RU2304836C1

RU2304836C1 - No-break power supply designed for loads of power system built around unstable energy sources

Info

Publication number: RU2304836C1
Application number: RU2006106388/09A
Authority: RU
Inventors: Владимир Сергеевич Дмитриев (RU); Владимир Сергеевич Дмитриев; Сергей Иванович Карпов (RU); Сергей Иванович Карпов; Владимир Кириллович Куролес (RU); Владимир Кириллович Куролес; Виктор Дмитриевич Савчук (RU); Виктор Дмитриевич Савчук; Владимир Николаевич Трусов (RU); Владимир Николаевич Трусов
Priority date: 2006-03-02
Filing date: 2006-03-02
Publication date: 2007-08-20

Abstract

FIELD: power engineering.

SUBSTANCE: proposed no-break power supply designed for loads of power system built around unstable reusable energy sources (wind-electric, hydroelectric, photoelectric, and similar power plants) has unstable energy source with AC generator connected to user commercial-frequency supply mains through switch controlled by threshold device; diesel engine provided with automatic OFF-operation device connected at its input to battery charge controller output and through overrunning clutch, to synchronous machine; the latter is connected to user supply mains; synchronous machine shaft also carries permanent-magnet excited DC motor whose armature is connected to four-quadrant pulse-width converter; output of the latter is connected to storage battery and its input, to output of phase-sensing rectifier one of whose inputs is connected to output of commercial-frequency master oscillator and other input, to output of user supply mains frequency sensor.

EFFECT: enhanced reliability of power supply, reduced number of power converters at high energy use factor.

1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к электроэнергетике, в частности к области электроснабжения потребителей, подключенных к электроэнергетической системе, работающей на нестабильных возобновляемых источниках энергии (ветро-, гидро-, фото- и т.п. электрические станции).The invention relates to the electric power industry, in particular to the field of power supply to consumers connected to an electric power system operating on unstable renewable energy sources (wind, hydro, photo, etc. power plants).

Известно принятое за прототип устройство бесперебойного электроснабжения потребителей электроэнергетической системы, работающей на нестабильных источниках энергии, - патент РФ №2208890, содержащее нестабильный источник энергии с генератором переменного тока, выходом подключенного к выпрямителю, выход которого соединен последовательно с «вольтдобавкой», вход питания которой соединен с выходом широтно-импульсного преобразователя, входная диагональ которого подключена к аккумуляторной батарее, а общий выход выпрямителя и вольтдобавки подключен через стабилизатор к нагрузке и к аккумулятору так, что вход и выход «вольтдобавки» гальванически развязаны через трансформатор широтно-импульсного преобразователя, который включен в выходную диагональ широтно-импульсного преобразователя. В качестве нагрузки может выступать инвертор, если потребитель использует энергию переменного тока промышленной сети.Known for the prototype is a device for uninterrupted power supply to consumers of an electric power system operating on unstable energy sources, - RF patent No. 2208890, containing an unstable energy source with an alternator, the output connected to the rectifier, the output of which is connected in series with the “voltage boost”, the power input of which is connected with the output of a pulse-width converter, the input diagonal of which is connected to the battery, and the common output of the rectifier and voltage boost it is connected through the stabilizer to the load and to the battery so that the input and output of the “voltage boost” are galvanically isolated through the transformer of the pulse-width converter, which is included in the output diagonal of the pulse-width converter. The inverter can act as a load if the consumer uses AC power from an industrial network.

Общими существенными признаками прототипа, совпадающими с существенными признаками предлагаемого устройства, являются наличие нестабильного источника энергии с генератором переменного тока, широтно-импульсного преобразователя с питанием от аккумуляторной батареи.The common essential features of the prototype, which coincide with the essential features of the proposed device, are the presence of an unstable energy source with an alternator, a pulse-width converter with battery power.

