RU113615U1

RU113615U1 - AUTONOMOUS UNINTERRUPTED POWER SUPPLY SYSTEM USING A RENEWABLE ENERGY SOURCE

Info

Publication number: RU113615U1
Application number: RU2011138865/07U
Authority: RU
Inventors: Алексей Борисович Васенин; Олег Викторович Крюков; Владимир Георгиевич Титов
Original assignee: Открытое акционерное общество "Гипрогазцентр"
Priority date: 2011-09-22
Filing date: 2011-09-22
Publication date: 2012-02-20

Abstract

Автономная система бесперебойного электроснабжения, использующая возобновляемый источник энергии, содержащая, по крайней мере, одну ветротурбину переменной скорости вращения, жестко связанную с генератором переменного тока, вспомогательный электрический потребитель, выполненный в виде аккумуляторной батареи, соединенный с генератором переменного тока устройством регулирования мощности, дизель, механически связанный с синхронным генератором, образующие дизель-генераторную установку, с сформированием двух независимых источников электроснабжения, соединенных между собой блоком переключения, функцию одного из них выполняет дизель-генераторная установка, снабженная системой автоматического регулирования активной мощности, функцию другого - синхронный компенсатор с устройством разгона и системой автоматического регулирования скорости, аккумуляторная батарея, соединенная с синхронным компенсатором посредством двухкомплектного реверсивного тиристорного преобразователя постоянного тока, который при превышении мощности ветротурбины над мощностью нагрузки управляется в системе автоматической стабилизации скорости синхронного компенсатора, а в режиме, когда мощность ветротурбины меньше мощности нагрузки, и аккумуляторная батарея разряжена, - в системе стабилизации активной мощности дизель-генераторной установки; функцию генератора переменного тока выполняет многоскоростная асинхронная машина, управляемая блоком выбора режима, задающего его рабочую скорость в функции активной мощности, отличающаяся тем, что в систему введено устройство разгрузки потребителей, вход которого соединен с вы� An autonomous uninterruptible power supply system using a renewable energy source, containing at least one variable speed wind turbine rigidly connected to an alternator, an auxiliary electrical consumer made in the form of a storage battery, connected to the alternator by a power control device, diesel, mechanically connected to a synchronous generator, forming a diesel generator set, with the formation of two independent power supply sources interconnected by a switching unit, the function of one of them is performed by a diesel generator set equipped with an automatic active power control system, the function of the other is a synchronous compensator with an acceleration device and an automatic speed control system, a storage battery connected to a synchronous compensator by means of a two-set reversible thyristor DC converter, which when the power of the wind turbine exceeds the power of the load, it is controlled in the automatic stabilization of the speed of the synchronous compensator, and in the mode when the power of the wind turbine is less than the power of the load, and the battery is discharged, in the stabilization system of the active power of the diesel generator set; the function of an alternating current generator is performed by a multi-speed asynchronous machine controlled by a mode selection unit that sets its operating speed as a function of active power, characterized in that a consumer unloading device is introduced into the system, the input of which is connected to the output

Description

Полезная модель «Автономная система бесперебойного электроснабжения, использующая возобновляемый источник энергии» относится к энергетике, в частности к автономным системам электроснабжения трехфазным переменным током объектов, удаленных от систем централизованного электроснабжения, при использовании возобновляемых видов энергии, в т.ч. энергии ветра, например, на компрессорных станциях магистрального транспорта газа и для вдольтрассовых потребителей.The utility model "Autonomous uninterruptible power supply system using a renewable energy source" refers to the energy sector, in particular, to autonomous power supply systems with three-phase alternating current of objects remote from centralized power supply systems, using renewable types of energy, including wind energy, for example, at compressor stations of the main gas transport and for long-distance consumers.

Известны системы преобразования механической энергии ветротурбины (патенты РФ №2171913, МПК F03D 9/00, 2000 г., №2173928, МПК Н02М 5/40, 1999 г., №2153752, МПК H02J 3/28, 1999 г.) в энергию трехфазного переменного тока потребителя.Known systems for converting the mechanical energy of a wind turbine (RF patents No. 2171913, IPC F03D 9/00, 2000, No. 2173928, IPC Н02М 5/40, 1999, No. 2153752, IPC H02J 3/28, 1999) into energy three phase AC consumer.

Однако в них каждая из ступеней преобразования энергии содержит цепь последовательных преобразований, причем преобразуется вся энергия, вырабатываемая ветротурбиной на первой ступени и передаваемая потребителю на второй, что сопровождается соответствующими потерями энергии.However, in them each of the stages of energy conversion contains a chain of successive transformations, and all the energy generated by the wind turbine in the first stage and transmitted to the consumer in the second is converted, which is accompanied by corresponding energy losses.

Известны системы автономного электроснабжения с дизелем и ветряной турбиной в качестве первичных двигателей. Одна из таких систем, наиболее близкая к заявленной полезной модели по применяемым устройствам и принятая в качестве прототипа, представлена в патенте на изобретение РФ №2262790, МПК H02J 7/34, H02J 3/38, F03D 9/00, 2004 г. Данная автономная система состоит из подсистемы ветротурбогенератора, подсистемы синхронного компенсатора и подсистемы дизель-генераторной установки, соединенных между собой и потребителем электроэнергии блоком переключения. Заявляемая модель способна функционировать при выходе из работы (по разным причинам), как минимум, одной из подсистем, обеспечивая бесперебойное электроснабжение потребителя электроэнергии.Known autonomous power supply systems with a diesel engine and a wind turbine as primary engines. One of these systems, closest to the claimed utility model for the devices used and adopted as a prototype, is presented in the patent for the invention of the Russian Federation No. 2262790, IPC H02J 7/34, H02J 3/38, F03D 9/00, 2004. This stand-alone the system consists of a subsystem of a wind turbine generator, a subsystem of a synchronous compensator and a subsystem of a diesel generator set, interconnected between themselves and the consumer of electricity by a switching unit. The inventive model is able to function upon exit from work (for various reasons), at least one of the subsystems, providing uninterrupted power supply to the consumer of electricity.

