Способ и устройство бесперебойного электропитания потребителя

Авторы патента:

H02J3/32 - с помощью батарей в сочетании с преобразователями

Владельцы патента RU 2341859:

Российская Академия Сельскохозяйственных наук Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский институт электрификации сельского хозяйства (ГНУ ВИЭСХ) (RU)
Гусаров Валентин Александрович (RU)
Заддэ Виталий Викторович (RU)

Изобретение относится к энергетике, в частности, к способу и устройству бесперебойного электропитания потребителей как подключенных, так и не подключенных к централизованной электросети, например, при организации бесперебойного снабжения электричеством многоквартирных жилых домов. Задачей и техническим результатом предлагаемого способа и устройства системы бесперебойного электропитания является уменьшение стоимости, снижение пиковой нагрузки и увеличение надежности электропитания. Указанный технический результат достигается тем, что в способе бесперебойного электропитания потребителя от централизованного источника электричества, включающем преобразование переменного тока в постоянный, передачу и накопление электроэнергии в накопителе, преобразование и питание электроаппаратуры объекта от накопителя через инвертор напряжения, при преобразовании переменного тока в постоянный ограничивают величину предельно передаваемой мощности и устанавливают эту мощность в 2-10 раз меньше предельной мощности, отдаваемой инвертором. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к энергетике, в частности, к способу и устройству бесперебойного электропитания потребителей как подключенных, так и не подключенных к централизованной электросети. Изобретение может быть использовано при организации бесперебойного снабжения электричеством многоквартирных жилых домов.

Известны способ и устройство снабжения потребителей электричеством от централизованной электросети с помощью трансформаторных подстанций, понижающих напряжение с 6 кВ до фазового 380 В и далее распределяющих электричество индивидуальным потребителям через счетчик расхода электричества и электрические предохранители, (см. кн. Н.Ф.Молоснов, Ф.М.Ихтейман и др. «Электричество в крестьянском (фермерском) хозяйстве», М. Колос, 1994 г., стр.26-55). Мощность трансформаторной подстанции, сечение электрического кабеля и внутренней электропроводки выбираются из расчета ожидаемой предельно потребляемой мощности, величина которой многократно превышает усредненную за сутки реальную мощность потребления электроэнергии. Поэтому недостатком известного способа и устройства электропитания, например, жилых домов является высокая стоимость трансформаторной подстанции, кабеля электропитания и внутренней электропроводки, а также отсутствие защиты потребителя от перебоев в подачи электроэнергии от электросети. Кроме этого используемая сейчас система распределения электроэнергии не позволяет решить проблему пиковых нагрузок (суточных и сезонных), что является причиной аварий в электросистеме населенных пунктов.

Частично перебои в электропитании устраняются в случае использования потребителем системы бесперебойного электропитания, выбранной нами в качестве прототипа, которая состоит из накопителя электроэнергии в виде электрохимических аккумуляторов (АБ), зарядного устройства АБ от электросети или другого источника, например солнечной батареи, инвертора напряжения (преобразующего постоянный ток АБ в переменный ток) и устройства защиты АБ от глубокого разряда (патент РФ №2257656 от 06.04.2004). Однако использование известной системы бесперебойного электропитания только еще в большей мере увеличивает общую стоимость системы электропитания жилых домов.

Задачей и техническим результатом предлагаемого способа и устройства бесперебойного электропитания является уменьшение стоимости, снижение пиковой нагрузки и увеличение надежности электропитания.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе бесперебойного электропитания потребителя от централизованного источника электричества, включающем преобразование переменного тока в постоянный, передачу и накопление электроэнергии в накопителе, преобразование и питание электроаппаратуры потребителя от накопителя через инвертор напряжения, при преобразовании переменного тока в постоянный ограничивают величину предельно передаваемой мощности и устанавливают эту мощность в 2-10 раз меньше предельной мощности, отдаваемой инвертором.

Дополнительный технический результат (бесперебойная работа системы освещения) достигается тем, что в способе бесперебойного электропитания потребителя от централизованного источника электричества, при аварийном отключении источника электричества снижают предельно отдаваемую мощность инвертора и сигнализируют об этом потребителя в звуковой или световой форме.

