Спосіб постачання електроенергії індивідуальним споживачам і спосіб постачання електроенергії електроприводу з використанням електричної мережі змінного струму

Реферат: Винахід належить до електроенергетики і може бути використаний в електричних мережах різного рівня. Заявлено спосіб постачання електроенергії множині індивідуальних споживачів із принаймні одного індивідуального споживача електроенергії з використанням електричної мережі змінного струму, у якому зазначених споживачів живлять протягом принаймні частини часу, що характеризується підвищеним навантаженням на мережу, і принаймні частина індивідуальних споживачів має можливість живлення від власних акумуляторів. Під час відсутності підвищеного навантаження на мережу безпосередньо від електричної мережі живлять споживачів і від випрямлячів, що живлять від електричної мережі, заряджають акумулятори, а накопичену в акумуляторах енергію використовують для зменшення підвищеного навантаження на мережу. Акумулятори заряджають регулярно в періоди добового циклу зі зниженим навантаженням на мережу, а протягом принаймні частини періодів добового циклу з підвищеним навантаженням на мережу індивідуальних споживачів регулярно живлять від їхніх власних акумуляторів. Технічним результатом винаходу є вирівнювання навантаження на електричну мережу в добовому циклі та зменшення витрат на електроенергію. UA 99738 C2 (12) UA 99738 C2 UA 99738 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Винахід стосується електроенергетики й може бути використаний в електричних мережах будь-якого рівня, у тому числі в єдиній електроенергетичній системі країни для постачання електроенергії будь-яким споживачам, режим роботи яких з тих чи інших причин потребує живлення у регулярні періоди підвищеного навантаження на електричну мережу, наприклад, споживачам з цілодобовим режимом роботи. У цьому винаході заявляються два об'єкти, одним з яких є спосіб постачання електроенергії до узагальнених споживачів, а іншим - спосіб постачання електроенергії до конкретного споживача - електропривода - з використанням електричної мережі змінного струму. Звичайний спосіб постачання електроенергії до споживачів з електричної мережі включає підключення споживачів до електричної мережі і їхнє живлення від електричної мережі протягом необхідного часу. Однак, як відомо, споживання енергії у великих електроенергетичних системах, у тому числі в єдиній енергетичній системі країни, протягом доби дуже нерівномірно: у денний час доби має місце підвищене навантаження на електроенергетичні системи, а в нічне - знижене. Це впливає на роботу електростанцій і приводить до неефективного їхнього використання. У такій ситуації держави стимулюють нічне споживання, установлюючи різні тарифи на оплату електроенергії в різний час доби. У багатьох країнах, у тому числі в Україні, впродовж доби діють три різних тарифи: пікові, напівпікові й знижені. Крім того, для зменшення негативного впливу нерівномірного навантаження на великі електроенергетичні системи застосовують акумулювання енергії в періоди зниженого навантаження й використання накопиченої енергії в періоди підвищеного навантаження. З цією метою будують, наприклад, гідроакумулюючі електростанції (ГАЕС), і великі буферні акумуляторні джерела з перетворювачами частоти для підживлення енергосистеми в періоди підвищеного споживання. Відомі також такі способи акумулювання енергії, як закачування стисненого повітря в підземні резервуари, закачування в спеціальні резервуари кисню й водню, отриманих шляхом електролізу води й т. ін. Всі ці способи й пристрої передбачають наступне перетворення накопиченої енергії в електричну енергію змінного струму й повернення її в електроенергетичну систему в періоди підвищеного навантаження. Недоліком цих пристроїв є низький к.к.д., значні втрати дорогої акумульованої електроенергії в мережах енергосистеми, висока вартість, великий строк будівництва у зв'язку з великою енергією, що запасається в пристроях, і великою потужністю, що віддається, великий строк окупності й, у зв'язку із цим, можливість їхнього будівництва тільки за рахунок бюджету країни. Крім того, недоліком ГАЕС є виведення з господарського обігу значних площ землі за рахунок їхнього затоплення й значний екологічний збиток. Відомі способи живлення локальних споживачів електричною енергією, що усувають небажані наслідки при аварійному відключенні електроенергії в мережі, які включають відключення споживачів від мережі, включення джерел аварійного живлення й підключення до них споживачів на час усунення аварії. Ці способи призначені для короткочасного використання й для порівняно невеликих потужностей споживачів. Як такі джерела аварійного живлення використовують електростанції невеликої потужності на двигунах внутрішнього згоряння й акумулятори з випрямлячами й перетворювачами постійного струму в змінний (інверторами). Оскільки аварійне відключення енергії, як правило, триває порівняно невеликий час і трапляється рідко й нерегулярно, енергія й потужність таких пристроїв невелика й визначається потужністю споживання самих необхідних пристроїв споживання енергії, що забезпечують життєздатність системи локального споживача, а запас енергії таких пристроїв визначається часом, необхідним на безаварійне відключення споживачів, що можуть бути відключені, і енергією, необхідної для підтримки споживачів, що не відключають, протягом часу усунення аварії. Зазначені способи порівняно прості, вимагають невеликих витрат і тому можуть бути реалізовані практично для будь-якого споживача, що потребує безперебійного живлення. Однак навіть у сукупності вони не можуть вирішити завдання вирівнювання навантаження на всю електроенергетичну систему в добовому циклі. В основу цього винаходу поставлена задача створення простого й надійного способу постачання множині споживачів електроенергії, який був би позбавлений недоліків описаних вище способів і зберігав би їхні переваги, а саме, забезпечував би зниження навантаження на енергосистему в періоди підвищеного навантаження в добовому циклі, нормальну якість електричної енергії для споживачів протягом необхідного часу і в аварійних ситуаціях і можливість рішення цих завдань на локальному рівні, тобто на рівні індивідуальних споживачів 1 UA 99738 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 так, щоб в результаті це дозволило б поступово вирішувати завдання вирівнювання навантаження в добовому циклі в масштабах всієї електроенергетичної системи. Найбільш близьким до заявленого способу постачання множині споживачів електроенергії є спосіб, описаний у патенті РФ № 2160955, у якому принаймні частина споживачів оснащена системами аварійного постачання електроенергії, що містять акумулятори й живлені від мережі випрямлячі, а при виникненні короткочасного пікового навантаження в електричній мережі частину енергії з акумуляторів індивідуальних децентралізованих мереж аварійного електропостачання через інвертори віддають у мережу так довго, поки існує пікове навантаження й в акумуляторах ще є досить енергії для аварійного електропостачання. Недоліком зазначеного способу є короткочасний характер передачі електроенергії, накопиченої в акумуляторах, у мережу, необхідність завжди узгоджувати фази напруги інверторів з фазами мережі й, у зв'язку з невеликою енергією, накопиченою в системах аварійного забезпечення, низька ефективність. Ще одним недоліком цього способу є те, що оскільки реально потужності всіх індивідуальних акумуляторів недостатньо для істотного підвищення ресурсу енергосистеми, живлення самих локальних споживачів здійснюється від перевантаженої мережі. Крім того, кількість локальних споживачів, що вимагають забезпечення системою аварійного живлення, росте досить повільно. Для вирішення поставленої вище задачі у відомому способі постачання електроенергії множині індивідуальних споживачів із принаймні одного індивідуального споживача з використанням електричної мережі змінного струму, у якому зазначених споживачів живлять протягом принаймні частини часу, що характеризується підвищеним навантаженням на мережу, і принаймні частина індивідуальних споживачів мають можливість живлення від власних акумуляторів, під час відсутності підвищеного навантаження на мережу безпосередньо від електричної мережі живлять споживачів й від випрямлячів, які живлять від електричної мережі, заряджають акумулятори, а накопичену в акумуляторах енергію використовують для зменшення підвищеного навантаження на мережу, згідно з винаходом, внесені такі вдосконалення: - акумулятори заряджають регулярно в періоди добового циклу зі зниженим навантаженням на мережу, - протягом принаймні частини періодів добового циклу з підвищеним навантаженням на мережу індивідуальні споживачі регулярно живлять від їхніх власних акумуляторів. Прив'язка інтервалів часу заряджання й розряджання акумуляторів до періодів зниженого й підвищеного навантаження мережі в добовому циклі, з одного боку, дозволяє, принаймні частково, вирівняти навантаження на мережу протягом доби, а, з іншого боку, за рахунок зниженої вартості електроенергії в періоди зі зниженим навантаженням, знизити загальну вартість електроенергії, споживаної даним конкретним споживачем. Крім того, у разі повного відключення від мережі при живленні від акумуляторів споживачів, які витримують короткочасні відключення напруги, спосіб не вимагає фазування напруги, перетвореної від акумулятора, з мережею й дозволяє забезпечити нормальну якість електроенергії для живлення індивідуального споживача. Далі, спосіб природно забезпечує й аварійне живлення споживача, якщо тільки аварійне відключення відбувається не тоді, коли акумулятор ще повністю розряджений, а споживач проте повинен працювати. Хоча такі ситуації можуть бути