Подсистема ветротурбогенератора состоит из ветротурбины, жестко связанной через мультипликатор с многоскоростной асинхронной машиной, управляемой блоком выбора режима ветротурбогенератора в функции скорости ветра, что дает возможность выбора оптимальных рабочих скоростей вращения ветротурбины, тем самым обеспечивается максимум вырабатываемой подсистемой мощности.The subsystem of a wind turbine generator consists of a wind turbine rigidly connected through a multiplier to a multi-speed asynchronous machine, controlled by a block for selecting the regime of the wind turbine generator as a function of wind speed, which makes it possible to select the optimal operating speed of rotation of the wind turbine, thereby maximizing the power generated by the power subsystem.

Подсистема синхронного компенсатора состоит из асинхронного двигателя, статор которого соединен с выходом автономного инвертора напряжения, последний по цепи постоянного тока соединен с аккумуляторной батареей. Синхронный компенсатор механически связан через обгонную муфту с двигателем, что обеспечивает разгон компенсатора до околосинхронной скорости и выход его на рабочий режим. Выход датчика скорости вращения синхронного компенсатора соединен со входом системы автоматического регулирования (CAP) скорости вращения синхронного компенсатора. Выход последней соединен со входом управления двухкомплектного реверсивного тиристорного преобразователя постоянного тока, включенного между статором синхронного компенсатора и аккумуляторной батареей, что дает возможность управления током заряда или разряда аккумуляторной батареи в функции скорости вращения синхронного компенсатора, чем обеспечивается стабилизация частоты напряжения питания электропотребителей при широком диапазоне изменения мощности, снимаемой с ветротурбины.The synchronous compensator subsystem consists of an asynchronous motor, the stator of which is connected to the output of an autonomous voltage inverter, the last of which is connected to the battery through a DC circuit. The synchronous compensator is mechanically connected through an overrunning clutch to the engine, which ensures that the compensator is accelerated to near-synchronous speed and its output to operating mode. The output of the synchronous compensator rotational speed sensor is connected to the input of the automatic control system (CAP) of the synchronous compensator rotational speed. The output of the latter is connected to the control input of a two-set reverse thyristor DC-DC converter connected between the stator of the synchronous compensator and the battery, which makes it possible to control the charge or discharge current of the battery as a function of the speed of rotation of the synchronous compensator, which ensures stabilization of the frequency of the power supply voltage for a wide range of changes power taken from a wind turbine.

Подсистема дизель-генераторной установки состоит из синхронного дизельного генератора, вал которого соединен с выходным валом дизеля, статор - с блоком переключения. Вход датчика активной мощности дизель-генераторной установки соединен с выходами датчика напряжения и датчика тока, подключенных к статору синхронного генератора. CAP активной мощности дизельного генератора, соединенная с выходом датчика активной мощности дизельного генератора и входом управления тиристорного преобразователя, обеспечивает регулирование активной составляющей тока синхронного генератора и за счет этого оптимизацию режима работы ДГУ. Синхронный компенсатор и синхронный дизельный генератор снабжены системами самовозбуждения.The subsystem of the diesel generator set consists of a synchronous diesel generator, the shaft of which is connected to the output shaft of the diesel engine, the stator - with the switching unit. The input of the active power sensor of the diesel generator set is connected to the outputs of the voltage sensor and current sensor connected to the stator of the synchronous generator. The CAP of the active power of the diesel generator, connected to the output of the sensor of active power of the diesel generator and the control input of the thyristor converter, provides for the regulation of the active component of the current of the synchronous generator and, due to this, optimization of the DGU operation mode. The synchronous compensator and the synchronous diesel generator are equipped with self-excitation systems.

Однако данная система не учитывает тот факт, что мощность электропитания потребителей разных категорий в отдельные моменты времени (особенно при запусках двигательной нагрузки) может быть соизмерима с максимальной мощностью, вырабатываемой данной автономной системой. Поэтому в целях повышения надежности и стабильности работы ответственных потребителей и защиты от развала системы при пиковых нагрузках необходимо предусмотреть устройство разгрузки системы и категорирования потребителей (УРП) без завышения установленной мощности каждого из существующих энергоисточников.However, this system does not take into account the fact that the power supply to consumers of different categories at certain points in time (especially when starting a motor load) can be commensurate with the maximum power generated by this autonomous system. Therefore, in order to increase the reliability and stability of critical consumers and protect against system collapse during peak loads, it is necessary to provide a device for unloading the system and categorizing consumers (URP) without overstating the installed capacity of each of the existing energy sources.

Решаемая задача - обеспечение надежности и стабильности работы автономной системы бесперебойного электроснабжения в широком диапазоне изменения потребляемой мощности.The task at hand is to ensure the reliability and stability of the autonomous uninterruptible power supply system in a wide range of power consumption changes.

Техническим результатом использования данной автономной системы электроснабжения является строгое соблюдение параметров вырабатываемой энергии при различных параметрах нагрузки у потребителя.The technical result of using this autonomous power supply system is the strict observance of the parameters of the generated energy at various load parameters for the consumer.

Указанный результат достигается тем, что в автономную систему бесперебойного электроснабжения, использующая возобновляемый источник энергии, содержащую, по крайней мере, одну ветротурбину переменной скорости вращения, жестко связанную с генератором переменного тока, вспомогательный электрический потребитель, выполненный в виде аккумуляторной батареи, соединенный с генератором переменного тока устройством регулирования мощности, дизель, механически связанный с синхронным генератором, образующие дизель-генераторную установку, с сформированием двух независимых источника электроснабжения, соединенных между собой блоком переключения, функцию одного из них выполняет дизель-генераторная установка, снабженная системой автоматического регулирования активной мощности, функцию другого - синхронный компенсатор с устройством разгона и системой автоматического регулирования скорости, аккумуляторная батарея, соединенная с синхронным компенсатором посредством двухкомплектного реверсивного тиристорного преобразователя постоянного тока, который при превышении мощности ветротурбины над мощностью нагрузки управляется в системе автоматической стабилизации скорости синхронного компенсатора, а в режиме, когда мощность ветротурбины меньше мощности нагрузки и аккумуляторная батарея разряжена, - в системе стабилизации активной мощности дизель-генераторной установки; функцию генератора переменного тока выполняет многоскоростная асинхронная машина, управляемая блоком выбора режима, задающего его рабочую скорость в функции активной мощности, введено устройство разгрузки потребителей, вход которого соединен с выходом блока переключения, а выход - с входом узла потребителей электроэнергии.This result is achieved by the fact that in an autonomous uninterrupted power supply system using a renewable energy source containing at least one variable speed wind turbine rigidly connected to an alternator, an auxiliary electric consumer made in the form of a battery connected to an alternator current by a power control device, a diesel engine mechanically connected to a synchronous generator, forming a diesel generator set, with By balancing two independent power sources interconnected by a switching unit, the function of one of them is performed by a diesel generator set equipped with an automatic active power control system, the function of the other is a synchronous compensator with an acceleration device and an automatic speed control system, a rechargeable battery connected to a synchronous compensator by means of a two-set reversible thyristor DC-DC converter, which, when exceeding the power and wind turbines above the load power are controlled in the system of automatic stabilization of the speed of the synchronous compensator, and in the mode when the wind turbine power is less than the load power and the battery is discharged, in the stabilization system of the active power of the diesel generator set; The function of the alternator is performed by a multi-speed asynchronous machine, controlled by a mode selection unit that sets its operating speed as a function of active power, a consumer unloading device has been introduced, the input of which is connected to the output of the switching unit, and the output is connected to the input of the electricity consumer node.