Известное устройство бесперебойного электроснабжения потребителей электроэнергетической системы, работающей на нестабильных источниках энергии, позволяет использовать практически весь диапазон энергии, производимой нестабильным источником, однако в случае продолжительного отсутствия, например ветровой энергии, могут возникать перебои с питанием потребителя, а, кроме того, в известном устройстве происходит двойное преобразование энергии переменного тока в энергию постоянного тока и затем наоборот, что существенно усложняет и удорожает устройство, поскольку требуется инвертор, цена которого составляет до 10% стоимости всей системы.The known device for uninterrupted power supply to consumers of an electric power system operating on unstable energy sources allows using almost the entire range of energy produced by an unstable source, however, in the case of a prolonged absence, for example, wind energy, interruptions in the power supply of the consumer can occur, and, in addition, in the known device there is a double conversion of AC energy into DC energy and then vice versa, which significantly complicates the impact The device waits because an inverter is required, the price of which is up to 10% of the cost of the entire system.

Предлагаемым устройством решается техническая задача повышения надежности электроснабжения потребителя и уменьшения числа преобразований электроэнергии при сохранении высокого коэффициента использования энергии.The proposed device solves the technical problem of increasing the reliability of power supply to the consumer and reducing the number of conversions of electricity while maintaining a high coefficient of energy use.

Для решения данной технической задачи устройство бесперебойного электроснабжения потребителей электроэнергетической системы содержит нестабильный источник энергии с генератором переменного тока, соединенным с сетью потребителя промышленной частоты посредством ключа, управляемого пороговым устройством, дизельный двигатель, который снабжен устройством автоматического включения, входом соединенным с выходом контроллера заряда аккумуляторной батареи, и который через обгонную муфту соединен с синхронной электромашиной, подключенной к сети потребителя, при этом на один вал с синхронной электромашиной подключен двигатель постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов, якорем подключенный к 4-квадрантному широтно-импульсному преобразователю, выход которого соединен с аккумуляторной батареей, а управляющий вход которого соединен с выходом фазочувствительного выпрямителя, один вход которого соединен с выходом задающего генератора промышленной частоты, а другой вход соединен с выходом датчика частоты сети потребителя.To solve this technical problem, the uninterrupted power supply system for consumers of the electric power system contains an unstable energy source with an alternating current generator connected to the industrial frequency consumer network using a key controlled by a threshold device, a diesel engine, which is equipped with an automatic switching device, an input connected to the output of the battery charge controller , and which through an overrunning clutch is connected to a synchronous electric machine, is connected d to the consumer’s network, while on one shaft with a synchronous electric machine, a DC motor with excitation from permanent magnets is connected, anchored to a 4-quadrant pulse-width converter, the output of which is connected to the battery, and the control input of which is connected to the output of the phase-sensitive rectifier one input of which is connected to the output of the master oscillator of industrial frequency, and the other input is connected to the output of the frequency sensor of the consumer network.

Отличительными признаками предлагаемого устройства являются подключение нестабильного источника энергии с генератором переменного тока посредством ключа, управляемого пороговым устройством, наличие дизельного двигателя, который снабжен устройством автоматического включения, входом соединенным с выходом контроллера заряда аккумуляторной батареи, и который через обгонную муфту соединен с дополнительно введенной синхронной электромашиной, подключенной к сети потребителя, при этом на один вал с синхронной электромашиной подключен дополнительно введенный двигатель постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов, якорем подключенный к 4-квадрантному широтно-импульсному преобразователю, выполненному 4-квадрантным; выход широтно-импульсного преобразователя соединен с аккумуляторной батареей, а управляющий вход соединен с выходом фазочувствительного выпрямителя, один вход которого соединен с выходом задающего генератора промышленной частоты, а другой вход соединен с выходом датчика частоты сети потребителя. Фазочувствительный выпрямитель, задающий генератор промышленной частоты и датчик сети потребителя также введены дополнительно.Distinctive features of the proposed device are the connection of an unstable energy source with an alternator through a key controlled by a threshold device, the presence of a diesel engine, which is equipped with an automatic switch, an input connected to the output of the battery charge controller, and which is connected via an overrunning clutch to an additional synchronous electric machine connected to the consumer network, while on one shaft with a synchronous electric machine is connected Modes inputted DC motor with permanent-magnet, the armature is connected to a 4-quadrant pulse width converter configured 4Q; the output of the pulse-width converter is connected to the battery, and the control input is connected to the output of the phase-sensitive rectifier, one input of which is connected to the output of the master oscillator of industrial frequency, and the other input is connected to the output of the consumer's frequency sensor. A phase-sensitive rectifier, an industrial frequency generator and a consumer network sensor are also introduced.

