PL229518B1 - Układ wytwarzania energii elektrycznej z magazynem energii - Google Patents

Abstract

Układ ma sterowany generator synchroniczny (1) napędzany silnikiem (5), w którym uzwojenie stojana (2) połączone jest równolegle ze zmiennoprądowym wyjściem przekształtnika (7), którego wejście stałoprądowe połączone jest z magazynem energii (8). Układ ma blok obliczeń połączony z układem pomiaru prądów i napięć i układem pomiaru prądów. Poprzez drugi blok regulacji blok obliczeń połączony jest z tranzystorami układu magazynowania energii (8), poprzez blok wyzwalania z tranzystorami przekształtnika (7), poprzez trzeci blok regulacji z blokiem wyzwalania, a z blokiem wyzwalania poprzez czwarty blok regulacji. Drugi blok regulacji połączony jest z wyjściem układu napięcia przekształtnika (7), które połączone jest także z blokiem wyzwalania. W przypadku pracy autonomicznej blok obliczeń połączony jest poprzez blok regulacji i układ wzbudzenia (6) z uzwojeniem wzbudzenia wzbudnicy. W przypadku współpracy z siecią blok obliczeń połączony jest poprzez drugi blok regulacji generatora i układ wzbudzenia (6) generatora z uzwojeniem wzbudzenia wzbudnicy, poprzez pierwszy blok regulacji generatora i wał maszyny napędzającej (5) z wirnikiem (3) generatora synchronicznego (1).

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest układ wytwarzania energii elektrycznej z magazynem energii stosowanym zwłaszcza do zasilania odbiornika podczas zwiększonego obciążenia oraz ładowanym z generatora synchronicznego w czasie zmniejszonego obciążenia odbiornikiem.

Znane są układy dostarczania chwilowej mocy czynnej do sieci elektroenergetycznej i w ten sposób mające wpływ na częstotliwość bądź napięcie sieci elektroenergetycznej po stronie odbiorców z dala od generatora. Układy te składają się z przekształtnika energoelektronicznego i magazynu bądź źródła energii włączonych do sieci.

Układy te dostarczają energię czynną do sieci elektroenergetycznej gdy występuje spadek częstotliwości bądź modułu napięcia a zatem ich zasada działania polega na zmniejszaniu rzeczywistego obciążenia elektroenergetycznej sieci zasilającej.

Znany jest układ wytwarzania energii ze sterowanym generatorem synchronicznym napędzanym silnikiem, w którym uzwojenie stojana połączone jest równolegle ze zmiennoprądowym wyjściem przekształtnika energoelektronicznego.

Z opisu amerykańskiego zgłoszenia patentowego US2008179887 A1 znany jest układ wytwarzania energii elektrycznej posiadający wejście stałoprądowe przekształtnika energoelektronicznego połączone z magazynem energii.

Celem wynalazku jest szybkie dostarczenie chwilowej mocy czynnej i biernej do obciążenia, zwiększenie chwilowej mocy generowanej przez układ wytwarzania energii, i zmniejszenie strat w silniku synchronicznym.

Układ wytwarzania energii elektrycznej z magazynem energii i ze sterowanym generatorem synchronicznym, napędzanym maszyną napędzającą, w którym uzwojenie stojana jest połączone równolegle ze zmiennoprądowym wyjściem przekształtnika energoelektronicznego, zgodnie z wynalazkiem cechuje się tym, że przekształtnik energoelektroniczny jest wyposażony w układ pomiaru napięcia a wejście stałoprądowe przekształtnika energoelektronicznego jest połączone z magazynem energii. Układ wytwarzania energii jest ponadto wyposażony w blok wyzwalania zapewniający sygnał sterujący tranzystorów przekształtnika, w pierwszy blok regulacji, zapewniający sygnał sterujący dla układu wzbudzenia, w drugi blok regulacji, którego pierwsze wejście jest połączone z wyjściem układu pomiaru napięcia przekształtnika, zapewniający sygnał sterujący dla tranzystorów układu magazynowania energii, oraz w blok obliczeń. Pierwsze wejście bloku obliczeń jest połączone z wyjściem układu pomiaru prądów i napięć. Drugie wejście bloku obliczeń jest połączone z wyjściem układu pomiaru prądów. Pierwsze wyjście bloku obliczeń jest przez pierwszy blok regulacji i układ wzbudzenia z uzwojeniem wzbudzenia wzbudnicy oraz przez drugi blok regulacji połączone z tranzystorami układu magazynowania energii. Przynajmniej jedno wyjście bloku obliczeń jest połączone z tranzystorami przekształtnika, za pośrednictwem bloku wyzwalania.