Соблюдение параметров вырабатываемой энергии и надежность работы автономной системы электроснабжения потребителей обеспечивается, таким образом, устройством разгрузки потребителей при пиковом потреблении электроэнергии установками различных категорий.The observance of the parameters of the generated energy and the reliability of the autonomous system of power supply to consumers is thus ensured by a device for unloading consumers at peak power consumption by plants of various categories.

Функциональная схема системы представлена на чертеже, где приняты следующие обозначения: 1 - подсистема ветротурбогенератора; 2 - подсистема синхронного компенсатора; 3 - подсистема дизель-генераторной установки (ДГУ); 4 - потребитель электроэнергии; 5 - блок переключения; 6 - ветротурбина; 7 - мультипликатор; 8 - многоскоростная асинхронная машина; 9 - блок выбора режима ветротурбогенератора; 10 - разгонный асинхронный двигатель; 11 - автономный инвертор напряжения; 12 - аккумуляторная батарея; 13 - синхронный компенсатор; 14 - обгонная муфта; 15 - датчик скорости вращения синхронного компенсатора; 16 - CAP скорости вращения синхронного компенсатора; 17 - двухкомплектный реверсивный тиристорный преобразователь постоянного тока; 18 - синхронный дизельный генератор; 19 - дизель; 20 - датчик активной мощности дизельного генератора; 21 - датчик напряжения; 22 - датчик тока; 23 - CAP активной мощности дизельного генератора; 24 - система самовозбуждения синхронного генератора; 25 - устройство разгрузки потребителей.A functional diagram of the system is presented in the drawing, where the following notation is adopted: 1 - subsystem of a wind turbine generator; 2 - subsystem synchronous compensator; 3 - a subsystem of a diesel generator set (DGU); 4 - electricity consumer; 5 - switching unit; 6 - wind turbine; 7 - multiplier; 8 - multi-speed asynchronous machine; 9 - block selection of the mode of the wind turbine; 10 - accelerating asynchronous motor; 11 - autonomous voltage inverter; 12 - battery; 13 - synchronous compensator; 14 - freewheel; 15 - sensor rotation speed of the synchronous compensator; 16 - CAP rotation speed of the synchronous compensator; 17 - two-set reversible thyristor DC-DC converter; 18 - synchronous diesel generator; 19 - diesel; 20 - sensor active power of a diesel generator; 21 - voltage sensor; 22 - current sensor; 23 - CAP active power of a diesel generator; 24 - self-excitation system of a synchronous generator; 25 is a device for unloading consumers.

Система состоит из подсистемы 1 ветротурбогенератора, подсистемы 2 синхронного компенсатора, подсистемы 3 дизель-генераторной установки, соединенных между собой и потребителем электроэнергии 4 блоком переключения 5. Заявляемая система способна функционировать при выходе из работы (по разным причинам), как минимум, одной из подсистем, обеспечивая бесперебойное электроснабжение потребителя электроэнергии 4.The system consists of subsystem 1 of a wind turbine generator, subsystem 2 of a synchronous compensator, subsystem 3 of a diesel generator set, interconnected with an electricity consumer 4 by a switching unit 5. The inventive system is capable of functioning upon exit from work (for various reasons) of at least one of the subsystems , ensuring uninterrupted power supply to the consumer 4.

Подсистема 1 ветротурбогенератора состоит из ветротурбины 6, жестко связанной через мультипликатор 7 с многоскоростной асинхронной машиной 8, управляемой блоком 9 выбора режима ветротурбогенератора в функции скорости ветра, что дает возможность выбора оптимальных рабочих скоростей вращения ветротурбины 6, тем самым обеспечивается максимум вырабатываемой подсистемой 1 мощности.The wind turbine generator subsystem 1 consists of a wind turbine 6, rigidly connected through a multiplier 7 with a multi-speed asynchronous machine 8, controlled by the wind turbine generator mode selection unit 9 as a function of the wind speed, which makes it possible to select the optimal operating speed of the wind turbine 6, thereby maximizing the power generated by the power subsystem 1.

Подсистема 2 синхронного компенсатора состоит из асинхронного двигателя 10, статор которого соединен с выходом автономного инвертора напряжения 11, последний по цепи постоянного тока соединен с аккумуляторной батареей 12. Синхронный компенсатор 13 механически связан через обгонную муфту 14 с двигателем 10, что обеспечивает разгон компенсатора 13 до околосинхронной скорости и выход его на рабочий режим. Выход датчика 15 скорости вращения синхронного компенсатора 13 соединен со входом CAP 16 скорости вращения синхронного компенсатора. Выход последней соединен со входом управления двухкомплектного реверсивного тиристорного преобразователя 17 постоянного тока, включенного между статором синхронного компенсатора 13 и аккумуляторной батареей 12, что дает возможность управления током заряда или разряда аккумуляторной батареи 12 в функции скорости вращения синхронного компенсатора 13, чем обеспечивается стабилизация частоты напряжения питания электропотребителей при широком диапазоне изменения мощности, снимаемой с ветротурбины 6.Subsystem 2 of the synchronous compensator consists of an asynchronous motor 10, the stator of which is connected to the output of the autonomous voltage inverter 11, the last in the DC circuit connected to the battery 12. The synchronous compensator 13 is mechanically connected through an overrunning clutch 14 to the motor 10, which ensures that the compensator 13 accelerates to near-synchronous speed and its output to the operating mode. The output of the rotational speed sensor 15 of the synchronous compensator 13 is connected to the input CAP 16 of the rotational speed of the synchronous compensator. The output of the latter is connected to the control input of a two-set reverse thyristor DC converter 17 connected between the stator of the synchronous compensator 13 and the battery 12, which makes it possible to control the charge or discharge current of the battery 12 as a function of the rotation speed of the synchronous compensator 13, thereby stabilizing the frequency of the supply voltage power consumers with a wide range of changes in power taken from a wind turbine 6.

