Пристрій і метод для накопичення енергії в електромережі та автономної генерації мережі із загальним використанням
1. Пристрій для мережевого накопичувача та генерації острівної мережі із спільними перемикаючими елементами для напівхвильової комутації полярності, характеризується, що схема підвищувального перетворювача (2), схема понижуючого перетворювача (6) і ще один напівмост (3), кожен з яких складається щонайменше з 2 керованих комутаційних елементів (22, 23, 31, 32, 62, 63), на з'єднаннях Комутаційні елементи (41, 42) електрично з'єднані паралельно і з'єднані з накопичувачем енергії (4), і що одна клема (12, 52) підвищувального перетворювача (2) і понижувального перетворювача (6) електрично з'єднана з точкою підключення (30) комутаційних елементів (31), 32) подальшої половини мосту (3) з'єднаний.
2. Пристрій за п. 1, характеризується, що два перемикаючих елемента (31, 32) подальшого напівмоста (3) виконані у вигляді діодів.
3. Пристрій за п. 1, характеризується, що на вході схеми підсилювального перетворювача (2) є ізолюючий перемикач (7), який може відокремити принаймні одну сполучну клему (12) входу від схеми підсилювального перетворювача (2).
4. Апарат за п.3, характеризується, що роз'єднувач (7) має щонайменше три полюси, принаймні по одному полюсу з підключенням (12) мережі живлення (1), потенціалом заземлення (42) проміжного контуру (4) і центральною точкою (30) подальшого напівмоста (3) підключений і спроектований таким чином, що з'єднання (12) мережі живлення (1) може бути відрегульоване для підключення або до потенціалу заземлення (42) проміжного контуру (4), або до центральної точки (30) подальшого напівмоста (3).
5. Пристрій по одному з пп.1-4, характеризується, що накопичувач енергії (9) підключений до проміжного кола (4) через двонаправлений перетворювач постійної напруги (8).
6. Спосіб управління пристроєм по кожному з пп.1-5, характеризується, що за допомогою імпульсно-модульованого регулювання принаймні одного перемикаючого елемента схеми підвищувального (2) і понижуючого перетворювача (6) регулюється електрична змінна в проміжній ланцюзі (4) і забезпечується вихідна напруга на споживчому з'єднанні (5).
7. Спосіб за п. 6 для роботи пристрою по одному з пп. 1, 3, 4 або 5, який характеризується додатковим включенням нижнього комутаційного елемента (32) подальшого напівмоста (3) з позитивною вхідною напругою підвищувального перетворювача (2) або включенням верхній комутаційний елемент (31) подальшого напівмоста (3) з негативною вхідною напругою підвищувального перетворювача (2).
8. Спосіб за п. 6 або 7, який характеризується антифазним управлінням підвищувальним перетворювачем (2) і понижуючим перетворювачем (6) таким чином, що підвищувальний перетворювач (2) зменшує свій струм зберігання, коли понижуючий перетворювач (6) нарощує свій струм зберігання, і навпаки.
9. Спосіб роботи пристрою по одному з пп.1-5, який характеризується постійним закриттям відповідних верхніх комутаційних елементів (22, 62) підвищувального перетворювача (2) і понижувального перетворювача (6) з позитивною вхідною напругою підвищувального перетворювача (2) і постійним закриттям нижні комутаційні елементи (23, 63) підвищувального перетворювача (2) і понижуючого перетворювача (6), коли вхідна напруга підвищувального перетворювача (2) від’ємна.
10. Спосіб за будь-яким з пп.1, 3 або 4, характеризується, що ізолюючий вимикач (7) відкритий або лише принаймні один комутаційний елемент перетворювача (6) управляється за допомогою широтно-імпульсної модуляції і, залежно від бажаної полярності напруги, що генерується на виході (5), верхній (31) або нижній комутаційний елемент (32) подальшої напівмоста (3) ) контролюється.
Винахід відноситься до пристрою та способу зберігання мережевого струму та формування ізольованих мереж із спільними перемикаючими елементами для напівхвильової комутації полярності.
Через падіння тарифів на подачу для приватних сонячних енергетичних систем кількість нових установок також падає, і робота таких систем стає все більш невигідною як для приватних виробників, так і для промислових споживачів. Дуже цікавою альтернативою подачі генерованої сонячної енергії в мережу постачання є так зване буферне зберігання.Тут сонячна енергія зберігається в накопичувачах електричної енергії, переважно акумуляторних батареях, так що при необхідності її можна використовувати із затримкою. Це означає, що закупівлі електроенергії з державної мережі, а отже, також зменшуються електроенергія та експлуатаційні витрати.