Układ korzystnie zawiera ponadto trzeci układ regulacji i czwarty układ regulacji włączone w układ tak, że trzecie i czwarte wyjście bloku obliczeń jest połączone z tranzystorami przekształtnika poprzez trzeci układ regulacji i układ wzbudzenia, oraz piąte wyjście bloku obliczeń jest połączone z tranzystorami przekształtnika poprzez czwarty układ regulacji i układ wzbudzenia.

Rozwiązanie według wynalazku charakteryzuje się tym, że przekształtnik energoelektroniczny, przyłączony równolegle do generatora synchronicznego oraz przyłączony swym wyjściem stałoprądowym do sterowanego źródła energii ma, w porównaniu z generatorem synchronicznym, znacznie większą szybkość narastania dostarczanej lub pobieranej mocy i przez to zapewnia wyższą jakość napięcia wytwarzanego przez zespół prądotwórczy oraz zmniejsza prawdopodobieństwo wypadnięcia generatora z synchronizmu.

Przedmiot wynalazku jest przedstawiony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia schemat blokowy układu wytwarzania energii elektrycznej z magazynem energii, fig. 2 przedstawia schemat blokowy autonomicznego układu wytwarzania energii z magazynem energii, fig. 3 przedstawia schemat blokowy układu wytwarzania energii z magazynem energii współpracującego z siecią energetyczną.

Jak to jest przedstawione na fig. 1 układ wytwarzania energii 111 składa się z przekształtnika 7 i generatora synchronicznego 1, w którym w wirniku 3 wzbudzenie 4 połączone jest z wyjściem układu przekazywania energii do wirnika 6a, którego wejście połączone jest z wyjściem układu wzbudzenia 6. Wirnik 3 generatora synchronicznego 1 połączony jest poprzez wał z maszyną napędzającą 5. Uzwojenie stojana 2 generatora 1 połączone jest z obciążeniem lub siecią energetyczną 9. Na wyjściu

PL229 518B1 generatora 1 dołączony jest wyjściem zmiennoprądowym przekształtnik 7. Przekształtnik 7 na wejściu stałoprądowym jest połączony z wyjściem układu magazynowania energii 8.