Подсистема 3 дизель-генераторной установки состоит из синхронного дизельного генератора 18, вал которого соединен с выходным валом дизеля 19, статор - с блоком переключения 5. Вход датчика 20 активной мощности дизель-генераторной установки соединен с выходами датчика 21 напряжения и датчика 22 тока, подключенных к статору синхронного генератора 18. CAP 23 активной мощности дизельного генератора, соединенная с выходом датчика 20 активной мощности дизельного генератора и входом управления тиристорного преобразователя 17, обеспечивает регулирование активной составляющей тока синхронного генератора 18 и за счет этого оптимизацию режима работы ДГУ. Синхронный компенсатор 13 и синхронный дизельный генератор 18 снабжены системами самовозбуждения 24. Устройство разгрузки потребителей 25 по величинам вырабатываемой и потребляемой мощности определяет необходимость отключения менее ответственных потребителей.The subsystem 3 of the diesel generator set consists of a synchronous diesel generator 18, the shaft of which is connected to the output shaft of the diesel 19, the stator is connected to the switching unit 5. The input of the sensor 20 of the active power of the diesel generator set is connected to the outputs of the voltage sensor 21 and the current sensor 22 connected to the stator of the synchronous generator 18. CAP 23 of the active power of the diesel generator, connected to the output of the sensor 20 of the active power of the diesel generator and the control input of the thyristor converter 17, provides regulation the active component of the current of the synchronous generator 18 and thereby optimize the operation mode DSU. The synchronous compensator 13 and the synchronous diesel generator 18 are equipped with self-excitation systems 24. The device for unloading consumers 25 in terms of the generated and consumed power determines the need to turn off less critical consumers.

Система автономного электроснабжения работает следующим образом.The autonomous power supply system operates as follows.

Разогнав синхронный компенсатор 13 до номинальной скорости с помощью устройства разгона 10-11 и включив систему самовозбуждения 24 синхронного компенсатора, устанавливают номинальное напряжение на зажимах его статора. Нагрузка 4 при этом должна быть отключена, как отключенным должен быть и тиристорный преобразователь 17. Затем включают систему управления 16 тиристорным преобразователем 17 и подают напряжение на его силовую схему, одновременно отключая питание автономного инвертора 11 напряжения. Операции подачи напряжения на силовую часть тиристорного преобразователя 17 и одновременного снятия питания с автономного инвертора 11 напряжения осуществляется в автоматическом режиме.Having accelerated the synchronous compensator 13 to the rated speed using the accelerator 10-11 and turning on the self-excitation system 24 of the synchronous compensator, the rated voltage is set at the terminals of its stator. The load 4 must be disconnected, as well as the thyristor converter 17 must be disconnected. Then the control system 16 is turned on by the thyristor converter 17 and the voltage is supplied to its power circuit, while simultaneously disconnecting the power to the autonomous voltage inverter 11. The operation of supplying voltage to the power part of the thyristor converter 17 and simultaneously removing power from the autonomous voltage inverter 11 is carried out in automatic mode.

Далее синхронный компенсатор 13 продолжает вращение самостоятельно, а разогнанный привод 10-11 останавливается и остается неподвижным в течение всего времени работы компенсатора. Передача движения от компенсатора 13 к асинхронному двигателю 10 исключается путем введения между ними обгонной муфты 14.Next, the synchronous compensator 13 continues to rotate independently, and the overclocked drive 10-11 stops and remains stationary for the entire duration of the operation of the compensator. The transmission of motion from the compensator 13 to the induction motor 10 is eliminated by introducing between them overrunning clutch 14.

Подсистема 2 входит в режим самосинхронизации со стабилизацией частоты на зажимах синхронного компенсатора 13 путем стабилизации его скорости вращения. Частота ЭДС синхронного компенсатора 13, пропорциональная скорости его вращения, поддерживается постоянной: при отклонении скорости вращения от номинального значения в сторону уменьшения на входе CAP 16 скорости компенсатора появляется рассогласование (примем условно его положительным), при котором вводится в работу тот комплект преобразователя 17, которому задается режим ведомого сетью инвертора в сеть, формируемую статором синхронного компенсатора 13, вводится энергия, отбираемая от аккумуляторной батареи 12 через тиристорный преобразователь 17. По обмоткам статора протекает ток, активная составляющая которого в противофазе с его ЭДС, - компенсатор 13 переводится в режим двигателя с появлением на его валу движущего момента и увеличением скорости. Положительное рассогласование на входе CAP 16 снижается. При отрицательном рассогласовании на входе CAP 16 (скорость компенсатора больше номинальной) вводится в работу тот комплект преобразователя 17, которому задан режим выпрямления, и скорость синхронного компенсатора 13 снижается, восстанавливая динамическое равновесие в системе при U_oc=U_зc.Subsystem 2 enters the self-synchronization mode with frequency stabilization at the terminals of the synchronous compensator 13 by stabilizing its rotation speed. The frequency of the EMF of the synchronous compensator 13, which is proportional to its rotation speed, is maintained constant: when the rotation speed deviates from the nominal value to the direction of decrease at the input of the compensator speed CAP 16, a mismatch appears (we will assume it is positive), at which the converter set 17, which the mode of the inverter driven by the network is set into the network formed by the stator of the synchronous compensator 13, the energy taken from the battery 12 through the thyristor converter is introduced atel stator windings 17. As current flows, the active component is in antiphase with its emf, - the compensator 13 is transferred to the engine speed with the appearance on its shaft driving torque and speed increase. Positive misalignment at the input of the CAP 16 is reduced. With a negative mismatch at the input of CAP 16 (the compensator speed is higher than the nominal one), the converter set 17 for which the rectification mode is set is put into operation, and the speed of the synchronous compensator 13 decreases, restoring dynamic equilibrium in the system at U _oc = U _зc .