Предложенные технические решения могут найти применение в энергетике для бесперебойного электроснабжения ответственных потребителей, подключенных к электроэнергетической системе, работающей на нестабильных возобновляемых источниках энергии (ветро-, гидро-, фото- и т.п. электрические станции).The proposed technical solutions can find application in the energy sector for uninterrupted power supply to responsible consumers connected to an electric power system operating on unstable renewable energy sources (wind, hydro, photo, etc. power plants).

Предлагаемое техническое решение поясняется схемой. На схеме изображено. Нестабильный источник энергии - ветроэнергетическая установка (ВЭУ) 1 с генератором переменного тока 2, соединен с сетью промышленной частоты (трехфазной) потребителя 3 посредством ключа 4, управляемого пороговым устройством 5. Дизельный двигатель 6, который снабжен устройством автоматического включения (на схеме не обозначено), входом соединенным с выходом контроллера заряда 7 аккумулятора 8, и который через обгонную муфту 9 соединен с синхронной электромашиной 10, подключенной к сети потребителя 3. При этом на один вал с синхронной электромашиной 10 подключен двигатель постоянного тока 11 с возбуждением от постоянных магнитов, якорем подключенный к 4-квадрантному широтно-импульсному преобразователю 12, выход которого соединен с аккумулятом 8, а управляющий вход которого соединен с выходом фазочувствительного выпрямителя 13, один вход которого соединен с выходом задающего генератора промышленной частоты 14, а другой вход соединен с выходом датчика частоты сети 15 потребителя 3.The proposed technical solution is illustrated by the scheme. The diagram is shown. An unstable source of energy - wind power installation (wind turbine) 1 with an alternator 2, is connected to the power frequency network (three-phase) of consumer 3 by means of a key 4 controlled by threshold device 5. Diesel engine 6, which is equipped with an automatic switch-on device (not shown in the diagram) , an input connected to the output of the charge controller 7 of the battery 8, and which through the overrunning clutch 9 is connected to a synchronous electric machine 10 connected to the network of the consumer 3. Moreover, on one shaft with a synchronous electron another 10 is connected to a DC motor 11 with excitation from permanent magnets, an armature connected to a 4-quadrant pulse-width converter 12, the output of which is connected to the battery 8, and the control input of which is connected to the output of the phase-sensitive rectifier 13, one input of which is connected to the output of the master generator industrial frequency 14, and the other input is connected to the output of the frequency sensor of the network 15 of the consumer 3.

Описание работы предлагаемого устройства удобнее вести для трех режимов.A description of the operation of the proposed device is more convenient for three modes.

1. Энергия ветра больше номинальной мощности.1. Wind power is greater than rated power.

2. Энергия ветра отсутствует (ВЭУ не вырабатывает электроэнергии).2. There is no wind energy (wind turbines do not generate electricity).

3. Энергия ветра меньше номинальной мощности.3. Wind power is less than rated power.

