Устройство бесперебойного электроснабжения потребителей, работающее на нестабильных источниках энергии

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ УСТРОЙСТВО БЕСПЕРЕБОЙНОГО ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ, РАБОТАЮЩЕЕ НА НЕСТАБИЛЬНЫХ ИСТОЧНИКАХ ЭНЕРГИИ(71) Заявитель Учреждение образования Белорусский государственный аграрный технический университет(72) Авторы Зеленькевич Александр Иосифович Михайлова Евгения Викторовна Счастный Валерий Петрович(73) Патентообладатель Учреждение образования Белорусский государственный аграрный технический университет(57) Устройство бесперебойного электроснабжения потребителей, работающее на нестабильных источниках энергии, 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 57162009.12.30 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, отличающееся тем, что дополнительно содержит регулятор, первый вход которого подключен к датчику напряжения, второй вход - к датчику тока, третий вход - к блоку запрета, присоединенному своим входом к блоку, обеспечивающему управляющую связь с более высоким уровнем энергосистемы, выходом соединен с синхронной электромашиной. Полезная модель относится к электротехнике и может быть использована в системах электроснабжения потребителей. Известно устройство, принятое за прототип, бесперебойного снабжения потребителей электроэнергетической системы, работающее на нестабильных источниках энергии 1,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. Недостатком указанного устройства является то, что при существующей технической возможности не предусмотрен вариант использования синхронной машины для компенсации реактивной мощности, а также отсутствует управляющая связь с более высокими уровнями энергосистемы. Техническая задача заключается в расширении функциональных возможностей устройства и уменьшении потерь электроэнергии путем компенсации реактивной мощности. Поставленная задача решается тем, что устройство бесперебойного электроснабжения потребителей, 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, дополнительно содержит регулятор, первый вход которого подключен к датчику напряжения, второй вход - к датчику тока, третий вход - к блоку запрета, присоединенному своим входом к блоку, обеспечивающему управляющую 2 57162009.12.30 связь с более высоким уровнем энергосистемы, выходом соединен с синхронной электромашиной. На фигуре изображена структурная схема предлагаемого устройства бесперебойного электроснабжения потребителей. Устройство содержит нестабильный источник энергии - ветроэнергетическую установку (ВЭУ) 1 с генератором переменного тока 2, соединенным с сетью промышленной частоты (трехфазной) потребителя 3 посредством ключа 4, управляемого пороговым устройством 5, дизельный двигатель 6, который снабжен устройством автоматического включения (на схеме не обозначено), входом соединенным с выходом контроллера заряда 7 аккумулятора 8, и который через обгонную муфту 9 соединен с синхронной электромашиной 10, подключенной к сети потребителя 3, при этом на один вал с синхронной электромашиной 10 подключен двигатель постоянного тока 11 с возбуждением от постоянных магнитов, якорем подключенный к 4-квадрантному широтно-импульсному преобразователю 12, выход которого соединен с аккумулятора 8, а управляющий вход которого соединен с выходом фазочувствительного выпрямителя 13, один вход которого соединен с выходом задающего генератора промышленной частоты 14, а другой вход соединен с выходом датчика частоты сети 15 потребителя 3, регулятор 18, к первому входу которого подключен датчик напряжения 16, ко второму входу - датчик тока 17, а к третьему входу подключен блок 19 запрета, препятствующий диспетчеру энергоситемы режиме, когда ВЭУ не работает, принудительно измененять ток возбуждения синхронной машины, блок 20, обеспечивающий управляющую связь с более высоким уровнем энергосистемы. Описание работы предлагаемого устройства бесперебойного электроснабжения потребителей удобнее вести для трех режимов 1. Энергия ветра больше номинальной мощности. 2. Энергия ветра отсутствует (ВЭУ не вырабатывает электроэнергии). 3. Энергия ветра меньше номинальной мощности. 1-й режим. В этом режиме при избыточной энергии ветра избыточная мощность, вырабатываемая генератором переменного тока 2, поступает в сеть потребителя 3, при этом синхронная электромашина 10 переводится в режим двигателя, созданием на ее валу момента Мг. Возникающий при этом электромагнитный момент равен противодействующему тормозному моменту на валу синхронной электромашины 10 Мэ.м.Мторм. Данный тормозной момент реализуется двигателем постоянного тока 11. В данном режиме ключ 4 открыт всегда. Двигатель 11 в этом режиме через широтно-импульсный преобразователь 12 подключен к аккумулятору 8 так, что обеспечивает рекуперативный режим между двигателем 11 и аккумулятором 8. Т.