Таким образом, система находится в состоянии динамической самосинхронизации: компенсатор 13 вращается со стабилизированной скоростью, вырабатывая ЭДС частота которой близка к номинальной, тиристорный преобразователь 17 работает на частоте ЭДС синхронного компенсатора 13, используя эту ЭДС в качестве коммутирующего напряжения и стабилизируя скорость вращения компенсатора 13. Система работоспособна, если динамические изменения напряжения и частоты на зажимах питания тиристорного преобразователя 17 не превышают 10% от номинального значения. Для современных преобразователей с безынерционными синхронными системами импульсно-фазового управления вертикального принципа работы в сочетании с быстродействующими CAP скорости это требование выполняется для всех серийных комплектно изготавливаемых тиристорных преобразователей.Thus, the system is in a state of dynamic self-synchronization: the compensator 13 rotates at a stabilized speed, generating an EMF whose frequency is close to the nominal one, the thyristor converter 17 operates at the EMF frequency of the synchronous compensator 13, using this EMF as a switching voltage and stabilizing the speed of rotation of the compensator 13. The system is operable if dynamic changes in voltage and frequency at the power terminals of the thyristor converter 17 do not exceed 10% of the nominal value . For modern converters with inertialess synchronous systems of pulse-phase control of the vertical principle of operation in combination with high-speed CAP speeds, this requirement is met for all serial thyristor converters that are fully manufactured.

Система "синхронный компенсатор 13-тиристорный преобразователь 17 - аккумуляторная батарея 12", введенная в работу описанным выше способом, представляет собой независимый источник питания. В рассмотренном выше способе ввода в работу синхронного компенсатора 13 без нагрузки после окончания переходного процесса устанавливается статический режим, в котором преобразователь 17 работает в инверторном режиме, покрывая потери холостого хода компенсатора 13 P_к. При включении нагрузки 4 на зажимы компенсатора 13 его динамическое снижение скорости повлечет увеличение тока тиристорного преобразователя 17, активная составляющая которого покрывает потребление активной мощности как нагрузкой 4, так и самим компенсатором 13. Вместе с тем, компенсатор 13 является источником реактивной мощности в системе - он покрывает реактивную мощность, потребляемую как нагрузкой 4, так и тиристорным преобразователем 17 и прочими устройствами, включенными в сеть.The system "synchronous compensator 13-thyristor Converter 17 - battery 12", put into operation as described above, is an independent power source. In the above method of commissioning the synchronous compensator 13 without load after the end of the transition process, a static mode is established in which the converter 17 operates in an inverter mode, covering the idle loss of the compensator 13 P _k . When you turn on the load 4 on the clamps of the compensator 13, its dynamic decrease in speed will lead to an increase in the current of the thyristor converter 17, the active component of which covers the consumption of active power by both the load 4 and the compensator 13 itself. However, the compensator 13 is a source of reactive power in the system - it covers reactive power consumed by both load 4 and thyristor converter 17 and other devices included in the network.

Включение в работу ветротурбогенератора (одного или нескольких) приведет к тому, что вырабатываемая синхронным компенсатором 13 реактивная мощность возрастет на величину реактивной мощности, потребляемой асинхронной машиной 8, работающей в генераторном режиме, а тиристорный преобразователь 17 будет вырабатывать только активную мощность дисбаланса P_вт и P_п+P_к, заряжая аккумулятор при P_вт>P_п+P_к и расходуя его энергию при P_вт<P_п+P_к (под P_вт понимается активная мощность, вырабатываемая ветротурбогенератором).The inclusion in the operation of the wind turbine generator (one or more) will lead to the fact that the reactive power generated by the synchronous compensator 13 will increase by the amount of reactive power consumed by the asynchronous machine 8 operating in the generator mode, and the thyristor converter 17 will produce only the active unbalance power P _W and P _n + P _for charging the battery when P _W> P _n + P _to and expending his energy in _watts P <P _n + P _to (at P _W refers to the active power generated vetroturbogeneratorom).

При достаточной скорости ветра, когда среднее значение мощности, вырабатываемой подсистемой 1, равно средней мощности, потребляемой нагрузкой 4, оперативное управление избытком или дефицитом мощности осуществляется тиристорным преобразователем 17. Критерием баланса мощностей является постоянство скорости синхронного компенсатора 13: при ее избытке происходит ее динамическое увеличение, которое приводит к возрастанию ее отбора преобразователем 17 из сети переменного тока, и передача в аккумулятор 12; динамическое снижение скорости синхронного компенсатора 13 приводит к отбору энергии от аккумуляторной батареи 12 и ее передача в питающую сеть.With sufficient wind speed, when the average value of the power generated by subsystem 1 is equal to the average power consumed by the load 4, the excess or deficit of power is operatively controlled by a thyristor converter 17. The criterion for the power balance is the constancy of the speed of the synchronous compensator 13: with its excess, it dynamically increases , which leads to an increase in its selection by the Converter 17 from the AC network, and transmission to the battery 12; a dynamic decrease in the speed of the synchronous compensator 13 leads to the selection of energy from the battery 12 and its transmission to the mains.

Ветротурбина 6 в данной системе имеет простую и надежную конструкцию неизменяемой геометрии, рассчитанной по критерию максимума вырабатываемой мощности в условиях преобладающих скоростей ветра при ступенчатом изменении скорости ветротурбины. Разгон ветротурбины производится при включении асинхронной машины в питающую сеть - в этом случае она работает в режиме двигателя, и при расчете геометрии режим разгона ветротурбины может не приниматься во внимание.Wind turbine 6 in this system has a simple and reliable design of unchanged geometry, calculated according to the criterion of maximum power generated under conditions of prevailing wind speeds with a stepwise change in the speed of the wind turbine. The acceleration of the wind turbine is performed when the asynchronous machine is switched on to the supply network - in this case, it operates in the engine mode, and when calculating the geometry, the acceleration mode of the wind turbine may not be taken into account.