1-й режим. В этом режиме при избыточной энергии ветра избыточная мощность, вырабатываемая генератором переменного тока 2, поступает в сеть потребителя 3, при этом синхронная электромашина 10 переводится в режим двигателя, созданием на ее валу момента Мг. Возникающий при этом электромагнитный момент равен противодействующему тормозному моменту на валу синхронной электромашины 10 Мэ.м.=Мторм. Данный тормозной момент реализуется двигателем постоянного тока 11. В данном режиме ключ 4 открыт всегда. Двигатель 11 в этом режиме через широтно-импульсный преобразователь 12 подключен к аккумулятору 8 так, что обеспечивает рекуперативный режим между двигателем 11 и аккумулятором 8. Т.е. энергия с двигателя 11 идет в аккумулятор 8, заряжая последний, а ток заряда регулируется из условия поддержания частоты сети. При этом частота сети измеряется датчиком частоты сети 15 и сравнивается с частотой задающего генератора 14 на фазочувствительном преобразователе 13, выход которого управляет широтно-импульсным преобразователем 12 так, что при увеличении частоты сети увеличивается ток заряда аккумулятора 8. Больший зарядный ток, который генерируется двигателем 11, находящимся в режиме «генератора», создает больший момент на его валу, а значит и на валу синхронной электромашины 10, тем самым изменяя ее угол между напряжением и током. За счет изменения угла между током и напряжением в сети будет уменьшаться частота согласно уравнению синхронной машины 10.1st mode. In this mode, with excess wind energy, the excess power generated by the alternator 2 is supplied to the consumer network 3, while the synchronous electric machine 10 is put into engine mode by creating a torque Mg on its shaft. The electromagnetic moment arising in this case is equal to the counteracting braking moment on the shaft of the synchronous electric machine 10 Me.m. = Mtorm. This braking torque is realized by the DC motor 11. In this mode, key 4 is always open. The engine 11 in this mode through a pulse-width converter 12 is connected to the battery 8 so that provides a regenerative mode between the engine 11 and the battery 8. That is the energy from the engine 11 goes to the battery 8, charging the latter, and the charge current is regulated from the condition of maintaining the network frequency. In this case, the network frequency is measured by the network frequency sensor 15 and compared with the frequency of the master oscillator 14 on the phase-sensitive converter 13, the output of which controls the pulse-width converter 12 so that when the network frequency increases, the battery charge current 8 increases. The greater charging current that is generated by the motor 11 being in the "generator" mode, creates a greater moment on its shaft, and therefore on the shaft of the synchronous electric machine 10, thereby changing its angle between voltage and current. By changing the angle between the current and voltage in the network, the frequency will decrease according to the equation of the synchronous machine 10.

где f - частота сети,where f is the network frequency,

p - число полюсов,p is the number of poles,

i - ток в обмотке,i is the current in the winding

U - напряжение в сети,U is the voltage in the network

X - реактивное сопротивление обмотоки,X is the reactance of the winding,

М - момент электромагнитный,M - electromagnetic moment,

θ - угол между Е и U,θ is the angle between E and U,

где Е - э.д.с. генератора.where E is the emf generator.

Здесь описано векторное регулирование частоты сети. Чтобы оно реализовалось, необходимо выбирать электрическую машину 10 мощностью большей номинальной мощности генератора переменного тока 2 ВЭУ 1. Для других случаев это «нонсенс», но для случая бесперебойного питания ответственных потребителей, когда резервный источник на случай отсутствия ветра выбирается из этих условий, и «нонсенс» исчезает.Vector control of network frequency is described here. In order for it to be realized, it is necessary to choose an electric machine 10 with a capacity of a higher rated power of the alternating current generator 2 of the wind turbine 1. For other cases, this is “nonsense", but for the case of uninterrupted power supply for responsible consumers, when a backup source in case of lack of wind is selected from these conditions, and " nonsense "disappears.

При увеличении тормозного момента на валу синхронной электромашины 10 ротор машины замедляет частоту своего вращения и значение Θ начинает возрастать, что приводит к увеличению электромагнитного момента, а значит и потребление из сети машиной 10 увеличивается. Т.е. при увеличении энергии ветра автоматически растет потребление независимо от ответственного потребителя 11. При этом обгонная муфта 9 дизеля 6 размыкает его вал от синхронной электромашины 10 и дизеля 6, который выключен и не оказывает влияния на работу системы.When the braking torque on the shaft of the synchronous electric machine 10 increases, the rotor of the machine slows down its rotation frequency and the value Θ starts to increase, which leads to an increase in the electromagnetic moment, which means that the consumption from the network by the machine 10 also increases. Those. with increasing wind energy, consumption automatically increases regardless of the responsible consumer 11. At the same time, the freewheel 9 of the diesel engine 6 opens its shaft from the synchronous electric machine 10 and the diesel engine 6, which is turned off and does not affect the operation of the system.

