RU2735280C1

RU2735280C1 - Autonomous variable-frequency power plant

Info

Publication number: RU2735280C1
Application number: RU2019143140A
Authority: RU
Inventors: Борис Николаевич Сидоров; Кирилл Михайлович Сидоров; Александр Геннадьевич Грищенко
Priority date: 2019-12-23
Filing date: 2019-12-23
Publication date: 2020-10-29

Abstract

FIELD: electrical equipment.

SUBSTANCE: invention relates to electrical engineering, in particular, to autonomous electric power stations of alternating current on the basis of engine and synchronous generator. Autonomous power plant of variable rotation frequency consists of power plant and synchronous generator with control system. Generator rotor is mechanically connected with engine crankshaft. AC voltage rectifier is connected to the output of the synchronous generator, and the load is supplied from the DC voltage inverter. Additionally, self-contained variable-speed power plant includes contactless step-up DC voltage converter, matching unit, renewable power supply with control unit and energy accumulator, common power supply network voltage conversion unit, as well as diagnostic unit. Proposed autonomous variable-frequency power plant is capable of using renewable energy resources in its operation and additionally implementing power factor correction function.

EFFECT: technical result consists in expansion of functional capabilities of autonomous power plant of variable rotation frequency with simultaneous increase of efficiency and reliability, improvement of weight and size parameters and economic efficiency.

1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к электроэнергетике, а именно к автономным электростанциям переменного тока на базе двигателя и синхронного генератора, и предназначено для производства электрической энергии, стабилизированной по амплитуде и частоте выходного напряжения в условиях переменной частоты вращения вала двигателя.The invention relates to the electric power industry, namely to stand-alone AC power plants based on an engine and a synchronous generator, and is intended for the production of electrical energy stabilized in amplitude and frequency of the output voltage under conditions of variable engine speed.

Известна дизель-генераторная электростанция с переменной частотой вращения вала (Хватов О.С., д-р техн. наук, Дарьенков А.Б., канд. техн. наук, Тарасов И.М. «Дизель-генераторная электростанция с переменной частотой вращения вала, Вестник ИГЭУ» Вып. 2, 2010 г. Иваново, Изд. Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина), содержащая дизель, синхронный генератор, управляемый выпрямитель, конденсаторную батарею, инвертор напряжения, преобразователь частоты, датчик тока, повышающий трансформатор, выходные выводы, регулятор частоты вращения вала дизеля, датчик частоты вращения вала дизеля, сумматоры, блок формирования оптимальной частоты вращения вала дизеля, блок задания экономичной частоты вращения вала дизеля, блок возбуждения синхронного генератора, выводы подключения питания блока возбуждения синхронного генератора, блок стабилизации напряжения, задатчик напряжения, регулятор напряжения, датчик напряжения, блок вычисления мощности нагрузки, задатчик частоты выходного напряжения. Упомянутая электростанция обеспечивает экономию топлива по сравнению с ее аналогами, позволяет использовать преобразователи частоты разных топологий.Known diesel generator power plant with variable frequency of rotation of the shaft (Khvatov O.S., Doctor of Technical Sciences, Darienkov A.B., Candidate of Technical Sciences, Tarasov I.M. "Diesel generator power plant with variable speed shaft, Bulletin of ISEU "Issue 2, 2010 Ivanovo, Ivanovo State Power Engineering University named after VI Lenin), containing a diesel engine, a synchronous generator, a controlled rectifier, a capacitor bank, a voltage inverter, a frequency converter, a current sensor, transformer, output terminals, diesel engine shaft speed regulator, diesel engine shaft speed sensor, adders, a block for generating the optimal diesel shaft speed, a block for setting an economical diesel shaft speed, a synchronous generator excitation unit, power connection terminals for a synchronous generator excitation unit, stabilization unit voltage, voltage setting, voltage regulator, voltage sensor, load power calculation unit, frequency setting one voltage. The mentioned power plant provides fuel economy in comparison with its counterparts, allows the use of frequency converters of different topologies.