Окрім акумулятора, типовий буферний накопичувач також включає інвертор для подачі в загальнодоступну електромережу. Класичні системи також оснащені інтерфейсом постійного струму та перетворювачем постійної напруги для підключення сонячних генераторів. Зокрема, новіші системи забезпечують роздільне підключення електричних навантажень через іншу схему інвертора.
Крім того, між акумулятором та інвертором може бути присутній ще один перетворювач напруги постійного струму, який включає в себе гальванічне розділення мережі та потенціалу акумулятора за допомогою трансформатора.
За допомогою такої буферної системи зберігання даних, що називається джерелом безперебійного живлення (коротше «ДБЖ»), також може бути реалізовано, забезпечуючи окреме підключення для споживача електроенергії.
DE202008014919U1 розкриває систему сонячного енергопостачання, яка служить ДБЖ. У цьому випадку перша електрична енергія генерується від сонячного генератора, який підключений до акумуляторного пристрою за допомогою MPPT (відстеження точки максимальної потужності) і перетворювача постійної напруги. Друга електрична енергія забезпечується від загальнодоступної електромережі через розетку. Для цього передбачена корекція коефіцієнта потужності, вихід якої підключений до виходу перетворювача постійного/постійного струму для першої електричної енергії. Це означає, що споживач електроенергії може бути забезпечений або від сонячного генератора, або від загальнодоступної електромережі, або тимчасово лише від буферного накопичувача акумулятора. Однак із запропонованою системою не можна живити споживачів змінного струму, які призначені для підключення до загальнодоступної електромережі відповідно до їх призначення.
Навантаження змінного струму може експлуатуватися безпосередньо на електромережі, і в цьому випадку корекція коефіцієнта потужності ДБЖ повинна забезпечувати двонаправлену роботу, або на ДБЖ передбачено окреме підключення напруги змінного струму, яке забезпечує змінну напругу через додатковий інвертор. Підключення споживача безпосередньо до загальнодоступної електромережі не являє собою джерело безперебійного живлення для споживача, оскільки, з одного боку, ДБЖ спочатку повинен виявити перебої в електроживленні, що призводить до затримки енергопостачання і, отже, до короткого переривання в електроживленні, а з іншого боку Додаткові заходи на стороні установки необхідні для запобігання електроживлення в разі відключення електроенергії. Крім того, для двонаправленого інвертора з підключенням до мережі слід дотримуватися додаткових вимог, що містяться в рекомендаціях щодо подачі.
Залишився єдиний варіант - забезпечити з'єднання змінного струму з додатковою інверторною електронікою, яка створює острівну мережу. Найпоширенішою топологією схеми корекції коефіцієнта потужності та електроніки інвертора є підвищувальний перетворювач, який однаково підходить для обох напрямків потоку енергії. Було б бажано, якби хоча б частину електроніки можна було використовувати спільно при використанні двох окремих перетворювачів для підключення до мережі та для створення острівних мереж з метою економії місця, ваги та витрат.
Тому завдання полягає в тому, щоб впровадити джерело безперебійного живлення для споживачів змінного струму через систему буферного накопичення, яка використовується виключно для самоспоживання самовиробленої або тимчасово накопиченої енергії і яка дозволяє максимально ефективно використовувати необхідні компоненти для оптимізації витрат, ваги та ефективності.
Ця мета досягається пристроєм, що має ознаки за п. 1 і способом за п. 6 або 9. Подальші сприятливі варіанти здійснення випливають із підзаявок.
Запропоновано пристрій для зберігання мережевого струму та генерації острівних мереж із спільними комутаційними елементами для напівхвильової комутації полярності.
Ті самі компоненти позначені нижче з однаковими позначеннями.
Комутаційні елементи (31, 32) подальшого напівмоста (3) можуть у найпростішому випадку бути виконані лише як діоди, що призводить до подальшого зменшення витрат.
Схема підвищувального перетворювача (2) для підключення до мережі живлення (1) переважно має ізолюючий вимикач (7), який може відокремити принаймні один полюс мережі (12) від пристрою. Це означає, що острівну мережу (5) завжди можна забезпечити від енергосховища (4) незалежно від мережі живлення (1).
Спеціальне втілення пристрою за п. 3 має роз'єднувач (7), який має щонайменше три полюси, принаймні один полюс у кожному випадку з підключенням терміналу (12) мережі живлення (1), потенціал заземлення (42) проміжного контуру (4) та приєднана точка з'єднання (30) подальшого напівмоста (3). Це означає, що буферну пам'ять можна також заряджати рівномірною напругою живлення, наприклад сонячним генератором, при з'єднанні (1) через ланцюг підсилювального перетворювача (2) шляхом встановлення зв'язку між полюсом підключення до мережі (12) та потенціалом заземлення (42 ) проміжної схеми (4), при цьому понижуючий перетворювач (6) може одночасно генерувати змінну напругу на з'єднанні (5). Постійне замикання перемикача (32) подальшого напівмоста (3) справді мало б такий же ефект для схеми підвищувального перетворювача (2), але в той же час запобігало б генерації змінної напруги понижувальним перетворювачем (6).