Układ przedstawiony na fig. 2, na którym układ wytwarzania energii elektrycznej 111 składa się z przekształtnika 7, magazynu energii 8 i generatora synchronicznego 1, którego uzwojenie stojana 2 jest połączone, poprzez układ pomiaru prądów i napięć 15, z odbiornikiem 9. Równolegle do wyjścia generatora 1 są dołączone, poprzez filtr prądu 17 oraz układ pomiaru prądu 16, wyjściami zmiennoprądowymi tranzystory 18 przekształtnika 7. Wyjście układu pomiaru prądów i napięć 15 jest połączone z wejściem 6’ bloku obliczeń 14. Wyjście układu pomiaru prądów 16 jest połączone z wejściem 7’ bloku obliczeń 14. Wyjście Γ bloku obliczeń 14 połączone jest z wejściem 2’ bloku regulacji 13 i z wejściem 4’ bloku regulacji 26. Wyjście bloku regulacji 13 połączone jest z wejściem układu wzbudzenia 6. Układ wzbudzenia 6 połączony jest z uzwojeniem wzbudzenia wzbudnicy 12. W wirniku 3 generatora 1 uzwojenie wzbudzenia 4 połączone jest z wyjściem prostownika diodowego 10, do którego wejścia połączony jest twornik wzbudnicy 11. Układ przekazywania energii 6a złożony jest z prostownika diodowego 10, twornika wzbudnicy 11 i uzwojenia wzbudzenia wzbudnicy 12. Maszyna napędzająca 5 połączona jest poprzez wał z wirnikiem 3 generatora synchronicznego 1. Wyjście 2’ bloku obliczeń 14 połączone jest z wejściem 3’ bloku wyzwalania 29. Wyjścia 3’ i 4’ bloku obliczeń 14 połączone są kolejno do wejść 3’ i 2’ bloku regulacji 28. Wyjście 5’ bloku obliczeń połączone jest z wejściem 3’ bloku regulacji 27. Do wyjść stałoprądowych tranzystorów 18 jest połączony równolegle kondensator 19 i układ pomiaru napięcia 20. Przekształtnik 7 składa się z układu pomiaru prądu 16, filtru prądu 17, tranzystorów 18, kondensatora 19 i układu pomiaru napięcia 20. Wyjście układu pomiaru napięcia 20 połączone jest z wejściem Γ układu regulacji 27 i wejściem 8’ bloku regulacji 26. Do wyjść stałoprądowych przekształtnika 7 poprzez tranzystory 21, indukcyjność 22 i układ pomiaru prądu 23, jest połączony superkondensator 24. Układ magazynowania energii 8 składa się z tranzystorów 21, indukcyjności 22, układu pomiaru prądu 23, superkondensatora 24 i układu pomiaru napięcia 25. Do superkondensatora 24 jest połączony równolegle układ pomiaru napięcia 25. Wyjście układu pomiaru napięcia 25 połączone jest z wejściem Γ bloku regulacji 26. Wyjście układu pomiaru prądu 23 połączone jest z wejściem 2’ bloku regulacji 26. Wyjście 9’ bloku regulacji 26 połączone jest z wejściem sterującym tranzystorów 21. Wyjście 4’ bloku regulacji 27 połączone jest do wejścia Γ bloku wyzwalania 29, do którego wejścia 2’ jest połączone wyjście 4’ bloku regulacji 28. Wyjście 4’ bloku wyzwalania 29 połączone jest z wejściem sterującym tranzystorów 18.

Układ wytwarzania energii 111, złożony z silnika synchronicznego 1 i przekształtnika 7 z dołączonym magazynem energii 8, zasila odbiór energii 9. Generator synchroniczny 1, napędzany maszyną napędzającą 5, ma za zadanie w stanie ustalonym dostarczyć energii czynnej do obciążenia 9, energię bierną dostarcza przekształtnik 7. Układ pomiaru prądów i napięć 15 wytwarza sygnały prądów iga i igb oraz napięć ugab i ugbc generatora 1. Układ pomiaru prądów 16 wytwarza sygnały prądów przekształtnika 7 ipa i ipb. Blok obliczeń 14 zamienia sygnały prądów przekształtnika 7 i generatora 1 oraz napięć generatora ze współrzędnych naturalnych abc do współrzędnych xy. Blok obliczeń 14 wytwarza sygnał kąta a, który jest kątem miedzy osią a, układu abc, i wektorem napięcia generatora. Blok regulacji 13 wytwarza sygnał zadanego prądu wzbudzenia ifz taki aby moduł napięcia ugxa był równy zadanemu modułowi ugxz. Układ wzbudzenia 6 dostarcza odpowiedniej energii do uzwojenia wzbudzenia wzbudnicy 12. Przy obracającym się wirniku 3 w tworniku wzbudnicy 11 indukuje się napięcie zależne od prądu wzbudzenia wzbudnicy 12, które następnie jest prostowane przez prostownik diodowy 10, który zasila uzwojenie wzbudzenia 4 generatora 1. Wirnik 3 jest napędzany poprzez wał maszyny napędzającej 5 pracującej ze stałą prędkością ω i zmiennym momentem M. Blok regulacji 27 reguluje prąd czynny przekształtnika ipxa tak aby napięcie udca na kondensatorze 19 było równe zadanemu napięciu udcz. Blok regulacji 27 wytwarza sygnał zadanego napięcia upxz. Blok regulacji 28 reguluje prąd bierny przekształtnika ipya tak aby prąd bierny igya generatora 1 był równy zadanej wartości prądu igyz. Blok regulacji 28 wytwarza sygnał zadanego napięcia upyz. Blok wyzwalania 29 ma za zadanie wytworzenie sygnałów sterujących St tranzystorami 18 tak aby średnie napięcie wyjściowe przekształtnika było równe zadanemu napięciu we współrzędnych xy, czyli upxz i upyz. Do przekształcenia napięć ze współrzędnych xy niezbędny jest sygnał kąta a. W przypadku gdy sygnał napięcia ugxa generatora 1 jest mniejszy od wartości dolnej granicy ugxd blok regulacji 26 zwiększa prąd isc superkondensatora 25 co powoduje zwiększenie napięcia na kondensatorze 19. Zwiększone napięcie kondensatora 19, poprzez blok regulacji 27, powoduje zwiększenie prądu czynnego ipxa przekształtnika 7, co powoduje generację mocy czynnej, przez przekształtnik 7, do obciążenia 9. W przypadku pracy z ustaloną wartością napięcia generatora ugxa blok regulacji 26 zmniejsza wartość prądu isc superkondensatora 24, co powoduje