Известна автономная электростанция (см. патент РФ №122212; МПК H02J 7/32; опубл. 2012 г.), содержащая генератор электрической энергии, выпрямительно-зарядное устройство, вход которого соединен с выходом генератора электрической энергии, блок аккумуляторных батарей, вход которого соединен с выходом выпрямительно-зарядного устройства, а также контроллер управления, вход которого соединен с выходом блока аккумуляторных батарей, а первый вход-выход соединен с входом-выходом контроля и управления генератора электрической энергии, отличающаяся тем, что контроллер управления снабжен приемопередатчиком сигналов дистанционного управления и контроля, связанным с удаленным диспетчерским пунктом для приема команд управления и передачи данных состояния автономной электростанции, при этом электростанция снабжена блоком автоматической замены масла, вход-выход контроля и управления которого соединен со вторым входом-выходом контроллера управления, причем блок автоматической замены масла содержит емкость чистого масла, соединенную через кран чистого масла с заливным отверстием масла в картер двигателя генератора электрической энергии, а также емкость отработанного масла, которая через кран отработанного масла соединена с выводным отверстием масла из картера двигателя генератора электрической энергии. Устройство обеспечивает удаленное управление, удобство обслуживания, передачу данных о состоянии электростанции.Known autonomous power plant (see RF patent No. 122212; IPC H02J 7/32; publ. 2012), containing a generator of electrical energy, a rectifier-charger, the input of which is connected to the output of the generator of electrical energy, a battery pack, the input of which is connected with the output of the rectifier-charger, as well as the control controller, the input of which is connected to the output of the battery pack, and the first input-output is connected to the input-output of the control and management of the electric power generator, characterized in that the control controller is equipped with a remote control signal transceiver and control connected with a remote control room for receiving control commands and transmitting data on the state of an autonomous power plant, while the power plant is equipped with an automatic oil change unit, the control and control input-output of which is connected to the second input-output of the control controller, and the automatic oil change unit contains a reservoir clean oil connected through the clean oil tap to the oil filler hole in the crankcase of the electric power generator, as well as the waste oil container, which is connected through the waste oil tap to the oil outlet from the crankcase of the electric power generator. The device provides remote control, ease of maintenance, transmission of data on the state of the power plant.

Известна автономная электростанция переменного тока (см. патент РФ №137701; МПК Н02Р 9/04, F02D 41/14, B60W 10/06; опубл. 2014 г.), содержащая последовательно соединенные двигатель с переменной частотой вращения с подключенным к нему блоком формирования оптимальной частоты вращения вала двигателя, выполненным в виде блоков: задания экономичной частоты вращения вала двигателя, сумматора сигналов, датчика потребляемого топлива, датчика частоты вращения вала двигателя и регулятора частоты вращения вала двигателя, синхронный генератор, управляемый выпрямитель с подключенным к нему блоком стабилизации напряжения, конденсаторную батарею, инвертор напряжения с подключенным к нему задатчиком частоты выходного напряжения, повышающий трансформатор, между выходами синхронного генератора и выходами повышающего трансформатора включен контактор, соединенный с блоком системы управления контактором, которая также соединена с выходом блока вычисления мощности нагрузки и с входом блока задания экономичной частоты вращения вала двигателя, к выходу повышающего трансформатора подключены датчики тока и напряжения, выходы которых соединены с блоком вычисления мощности нагрузки.Known autonomous power plant of alternating current (see RF patent No. 137701; IPC Н02Р 9/04, F02D 41/14, B60W 10/06; publ. 2014), containing a series-connected engine with variable speed with a forming unit connected to it optimal engine shaft speed, made in the form of blocks: setting the economical engine speed, signal adder, consumed fuel sensor, engine speed sensor and engine speed regulator, synchronous generator, controlled rectifier with voltage stabilization unit connected to it, a capacitor bank, a voltage inverter with an output voltage frequency generator connected to it, a step-up transformer, a contactor is connected between the outputs of the synchronous generator and the outputs of the step-up transformer, connected to the contactor control system unit, which is also connected to the output of the load power calculation unit and to the input of the economical setting unit current and voltage sensors are connected to the output of the step-up transformer, the outputs of which are connected to the load power calculation unit.

Известна автономная электростанция переменного тока (см. патент РФ №168615; МПК Н02Р 9/48, H02K 19/34; опубл. 2017 г.), содержащая последовательно соединенные двигатель внутреннего сгорания переменной частоты вращения с подключенным к нему блоком формирования оптимальной частоты вращения вала двигателя, выполненным в виде блоков: задания экономичной частоты вращения вала двигателя, сумматора сигналов, датчика частоты вращения вала двигателя и регулятора частоты вращения вала двигателя, синхронный генератор, управляемый выпрямитель с подключенным к нему блоком стабилизации напряжения, конденсаторную батарею, датчик тока, к которому подключен блок вычисления мощности нагрузки, выход которого соединен с блоком задания экономичной частоты вращения вала двигателя, инвертор напряжения с подключенным к нему задатчиком частоты выходного напряжения, синхронный генератор выполнен многообмоточным, между обмотками статора синхронного генератора и управляемым выпрямителем включен коммутатор.Known autonomous AC power plant (see RF patent No. 168615; IPC Н02Р 9/48, H02K 19/34; publ. 2017), containing a series-connected internal combustion engine of variable speed with a unit connected to it for forming the optimal shaft speed engine, made in the form of blocks: setting an economical engine speed, a signal adder, an engine speed sensor and an engine speed regulator, a synchronous generator, a controlled rectifier with a voltage stabilization unit connected to it, a capacitor bank, a current sensor to which a load power calculation unit is connected, the output of which is connected to a unit for setting the economical engine speed, a voltage inverter with an output voltage frequency generator connected to it, a multi-winding synchronous generator, a commutator is connected between the stator windings of the synchronous generator and the controlled rectifier.

