Многофункциональный энергетический комплекс (мэк)

Полезная модель относится к области электротехники, а именно к гибридным энергетическим комплексам, обеспечивающим бесперебойное энергоснабжение нагрузки при обеспечении заданных показателей качества энергоснабжения и наличии разнородных источников электроэнергии. Предложенная схема комбинированного многофункционального энергетического комплекса (МЭК) содержит как минимум три источника электроэнергии, накопитель электроэнергии, автономный и сетевой преобразователи, систему автоматического управления каждым преобразователем и обеспечивает гарантированное качество напряжения нагрузки и отсутствие перерывов энергоснабжения. Применение полностью управляемых преобразователей с широтно-импульсной модуляцией на основе силовых полупроводниковых приборов и высоковольтных вакуумных приборов (ВВП), причем, сетевой преобразователь выполняется на ВВП, обеспечивает соответствующее быстродействие вышеуказанных преобразователей. Выходы агрегатных систем управления преобразователей подсоединены к входу используемого в системе блока управления верхнего уровня, который позволяет задавать режимы работы преобразователей, уставки мощностей и напряжений, а также порядок их использования при осуществлении коммутационных операций, включая действие защит при возникновении аварии.

Полезная модель относится к области электротехники, а именно к гибридным энергетическим комплексам, обеспечивающим бесперебойное энергоснабжение нагрузки при обеспечении заданных показателей качества энергоснабжения и наличии разнородных источников электроэнергии.

Задача полезной модели - обеспечивать гарантированное энергоснабжение нагрузки при использовании разнородных источников электроэнергии: дизель-генераторов, с использованием синхронных генераторов (СГ), ветровых энергоустановок (ВЭУ) с асинхронными генераторами (АГ), фотоэлектрических установок (ФЭУ), накопителей электроэнергии (НЭЭ) с использованием аккумуляторных батарей (АБ) и/или топливных элементов (ТЭ). Многофункциональный энергетический комплекс МЭК должен обеспечить режимы заряда, хранения и разряда НЭЭ, ликвидировать провалы и выбросы напряжения и демпфировать качания напряжения на шинах нагрузки, например, при коммутациях источников.

Известны, как минимум, три типа МЭК: автономный, сетевой и комбинированный МЭК.

Автономный МЭК.А изолирован от сети, работает на пассивную нагрузку и содержит 1-2 различных источника, например, СГ (АГ) и ФЭУ, а также накопитель НЭЭ в виде АБ или ТЭ. Такой МЭК.А выполняется на небольшие мощности (до 0,1 МВт) и низкое напряжение (0,4 кВ), например, в виде солнечно-ветровой энергетической установки с НЭЭ на основе АБ или ТЭ. (В.М.Андреев, А.Г.Забродский, С.О.Когновицкий «Интегрированная солнечно-ветровая энергетическая установка с накопителем энергии на основе водородного цикла», «Альтернативная энергия и экология АЭЭ» 2(46), 2007 г., стр.99-105) [1].

Недостатком автономных МЭК является их недостаточная мощность и как следствие недостаточное качество энергоснабжения.

Сетевой МЭК отличается наличием дополнительной связи с энергосистемой через сетевой преобразователь dc-ac или dc-dc. Сетевой преобразователь рассчитан на реверс мощности из автономной сети в энергосистему или наоборот и его мощность определяется мощностью нагрузки и избыточной (либо недостаточной) мощностью источников автономной системы. Примером подобного сетевого МЭК является наиболее крупная из известных установок в г.Фэрбэнкс (США) с использованием НЭЭ в виде никель-кадмиевых АБ мощностью до 27 МВт (длительность разряда 15 мин), работающая на энергосистему 138 кВ (L.Gyugyi «Apparatus and method for interline power flow control», Патент US 5698969, класс G05F 1/70, опубликован 1997 г.) [2].

Другим примером сетевого МЭК является МЭК с НЭЭ на основе водородного цикла мощностью 0,25 МВт и длительностью разряда от 5 мс до 30 с, связанного с сетью 25 кВ, который поддерживает стабильность напряжения на шинах нагрузки от 2,2 до 4,6% (Bebic Jovan, Lehn Peter, «Hybrid power flow controller and method». Патент ЕР 1573878, класс HO253/18, опубликован 17.09.2005 г.) [3].

Недостатком сетевых МЭК является ограниченность интервала гарантированного энергоснабжения, определяемого запасенной энергией НЭЭ, а также высокой стоимостью накопителя.