е. энергия с двигателя 11 идет в аккумулятор 8, заряжая последний, а ток заряда регулируется из условия поддержания частоты сети. При этом частота сети измеряется датчиком частоты сети 15 и сравнивается с частотой задающего генератора 14 на фазочувствительном преобразователе 13, выход которого управляет широтно-импульсным преобразователем 12 так, что при увеличении частоты сети увеличивается ток заряда аккумулятора 8. Больший зарядный ток, который генерируется двигателем 11, находящимся в режиме генератора, создает больший момент на его валу, а значит и на валу синхронной электромашины 10, тем самым изменяя ее угол между напряжением и током. За счет изменения угла между током и напряжением в сети будет уменьшаться частота согласно уравнению синхронной машины 10. 31 57162009.12.30- угол междуи ,где Е - э.д.с. генератора. Здесь описано векторное регулирование частоты сети. Чтобы оно реализовалось, необходимо выбирать электрическую машину 10 мощностью, большей номинальной мощности генератора переменного тока 2 ВЭУ 1. Для других случаев это нонсенс, но для случая бесперебойного питания ответственных потребителей, когда резервный источник на случай отсутствия ветра выбирается из этих условий, нонсенс исчезает. При увеличении тормозного момента на валу синхронной электромашины 10 ротор машины замедляет частоту своего вращения и значениеначинает возрастать, что приводит к увеличению электромагнитного момента, а значит и потребление из сети машиной 10 увеличивается. Т.е. при увеличении энергии ветра автоматически растет потребление независимо от ответственного потребителя 11. При этом обгонная муфта 9 дизеля 6 размыкает его вал от синхронной электромашины 10 и дизеля 6, который выключен и не оказывает влияния на работу системы. 2-й режим. В этом режиме при отсутствии энергии ветра (ветер мал для вращения ветроколеса или ВЭУ отключена по другим причинам) включается дизель 6 и он вращает вал синхронной электромашины 10, которая в этом режиме переводится в режим генератора и обеспечивает питание сети. В течение времени переходного процесса, пока дизель 6 не наберет требуемые номинальные обороты и момент на валу синхронной электромашины 10 обеспечивает двигатель 11, регулируемый исходя из поддержания частоты сети. 3-й режим. В этом режиме при недостаточной энергии ветра недостаток энергии компенсируется энергией аккумулятора 8, запасенной в режиме, когда энергия ветра была избыточной. Это происходит следующим образом. При уменьшении энергии, вырабатываемой генератором 2, ВЭУ 1, потребитель 11, не обращая на это внимания, потребляет номинальный ток, но из-за уменьшения момента на валу генератора 2 последний начинает сбавлять скорость, т.е. частота сети должна была бы падать. Но датчик частоты сети 15 при этом выдаст также уменьшение частоты и на фазочувствительном преобразователе 13 увеличится сигнал рассогласования между задающим генератором 14 и датчиком частоты сети 15. При этом широтно-импульсный преобразователь 12 увеличит длительность подключения двигателя постоянного тока 11 к аккумуляторной батарее 8 и на валу синхронной электромашины 10 увеличивается механический момент, который возвращает скорость вращения генераторов 2 и 10 в исходное стабильное состояние, но уже при других значениях их токов. При полной потере мощности энергии ветра ключ 4 закроется и сеть полностью переходит на питание от синхронной электромашины 10, а далее следует переход в режим 2 с включением дизеля 6 и зарядкой аккумулятора 8, если последний разряжен. Во всех трех режимах информация о величине реактивной мощности в сети потребителя с датчика напряжения 16 и датчика тока 17 подается на входы 1 и 2 соответственно,регулятора 18, который изменяет величину тока возбуждения синхронной машины. При величине тока возбуждения меньше номинального значения синхронная машина недовозбуждена и потребляет реактивную энергию из сети, а при величине тока возбуждения больше номинального значения синхронная машина перевозбуждена и генерирует реактивную энергию в сеть. В качестве регулятора может использоваться регулятор реактивной мощности, описанный в 2. В режиме, когда ВЭУ не работает, блоком 19 запрета вводится частичный запрет на принудительное изменение тока возбуждения синхронной машины диспетчером энергосистемы с помощью блока 20, обеспечивающего управляющую связь с более высоким уровнем энергосистемы. 57162009.12.30 При нормальном режиме работы энергосистемы блок 19 запрета вводит запрет на принудительное изменение тока возбуждения синхронной машины диспетчером, более высокого уровня энергосистемы, т.к. для потребителя экономически нецелесообразно производить компенсацию реактивной мощности на синхронной машине с приводом от дизельного двигателя. При аварийном режиме работы энергосистемы блок 19 запрета снимает запрет на принудительное изменение тока возбуждения синхронной машины, что позволяет диспетчеру регулировать перетоки реактивной мощности в сети при аварийных ситуациях в энергосистеме, когда можно пренебречь экономичностью работы данного отдельного устройства для обеспечения устойчивой работы всей энергосистемы в целом. Использование предложенного устройства бесперебойного электроснабжения потребителей, работающее на нестабильных источниках энергии, позволяет расширить функциональные возможности прототипа и уменьшить потери электроэнергии путем компенсации реактивной мощности. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5