Недостатком указанного технического решения является необходимость использования многообмоточного синхронного генератора специальной конструкции вместо типового серийно производимого. Последнее обстоятельство увеличивает конечную стоимость устройства, снижает показатели унификации и ремонтопригодности.The disadvantage of this technical solution is the need to use a multi-winding synchronous generator of a special design instead of a typical serially produced one. The latter circumstance increases the final cost of the device, reduces the unification and maintainability indicators.

Известна автономная электростанция переменного тока (см. патент РФ №2666903; МПК H02J 3/34, опубл. 2018 г.), содержащая последовательно соединенные двигатель внутреннего сгорания переменной частоты вращения с подключенным к нему блоком формирования оптимальной частоты вращения вала двигателя внутреннего сгорания, синхронный генератор, двухзвенный преобразователь частоты, выполненный в виде блоков: управляемого выпрямителя, конденсаторной батареи и инвертора напряжения, датчик тока, к которому подключен блок вычисления мощности нагрузки, выход которого соединен с блоком задания экономичной частоты вращения вала ДВС, повышающий трансформатор и выходные выводы, отличающаяся тем, что между повышающим трансформатором и выходными выводами установлен двухзвенный преобразователь частоты, выполненный в виде блоков: неуправляемого выпрямителя, конденсаторной батареи и инвертора напряжения; двухзвенный преобразователь частоты, состоящий из управляемого выпрямителя, конденсаторной батареи и инвертора напряжения, и двухзвенный преобразователь частоты, состоящий из неуправляемого выпрямителя, конденсаторной батареи и инвертора напряжения, выполнены в виде непосредственных преобразователей частоты.Known autonomous AC power plant (see RF patent No. 2666903; IPC H02J 3/34, publ. 2018), containing a series-connected internal combustion engine of variable speed with a unit connected to it for generating the optimal speed of the shaft of an internal combustion engine, synchronous a generator, a two-link frequency converter, made in the form of blocks: a controlled rectifier, a capacitor bank and a voltage inverter, a current sensor to which a load power calculation unit is connected, the output of which is connected to a block for setting an economical engine speed, a step-up transformer and output terminals, which differ the fact that a two-link frequency converter is installed between the step-up transformer and the output terminals, made in the form of blocks: an uncontrolled rectifier, a capacitor bank and a voltage inverter; a two-link frequency converter consisting of a controlled rectifier, a capacitor bank and a voltage inverter, and a two-link frequency converter consisting of an uncontrolled rectifier, a capacitor bank and a voltage inverter are made in the form of direct frequency converters.

Недостатками указанного изобретения является снижение КПД автономной электростанции ввиду многоэтапного преобразования электрической энергии, а также снижение надежности и увеличение стоимости за счет использования двух выпрямителей переменного напряжения и двух инверторов постоянного напряжения, содержащих в совокупности значительное количество дорогостоящих силовых полупроводниковых устройств.The disadvantages of this invention are a decrease in the efficiency of an autonomous power plant due to a multi-stage conversion of electrical energy, as well as a decrease in reliability and an increase in cost due to the use of two AC voltage rectifiers and two DC voltage inverters, containing in aggregate a significant number of expensive power semiconductor devices.

Общими недостатками указанных выше технических решений являются существенно ограниченный диапазон постоянного напряжения на входе инвертора, который в схемах с управляемым выпрямителем ограничен, с одной стороны, максимальным значением выпрямленного напряжения синхронного генератора при максимальной частоте вращения коленчатого вала двигателя, с другой - минимальным значением выпрямленного напряжения, определяемым ЭДС генератора при минимальной устойчивой частоте вращения коленчатого вала двигателя. Учитывая тот факт, что при снижении мощности нагрузки со стороны потребителей переменного тока, рабочая точка, определяемая значениями частоты вращения и крутящего момента двигателя внутреннего сгорания, должна быть смещена в область эффективной работы последнего в режиме сниженной мощности, выходное напряжение синхронного генератора будет изменяться непременно в сторону уменьшения частоты и амплитуды напряжения. С целью компенсации снижения амплитуды переменного напряжения генератора, а также снижения значения выпрямленного напряжения представленные выше технические решения содержат в составе силовой части электростанции повышающий трансформатор напряжения. Применение данного устройства снижает КПД системы в целом, в особенности, в режимах работы электростанции, отличных от номинальной. Помимо этого, работа трансформатора с недогрузкой ухудшает коэффициент мощности, оказывая негативный эффект на работу системы.The general disadvantages of the above technical solutions are a significantly limited DC voltage range at the input of the inverter, which in circuits with a controlled rectifier is limited, on the one hand, by the maximum value of the rectified voltage of the synchronous generator at the maximum engine speed, on the other hand, by the minimum value of the rectified voltage. determined by the EMF of the generator at the minimum stable speed of the engine crankshaft. Taking into account the fact that with a decrease in the load power from the side of AC consumers, the operating point determined by the values of the speed and torque of the internal combustion engine must be shifted to the area of effective operation of the latter in the reduced power mode, the output voltage of the synchronous generator will certainly change in the side of decreasing the frequency and amplitude of the voltage. In order to compensate for the decrease in the amplitude of the alternating voltage of the generator, as well as to reduce the value of the rectified voltage, the above technical solutions contain a step-up voltage transformer as part of the power section of the power plant. The use of this device reduces the efficiency of the system as a whole, especially in operating modes of the power plant that are different from the nominal. In addition, underloading the transformer degrades the power factor, having a negative effect on system performance.