Для ликвидации вышеуказанных недостатков предлагается схема комбинированного МЭК, который отличается от предыдущих (автономного и сетевого МЭК) следующими особенностями:

- содержит как минимум три источника электроэнергии в виде генератора СГ, автономного и сетевого преобразователей с накопителями;

- может включать широкий набор дополнительных источников электроэнергии, например, ВЭУ, ФЭУ, ТЭ и др. Указанные источники подключаются к шинам нагрузки: асинхронный генератор АГ для ВЭУ через преобразователь ac-dc-ac, остальные источники через преобразователи ac-dc;

- преобразователи могут выполняться как на основе силовых полупроводниковых приборов (СПП), так и на основе высоковольтных вакуумных приборов (ВВП).

Мощность и число СГ, АГ определяются базисной мощностью нагрузки и/или избыточной мощностью, отдаваемой в сеть. Мощность НЭЭ (АБ, ТЭ) определяется мощностью единичного генератора (СГ или АГ), который может выйти из строя. Запасенная в НЭЭ энергия должна обеспечить бесперебойное питание нагрузки в течение интервала 1-10 минут вплоть до запуска резервного генератора. Кроме того, НЭЭ может выравнивать колебания мощности на шинах нагрузки из-за фликкера ВЭУ, изменения освещенности ФЭУ, качаний мощности между нагрузкой и сетью в переходных режимах и др.

Применение преобразователей с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) на повышенных частотах (1-2 кГц) позволяет снизить установленную мощность фильтров при обеспечении заданного качества напряжения нагрузки. Полная управляемость приборов ВВП и СПП позволяет повысить быстродействие преобразователей до величины порядка 0,01 с.

Для пояснения существа предлагаемого изобретения на рисунках (фиг.1-5) приведены схемы и графики, иллюстрирующие работу устройства.

Схема предлагаемого устройства в минимальной конфигурации приведена на фиг.1, где приняты обозначения:

1 - синхронный генератор СГ 6 кВ; 2 - шкафы распредустройства РУ 6 кВ; 3 - эквивалент нагрузки, приведенный к напряжению 6 кВ; 4, 4' - соответственно преобразовательные тр-ры 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; 7,7' - соответственно преобразователи (инверторы) напряжения на ВВП и СПП соответственно ПС-И1, ПА-И2; 8,8' - соответственно РУ-77 кВ и РУ-1 кВ с источниками напряжения и накопителем (АБ); 9, 9' - соответственно преобразователь dc-ac и ЭДС энергосистемы; 10 - блок синхронизации и синфазирования; 11, 12 - соответственно агрегатные системы управления преобразователями 7 и 7'; 22 - блок системы управления верхнего уровня.

В качестве прототипа может быть использована схема (Патент JP 2001 177 995 А, класс H02J 3/28, G05F 1/66,67, опубликован 29.06.2001)[4], которая содержит источник переменного напряжения (энергосистема), нагрузку, один или более параллельно включенных преобразователей с системой их управления, нагруженных на накопитель электроэнергии, параллельно которому присоединяется фотоэлектрическая установка ФЭУ.

Недостатком схемы [4] является наличие синхронной связи нагрузки и энергосистемы, т.е. отсутствие сетевого преобразователя тем более на высоковольтных вакуумных приборах, и как следствие недостаточную надежность энергоснабжения нагрузки. Например, при аварии энергосистемы ночью, когда ФЭУ не работает, а емкость накопителя электроэнергии не обеспечивает длительное питание, происходит перерыв энергоснабжения нагрузки.

Цель изобретения - обеспечение гарантированного качества и отсутствие перерывов энергоснабжения нагрузки. Указанная цель достигается благодаря использованию:

- разнотипных источников электроэнергии: генераторы переменного тока (СГ и/или АГ) и постоянного тока (ФЭУ), а также разнотипных накопителей электроэнергии (АБ и/или ТЭ)

- разнородных преобразователей напряжения на силовых полупроводниковых приборах (СПП) для автономных преобразователей и высоковольтных вакуумных приборах (ВВП) для сетевого преобразователя.

- применением в системе управления блока верхнего уровня управления, входы которого присоединены к выходам системы управления каждого преобразователя, а выходы которого присоединены к входам сетевого и автономных преобразователей. При этом блок верхнего уровня задает режимы работы преобразователей (заряд-разряд), уставки мощностей и напряжений, а также порядок их использования при осуществлении коммутационных операций, включая действия защит при возникновении аварии.

