном способе снабжения множества индивидуальных потребителей из по меньшей мере одного индивидуального потребителя электроэнергией с использованием электрической сети переменного тока, в котором указанные потребители питают в течение по меньшей мере части времени, характеризующегося повышенной нагрузкам на сеть, и по меньшей мере часть индивидуальных потребителей имеют возможность питания от собственных аккумуляторов, во время отсутствия повышенной нагрузки на сеть непосредственно от электрической сети питают потребители и от выпрямителей, которые питают от электрической сети, заряжают аккумуляторы, а накопленную в аккумуляторах энергию используют для уменьшения повышенной нагрузки на сеть, согласно изобретению, внесенные такие усовершенствования:

- аккумуляторы заряжают регулярно в периоды суточного цикла с пониженной нагрузкой на сеть,

- в течение по меньшей мере части периодов суточного цикла с повышенной нагрузкой на сеть индивидуальные потребители регулярно питают от их собственных аккумуляторов.

Привязка интервалов времени заряда и разряда аккумуляторов к периодам пониженной и повышенной нагрузки сети в суточном цикле, с одной стороны, позволяет по меньшей мере частично выровнять нагрузку на сеть на протяжении суток, а с другой стороны, за счет сниженной стоимости электроэнергии в периоды с пониженной нагрузкой, снизить общую стоимость электроэнергии, потребляемой данным конкретным потребителем. Кроме того, способ не требует фазирования преобразованного от аккумулятора напряжения с сетью и позволяет обеспечить нормальное качество электроэнергии для питания индивидуального потребителя.

Далее, способ, естественно, обеспечивает и аварийное питание потребителя, если только аварийное отключение происходит не тогда, когда аккумулятор еще полностью разряжен, а потребитель, тем не менее, должен работать. Хотя такие ситуации могут быть исключены путем обеспечения запаса энергии в аккумуляторе на случай аварийного отключения после его отключения от потребителя.

Важным преимуществом указанного способа является также то, что по мере увеличения числа потребителей, охваченных этим способом снабжения электроэнергией, постепенно решается общесистемная задача снижения нагрузки на сеть в периоды повышенной нагрузки, в отличие от гидроаккумулирующих электростанций или других больших аккумулирующих систем, которые начинают давать эффект только после завершения строительства. Таким образом, оснащение потребителей аккумуляторами для использования в способе снабжения в соответствии с данным изобретением, могло бы происходить, по меньшей мере частично, за счет государственного бюджета.

Моменты переключения питания потребителей от сети на аккумуляторы могут определяться как регулярные моменты изменения тарифов, т.е. в определенные моменты суток. В связи с тем, что повышенная нагрузка на сеть сопровождается уменьшением частоты и напряжения сети, моменты указанного переключения могут также определяться заранее установленными значениями частоты или напряжения сети или их отличий от номинальных значений. Кроме того, понятно, что в случае разряда аккумуляторов до заранее заданных значений накопленной в них энергии или напряжения также должно состояться переключение питания от аккумуляторов на сеть.

Заявляемый способ снабжения электроэнергией потребителей позволяет также питать их одновременно от аккумуляторов и от электрической сети в течение некоторых первых интервалов времени, обусловленных состоянием сети и уровнем накопленной в аккумуляторах энергии, при этом возможно регулирование соотношения мощностей, которые отбираются, с помощью регулятора тока разряда аккумуляторов и/или регулятора тока, который поступает от электрической сети. В этом конкретном варианте выполнения заявляемого способа также достигается указанный выше технический результат, хотя и в меньшей степени.

Кроме того, усовершенствованный вариант выполнения заявляемого способа позволяет, при необходимости, часть накопленной в аккумуляторах энергии направлять обратно в сеть, когда, во-первых, в аккумуляторах имеется достаточный запас энергии, а во-вторых, когда сеть особенно перегружена. Это также дает возможность уменьшить уровень нагрузки на сеть.

Дальнейшие усовершенствования заявляемого способа состоят том, что в процессе заряда аккумуляторов можно регулировать ток заряда, а в процессе разряда аккумуляторов - ток разряда. Это позволяет оптимизировать условия заряда и разряда и/или регулировать, соответственно, время заряда и потребляемую мощность.

В конкретном варианте выполнения заявляемого способа переключение потребителя на питание от сети или от аккумуляторов и аккумулятора на заряд или разряд осуществляют путем подачи разрешающих или запрещающих сигналов на управляемые ключи.

Один из конкретных вариантов заявляемого способа предназначен для питания электроприводов разных агрегатов. Это довольно большой класс потребителей, которые могут существенно влиять на работу электроэнергетической системы в целом, и их охват этим способом может существенным образом выровнять нагрузку на систему в суточном цикле.

Если в состав электропривода не входит управляемый выпрямитель, то для заряда аккумулятора такой выпрямитель необходим как отдельный блок. Если же электропривод включает, например, преобразователь частоты, то аккумулятор можно заряжать от звена постоянного тока указанного преобразователя. При этом мощность указанного звена постоянного тока должна быть достаточной для одновременного питания электропривода и заряда аккумулятора.