К другому недостатку следует отнести использование в описанных выше полезных моделях и изобретениях коммутаторов - контактных устройств, осуществляющих электрические переключения в силовой цепи, в том числе при наличии токовой нагрузки. Применение подобных устройств определяет необходимость периодического технического обслуживания, а также снижает срок службы и надежность системы в целом, ухудшает массогабаритные показатели последней.Another drawback should be attributed to the use of switches in the above-described useful models and inventions - contact devices that carry out electrical switching in the power circuit, including in the presence of a current load. The use of such devices determines the need for periodic maintenance, and also reduces the service life and reliability of the system as a whole, worsens the weight and dimensions of the latter.

Упомянутые выше устройства также обладают ограничениями по диапазону рабочих температур вследствие использования в их конструкции накопительных конденсаторов, конструкция их сложна, дорога и громоздка, а также исключает использование в своей работе местных более дешевых и экологически безопасных ресурсов.The devices mentioned above also have limitations in the range of operating temperatures due to the use of storage capacitors in their design, their design is complex, expensive and cumbersome, and also excludes the use of local cheaper and environmentally friendly resources in their work.

Наиболее близким по техническому решению и достигаемому результату является автономная электростанция переменного тока (см. патент РФ №2666782; МПК H02J 3/34, опубл. 2018 г.) (прототип) содержащая последовательно соединенные двигатель внутреннего сгорания переменной частоты вращения с подключенным к нему блоком формирования оптимальной частоты вращения вала двигателя внутреннего сгорания, состоящим из датчика потребляемого топлива, датчика частоты вращения вала двигателя внутреннего сгорания, регулятора частоты вращения вала двигателя внутреннего сгорания, сумматора сигналов и блока задания экономичной частоты вращения вала двигателя внутреннего сгорания, выполненного в виде контроллера обучения, контроллера управления и блока ассоциативной памяти, синхронный генератор, управляемый выпрямитель с подключенным к нему блоком стабилизации напряжения, конденсаторную батарею, датчик тока, к которому подключен блок вычисления мощности нагрузки, выход которого соединен с блоком задания экономичной частоты вращения вала двигателя внутреннего сгорания, инвертор напряжения с подключенным к нему задатчиком частоты выходного напряжения, повышающий трансформатор, к контроллеру обучения подключены датчики давления, температуры и влажности окружающего воздуха.The closest in technical solution and the achieved result is an autonomous AC power plant (see RF patent No. 2666782; IPC H02J 3/34, publ. 2018) (prototype) containing a series-connected variable-speed internal combustion engine with a unit connected to it forming the optimal speed of the internal combustion engine shaft, consisting of a fuel consumption sensor, an internal combustion engine shaft speed sensor, an internal combustion engine shaft speed regulator, a signal adder and a unit for setting an economical internal combustion engine shaft speed made in the form of a learning controller, a control controller and an associative memory unit, a synchronous generator, a controlled rectifier with a voltage stabilization unit connected to it, a capacitor bank, a current sensor to which a load power calculation unit is connected, the output of which is connected to a saving setting unit frequency of rotation of the internal combustion engine shaft, a voltage inverter with an output voltage frequency generator connected to it, a step-up transformer, pressure, temperature and humidity sensors of the ambient air are connected to the learning controller.

Упомянутая автономная электростанция переменного тока автоматически определяет наиболее рациональную частоту вращения коленчатого вала двигателя входящего в состав генераторного агрегата с учетом давления, температуры и влажности атмосферного воздуха, при этом не требует знания характеристик двигателя внутреннего сгорания.The aforementioned autonomous AC power plant automatically determines the most rational crankshaft speed of the engine included in the generator set, taking into account the pressure, temperature and humidity of the atmospheric air, and does not require knowledge of the characteristics of the internal combustion engine.