PL 229 518 Β1 doładowanie superkondensatora 24 i zwiększenie napięcia usc, tak aby napięcie usc na superkondensatorze 24 było równe wartości zadanej uscz. Doładowanie superkondensatora 24 powoduje zmniejszenie napięcia udca na kondensatorze 19, do wartości dolnej granicy udcd. Zmniejszone napięcie kondensatora 19, poprzez blok regulacji 27, powoduje zmniejszenie prądu czynnego ipxa przekształtnika 7, co powoduje zwiększenie mocy czynnej pobieranej przez przekształtnik 7.

Układ przedstawiony na fig. 3, na którym układ wytwarzania energii elektrycznej 111 składa się z przekształtnika 7, układu magazynu energii 8 i generatora synchronicznego 1, którego uzwojenie stojana 2 jest połączone, poprzez układ pomiaru prądów i napięć 15, z siecią energetyczną 9. Równolegle do wyjścia generatora 1 są dołączone, poprzez filtr prądu 17 oraz układ pomiaru prądu 16, wyjściami zmiennoprądowymi tranzystory 18 przekształtnika 7. Wyjście układu pomiaru prądów i napięć 15 jest połączone z wejściem 13’ bloku obliczeń 14. Wyjście układu pomiaru prądów 16 jest połączone z wejściem 14’ bloku obliczeń 14. Wyjścia 6’ i 7’ bloku obliczeń 14 są połączone odpowiednio z wejściami 1’ i 2’ bloku regulacji 30. Wyjście bloku regulacji 30 połączone jest z wejściem regulującym moment maszyny napędzającej 5. Wyjścia 8’ i 9’ bloku obliczeń 14 połączone są odpowiednio z wejściami 1’ i 2’ bloku regulacji 31, którego wyjście połączone jest z wejściem układu wzbudzenia 6. Układ wzbudzenia 6 połączony jest z uzwojeniem wzbudzenia wzbudnicy 12. W wirniku 3 generatora 1 uzwojenie wzbudzenia 4 połączone jest z wyjściem prostownika diodowego 10, do którego wejścia połączony jest twornik wzbudnicy 11. Układ przekazywania energii 6a złożony jest z prostownika diodowego 10, twornika wzbudnicy 11 i uzwojenia wzbudzenia wzbudnicy 12. Maszyna napędzająca 5 połączona jest poprzez wał z wirnikiem 3 generatora synchronicznego 1. Wyjście 1’ bloku obliczeń 14 połączone jest z wejściem 4’ bloku regulacji 26, wyjście 2’ bloku obliczeń 14 połączone jest z wejściem 3’ bloku wyzwalania 29, wyjścia 3’ i 4’ bloku obliczeń 14 połączone są kolejno do wejść 2’ i 1’ bloku regulacji 28, wyjście 5’ bloku obliczeń 14 połączone jest z wejściem 3’ bloku regulacji 27. Do wyjść stałoprądowych tranzystorów 18 jest połączony równolegle kondensator 19 i układ pomiaru napięcia 20. Przekształtnik 7 składa się z układu pomiaru prądu 16, filtru prądu 17, tranzystorów 18, kondensatora 19 i układu pomiaru napięcia 20. Wyjście układu pomiaru napięcia 20 połączone jest z wejściem 1’ układu regulacji 27 i wejściem 8’ bloku regulacji 26. Do wyjść stałoprądowych przekształtnika 7 poprzez tranzystory 21, indukcyjność 22 i układ pomiaru prądu 23, jest połączony superkondensator 24. Układ magazynowania energii 8 składa się z tranzystorów 21, indukcyjności 22, układu pomiaru prądu 23, superkondensatora 24 i układu pomiaru napięcia 25. Do superkondensatora 24 jest połączony równolegle układ pomiaru napięcia 25, którego wyjście jest połączone z wejściem 1’ bloku regulacji 26. Wyjście układu pomiaru prądu 23 połączone jest z wejściem 2’ bloku regulacji 26. Wyjście 9’ bloku regulacji 26 połączone jest z wejściem sterującym tranzystory 21. Wyjście 4’ bloku regulacji 27 połączone jest do wejścia 1’ bloku wyzwalania 29, do którego wejścia 2’ jest połączone wyjście 4’ bloku regulacji 28. Wyjście 4’ bloku wyzwalania 29 połączone jest z wejściem sterującym tranzystorów 18.