Выбор многоскоростной асинхронной машины 8 в качестве ветротурбогенератора обусловлен простотой, высокой надежностью и низкой стоимостью такой схемы, не требующей преобразовательных устройств, естественным ограничением скорости ветротурбины 6 за счет высокой жесткости естественной механической характеристики асинхронной машины 8 с перегрузочной способностью в режиме генератора, существенно большей, чем в двигательном режиме, а также естественным возбуждением ее при подключении к сети предварительно сформированного напряжения. Применение односкоростной машины сильно снизит эффективность процесса отбора энергии от ветротурбины, а применение более чем трех рабочих скоростей асинхронной машины лишено практического смысла, поскольку, усложнив и удорожив систему, не даст заметного повышения эффективности работы установки. Таким образом, к использованию рекомендуются двух- или трехскоростные асинхронные машины.The choice of a multi-speed asynchronous machine 8 as a wind turbine generator is due to the simplicity, high reliability and low cost of such a circuit that does not require converting devices, the natural limitation of the speed of the wind turbine 6 due to the high rigidity of the natural mechanical characteristics of the asynchronous machine 8 with overload capacity in the generator mode, significantly greater than in motor mode, as well as its natural excitation when connected to a network of pre-formed voltage. The use of a single-speed machine will greatly reduce the efficiency of the process of energy extraction from a wind turbine, and the use of more than three operating speeds of an asynchronous machine is devoid of practical sense, since by complicating and increasing the cost of the system, it will not significantly increase the efficiency of the installation. Thus, two- or three-speed asynchronous machines are recommended for use.

Блок 9 выбора режима ветротурбогенератора служит для определения оптимальной скорости ветротурбины 6, обеспечивающей максимум отбираемой от нее мощности при данной скорости ветра. Основным чувствительным органом блока 9, на основании анализа уровня выходного сигнала которого принимается решение о выборе оптимальной скорости ветротурбины 6, является счетчик активной энергии, включаемый в цепь статора асинхронной машины 8. Алгоритм выбора оптимальной скорости следующий:Block 9 mode selection of the wind turbine is used to determine the optimal speed of the wind turbine 6, providing maximum power taken from it at a given wind speed. The main sensitive organ of block 9, based on an analysis of the output signal level of which a decision is made on choosing the optimal speed of the wind turbine 6, is an active energy meter that is included in the stator circuit of an asynchronous machine 8. The algorithm for choosing the optimal speed is as follows:

а) при малых скоростях ветра или полном безветрии блок 9 выбора режима задает ждущий режим работы ветротурбогенератора: асинхронная машина 8 включается в сеть на напряжение, сформированное синхронным компенсатором 13 или подсистемой 3 ДГУ, на минимальную скорость и замеряется ее активная энергия на 30-секундном интервале времени после снижения пускового броска тока до статического. Если энергия положительна (асинхронная машина 8 работает в двигательном режиме), ее отключают с повторным включением через 20-30 мин. Если активная энергия 30-секундного режима включения отрицательна и уровень ее достиг минимального порога W_пор, асинхронную машину 8 оставляют в работе, и блок 9 выбора режима переводит подсистему 1 в рабочий режим;a) at low wind speeds or complete calm, the mode selection unit 9 sets the standby mode of the wind turbine generator: the asynchronous machine 8 is connected to the network at the voltage generated by the synchronous compensator 13 or the DGU subsystem 3 at the minimum speed and its active energy is measured at a 30-second interval time after reducing the inrush current to static. If the energy is positive (asynchronous machine 8 is operating in motor mode), it is turned off and then turned back on after 20-30 minutes. If the active energy of the 30-second switching mode is negative and its level has reached the minimum threshold W _then , the asynchronous machine 8 is left in operation, and the mode selection unit 9 puts the subsystem 1 into operation mode;

б) в рабочем режиме замеряется 10-минутная энергия асинхронной машины 8, после чего показания счетчика активной энергии обнуляются. Для этого режима предварительно рассчитываются (или определяются экспериментально) значения энергии W₁, W₂ и W₃ - соответственно минимума энергии, рационального при работе системы на минимальной скорости (назовем ее первой), энергии рационального перехода с первой скорости на вторую и со второй на третью, максимальную скорость. Если W_{10 мин}<W₁, то подсистема 1 переводится в ждущий режим работы. Если W₁<W_{10 мин}<W₂, подсистема 1 переводится в режим первой скорости или в ней сохраняется этот режим. Если W₂<W_{10 мин}<W₃, подсистема 1 переводится в режим второй скорости или он сохраняется. И, наконец, если W₃<W_{10 мин}, подсистема 1 переводится в режим третьей скорости или в ней сохраняется этот режим.b) in the operating mode, the 10-minute energy of the asynchronous machine 8 is measured, after which the readings of the active energy counter are reset. For this mode, the energy W ₁ , W _2, and W ₃ are preliminarily calculated (or determined experimentally), respectively, of the minimum energy rational when the system operates at minimum speed (let's call it first), the energy of a rational transition from the first speed to the second and from the second to third, top speed. If W _{10 min} <W ₁ , then subsystem 1 is put into standby mode. If W ₁ <W _{10 min} <W ₂ , subsystem 1 is transferred to the first speed mode or this mode is stored in it. If W ₂ <W _{10 min} <W ₃ , subsystem 1 is transferred to the second speed mode or it is saved. And finally, if W ₃ <W _{10 min} , subsystem 1 is transferred to the third speed mode or this mode is saved in it.