Однако, описываемая автономная электростанция переменного тока помимо указанных выше недостатков, связанных с ограничением диапазона постоянного напряжения на входе инвертора, а также необходимости применения повышающего трансформатора, сложна в производстве и эксплуатации ввиду использования в своем составе управляемого выпрямителя. Конструкция управляемого выпрямителя обуславливает использование более дорогих управляемых полупроводниковых устройств в сравнении с неуправляемыми, а также наличие устройств управления последними. Типовая схема управляемого выпрямителя содержит три и более управляемых полупроводниковых прибора, требующих эквивалентного количества драйверов управления, что в конечном счете определяет высокую удельную стоимость автономной электростанции.However, the described autonomous AC power plant, in addition to the above disadvantages associated with limiting the DC voltage range at the input of the inverter, as well as the need to use a step-up transformer, is difficult to manufacture and operate due to the use of a controlled rectifier in its composition. The design of a controlled rectifier requires the use of more expensive controlled semiconductor devices in comparison with uncontrolled ones, as well as the presence of control devices for the latter. A typical controlled rectifier circuit contains three or more controlled semiconductor devices that require an equivalent number of control drivers, which ultimately determines the high unit cost of an autonomous power plant.

Указанная автономная электростанция переменного тока не может быть использована в условиях низких температур без специальных мероприятий ввиду наличия накопительной конденсаторной батареи, не использует в своей работе местные более дешевые и экологически безопасные ресурсы, ее конструкция имеет неоптимизированные массогабаритные показатели, во время работы не способна адаптироваться к изменяющейся ситуации.The specified autonomous AC power plant cannot be used in low temperatures without special measures due to the presence of a storage capacitor battery, does not use local cheaper and environmentally friendly resources in its work, its design has non-optimized weight and dimensions, during operation it is not able to adapt to changing situations.

В качестве недостатка также следует отметить невозможность реализации в представленных решениях коррекции коэффициента мощности, улучшающей условия работы электрооборудования автономной электростанции, в том числе инвертора, и повышающей качество выходного напряжения.As a disadvantage, it should also be noted that it is impossible to implement power factor correction in the presented solutions, which improves the operating conditions of the electrical equipment of an autonomous power plant, including the inverter, and increases the quality of the output voltage.

Целью данного изобретения является расширение функциональных возможностей автономной электростанции переменной частоты вращения при одновременном повышении КПД и надежности последней, улучшении массогабаритных показателей и экономической эффективности.The purpose of this invention is to expand the functionality of an autonomous power plant of variable speed while increasing the efficiency and reliability of the latter, improving weight and dimensions and economic efficiency.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в автономную электростанцию переменной частоты вращения дополнительно введены бесконтактный повышающий преобразователь постоянного напряжения, блок согласования, возобновляемый источник питания, включающий источник энергии, блок управления возобновляемым источником питания, накопитель энергии, связанные между собой и первым выводом блока согласования, блок преобразования напряжения внешней сети, включенный между вторым выводом блока согласования и системой общего электроснабжения, при этом третий вывод блока согласования подключен к бесконтактному повышающему преобразователю постоянного напряжения, четвертый - к инвертору напряжения, а пятый - к блоку питания системы управления, диагностический блок, подключенный параллельно выпрямителю и бесконтактному повышающему преобразователю постоянного напряжения двумя своими выводами, а третьим и четвертым выводами - к системе регулирования частоты вращения коленчатого вала силовой установки и системе возбуждения системы управления.The solution to this problem is achieved by the fact that a non-contact DC voltage boost converter, a matching unit, a renewable power source including an energy source, a renewable power source control unit, an energy storage device, connected to each other and the first output of the matching unit, are additionally introduced into the autonomous power plant of variable speed, an external network voltage conversion unit connected between the second output of the matching unit and the general power supply system, while the third output of the matching unit is connected to a contactless DC voltage boost converter, the fourth to a voltage inverter, and the fifth to the control system power supply, a diagnostic unit connected parallel to the rectifier and the contactless DC voltage boost converter with two of its terminals, and the third and fourth terminals - to the crankshaft speed control system of the power plant and system system of excitation of the control system.

Сущность изобретения поясняется чертежом фиг. 1, на котором представлена функциональная схема установки.The essence of the invention is illustrated by drawing FIG. 1, which shows a functional diagram of the installation.