Układ wytwarzania energii 111, złożony z silnika synchronicznego 1 i przekształtnika 7 z dołączonym magazynem energii 8, generuje energię czynną i bierną do sieci energetycznej 9. Generator synchroniczny 1 napędzany maszyną napędzającą 5 ma za zadanie w stanie ustalonym dostarczyć zadanej energii czynnej do sieci elektroenergetycznej 9, energię bierną dostarcza przekształtnik 7. Układ pomiaru prądów i napięć 15 wytwarza sygnały prądów iga i igb oraz napięć ugab i ugbc generatora 1. Układ pomiaru prądów 16 wytwarza sygnały prądów przekształtnika 7, czyli ipa i ipb. Blok obliczeń 14 zamienia sygnały prądów przekształtnika 7 i generatora 1 oraz napięcia generatora 1 ze współrzędnych abc do współrzędnych xy. Blok obliczeń 14 wytwarza sygnał kąta a, który jest kątem między osią a układu abc i wektorem napięcia generatora. Blok regulacji 30 wytwarza sygnał zadanego momentu mz taki aby prąd czynny generatora igxa był równy zadanemu prądowi igxz. Sygnał zadanego prądu czynnego generatora igxz jest wyliczany w bloku obliczeń 14 tak aby generator 1 generował moc czynną równą zadanej mocy psz. Blok regulacji 31 wytwarza sygnał zadanego prądu wzbudzenia ifz, taki aby prąd bierny igya generatora 1 był równy zadanemu prądowi igyz. Sygnał zadanego prądu biernego igyz wyliczany jest w bloku obliczeń 14 tak aby generator 1 generował zadaną wartość mocy biernej qgz, która jest równa zero qgz=0. Układ wzbudzenia 6 dostarcza odpowiedniej energii do uzwojenia wzbudzenia wzbudnicy 12. Przy obracającym się wirniku 3 w tworniku wzbudnicy 11 indukuje się napięcie proporcjonalne do prądu wzbudzenia wzbudnicy 12, które następnie jest prostowane przez prostownik diodowy 10, który zasila uzwojenie wzbudzenia 4 generatora 1. Wirnik 3 napędzany jest poprzez wał przez maszynę napędzającą 5 pracującą ze stałą prędkością ω i zmiennym momentem M równym momentowi zadanemu mz. Blok regulacji 27 wytwarza sygnał zadanego napięcia upxz, przez co reguluje prąd czynny przekształtnika ipxa tak aby napięcie udca na kondensatorze 19 było równe zadanemu