Таким образом,In this way,

а) система реагирует на быстротекущие изменения скорости ветра изменением активного тока асинхронной машины 8 при практически постоянной ее скорости, усредняя вырабатываемую ветротурбогенератором мощность на 10-минутном интервале времени. Отметим, что выбранный 10-минутный интервал может быть изменен в зависимости от конкретных ветроклиматических условий, в которых эксплуатируется установка. Как показывают расчеты, слежение за всеми изменениями скорости ветра и перевод системы на режим съема максимума мощности с соответствующим изменением скорости ветротурбины приведет к тому, что система будет работать в непрерывных переходных режимах с повышенными токовыми нагрузками всех элементов и ухудшенной энергетикой. В предлагаемом изобретении перевод подсистемы 1 с одной скорости на другую производится не чаще, чем один раз в 10 мин, причем увеличение скорости требует доразгона асинхронной машины 8, она работает в двигательном режиме, а снижение скорости происходит в режиме ее рекуперативного торможения с возвратом избытка кинетической энергии в питающую сеть;a) the system responds to rapidly changing changes in wind speed by changing the active current of asynchronous machine 8 at an almost constant speed, averaging the power generated by the wind turbine generator over a 10-minute time interval. Note that the selected 10-minute interval can be changed depending on the specific wind and climatic conditions in which the unit is operated. As calculations show, tracking all changes in wind speed and transferring the system to the mode of picking up the maximum power with a corresponding change in the speed of the wind turbine will cause the system to operate in continuous transient conditions with increased current loads of all elements and degraded energy. In the present invention, the transfer of the subsystem 1 from one speed to another is performed no more than once every 10 minutes, and the increase in speed requires the overclocking of the asynchronous machine 8, it works in the motor mode, and the speed decreases in the mode of regenerative braking with the return of excess kinetic energy to the mains;

б) перевод подсистемы 1 на другую скорость производится по результатам оценки его режима на предыдущем 10-минутном интервале. Поэтому особенностью предлагаемого метода слежения за скоростью ветра является наличие чистого случайного запаздывания, максимальное значение которого составляет 10 мин.b) the transfer of subsystem 1 to a different speed is carried out according to the results of evaluating its mode in the previous 10-minute interval. Therefore, a feature of the proposed method for tracking wind speed is the presence of a pure random delay, the maximum value of which is 10 min.

Отметим, что на выбор скорости ветротурбины 6 накладываются ограничения по допустимой скорости ветра, максимальному току статора асинхронной машины 8, степени заряженности аккумуляторной батареи 12, исправности оборудования и т.д.Note that the choice of the speed of the wind turbine 6 imposes restrictions on the permissible wind speed, the maximum stator current of the asynchronous machine 8, the degree of charge of the battery 12, the health of the equipment, etc.

Режим работы ДГУ по заявленной полезной модели формируется путем регулирования его нагрузки около номинальной воздействием на поток энергии в контуре "аккумуляторная батарея 12 - тиристорный преобразователь 17 - сеть". Для регулирования нагрузки ДГУ предусмотрен датчик 20 активной мощности дизельного генератора 18, выходной сигнал которого в качестве сигнала обратной связи U_ом по активной мощности ДГУ подается на вход CAP 23 мощности ДГУ, воздействующей на тиристорный преобразователь 17. CAP 16 скорости синхронного компенсатора 13 и CAP 23 мощности дизеля являются альтернативными - при вводе в работу ДГУ CAP 16 скорости синхронного компенсатора 13 отключается и тиристорный преобразователь 17 управляется сигналом, вырабатываемым CAP 23 мощности дизеля. Выбор вводимых в работу источников электроснабжения и задание режимов их работы производятся блоком 5 переключения режимов источников электроэнергии.The operating mode of the diesel generator set according to the claimed utility model is formed by regulating its load around the nominal impact on the energy flow in the circuit "battery 12 - thyristor converter 17 - network". To control the load of the diesel generator set, a sensor 20 of the active power of the diesel generator 18 is provided, the output signal of which as a feedback signal U _ohm from the active signal of the generator set is supplied to the input CAP 23 of the generator set acting on the thyristor converter 17. CAP 16 of the synchronous compensator 13 and CAP 23 diesel powers are alternative - when the synchronous compensator 13 is put into operation, the CAP 16 is turned off and the thyristor converter 17 is controlled by the signal generated by the diesel power CAP 23. The selection of the power supply sources put into operation and the setting of their operation modes are made by block 5 of switching the modes of power sources.

В системе реализуются следующие режимы.The following modes are implemented in the system.

1. При исправном состоянии всех элементов системы.1. In good condition of all elements of the system.

1.1. Режим выработки максимальной мощности для покрытия пиковых нагрузок электропотребителей 4:1.1. Maximum power generation mode to cover peak loads of electric consumers 4:

а) ДГУ работает в режиме выработки максимальной номинальной мощности. Напряжение, формируемое на зажимах дизельного генератора 18, является ведущим для работы всех прочих элементов подсистемы 1, синхронного компенсатора 13, тиристорного преобразователя 17;a) DGU works in the mode of generating maximum rated power. The voltage generated at the terminals of the diesel generator 18 is the leading one for the operation of all other elements of the subsystem 1, synchronous compensator 13, thyristor converter 17;

б) подсистема 1 ветротурбогенератора работает в своем стандартном режиме отбора максимума мощности от ветротурбины 6;b) the subsystem 1 of the wind turbine generator operates in its standard mode for selecting the maximum power from the wind turbine 6;

в) синхронный компенсатор 13 работает в режиме выработки реактивной мощности при отключенной CAP 16 скорости с возможньм компаундированием при необходимости по току нагрузки;c) synchronous compensator 13 operates in the mode of generating reactive power when the speed CAP 16 is off with the possible compounding, if necessary, according to the load current;

г) тиристорный преобразователь 17 работает в режиме ведомого сетью инвертора в системе CAP 23 стабилизации активной мощности дизельного генератора 18.g) the thyristor converter 17 operates in the mode of a network-driven inverter in the system CAP 23 stabilization of the active power of the diesel generator 18.

1.2. Режим P_вт<P_п:1.2. P _W <P _n mode:

а) ДГУ остановлена;a) DGU is stopped;

б) подсистема 1 ветротурбогенератора работает в стандартном режиме, если аккумуляторная батарея 12 разряжена. При заряженной аккумуляторной батарее 12 ветротурбина 6 переводится на пониженную скорость (при большом дисбалансе ΔP=Р_вт-P_п предлагается вариант остановки ветротурбины 6). Система работает в режиме минимизации мощности, циркулирующей в тракте "аккумуляторная батарея 12 - тиристорный преобразователь 17 - сеть";b) the subsystem 1 of the wind turbine generator operates in standard mode if the battery 12 is discharged. When the battery 12 is charged, the wind turbine 6 translates into a reduced speed (with a large imbalance ΔP = P _W -P _p , the option of stopping the wind turbine 6 is proposed). The system operates in a mode of minimizing power circulating in the path "battery 12 - thyristor converter 17 - network";

в) тиристорный преобразователь 17 работает в своем стандартном режиме стабилизации скорости синхронного компенсатора 13 при введенной в работу CAP 16.c) the thyristor converter 17 operates in its standard speed stabilization mode of the synchronous compensator 13 when the CAP 16 is put into operation.