Автономная электростанция переменной частоты вращения (см. фиг. 1.) состоит из силовой установки 1, синхронного генератора 2, ротор которого соединен с коленчатым валом силовой установки 1, системы управления 3, включающей в себя систему пуска 4 силовой установки 1, систему регулирования частоты вращения коленчатого вала 5, при этом две последние подключены к силовой установке 1, систему возбуждения 6 синхронного генератора 2, подключенную к обмотке возбуждения упомянутого, блока питания 7 системы управления 3, подключенного к системе пуска 4, системе регулирования частоты вращения коленчатого вала 5, системе возбуждения 6, неуправляемого выпрямителя 8, подключенного к синхронному генератору 2, инвертора напряжения 9 с подключенной к нему нагрузкой 10, повышающего преобразователя постоянного напряжения 11, основанного на импульсном принципе работы полупроводникового ключа, блока согласования 12, возобновляемого источника питания 13, включающего источник энергии 14, блок управления 15 возобновляемым источником питания 13, накопитель энергии 16, связанные между собой и первым выводом блока согласования 12, блока преобразования напряжения внешней сети 17, включенного между вторым выводом блока согласования 12 и системой общего электроснабжения, при этом третий вывод блока согласования 12 подключен к бесконтактному повышающему преобразователю постоянного напряжения 11, четвертый - к инвертору напряжения 9, а пятый - к блоку питания 7 системы управления 3, диагностического блока 18, подключенного параллельно неуправляемому выпрямителю 8 и бесконтактному повышающему преобразователю постоянного напряжения 11 двумя своими выводами, а третьим и четвертым выводами - к системе регулирования частоты вращения коленчатого вала 5 силовой установки 1 и системе возбуждения 6 системы управления 3.An autonomous power plant of variable speed (see Fig. 1.) consists of a power plant 1, a synchronous generator 2, the rotor of which is connected to the crankshaft of the power plant 1, a control system 3, which includes a starting system 4 of the power plant 1, a frequency control system rotation of the crankshaft 5, while the latter two are connected to the power plant 1, the excitation system 6 of the synchronous generator 2, connected to the excitation winding of the aforementioned, power supply unit 7 of the control system 3 connected to the starting system 4, the crankshaft speed control system 5, the system excitation 6, an uncontrolled rectifier 8 connected to a synchronous generator 2, a voltage inverter 9 with a load 10 connected to it, a DC voltage step-up converter 11 based on the pulse principle of operation of a semiconductor switch, a matching unit 12, a renewable power source 13 including an energy source 14 , 15V control unit renewable power source 13, energy storage 16, connected to each other and the first output of the matching unit 12, the external network voltage conversion unit 17 connected between the second output of the matching unit 12 and the general power supply system, while the third output of the matching unit 12 is connected to a contactless boost converter constant voltage 11, the fourth - to the voltage inverter 9, and the fifth - to the power supply 7 of the control system 3, the diagnostic unit 18 connected in parallel to the uncontrolled rectifier 8 and the contactless DC voltage boost converter 11 with two of its terminals, and the third and fourth terminals - to the system regulation of the frequency of rotation of the crankshaft 5 of the power plant 1 and the excitation system 6 of the control system 3.

Автономная электростанция переменной частоты вращения работает следующим образом.Autonomous power plant of variable speed operates as follows.

В случае, если мощность, отдаваемая возобновляемым источником питания 13 достаточна для питания потребителей, подключенных к выводам нагрузки 10 инвертора 9, то мощность, вырабатываемая источником энергии 14 в виде постоянного тока и напряжения, подается на блок управления 15 возобновляемого источника питания 13 который в свою очередь перераспределяет ее на блок согласования 12, а тот - на инвертор напряжения 9. Последний преобразует входное постоянное напряжение в переменное напряжение заданного значения и частоты и питает потребители электрической энергии. Одновременно блок управления 15 возобновляемого источника питания 13 сравнивает значение мощности, отдаваемой источником энергии 14 и мощностью нагрузки. В случае если последняя оказывается меньше, блок управления 15 перераспределяет часть мощности на накопитель энергии 16, который ее аккумулирует. В противном случае, недостающую мощность блок управления 15 забирает из накопителя энергии 16. При работе в описываемом режиме силовая установка 1 остается выключенной, а блок преобразования напряжения внешней сети 17 подает сигнал на блок согласования 12, свидетельствующий о наличии или отсутствии напряжения в системе общего электроснабжения. В случае, если мощности, отдаваемой возобновляемым источником питания 13 недостаточно для питания потребителей, а система общего электроснабжения функционирует штатно, блок согласования 12 подает сигнал на преобразователь напряжения внешней сети 17 и последний преобразует энергию, получаемую из системы общего электроснабжения в виде переменного тока и напряжения в постоянные и передает их на блок согласования 12, который суммирует энергию, получаемую от системы общего электроснабжения через преобразователь напряжения внешней сети 17 и энергию, получаемую от возобновляемого источника питания 13 и подает их на инвертор напряжения 9, и далее, как описано выше, к потребителям.In the event that the power supplied by the renewable power source 13 is sufficient to power the consumers connected to the load terminals 10 of the inverter 9, then the power generated by the power source 14 in the form of direct current and voltage is supplied to the control unit 15 of the renewable power source 13, which in its the queue redistributes it to the matching unit 12, and the latter to the voltage inverter 9. The latter converts the input DC voltage into an alternating voltage of a given value and frequency and feeds the consumers of electrical energy. At the same time, the control unit 15 of the renewable power source 13 compares the value of the power supplied by the power source 14 and the load power. If the latter turns out to be less, the control unit 15 redistributes part of the power to the energy storage unit 16, which accumulates it. Otherwise, the control unit 15 takes the missing power from the energy storage unit 16. When operating in the described mode, the power plant 1 remains off, and the voltage conversion unit of the external network 17 sends a signal to the matching unit 12, indicating the presence or absence of voltage in the general power supply system ... In the event that the power supplied by the renewable power source 13 is not enough to power consumers, and the general power supply system is operating normally, the matching unit 12 sends a signal to the external network voltage converter 17 and the latter converts the energy received from the general power supply system in the form of alternating current and voltage into constants and transfers them to the matching unit 12, which sums up the energy received from the general power supply system through the voltage converter of the external network 17 and the energy received from the renewable power source 13 and supplies them to the voltage inverter 9, and then, as described above, to consumers.