Указанный технический результат достигается также тем, что в устройстве бесперебойного электропитания потребителя от централизованного источника электричества, содержащем выпрямитель, накопитель электроэнергии, контроллер заряда-разряда накопителя и инвертор напряжения, выпрямитель подключен к источнику электричества через ограничитель мощности при величине этой мощности в 2-10 раз меньше мощности инвертора, а все потребители, имеющие индивидуальный счетчик расхода электроэнергии, подключены к источнику электричества через систему бесперебойного электропитания.

Дополнительный технический результат (повышение надежности электропитания) достигается тем, что устройство бесперебойного электропитания содержит включенный параллельно собственный источник электричества.

Предложенный способ и устройство системы бесперебойного электропитания поясняется блок-схемой на чертеже. Стрелки на блок-схеме указывают направление передачи электричества. Система бесперебойного электропитания действует следующим образом.

От централизованного источника электропитания 1 электричество поступает индивидуальному потребителю на электрощит 2 с электросчетчиком и автоматом защиты и далее в систему бесперебойного электропитания, состоящую из выпрямителя с ограничителем мощности 3, блока управления (контроллер) 4 зарядом и разрядом накопителя электричества 5, инвертора напряжения 6, возможного использования автономного дополнительного источника электричества 7, нагрузки 8 и 9, которая может быть разделена на осветительные приборы и остальное электрооборудование. Переменный ток от источника 1 превращается в выпрямителе 3 в постоянный и поступает через контроллер 4 на заряд в накопитель 5.

При включении нагрузки 8 или 9 электропитание поступает из накопителя 5 через инвертор 6. В зависимости от степени заряженности накопителя 5, ток, превышающий заряд накопителя, идет напрямую через инвертор 6 в нагрузку 8 или 9. В зависимости от типа используемого электрооборудования и площади помещения (квартиры в жилом доме) выбирается соответствующая ей величина мощности инвертора 6 и емкость накопителя 5, чтобы обеспечить работу самой мощной нагрузки в течение минимально необходимого промежутка времени.

Величина ограничителя мощности выбирается из расчета обеспечения среднесуточного потребления электроэнергии, при этом предельная величина мощности, поступающей от централизованного источника электричества 1, в несколько раз меньше номинальной мощности инвертора 6. В ночное время происходит запасание электроэнергии в накопителе 5 до уровня полного заряда, после чего потребляемая из источника 1 мощность снижается до минимального уровня, необходимого для компенсации тока саморазряда накопителя 5. В остальное время суток при включенной нагрузке 8 или 9 с величиной мощности, превышающей предельную мощность ограничителя 3, нехватка мощности восполняется из накопителя 5.

В случае аварии, ведущей к отключению источника 1, предусмотрено снижение выходной (номинальной) мощности инвертора до уровня, необходимого для работы в нагрузке системы аварийного освещения 8, и подается звуковой или световой сигнал об аварийной ситуации и необходимости перехода на режим экономии электроэнергии в накопителе 5. Блок управления 4 следит за степенью заряженности накопителя 5 и при глубоком разряде накопителя отключает его от инвертора 6, тем самым, увеличивая срок службы накопителя 5. В аварийной ситуации вручную предусмотрена возможность на короткое время подключить инвертор 6 к накопителю 5 для питания светильника.

Для увеличения надежности системы бесперебойного электропитания необходимо использовать в нагрузке 8 или 9 энергосберегающее оборудование, увеличивать емкость накопителя 5, выбирать тип накопителя (аккумулятора) и использовать автономный источник электричества 7, в качестве которого может быть солнечная батарея, ветроэлектрический генератор или электрогенератор на тепловом двигателе внутреннего либо внешнего сгорания топлива. При наличии солнца или ветра солнечная батарея и ветроэлектрический генератор постоянно передают электричество в накопитель 5 и инвертор 6, а избыток мощности (обозначено пунктирной линией) могут передавать через счетчик 2 в централизованный источник электричества 1, при этом счетчик 2 будет соответственно уменьшать величину расхода электричества. Автономный источник 7, работающий от сгорания какого-либо топлива, включается только по сигналу блока управления 4 в случае недостатка электроэнергии в накопителе 5.