1.3. Режим P_вт<P_п:1.3. P _W <P _n mode:

а) подсистема 1 ветротурбогенератора работает в стандартном режиме выработки максимума мощности;a) subsystem 1 of the wind turbine generator operates in the standard mode of generating maximum power;

б) другие подсистемы работают в режиме 1.2 при снижении степени заряженности аккумуляторной батареи 12 от 100% до 50% и в режиме 1.1 при увеличении степени заряженности от 50% до 100%.b) other subsystems operate in mode 1.2 with a decrease in the degree of charge of the battery 12 from 100% to 50% and in mode 1.1 with an increase in the degree of charge from 50% to 100%.

2. ДГУ выведена из работы (не исправна)2. DGU decommissioned (not working)

Оставшиеся исправными подсистемы работают в режиме 1.2 при Р_вт>P_п и 1.3 при P_вт<P_п. Наименее ответственные электроприемники 4 в последнем случае могут быть отключены.The remaining healthy subsystems operate in 1.2 mode at P _W > P _p and 1.3 at P _W <P _p . The least responsible power consumers 4 in the latter case can be turned off.

3. Выведен из работы (не исправен) синхронный компенсатор 13. В данном случае ДГУ не может быть остановлена - это единственный источник, формирующий напряжение на зажимах потребителя в данном режиме. Вместе с тем, расход горючего ДГУ может быть минимизирован за счет максимального использования энергии ветра.3. The synchronous compensator 13 has been taken out of service (not working properly) 13. In this case, the DGU cannot be stopped - this is the only source that generates voltage at the consumer terminals in this mode. At the same time, the fuel consumption of diesel generator sets can be minimized due to the maximum use of wind energy.

Независимо от соотношения P_вт и P_п работа ДГУ регламентируется CAP 23 мощности:Regardless of the ratio of P _W and P _{p, the} operation of the diesel generator set is regulated by CAP 23 power:

а) при P_вт>P_п дизель 19 работает в режиме холостого хода. Потери холостого хода дизеля 19 покрываются ветротурбогенератором. Ветротурбина 6 переводится на пониженную скорость или останавливается, как это было показано в п.1.2.6;a) when P _W > P _{p the} diesel engine 19 is idling. The idle loss of the diesel 19 is covered by a wind turbine generator. The wind turbine 6 is switched to a reduced speed or stops, as was shown in paragraph 1.2.6;

б) при P_вт<P_п ДГУ работает в режиме постоянства мощности на уровне режима среднего значения мощности дисбаланса ветротурбогенератора и нагрузки при работе ветротурбины 6 в стандартном режиме максимума вырабатываемой мощности.b) at P _W <P _{p, the} DGU operates in a mode of constant power at the level of the mode of the average value of the power of the unbalance of the wind turbine generator and the load when the wind turbine 6 is in the standard mode of maximum power generated.

4. Выведены из работы (не исправен) один из узлов тракта "аккумуляторная батарея 12 - тиристорный преобразователь 17".4. Out of service (not working) one of the nodes of the path "battery 12 - thyristor converter 17".

В этом случае обеспечивается параллельная работа ДГУ и ветротурбогенератора с контролем мощности ДГУ: при P_дгу 0(P_вт=P_п) снижается скорость ветротурбогенератора или он выводятся из работы. Возможно использование синхронного компенсатора 13 для выработки реактивной мощности при отключенной CAP 16 скорости.In this case provided parallel operation vetroturbogeneratora DSU and DSU with power control: If P _DSU 0 (P _W = P _p ) decreases the speed of the wind turbine generator or it is taken out of operation. It is possible to use a synchronous compensator 13 to generate reactive power when the speed CAP 16 is off.

Устройство разгрузки потребителей 25 включается в работу, когда суммарной мощности всех источников автономной системы становится недостаточно для потребителей электроэнергии. В этом случае последовательно на некоторое время отключаются потребители третьей и второй категории. При восстановлении баланса мощностей, все ранее отключенные второстепенные потребители с помощью УРП 25 с некоторой выдержкой времени вновь получают питание от системы электроснабжения. Все потребители первой категории в это время бесперебойно получают электроэнергию с требуемыми параметрами.The device for unloading consumers 25 is included in the work when the total capacity of all sources of the autonomous system becomes insufficient for consumers of electricity. In this case, consumers of the third and second categories are sequentially disconnected for a while. When restoring the balance of capacities, all previously disconnected secondary consumers using the URP 25 with some time delay again receive power from the power supply system. All consumers of the first category at this time uninterruptedly receive electricity with the required parameters.

Claims

An autonomous uninterruptible power supply system using a renewable energy source, containing at least one variable speed wind turbine rigidly connected to an alternator, an auxiliary electric consumer, made in the form of a battery, connected to an alternator by a power control device, a diesel engine, mechanically connected with a synchronous generator, forming a diesel generator set, with the formation of two independent sources of e power supply, interconnected by a switching unit, the function of one of them is performed by a diesel generator set equipped with an automatic active power control system, the function of the other is a synchronous compensator with an acceleration device and an automatic speed control system, a rechargeable battery connected to a synchronous compensator by means of a two-set reversible thyristor DC-DC converter, which, when the power of the wind turbine exceeds the load power of the control it goes off in the system of automatic stabilization of the speed of the synchronous compensator, and in the mode when the wind turbine power is less than the load power and the battery is discharged, in the stabilization system of the active power of the diesel generator set; the function of the alternator is performed by a multi-speed asynchronous machine controlled by a mode selection unit that sets its operating speed as an active power function, characterized in that a consumer unloading device is introduced into the system, the input of which is connected to the output of the switching unit, and the output to the input of the electricity consumer node .