У вигідному варіанті здійснення запропонованого способу, коли вхідна напруга (1) підвищувального перетворювача (2) додатна, нижній комутаційний елемент (32) подальшого напівмоста (3) переважно включається постійно, а коли вхідна напруга (1) підвищувального перетворювача (2) від'ємна, верхній комутаційний елемент Комутаційний елемент (31) подальшого напівмоста (3) бажано ввімкнути постійно, тоді як інший комутаційний елемент напівмоста (3) деактивований.
Спосіб за п. 6 або 7 генерує модульовані по ширині імпульсу сигнали керування з підвищувальних (2) і понижуючих перетворювачів (6) поза фазою один з одним, так що понижуючий перетворювач (6) розряджає проміжний контур або накопичувач енергії (4) саме тоді, коли він накопичує свій струм накопичення проміжний контур або накопичувач енергії (4) заряджається підвищувальним перетворювачем (2), підвищувальним перетворювачем (2), таким чином зменшуючи свій струм накопичення. Це компенсує струми пульсацій частоти комутації в проміжному ланцюзі (4), і міри фільтру можна зберегти.
Також пропонується метод, який постійно закриває верхні комутаційні елементи (22, 62) підвищувального перетворювача (2) і понижувального перетворювача (6) під час позитивної напруги між з'єднаннями (11, 12) мережі живлення (1), із синусоїдальною Напруга змінного струму позитивної напівхвилі мережі або постійне замикання нижніх перемикаючих елементів (23, 63) підвищувального перетворювача (2) та понижувального перетворювача (6) під час негативної напруги між з'єднаннями (11, 12) мережі живлення (1), з синусоїдальною Напруга змінного струму напівхвилі негативної мережі, прямий зв’язок між споживачем (5) та мережею подачі (1) встановлюється без тимчасового накопичення енергії. Це гарантує, що в пам'ять більше не завантажується енергія (4, 9), наприклад, коли вона повністю заряджена або інші умови перешкоджають або забороняють обмін енергією з пам'яттю (4, 9).
Представлений інший метод, який відмовляється від витягування енергії з мережі живлення (1), відкриваючи ізолюючий вимикач (7) та/або просто відкриваючи понижуючий перетворювач (6) за допомогою адекватного модульованого широтно-імпульсного управління двома комутаційними елементами (62, 63) Сформовані відповідні вимоги, орієнтовані на застосування, але, зокрема, синусоїдальна вихідна напруга, що генерується на сполучному сполученні (5). Як результат, заощаджуються витрати на споживання електроенергії, зокрема, наприклад, коли сонячний генератор додатково підключений до запасу енергії. Зміна полярності також може бути здійснена на будь-якій частоті, яка також може бути змінена за бажанням під час роботи, шляхом відповідного управління двома перемикаючими елементами (31, 32) напівмоста (3). Поки напруга проміжного ланцюга або, у випадку безпосередньо підключеного накопичувача енергії (4, 9), робоча напруга накопичувача енергії (4, 9) перевищує пікову напругу мережі живлення (1), ізолюючий вимикач (7) може залишатися замкнутим.
Далі винахід пояснюється більш докладно з посиланням на фігури 1-5.
Фіг.1 показує зразковий варіант здійснення двонаправленого інвертора сітки згідно рівня техніки
Фіг.2 показує перший варіант здійснення пропонованого пристрою
3 показаний другий варіант здійснення пропонованого пристрою
4 показаний приклад можливої схеми управління запропонованим способом за п. 6, 7 і 8
5 показаний приклад можливої схеми управління запропонованим способом за п. 9
1 показаний приклад з сучасного рівня техніки для силової електроніки для накопичення енергії. Схема підвищувального перетворювача (2), яка працює як схема корекції коефіцієнта потужності за відповідною схемою управління, заряджається через дросельний накопичувач (21) та перемикаючі елементи (22, 23 ) та комутаційні елементи (31, 32) напівмоста (3) для напівхвильового перемикання на проміжній ланцюзі (4), до яких накопичувач енергії (тут не показано) зазвичай підключається за допомогою електронної електроніки перетворювача постійного/постійного струму. Крім того, інша мережа живлення, часто сонячний генератор, підключена до проміжного контуру (4) або накопичувача енергії (тут не показано) за допомогою іншого окремого перетворювача постійної напруги. До проміжної схеми (4) також підключається додатковий інвертор для подачі споживача змінного струму без переривань через окреме з'єднання (5). Інвертор містить понижуючий перетворювач (6) і напівмост (3) для напівхвильового перемикання. Схема підвищувального перетворювача (2) також може управлятися двонаправленим способом для подачі енергії в мережу (1).