Схема моделирования предлагаемого устройства в программном комплексе Advanced Transient Program (ATP) приведена на рисунке (фиг.2). Применяются обозначения аналогичные рисунку (фиг.1). Кроме силовых элементов, в нижней части рисунка (фиг.2) представлены элементы системы автоматического управления комплексом (САУК). Принимаются следующие обозначения переменных:

US, IS (U _H, I_H) - измеренные мгновенные значения напряжений и токов;

РР, QQ (Р_исо, Q_исо ) - измеренные значения активной и реактивной мощностей;

PUST, QUST - уставки активной и реактивной мощностей;

UPT, IPT (Ud, Id, I_АБ) - измеренные мгновенные значения напряжения и тока каждого преобразователя на стороне постоянного тока;

ALPH1, ALPH2 - углы управления преобразователей 1 и 2;

AMPL1, AMPL2 - коэффициенты модуляции ШИМ преобразователей 1, 2;

DALPH, DAMPL - соответственно сигналы коррекции углов и коэффициентов модуляции;

RT, XT - суммарные активные и реактивные сопротивления трансформаторов и реакторов каждого преобразователя;

VR, VX, UINVR - активные, реактивные составляющие и полные напряжения инверторов преобразователей. Кроме того, в схеме МЭК контролируются напряжения и токи реакторов U_p, I_p, напряжения и токи вентилей и др. интересующие переменные.

САУК содержит программные регуляторы активной и реактивной мощностей для каждого преобразователя, а также регуляторы напряжения.

Выполненные на модели эксперименты показали, что оптимальной структурой САУК является структура, содержащая наряду с программными регуляторами активных и реактивных мощностей, регуляторы напряжения нагрузки, которые обеспечивают наилучшее качество переходного процесса (длительность переходного процесса на уровне 0,05 с, перерегулирование отсутствует).

На (фиг.3) приведена блок-схема системы управления и регулирования автономного преобразователя И2. На указанной схеме в верхней части в квадратиках отмечены датчики в виде трансформаторов напряжения и тока с измерительными преобразователями (ИП) тока, напряжения, мощности. Выходы указанных ИП через сигнальные кабели подключены ко входам блока системы управления ПА (СУП.А), а выходы блока с сигналами по углу управления _o и коэффициенту модуляции m_o сравниваются с корректирующими сигналами регуляторов P_A и Q _A. Кроме того, сигнал по m корректируется выходным сигналом регулятора напряжения в нижней части рисунка (фиг.3). Вычисленные сигналы подаются на блок фазоимпульсного устройства ФИУ ПА, который генерирует импульсы управления вентилями ПА.

В качестве измеренных величин используются значения:

- на нагрузке U_H, Q_H, P_H, которые сравниваются с уставками (обведены кружком) U_Нуст, Q_Hуст, P_Нуст;

- на преобразователе ПС Qиa, Риа, которые сравниваются с соответствующими значениями мощностей нагрузки;

- на выходе преобразователя ПА P_АБ, U_АБ, причем последнее сравнивается с уставкой U_АБзад.

Ключи в цепи Ро и Qo с индексами Р и З обозначают соответственно режимы разряда и заряда преобразователя ПА.

Регуляторы Р, Q, U приняты апериодическими, коэффициенты усиления и постоянные времени, которых выбираются в зависимости от параметров преобразователя и нагрузки.

В цепи измерителей Р, Q, U также установлены апериодические и режекторные фильтры для исключения влияния гармонических искажений на работу регуляторов. Аналогичная структура используется для сетевого преобразователя ПС.

На рисунке (фиг.4) приведена блок-схема системы управления и регулирования (САУК) комбинированного преобразователя, которая соответствует схеме (фиг.1). На указанной схеме в верхней части приведены силовые элементы схемы фиг.1:

- дизель-генератор ДГ или асинхронный генератор АГ ВЭУ (МГЭС);

- преобразователь сетевой ПС (И1), преобразователь автономный ПА (И2).

Может присутствовать также преобразователь И3 в случае применения ФЭУ. Ниже в квадратиках и кружках показана система измерения и фильтрации. САУК комбинированного МЭК представлена блок-схемой, обведенной пунктиром.

В САУК входит устройство синхронизации и синфазирования в виде автономного генератора, задающего амплитуду, фазу и частоту для САУК и щита управления ДГ (ЩУДГ) САУК также содержит блок-схемы СУП и ФИУ соответственно для преобразователей ПС и ПА.