Рассмотрим пример исполнения системы бесперебойного электропитания одной из квартир в жилом доме. Двухкомнатная квартира на двух человек имеет следующую бытовую электроаппаратуру с указанием мощности: холодильник 300 Вт, телевизор 70 Вт, СВЧ-печь 800 Вт, стиральная машина 1,5 кВт, светильники 60 Вт и в месяц расходует в среднем по 90 кВт·ч или по 3 кВт·ч/сутки. Для системы бесперебойного электропитания достаточно применить инвертор с номинальной мощностью 3 кВт, поскольку стиральная машина используется не чаще двух раз в месяц. Ограничитель мощности установить величиной 300 Вт. Накопитель в виде электрохимического аккумулятора емкостью 200 А·ч напряжением 12 В и максимальным зарядным током 20 А. Мощности 300 Вт, постоянно пропускаемой ограничителем мощности, достаточно для работы холодильника, который обычно находится во включенном состоянии половину времени суток, и на освещение. Пиковая утренняя и особенно вечерняя перегрузка (до 500 Вт·ч) полностью покрывается накопленной в аккумуляторе энергией.

Таким образом, использование в системе бесперебойного электропитания ограничителя предельной мощности, передаваемой из централизованного источника, позволяет в несколько раз уменьшить мощность трансформаторной подстанции, снизить сечение питающего кабеля и внутренней электропроводки, исключить чрезмерное потребление электроэнергии из сети и предотвратить аварийные ситуации. В сочетании с накопителем и инвертором напряжения предлагаемая система позволяет перераспределить поступление электроэнергии от централизованного источника, обеспечив возможность ее запасания в ночное и дневное время, а во время пиков потребления утром и вечером обеспечить работу электроаппаратуры с величиной мощности, соответствующей мощности инвертора. Причем, если инвертор содержит функцию стабилизатора напряжения и создает на выходе чистую синусоиду, то это обеспечивает нормальную работу бытовой электроаппаратуры без ремонта в течение длительного времени.

Индивидуальный потребитель получает возможность исходя из собственных возможностей обеспечить необходимый уровень электропитания, сам выбирая емкость аккумулятора и устанавливая собственный автономный источник электропитания требуемой мощности. В результате в перспективе индивидуальный потребитель может превратиться и в производителя электроэнергии. Запасаемая ночью электроэнергия обходится потребителю дешевле, чем в остальное время суток.

Применение заявленного изобретения в электропитании жилых домов может принести огромный экономический эффект, стимулировать проведение мероприятий по энергосбережению и в целом повысить надежность электропитания.

1. Способ бесперебойного электропитания потребителя от централизованного источника электричества, включающий преобразование переменного тока в постоянный, передачу и накопление электроэнергии в накопителе, преобразование и питание электроаппаратуры объекта от накопителя через инвертор напряжения, отличающийся тем, что при преобразовании переменного тока в постоянный ограничивают величину предельно передаваемой мощности и устанавливают эту мощность в 2-10 раз меньше предельной мощности отдаваемой инвертором.

2. Способ бесперебойного электропитания потребителя от централизованного источника электричества по п.1, отличающийся тем, что при аварийном отключении источника электричества снижают предельно отдаваемую мощность инвертора и сигнализируют об этом потребителя в звуковой или световой форме.

3. Устройство бесперебойного электропитания потребителя от централизованного источника электричества, содержащее выпрямитель, накопитель электроэнергии, контроллер заряда-разряда накопителя и инвертор напряжения, отличающийся тем, что выпрямитель подключен к источнику электричества через ограничитель мощности при величине этой мощности в 2-10 раз меньше мощности инвертора, а все потребители, имеющие индивидуальный счетчик расхода электроэнергии, подключены к источнику электричества через систему бесперебойного электропитания.

4. Устройство бесперебойного электропитания потребителя от централизованного источника электричества по п.3, отличающееся тем, что оно содержит включенный параллельно собственный источник электричества.

Изобретение относится к устройству для покрытия пиковой нагрузки потребителя электроэнергии, подключаемого к выводу переменного тока электрической сети общего пользования, с инвертором, который может запитываться от аккумулятора постоянного тока и может подключаться своим выходом параллельно к электроснабжению потребителя, с измерительным устройством, подключаемым в цепь подключения потребителя, и управляющим устройством, которое предназначено для того, чтобы с помощью измерительного устройства контролировать энергопотребление потребителя и, в случае увеличения полученного таким образом значения энергопотребления выше предварительно заданного порогового значения, вводить в действие инвертор для поддержки питания потребителя.