PL229 518B1 napięciu udcz. Blok regulacji 28 wytwarza sygnał zadanego napięcia upyz taki aby prąd bierny przekształtnika ipya był równy wartości zadanej prądu ipyz. W bloku obliczeń 14 wyznaczana jest wartość zadanego prądu biernego ipyz taka aby przekształtnik generował zadaną moc bierną qpz. Blok wyzwalania 29 ma za zadanie wytworzenie sygnałów sterujących St tranzystorami 18 tak aby średnie napięcie wyjściowe przekształtnika było równe zadanemu napięciu we współrzędnych xy, czyli upxz i upyz, do przekształcenia napięć ze współrzędnych xy niezbędny jest sygnał kąta a. W przypadku gdy sygnał napięcia ugxa generatora 1 jest mniejszy od wartości dolnej granicy ugxd blok regulacji 26 zwiększa prąd isc superkondensatora 24 co powoduje zwiększenie napięcia na kondensatorze 19. Zwiększone napięcie kondensatora 19, poprzez blok regulacji 27, powoduje zwiększenie prądu czynnego przekształtnika 7, co powoduje generację mocy czynnej, przez przekształtnik 7, do sieci energetycznej 9. W przypadku pracy z ustaloną wartością napięcia generatora ugxa blok regulacji 26 zmniejsza wartość prądu isc, superkondensatora 24, co powoduje doładowanie superkondensatora 24 i zwiększenie napięcia usc, tak aby napięcie usc na superkondensatorze 24 było równe wartości zadanej uscz. Doładowanie superkondensatora 24 powoduje zmniejszenie napięcia udca na kondensatorze 19, do wartości dolnej granicy udcd. Zmniejszone napięcie kondensatora 19, poprzez blok regulacji 27, powoduje zmniejszenie prądu czynnego przekształtnika 7, co powoduje zwiększenie mocy czynnej pobieranej przez przekształtnik 7.

Magazyn energii elektrycznej jest ładowany z generatora synchronicznego w czasie zmniejszonego obciążenia odbiorami. Magazyn może być też doładowywany z zewnętrznego źródła. Oddawanie energii czynnej magazynu do, wspólnego z generatorem, obwodu napięcia przemiennego jest sterowane przez przekształtnik energoelektroniczny, który jest również sterowanym źródłem energii biernej. Jako sterowany magazyn energii może być stosowana bateria akumulatorów bądź bateria superkondnesatorów, przyłączone do przekształtnika energoelektronicznego za pośrednictwem przekształtnika napięcia stałego na napięcie stałe.

Claims (2)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Układ wytwarzania energii elektrycznej z magazynem energii (8) i ze sterowanym generatorem synchronicznym (1), napędzanym maszyną napędzającą (5), w którym uzwojenie stojana jest połączone równolegle ze zmiennoprądowym wyjściem przekształtnika energoelektronicznego (7), znamienny tym, że przekształtnik energoelektroniczny (7) jest wyposażony w układ pomiaru napięcia a wejście stałoprądowe przekształtnika energoelektronicznego (7) jest połączone z magazynem energii (8), a ponadto, układ wytarzania energii jest wyposażony w blok wyzwalania (29) zapewniający sygnał sterujący tranzystorów (18) przekształtnika (7), w pierwszy blok regulacji (13, 31), zapewniający sygnał sterujący dla układu wzbudzenia (6), w drugi blok regulacji (26), którego pierwsze wejście jest połączone z wyjściem układu pomiaru napięcia (20) przekształtnika (7), zapewniający sygnał sterujący dla tranzystorów (21) układu magazynowania energii (8), oraz w blok obliczeń (14), tak że pierwsze wejście bloku obliczeń (14) jest połączone z wyjściem układu pomiaru prądów i napięć (15), drugie wejście bloku obliczeń (14) jest połączone z wyjściem układu pomiaru prądów(16), natomiast pierwsze wyjście bloku obliczeń (14) jest przez pierwszy blok regulacji (13) i układ wzbudzenia (6) połączone z uzwojeniem wzbudzenia wzbudnicy (12) oraz jest przez drugi blok regulacji (26) połączone z tranzystorami (21) układu magazynowania energii (8), przynajmniej jedno wyjście bloku obliczeń (14) jest połączone z tranzystorami (18) przekształtnika (7), za pośrednictwem bloku wyzwalania (29).
2. 2. Okład według zastrz. 1, znamienny tym, że zawiera ponadto trzeci układ regulacji (28) i czwarty układ regulacji (27) włączone w układ tak, że trzecie i czwarte wyjście bloku obliczeń (14) jest połączone z tranzystorami (18) przekształtnika (7) poprzez trzeci układ regulacji (28) i układ wzbudzenia (29), oraz piąte wyjście bloku obliczeń (14) jest połączone z tranzystorami (18) przekształtnika (7) poprzez czwarty układ regulacji (27) i układ wzbudzenia (29).