виключені шляхом забезпечення запасу енергії в акумуляторі на випадок аварійного відключення після його відключення від споживача. Важливою перевагою зазначеного способу є також те, що в міру збільшення числа споживачів, охоплених цим способом постачання електроенергії, поступово вирішується загальносистемне завдання зниження навантаження на мережу в період завершення будівництва. Таким чином, оснащення споживачів акумуляторами для використання в способі постачання відповідно до винаходу, могло б відбуватися, принаймні частково, за рахунок державного бюджету. Моменти перемикання живлення споживачів від мережі на акумулятори можуть визначатися як регулярні моменти зміни тарифів, тобто в певні моменти доби. У зв'язку з тим, що підвищене навантаження на мережу супроводжується зменшенням частоти й напруги мережі, моменти зазначеного перемикання можуть також визначатися заздалегідь установленими значеннями частоти або напруги мережі або їхніх відмінностей від номінальних значень. Крім того, зрозуміло, що у випадку розрядки акумуляторів до заздалегідь заданих значень накопиченої в них енергії або напруги також повинне відбутися перемикання живлення з акумуляторів на мережу. Спосіб постачання електроенергії споживачам, що заявляється, дозволяє також живити їх одночасно від акумуляторів і від електричної мережі протягом деяких перших інтервалів часу, обумовлених станом мережі й рівнем накопиченої в акумуляторах енергії, при цьому можливе 2 UA 99738 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 регулювання співвідношення потужностей, що відбираються, за допомогою регулятора струму розряду акумуляторів і/або регулятора струму, що надходить від електричної мережі. У цьому конкретному варіанті виконання способу, що заявляється, також досягається зазначений вище технічний результат, хоча й у меншому ступені. Крім того, удосконалений варіант виконання способу, що заявляється, дозволяє, при необхідності, частину накопиченої в акумуляторах енергії направляти назад у мережу, коли, поперше, в акумуляторах є достатній запас енергії, а по-друге, коли мережа особливо перевантажена. Це дає можливість зменшити рівень навантаження на мережу. Подальші вдосконалення способу, що заявляється, полягають у тому, що в процесі заряджання акумуляторів можна регулювати струм зарядки, а в процесі розряджання акумуляторів - струм розрядки. Це дозволяє оптимізувати умови заряджання й розряджання та/або регулювати, відповідно, час зарядки й споживану потужність. У конкретному варіанті виконання способу, що заявляється, перемикання споживача на живлення від мережі або від акумуляторів і акумулятора на заряджання або розряджання здійснюють шляхом подання дозволяючих або забороняючих сигналів на керовані ключі. Один з конкретних варіантів способу, що заявляється, призначений для живлення електроприводів різних агрегатів. Це досить великий клас споживачів, які можуть суттєво впливати на роботу електроенергетичної системи в цілому, і їхнє охоплення цим способом може істотно вирівняти навантаження на систему в добовому циклі. Якщо до складу електропривода не входить керований випрямляч, то для заряджання акумулятора такий випрямляч необхідний як окремий блок. Якщо ж електропривод включає, наприклад, перетворювач частоти, то акумулятор можна заряджати від ланки постійного струму зазначеного перетворювача. При цьому потужність зазначеної ланки постійного струму повинна бути достатньою для одночасного живлення електропривода й заряджання акумулятора. У цей час створені, виробляються й уже широко застосовуються спеціалізовані акумулятори надзвичайної ємності для потужних силових застосувань. Ці акумулятори мають унікальні можливості щодо запасання величезної кількості енергії та її використання при потужностях споживання до 10 МВт і більше. Такими акумуляторами є натрієво-сірчані акумулятори, представлені, наприклад на веб-сайті за адресою: http://www.ngk.co.jp/english/products/power/nas/index.html, і натрієво-нікеле-хлоридні акумулятори, представлені на веб-сайті за адресою: http://www.cebi.com/cebi/content/index_en.html?a=5&b=9&c=19&d=72. Застосування таких акумуляторів для живлення електроприводів великої потужності, наприклад, використовуваних в електроприводних газоперекачувальних агрегатах, має особливі переваги. Вони включають зменшення вартості електроенергії, виключення потреби в будівництві однієї із двох ліній електропередачі (для забезпечення резервування) з підстанціями й іншим устаткуванням, підвищення надійності роботи, можливість виведення електроенергетичної системи країни зі стану надзвичайно великої відмінності навантажень у денний і нічний час, зменшення втрат у мережах. Окремим об'єктом цього винаходу є спосіб постачання електроприводу електроенергії з використанням електричної мережі змінного струму. Мова йде про електроприводи, яким необхідно постачати електроенергію