В случае, если напряжение в системе общего электроснабжения отсутствует, а мощности возобновляемого источника питания 13 для работы потребителей недостаточно, блок согласования 12 подает сигнал на блок питания 7 системы управления 3 и последний в свою очередь активизирует систему пуска 4, систему регулирования частоты вращения коленчатого вала 5, систему возбуждения 6 синхронного генератора 2. Система регулирования частоты вращения коленчатого вала 5 обеспечивает подачу топлива в цилиндры силовой установки 1, система пуска 4 - прокрутку коленчатого вала последней с пусковой частотой, а система возбуждения 6 синхронного генератора 2 - подачу тока на обмотку возбуждения упомянутого. Далее система регулирования частоты вращения коленчатого вала 5 обеспечивает наиболее рациональную частоту вращения коленчатого вала силовой установки 1, в качестве приоритета используя критерий наименьшего потребления топлива. Синхронный генератор 2 отдает мощность на неуправляемый выпрямитель 8 в виде переменного тока и напряжения. При этом частота напряжения зависит исключительно от частоты вращения ротора синхронного генератора 2 и может существенно меняться в зависимости от условий работы силовой установки, таких как фактическая мощность потребителей переменного тока, температура масла и охлаждающей жидкости в ней, качество топлива и т.п.Неуправляемый выпрямитель 8 преобразует выходное переменное напряжение синхронного генератора в постоянное. При этом величина выпрямленного напряжения, в зависимости от указанных выше условий работы силовой установки, изменяется пропорционально изменению выходного переменного напряжения синхронного генератора. Выпрямленное напряжение оказывается приложенным к бесконтактному повышающему преобразователю постоянного напряжения 11, который, в свою очередь, повышает значение постоянного напряжения до требуемого по условию обеспечения заданного выходного переменного напряжения инвертора и подает указанное постоянное напряжение на блок согласования 12. В процессе повышения постоянного напряжения может быть дополнительно реализована функция активной коррекции коэффициента мощности за счет коммутации полупроводникового ключа. Таким образом в звене постоянного тока блок согласования 12 суммирует энергию, вырабатываемую синхронным генератором 2 и возобновляемым источником питания 13 и подает дальше таким же образом, как было указано выше.In the event that there is no voltage in the general power supply system, and the power of the renewable power supply 13 is not enough for the operation of consumers, the matching unit 12 sends a signal to the power supply unit 7 of the control system 3 and the latter, in turn, activates the start system 4, the crankshaft speed control system 5, the excitation system 6 of the synchronous generator 2. The crankshaft speed control system 5 provides fuel supply to the cylinders of the power plant 1, the starting system 4 - cranking the crankshaft of the latter with the starting frequency, and the excitation system 6 of the synchronous generator 2 - supplying current to the excitation winding mentioned. Further, the crankshaft speed control system 5 provides the most rational crankshaft speed of the power plant 1, using the criterion of the lowest fuel consumption as a priority. The synchronous generator 2 supplies power to the uncontrolled rectifier 8 in the form of alternating current and voltage. In this case, the voltage frequency depends solely on the rotor speed of the synchronous generator 2 and can vary significantly depending on the operating conditions of the power plant, such as the actual power of the AC consumers, the temperature of the oil and coolant in it, the quality of the fuel, etc. 8 converts the output AC voltage of the synchronous generator to DC. In this case, the value of the rectified voltage, depending on the above operating conditions of the power plant, changes in proportion to the change in the output alternating voltage of the synchronous generator. The rectified voltage turns out to be applied to the contactless DC voltage boost converter 11, which, in turn, raises the DC voltage value up to the required condition for providing the specified output AC voltage of the inverter and supplies the specified DC voltage to the matching unit 12. In the process of increasing the DC voltage, it can be additionally the function of active power factor correction was implemented due to the switching of the semiconductor switch. Thus, in the DC link, the matching unit 12 sums up the energy generated by the synchronous generator 2 and the renewable power source 13 and supplies it further in the same way as mentioned above.