Устройство бесперебойного электроснабжения потребителей электроэнергетической системы, работающей на нестабильных источниках энергии // 2304836

Изобретение относится к области электроэнергетики, в частности к области электроснабжения потребителей, подключенных к электроэнергетической системе, работающей на нестабильных возобновляемых источниках энергии (ветро-, гидро-, фото- и т.п.

Способ бесперебойного электроснабжения потребителей электроэнергетической системы, работающей на возобновляемых источниках энергии // 2153752

Изобретение относится к энергетике, в частности к электроснабжению потребителей, подключенных к электроэнергетической системе, работающей на возобновляемых источниках энергии (ВИЭ), и может быть использовано при организации электроснабжения ответственных потребителей переменного и постоянного тока с нагрузкой большой мощности.

Способ распределения тока между преобразователем и электрохимическим накопителем,включенными на импульсную нагрузку // 1042130

Электроэнергетическая система на возобновляемых источниках энергии // 2476970

Изобретение относится к энергетике, в частности к электроснабжению потребителей, подключенных к электроэнергетической системе, работающей на возобновляемых источниках энергии, и может быть использовано при организации электроснабжения ответственных потребителей переменного тока

Реагирующее на частоту управление поддержанием заряда систем накопления электричества для вспомогательных услуг в электроэнергетической сети // 2492566

Возбудитель блока генерирования мощности, блок генерирования мощности и оборудование вывода энергии в электрической сети // 2576021

Использование: в области электроэнергетики. Технический результат - повышение надежности и стабильности подачи питания к электрической сети. Возбудитель блока генерирования мощности включает в себя контроллер возбуждения для генерирования сигнала возбуждения согласно первому управляющему сигналу и второму управляющему сигналу, полученному таким образом, преобразователь для преобразования входной энергии из первого напряжения во второе напряжение согласно упомянутому сигналу возбуждения и вывода ее к электродвигателю, соединенному с упомянутым возбудителем блока генерирования мощности, при этом упомянутый первый управляющий сигнал является информацией текущего состояния упомянутого электродвигателя, и упомянутый второй управляющий сигнал включает в себя частоту электрической сети и/или амплитуду напряжения упомянутой электрической сети. 3 н. и 14 з.п. ф-лы, 22 ил.

Способ регулирования возбуждения асинхронных вентильных генераторов // 2589719

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в системах производства электрической энергии с асинхронными вентильными генераторами, подключенными к сети постоянного напряжения, входящей в состав энергетических систем или комплексов. Технический результат заключается в регулировании возбуждения асинхронных вентильных генераторов независимо от величины напряжения на их выходе, что позволяет асинхронным вентильным генераторам работать параллельно на сеть постоянного напряжения. В способе регулирования возбуждения асинхронных вентильных генераторов скорость вращения вала асинхронной машины одного или нескольких генераторов может сильно отличаться от номинальной, например, при использовании в ветроэлектрических установках. Наибольший эффект достигается при подключении генераторов и потребителей к общей сети постоянного напряжения. 1 ил.

Способ управления работой блока питания энергией и контроллер для блока питания // 2599983

Использование: в области электротехники. Технический результат - обеспечение поддержки питающей электрической сети во время внезапных изменений нагрузки. Блок (2) питания статической энергией имеет накопитель (4) энергии, подключенный к питающей электрической сети (SN) переменного тока при помощи силового преобразователя (8). Узел (20) контроллера для блока (2) питания статической энергией содержит амплитудный регулятор (26), фазорегулятор (30) и частотный регулятор (34), которые измеряют и запоминают соответствующие характеристики напряжения питающей электрической сети переменного тока и вырабатывают выходные сигналы, свидетельствующие о характеристиках напряжения для рабочего состояния питающей электрической сети (SN) переменного тока. Предусмотрен генератор (22) сигналов, который служит для выработки сигнала (24а, 24b, 2c) смоделированного выходного напряжения для каждой фазы питающей электрической сети (SN) переменного тока. Сигнал (сигналы) (24а, 24b, 24c) имеет характеристики напряжения, производные от соответствующих выходных сигналов (28, 32, 36) амплитуды, фазы и частоты. Компаратор используют для сравнения сигнала (24а, 24b, 2c) и измеренного переменного напряжения для соответствующей фазы питающей электрической сети (SN) переменного тока. Контроллер (20) управляет работой силового преобразователя (8) так, чтобы изменять количество энергии, которое подают в питающую электрическую сеть (SN) переменного тока от накопителя (4) энергии, на основании результатов сравнения сигнала (сигналов) (24а, 24b, 24c) смоделированного выходного напряжения и измеренного переменного напряжения (напряжений). 2 н. и 12 з.п. ф-лы, 3 ил.