протягом принаймні частини періодів з підвищеним навантаженням на мережу в добовому циклі, коли тариф на електроенергію вище, ніж у періоди зниженого навантаження, а електропривод створює додаткове навантаження на перевантажену мережу. Хоча вказані електроприводи є окремим випадком узагальненого споживача, відносно якого спосіб, що заявляється, описаний вище, необхідність виділення способу постачання їм електроенергії у окремий об'єкт викликана широким застосуванням електроприводів, у тому числі таких, що мають велику (до десятків мегават) потужність і, отже у сукупності створюють суттєве навантаження на електроенергетичну систему. В основу цього винаходу, що стосується способу постачання до електропривода електроенергії поставлена задача принаймні частково виключити або по можливості зменшити навантаження електропривода на мережу в періоди підвищеного навантаження й одночасно знизити вартість споживаної електроенергії за рахунок застосування знижених тарифів на електроенергію. Поставлена задача вирішується тим, що на відміну від звичайного способу постачання електроенергії до електропривода, у якому електропривод живлять протягом принаймні частини періодів з підвищеним навантаженням на мережу в добовому циклі, відповідно до винаходу в періоди зниженого навантаження на мережу в добовому циклі від випрямляча, що живлять від електричної мережі, регулярно заряджають акумулятори, якими забезпечений електропривод, а 3 UA 99738 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 принаймні частину часу роботи електропривода в періоди з підвищеним навантаженням електропривод регулярно живлять від зазначених акумуляторів. Причинно-наслідковий зв'язок між суттєвими ознаками винаходу й одержуваним технічним результатом описаний вище для узагальненого споживача електроенергії й зрозумілий із суті винаходу. Подальші вдосконалення способу постачання до електропривода електроенергії й конкретні варіанти його виконання аналогічні тим, які були описані для узагальненого споживача електроенергії. Спосіб виконують таким чином. Якщо режим роботи споживача передбачає його живлення принаймні протягом частин регулярних періодів у добовому циклі з підвищеним навантаженням на електричну мережу, у регулярні періоди у добовому циклі, коли підвищене навантаження відсутнє, від підключених до електричної мережі випрямлячів заряджають акумулятори, якими оснащені конкретні споживачі, і, при необхідності, живлять самого споживача, а з настанням регулярних періодів з підвищеним навантаженням на електричну мережу відключають споживачів від електричної мережі, підключають їх до акумуляторів через перетворювач постійної напруги у змінну і протягом певного часу впродовж періоду з підвищеним навантаженням живлять їх від акумуляторів. Як приклад, спосіб згідно з винаходом, може бути застосований для живлення електроприводу потужністю 4 МВт, який включає електродвигун, перетворювач частоти на повну потужність двигуна і батарею з 80 модулів у вигляді натрієво-сірчаних акумуляторів типу PS-E50, кожен з яких може накопичувати енергію 430 кВт*год. При цьому загальна ємність батареї складає 34,4 МВт*год., маса - 2800 т, площа під батареєю - 600 кв. м, і вона забезпечує безперервне живлення двигуна протягом 4 год. у періоди з підвищеним навантаженням на електричну мережу. Розрахунки показують, що, наприклад, при існуючих в Україні ставках тарифу на електроенергію і безперервному режимі роботи вказаного електропривода економія витрат на електроенергіюможе скласти порядку одного мільйона доларів США на рік при окупності капітальних витрат на будівництво не більше 5 років. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 1. Спосіб постачання електроенергії множині індивідуальних споживачів із принаймні одного індивідуального споживача з використанням електричної мережі змінного струму, у якому зазначених споживачів живлять протягом принаймні частини часу, що характеризується підвищеним навантаженням на мережу, і принаймні частина індивідуальних споживачів має можливість живлення від власних акумуляторів, під час відсутності підвищеного навантаження на мережу безпосередньо від електричної мережі живлять споживачів й від випрямлячів, що живлять від електричної мережі, заряджають акумулятори, а накопичену в акумуляторах енергію використовують для зменшення підвищеного навантаження на мережу, який відрізняється тим, що акумулятори заряджають регулярно в періоди добового циклу зі зниженим навантаженням на мережу, а протягом принаймні частини періодів добового циклу з підвищеним навантаженням на мережу індивідуальних споживачів регулярно живлять від їхніх власних акумуляторів. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що моменти підключення споживачів для живлення від акумуляторів визначають як регулярні моменти збільшення тарифів, або як моменти зменшення частоти або напруги мережі до заздалегідь заданих значень нижче номінальних, а моменти відключення споживачів від живлення від акумуляторів визначають як регулярні моменти зменшення тарифів, або як моменти збільшення частоти або напруги мережі до заздалегідь заданих значень нижче номінальних, або як моменти зменшення енергії, накопиченої в акумуляторах, до заздалегідь заданого значення. 3. Спосіб за п. 1 або 2, який відрізняється тим, що протягом деяких перших інтервалів часу, обумовлених станом мережі й рівнем накопиченої в акумуляторах енергії, споживачів живлять одночасно від акумуляторів і від електричної мережі й регулюють співвідношення потужностей, що відбирають, за допомогою регулятора струму розряду акумуляторів і/або регулятора струму, що надходить від електричної мережі. 4. Спосіб за будь-яким з пп. 1-3, який відрізняється тим, що протягом деяких других інтервалів часу, обумовлених потребами електричної мережі й рівнем накопиченої в акумуляторах енергії, частину накопиченої в акумуляторах енергії направляють назад у мережу. 5. Спосіб за будь-яким з попередніх пунктів, який відрізняється тим, що в процесі заряджання акумуляторів регулюють струм заряджання. 4 UA 99738 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 6. Спосіб за будь-яким з попередніх пунктів, який відрізняється тим, що в процесі живлення споживачів від акумуляторів регулюють струм розряджання акумуляторів. 7. Спосіб за будь-яким з попередніх пунктів, який відрізняється тим, що протікання струмів заряджання або розряджання акумуляторів дозволяють або забороняють, подаючи сигнали керування на керовані ключі. 8. Спосіб за будь-яким з пунктів 1-7, який відрізняється тим, що зазначені споживачі являють собою електроприводи агрегатів. 9. Спосіб за п. 8, який відрізняється тим, що електроприводи включають перетворювачі частоти, до складу яких входить ланки постійного струму, а акумулятори заряджають від виходів вказаних ланок постійного струму. 10. Спосіб за будь-яким з пп. 8-9, який відрізняється тим, що як акумулятори використовують натрієво-сірчані або натрієво-нікеле-хлоридні акумулятори. 11. Спосіб постачання електроенергії електроприводу з використанням електричної мережі змінного струму, у якому електропривод живлять протягом принаймні частини періодів з підвищеним навантаженням на мережу в добовому циклі, який відрізняється тим, що в періоди зниженого навантаження на мережу в добовому циклі від випрямляча, що живлять від електричної мережі, регулярно заряджають акумулятори, якими забезпечений електропривод, а принаймні частина часу роботи електропривода в періоди з підвищеним навантаженням електропривод регулярно живлять від зазначених акумуляторів. 12. Спосіб за п. 11, який відрізняється тим, що моменти підключення електропривода для живлення від акумуляторів визначають як моменти збільшення тарифів, або як моменти зменшення частоти або напруги мережі до заздалегідь заданих значень нижче номінальних, а моменти відключення електропривода від живлення від акумуляторів визначають як моменти зменшення тарифів, або як моменти збільшення частоти або напруги мережі до заздалегідь заданих значень нижче номінальних, або як моменти зменшення енергії, накопиченої в акумуляторах, до заздалегідь заданого значення. 13. Спосіб за п. 11 або 12, який відрізняється тим, що протягом деяких перших інтервалів часу, обумовлених станом мережі й рівнем накопиченої в акумуляторах енергії, електропривод живлять одночасно від акумуляторів і від електричної мережі й регулюють співвідношення потужностей, що відбирають, за допомогою регулятора струму розряду акумуляторів та/або регулятора струму, що надходить від електричної мережі. 14. Спосіб за будь-яким з пунктів 11-13, який відрізняється тим, що протягом деяких других інтервалів часу, обумовлених потребами електричної мережі й рівнем накопиченої в акумуляторах енергії, частину енергії, накопиченої в акумуляторах, направляють назад у мережу. 15. Спосіб за будь-яким з пунктів 11-14, який відрізняється тим, що в процесі заряджання акумуляторів регулюють струм заряджання. 16. Спосіб за будь-яким з пунктів 11-15, який відрізняється тим, що в процесі живлення електропривода від акумуляторів регулюють струм розряджання акумуляторів. 17. Спосіб за будь-яким з пунктів 11-16, який відрізняється тим, що протікання струмів заряду або розряду акумуляторів дозволяють або забороняють, подаючи сигнали керування на керовані ключі. 18. Спосіб за будь-яким з пп. 11-17, який відрізняється тим, що електропривод включає перетворювач частоти до складу якого входить ланка постійного струму, а акумулятори заряджають від виходу вказаної ланки постійного струму. 19. Спосіб за будь-яким з пп. 11-18, який відрізняється тим, що як акумулятори використовують натрієво-сірчані або натрієво-нікеле-хлоридні акумулятори. Комп’ютерна верстка А. Крулевський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 5