На графиках (фиг.5) приведены переходные процессы в комбинированном МЭК (tg_н=0,5) в схеме (фиг.1). В исходном состоянии генератор СГ питает нагрузку; в момент 0,1 с включается сетевой преобразователь И1, в момент 0,3 с отключается СГ, а в момент 0,6 с отключается И1 и включается автономный преобразователь И2. Обратный перевод питания нагрузки от сетевого преобразователя И1 осуществляется в момент 0,9 с и сопровождается предварительной подачей импульсов (в момент 1 с) на вентили И1 с последующей подачей уставок мощностей (1,2 с). Переходный процесс сопровождается взаимным мешающим влиянием регуляторов напряжения обоих преобразователей и колебательным процессом выравнивания напряжений на емкостях оборудования. Для исключения взаимного влияния регулятор напряжения И2 должен отключаться в момент включения И1.

Активные мощности (график фиг.5а) равны: нагрузки Рн=1 МВт, для И1 Pd=1,15 МВт, Рисо₁=1 МВт, для И2-Р_АБ=1,08 МВт, Рисо₂=1,03 МВт. Реактивные мощности (фиг.5б) равны: нагрузки Qн=0,5 МВА, для преобразователей Qисо₁=Qисо ₂=0,5 МВА.

Анализ графиков (фиг.5) показывает, что благодаря наличию НЭЭ в виде АБ (или ТЭ), нагруженного на преобразователь И2, полностью исключается перерыв энергоснабжения нагрузки при приемлемых отклонениях уровня напряжения.

На графиках (фиг.5 в, г) соответственно приведены напряжения нагрузки U_H=3,58/3,48 кВ и на АБ U_АБ=880/867 В, а также токи нагрузки Iн=110А и id=15A.

На графиках (фиг.5 д, е) соответственно приведены напряжения Ud=77 кВ и Up₁=44/35 кВ, а токи id=Ip₁=85/48A для момента включения преобразователя И1 равного 1 с; на графике (фиг.5 ж) - изменение токов Ip₂=I_АБ=7,24/2,6 кА.

График (фиг.5 з) показывает изменения напряжений на шинах нагрузки Uco₁=Uco₂=U_H =4,9кВ. Видно, что искажения напряжения на шинах нагрузки практически отсутствуют.

На графиках (фиг.5 и) приведены токи нагрузки Iн=170 А и токи Iсо1=399/176 А. На графике (фиг.5 к) ток вентильных обмоток трансформаторов Iвод₁=37/7А и Iво₁=53/5A.

На графике (фиг.5 л) приведены токи отключаемого преобразователя И2 Iвод₂ =3,84 кА, спадающие к моменту 1,06 с до нуля и Iво₂ =5,94/2,6 кА.

На графике (фиг.5 м) приведены напряжения вентильных обмоток Uвод₁=20 кВ и Uво₁=30 кВ.

Анализ вышеуказанных графиков мгновенных значений токов и напряжений показывает, что они не превышают допустимых значений для оборудования МЭК.

Из графиков (фиг.5в, з) следует, что в комбинированном МЭК благодаря наличию накопителя энергии в составе И2 удается полностью исключить перерыв энергоснабжения на нагрузке как при отключении синхронного генератора (момент времени 0,3 с), так и в момент 0,9 с при переводе питания от автономного инвертора И2 на сетевой инвертор И1.

Источники информации, принятые во внимание при составлении заявки на изобретение.

[1]. В.М.Андреев, А.Г.Забродский, С.О.Когновицкий «Интегрированная солнечно-ветровая энергетическая установка с накопителем энергии на основе водородного цикла», журнал «Альтернативная энергия и экология АЭЭ» 2(46), 2007 г., стр. 99-105.

[2]. L.Gyugyi «Apparatus and method for interline power flow control». Патент US 5698969, класс G05F 1/70, опубликован 1997 г.

[3]. Bebic Jovan, Lehn Peter, Hybrid power flow controller and method. Патент ЕР 1573878, класс НO253/18, опубликован 17.09.2005 г.

[4]. Патент JP 2001177995 А, класс H02J 3/28, G05F 1/66,67, опубликован 29.06.2001 г.

Комбинированный многофункциональный энергетический комплекс, содержащий разнородные источники и накопитель электроэнергии, присоединенные к входам сетевого и автономного преобразователей, входы которых подключены к нагрузке, выходы датчиков которой присоединены к входам агрегатных систем автоматического управления каждого преобразователя, а выходы указанных систем присоединены к цепям управления каждого преобразователя, отличающийся тем, что сетевой преобразователь выполняется на высоковольтных вакуумных приборах, а выходы агрегатных систем управления преобразователей подсоединяются к входу блока системы управления верхнего уровня, выходы которого соединены с цепями управления вентилей каждого преобразователя.