Устройство автоматического включения резерва // 2624921

Использование – в области электротехники. Технический результат - обеспечение бесперебойным электропитанием потребителей группы А первой категории, с учетом фиксации момента аварийного включения резерва. Согласно изобретению устройство автоматического включения резерва состоит из источника негарантированного электроснабжения, резервного источника питания, щита автоматического ввода сети, шины надежного питания, силового блока, блока сравнения и памяти, электронного ключа. Новыми в устройстве автоматического включения резерва является силовой блок, блок сравнения и памяти, электронный ключ и совокупность новых связей. Предлагаемое устройство, по сравнению с известным, позволит повысить быстродействие включения резерва, а следовательно, обеспечить электроэнергией потребителей группы А первой категории, путем постоянного анализа состояния параметров сети и включением резерва с теми же номиналами напряжения, частоты и фазы, что и в момент пропадания сети. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

Управление мощностью в сети распределения энергии // 2632212

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в сетях распределения мощности. Техническим результатом является обеспечение возможности непрерывной коррекции и динамической поддержки сети (2) распределения энергии или в сети (2) распределения энергии. В устройстве для управления мощностью в сети распределения энергии, способе управления мощностью в сети распределения энергии, в устройстве для осуществления способа для управления мощностью в сети распределения энергии предусмотрен блок (3) обратного подвода, а также блок (4) управления. Блок (4) управления выполнен таким образом, чтобы регистрировать текущее сетевое состояние и в зависимости от зарегистрированного сетевого состояния инициировать отдачу энергии или получение энергии (отдачу/получение энергии, обратный подвод энергии) блока (3) обратного подвода. 3 н. и 11 з.п. ф-лы, 1 ил.

Управление емкостью аккумуляторной батареи // 2635101

Использование – в области электротехники. Технический результат – обеспечение эффективного регулирования электрической сети. Согласно способу избирательной модуляции в электрической сети от резервной системы аккумуляторных батарей аккумуляторные батареи используют в качестве источника бесперебойного питания (UPS). Часть емкости аккумуляторных батарей используют для услуг регулирования электрической сети, при этом поддерживают резерв емкости аккумуляторной батареи для обеспечения электропитания UPS, если необходимо. Преимуществом является то, что батарейная установка контролируется эффективнее, поскольку она регулярно заряжается и разряжается. 8 з.п. ф-лы, 5 ил.

Способ и устройство для управления гибридной системой аккумулирования энергии // 2644415

Использование – в области электротехники. Технический результат – оптимизация управления гибридной системой аккумулирования энергии. Согласно изобретению устройство управления и соответствующий способ управления используют фильтрование для отдельного модуля в ряде контроллеров распределения мощности, чтобы получить командный сигнал распределения мощности для соответствующего модуля из множества различных модулей аккумулирования энергии в гибридной системе аккумулирования энергии. Гибридная система аккумулирования энергии включает в себя два или более типов модулей аккумулирования энергии, при этом командный сигнал распределения мощности для каждого из модулей аккумулирования энергии получают путем фильтрования входного сигнала, используя фильтр, имеющий характеристику фильтра, которая адаптирована к характеристикам аккумулирования энергии модуля аккумулирования энергии. Входной сигнал отражает изменения нагрузки на электрическую сеть и может генерироваться локально или обеспечиваться удаленным узлом. Несмотря на то что контуры регулирования распределения мощности, используемые для каждого модуля аккумулирования энергии, предпочтительно могут быть одинаковыми в смысле архитектуры и реализации, каждый такой контур использует адаптированное индивидуальное фильтрование и, возможно, индивидуализированные значения одного или более других параметров управления, так что каждый модуль аккумулирования энергии управляется таким образом, что дополняются его характеристики аккумулирования энергии. 2 н. и 16 з.п. ф-лы, 11 ил.