Фіг.2 показує пропонований пристрій у першому варіанті здійснення. Схема підвищувального перетворювача (2) та напівмост (3) для напівхвильової або полярності комутації мережі живлення (1) підключені до проміжної схеми (4), а схема понижувального перетворювача (3) також підключена до проміжної схеми (4). Другий напівмост (3) відмовляється, так що один і той же напівмост (3) бере участь у поточному потоці в ланцюзі живлення (1), а також у поточному потоці в мережевому контурі острова (5). В результаті, коли накопичувач енергії підключений до проміжних з'єднань (41, 42), можна забезпечити джерело безперебійного живлення за рахунок зменшення кількості компонентів, заощадивши половину моста (3) і, таким чином, зменшивши витрати та підвищивши ефективність. Крім того, в ланцюзі схеми підвищувального перетворювача (2) може бути ізольований перемикач (7), за допомогою якого може бути здійснено розділення мережі та встановлена острівна частота мережі, яка не залежить від частоти мережі.
3 показаний другий зразковий варіант здійснення пропонованого пристрою, в якому накопичувач енергії (9) підключений до з'єднань (41, 42) проміжного кола (4) через двонаправлений перетворювач постійної напруги (8). З одного боку, немає додаткових вимог до роботи високовольтних накопичувачів енергії, що випливають із відповідних стандартів; з іншого боку, перетворювач постійного струму постійного струму може генерувати струм у фазовій опорі до зарядного струму проміжного ланцюга підвищувального перетворювача (2) для зарядки або розрядки накопичувача енергії (9), так що компонент напруги змінного струму лінійної частоти в проміжному ланцюзі (4), спричинений струмом зарядки частоти лінії частоти підвищувального перетворювача (2), може бути зменшений. В результаті можна, наприклад, відмовитися від електролітичних конденсаторів.
Фіг.5 показує подальшу схему управління запропонованим способом, яка використовується, зокрема, для безпосереднього живлення споживача (5) від мережі подачі (1), без необхідності ручних змін пристрою. При позитивній вхідній напрузі (101) на підключенні живлення (1) два верхні комутаційні елементи (22, 62) підвищувального перетворювача (2) і понижувального перетворювача (6), а також нижній комутаційний елемент (32) напівмоста (3) вмикаються постійно, тоді як на негативної вхідної напруги (101), два нижні комутаційні елементи (23, 63) підвищувального перетворювача (2) і понижувального перетворювача (6) і верхній комутаційний елемент (31) напівмоста (3) включені постійно. Під час зміни полярності (102) напруги живлення (101) може бути корисним або необхідним вимкнути один або кілька сигналів на певний, вільно вибирається проміжок часу.
1 Підключення до мережі 2 Схема підсилювального перетворювача 3 Схема напівмоста 4 Накопичувач енергії (проміжна схема) 5 Підключення для електричних навантажень 6 Схема перетворювача Бака 7 Роз'єднувач 8 Двонаправлений перетворювач постійного струму/постійного струму 9 Накопичувач енергії (акумулятор) 11 Підключення першого полюса до мережі 12 Підключення до другого полюса мережі 21 Індуктивний запас енергії перетворювача наддуву 22 Верхній перемикаючий елемент посилювального перетворювача 23 нижній комутаційний елемент підвищувального перетворювача 30 точка з'єднання верхній і нижній комутаційний елемент напівмоста 31 верхній комутаційний елемент напівмоста 32 нижній комутаційний елемент напівмоста 41 верхній з'єднання для прямої напруги 42 нижній з'єднання для прямої напруги (потенціал землі) 51 перший полюсний споживчий з'єднання 52 другий полюсний споживчий з'єднання 61 індуктивне накопичення енергії Бак-перетворювач 62 верхній комутаційний елемент бак-конвертора 63 нижній комутаційний елемент бак-перетворювача 101 зразковий вигляд напруги форма підключення до мережі 102 напруга перетину нуля (зміна полярності sel)
ЦИТИ, ВХІДНІ В ОПИС
Цей список документів, перерахованих заявником, був сформований автоматично і включений виключно для кращої інформації читача. Список не є частиною німецької заявки на патент чи корисну модель. DPMA не несе відповідальності за будь-які помилки або упущення.
- DE 202008014919 U1 [0006]