2-й режим. В этом режиме при отсутствии энергии ветра (ветер мал для вращения ветроколеса или ВЭУ отключена по другим причинам) включается дизель 6 и он вращает вал синхронной электромашины 10, которая в этом режиме переводится в режим генератора и обеспечивает питание сети. В течение времени переходного процесса, пока дизель 6 не наберет требуемые номинальные обороты и момент на валу синхронной электромашины 10 обеспечивает двигатель 11, регулируемый исходя из поддержания частоты сети.2nd mode. In this mode, in the absence of wind energy (the wind is small for rotation of the wind wheel or the wind turbine is turned off for other reasons), the diesel engine 6 is turned on and it rotates the shaft of the synchronous electric machine 10, which in this mode is put into generator mode and provides power to the network. During the transition process, until the diesel engine 6 reaches the required nominal speed and the moment on the shaft of the synchronous electric machine 10 is provided by the motor 11, which is regulated based on maintaining the network frequency.

3-й режим. В этом режиме при недостаточной энергии ветра недостаток энергии компенсируется энергией аккумулятора 8, запасенной в режиме, когда энергия ветра была избыточной.3rd mode. In this mode, with insufficient wind energy, the lack of energy is compensated by the energy of the accumulator 8 stored in the mode when the wind energy was excessive.

Это происходит следующим образом. При уменьшении энергии, вырабатываемой генератором 2 ВЭУ 1, потребитель 11, не обращая на это внимания, потребляет номинальный ток, но из-за уменьшения момента на валу генератора 2 последний начинает сбавлять скорость, т.е. частота сети должна была бы падать. Но датчик частоты сети 15 при этом выдаст также уменьшение частоты и на фазочувствительном преобразователе 13 увеличится сигнал рассогласования между задающим генератором 14 и датчиком частоты сети 15. При этом широтно-импульсный преобразователь 12 увеличит длительность подключения двигателя постоянного тока 11 к аккумуляторной батарее 8 и на валу синхронной электромашины 10 увеличивается механический момент, который возвращает скорость вращения генераторов 2 и 10 в исходное стабильное состояние, но уже при других значениях их токов.This happens as follows. When reducing the energy generated by the generator 2 wind turbine 1, the consumer 11, not paying attention to it, consumes the rated current, but due to a decrease in the moment on the shaft of the generator 2, the latter begins to slow down, i.e. the network frequency would have to fall. But the frequency sensor of the network 15 will also give a decrease in frequency and the phase-sensitive converter 13 will increase the error signal between the master oscillator 14 and the frequency sensor of the network 15. In this case, the pulse-width converter 12 will increase the duration of the connection of the DC motor 11 to the battery 8 and the shaft synchronous electric machine 10 increases the mechanical moment, which returns the speed of rotation of the generators 2 and 10 to their original stable state, but at different values of their currents.

При полной потере мощности энергии ветра ключ 4 закроется и сеть полностью переходит на питание от синхронной электромашины 10, а далее следует переход в режим 2 с включением дизеля 6 и зарядкой аккумулятора 8, если последний разряжен.With a complete loss of wind power, the key 4 will close and the network will completely switch to power from the synchronous electric machine 10, and then go to mode 2 with the diesel 6 turned on and the battery 8 charged, if the latter is discharged.

Claims

A device for uninterrupted supply of consumers of the electric power system, containing an unstable energy source with an alternating current generator connected to the industrial frequency consumer network using a key controlled by a threshold device, a diesel engine, which is equipped with an automatic switching device, an input connected to the output of the battery charge controller, and through overrunning clutch is connected to a synchronous electric machine connected to the consumer network, while on one shaft with a synchronous electric machine is connected to a DC motor with excitation from permanent magnets, an anchor connected to a 4-quadrant pulse-width converter, the output of which is connected to the battery, and the control input of which is connected to the output of a phase-sensitive rectifier, one input of which is connected to the output of the driving frequency generator and the other input is connected to the output of the consumer’s frequency sensor.