В настоящее время созданы, производятся и уже широко применяются специализированные аккумуляторы чрезвычайно большой емкости для мощных силовых применений. Эти аккумуляторы имеют уникальные возможности относительно запасания огромного количества энергии и ее использования при мощностях потребления до 10 МВт и больше. Такими аккумуляторами являются натриево-серные аккумуляторы, представленные, например, на веб-сайте по адресу:

http://www.ngk.co.jp/english/products/power/nas/index.html

и натриево-никеле-хлоридные аккумуляторы, представленные на веб-сайте по адресу:

http://www.cebi.com/cebi/content/index_en.html?a=5&b=9&c=19&d=72.

Применение таких аккумуляторов для питания электроприводов большой мощности, например, используемых в электроприводных газоперекачивающих агрегатах, имеет особые преимущества. Они включают уменьшение стоимости электроэнергии, исключение потребности в строительстве одной из двух линий электропередачи (для обеспечения резервирования) с подстанциями и другим оборудованием, повышение надежности работы, возможность вывода электроэнергетической системы страны из состояния чрезвычайно большого отличия нагрузок в дневное и ночное время, уменьшение потерь в сетях.

Отдельным объектом этого изобретения является способ снабжения электропривода электроэнергией с использованием электрической сети переменного тока.

Речь идет об электроприводах, которые необходимо снабжать электроэнергией в течение по меньшей мере части периодов с повышенной нагрузкой на сеть в суточном цикле, когда тариф на электроэнергию выше, чем в периоды пониженной нагрузки, а электропривод создает дополнительную нагрузку на перегруженную сеть.

Хотя указанные электроприводы являются частным случаем обобщенного потребителя, относительно которого заявляемый способ описан выше, необходимость выделения способа снабжения их электроэнергией в отдельный объект вызвана широким применением электроприводов, в том числе имеющих большую (до десятков мегаватт) мощность и поэтому в совокупности создающих существенную нагрузку на электроэнергетическую систему.

В основу этого изобретения, которое касается способа снабжения электроэнергией электропривода, поставлена задача по меньшей мере частично исключить или, по возможности, уменьшить нагрузку электропривода на сеть в периоды повышенной нагрузки и одновременно снизить стоимость потребляемой электроэнергии за счет применения пониженных тарифов на электроэнергию.

Поставленная задача решается тем, что в отличие от обычного способа снабжения электроэнергией электропривода, в котором электропривод питают в течение по меньшей мере части периодов с повышенной нагрузкой на сеть в суточном цикле, в соответствии с изобретением в периоды пониженной нагрузки на сеть в суточном цикле от питаемого от электрической сети выпрямителя регулярно заряжают аккумуляторы, которыми снабжен электропривод, а по меньшей мере часть времени работы электропривода в периоды с повышенной нагрузкой электропривод регулярно питают от указанных аккумуляторов.

Причинно-следственная связь между совокупностью существенных признаков изобретения и получаемым техническим результатом описана выше для обобщенного потребителя электроэнергии и понятна из сути изобретения.

Дальнейшие усовершенствования способа снабжения электропривода электроэнергией и конкретные варианты его выполнения аналогичны тем, которые были описаны для обобщенного потребителя электроэнергии.

Способ выполняют следующим образом. Если режим работы потребителя предусматривает его питание по меньшей мере в течение части регулярных периодов в суточном цикле с повышенной нагрузкой на электрическую сеть, в регулярные периоды в суточном цикле, когда повышенная нагрузка отсутствует, от подключенных к электрической сети выпрямителей заряжают аккумуляторы, которыми оснащены конкретные потребители, и, при необходимости, питают сам потребитель, а с наступлением регулярных периодов с повышенной нагрузкой на электрическую сеть отключают потребители от электрической сети, подключают их к аккумуляторам через преобразователь постоянного напряжения в переменное и в течение определенного времени в течение периода с повышенной нагрузкой питают их от аккумуляторов.

Как пример, способ согласно изобретению может быть применен для питания электропривода мощностью 4 МВт, который включает электродвигатель, преобразователь частоты на полную мощность двигателя и батарею из 80 модулей в виде натриево-серных аккумуляторов типа PS-E50, каждый из которых может накапливать энергию 430 кВт*ч. При этом общая емкость батареи составляет 34,4 МВт*ч, масса - 2800 т, площадь под батареей - 600 кв.м, и она обеспечивает беспрерывное питание двигателя в течение 4 ч в периоды с повышенной нагрузкой на электрическую сеть.

Расчеты показывают, что, например, при существующих в Украине ставках тарифа на электроэнергию и непрерывном режиме работы указанного электропривода экономия затрат на электроэнергию может составить порядка одного миллиона долларов США в год при окупаемости капиталовложений не более 5 лет.