В случае возобновления напряжения в системе общего электроснабжения, блок преобразования напряжения сети 17 подает сигнал на блок согласования 12, который в свою очередь отключает сигнал от блока питания 7 системы управления 3, силовая установка 1 прекращает работу, соответственно синхронный генератор 2 энергию не вырабатывает, а электроснабжение потребителей осуществляется только суммарной энергией вырабатываемого источника питания 13 и получаемой от сети общего электроснабжения так, как было описано выше.In the event of a voltage resumption in the general power supply system, the network voltage conversion unit 17 sends a signal to the matching unit 12, which in turn disconnects the signal from the power supply unit 7 of the control system 3, the power plant 1 stops working, respectively, the synchronous generator 2 does not generate energy, but power supply to consumers is carried out only by the total energy generated by the power source 13 and received from the general power supply network as described above.

В процессе работы диагностический блок 18 снимает показания частоты вырабатываемого синхронным генератором 2 напряжения, его значения и сопоставляет их с показателями, получаемыми от системы управления 3 - количеством потребляемого топлива, значением тока возбуждения, частотой вращения ротора синхронного генератора 2, температурным режимом и, в случае их существенных отклонений от заданных значений, передает сигнал о необходимости проведения обслуживания либо ремонта.During operation, the diagnostic unit 18 takes readings of the frequency of the voltage generated by the synchronous generator 2, its values and compares them with the indicators obtained from the control system 3 - the amount of fuel consumed, the value of the excitation current, the rotor speed of the synchronous generator 2, the temperature regime and, in the case of their significant deviations from the set values, transmits a signal about the need for maintenance or repair.

При этом функционирование повышающего преобразователя постоянного напряжения 11 основано на импульсном принципе работы полупроводникового ключа.In this case, the operation of the DC voltage step-up converter 11 is based on the pulse principle of the semiconductor switch.

Таким образом, предлагаемая автономная электростанция переменной частоты вращения способна использовать в своей работе местные более дешевые и экологически безопасные ресурсы, такие как энергию ветра, солнечную энергию, энергию движения воды и т.п., обеспечивать в совокупности высокий КПД, надежность, качество преобразования напряжения, а также стабилизацию частоты и величины выходного напряжения во всем диапазоне рабочих частот вращения коленчатого вала силовой установки благодаря отсутствию в ее составе повышающего трансформатора и управляемого выпрямителя, проще и дешевле в производстве и эксплуатации за счет сокращения количества управляемых полупроводниковых устройств (до одного полупроводникового ключа в составе повышающего преобразователя постоянного напряжения), дополнительно реализовывать функцию коррекции коэффициента мощности за счет применения повышающего преобразователя постоянного напряжения, способна функционировать в широком диапазоне температур ввиду отсутствия в ее конструкции энергоемких накопительных конденсаторных батарей, способна аккумулировать излишки электроэнергии, отдаваемой источником энергии из состава возобновляемого источника питания с применением различных устройств, таких как аккумуляторные батареи, гидравлические, механические и другие аккумуляторы энергии.Thus, the proposed autonomous power plant of variable speed is capable of using local, cheaper and more environmentally friendly resources, such as wind energy, solar energy, water movement energy, etc., to provide, in aggregate, high efficiency, reliability, and voltage conversion quality. , as well as stabilization of the frequency and value of the output voltage in the entire range of operating frequencies of the crankshaft of the power plant due to the absence of a step-up transformer and a controlled rectifier in its composition, it is easier and cheaper to manufacture and operate by reducing the number of controlled semiconductor devices (up to one semiconductor switch in DC voltage boost converter), additionally implement the power factor correction function by using a DC voltage boost converter, is capable of operating in a wide temperature range due to the absence of The design of energy-intensive storage capacitor banks is capable of storing surplus electricity given by an energy source from a renewable power source using various devices, such as batteries, hydraulic, mechanical and other energy storage devices.

Claims

An autonomous power plant of variable speed, consisting of a power plant, a synchronous generator, the rotor of which is connected to the crankshaft of the power plant, a control system that includes a power plant starting system, a crankshaft speed control system, the latter two being connected to the power plant, the excitation system of the synchronous generator connected to the excitation winding of the said control system power supply connected to the starting system, the crankshaft speed control system, the excitation system, the rectifier connected to the synchronous generator, the voltage inverter with the load connected to it, characterized in that it additionally includes a contactless DC voltage step-up converter, a matching unit, a renewable power source, including an energy source, a renewable power source control unit, an energy storage device connected to each other and the first output home of the matching unit, the external network voltage conversion unit connected between the second output of the matching unit and the general power supply system, while the third output of the matching unit is connected to a contactless DC voltage boost converter, the fourth to the voltage inverter, and the fifth to the control system power supply, a diagnostic unit connected in parallel to the rectifier and the contactless DC voltage boost converter with two of its terminals, and the third and fourth terminals connected to the power plant crankshaft speed control system and the excitation system of the control system.