Полное использование альтернативных источников электроэнергии с помощью инверторной онлайн системы

Анализируя практические реализации систем бесперебойного питания, заметил, что часто создаются системы, похожие на онлайн ИБП. И это дает некие неожиданные свойства, например возможность более полно использовать альтернативные источники энергии. Предлагаю в этой теме обсудить как это свойство, так и в целом онлайн инверторные системы. Свои мысли я приведу далее.

 

Альтернативные источники энергии, такие как солнечные батареи и ветрогенераторы, в настоящее время широко распространены. Однако электроэнергия, получаемая от них, весьма недешева. Поэтому, при использовании альтернативных источников энергии, важно полностью использовать их возможности по выработке энергии. Одним из важных факторов, ограничивающих эти возможности, является то, что обычно альтернативные источники энергии применяются совместно с традиционными, такими как бытовая сеть и генераторы. Однако системы бесперебойного автономного или резервного питания, позволяющие использовать полностью эту энергию совместно с сетью или другими источниками энергии, на сегодняшний день собираются на специализированном оборудовании (гибридные батарейно-сетевые инверторы), поэтому весьма дороги и нераспространены. В данной же статье предлагается построение такой системы на основе онлайн модульной инверторной системы, собираемой из широко распространенных и доступных блоков. А также анализ работы системы в различных режимах.

Автономная или резервная система бесперебойного питания может работать в 2-х режимах: с использованием дополнительных источников электроэнергии ~220В или без них. Полное использование альтернативных источников энергии- это их использование в обоих режимах.

Рассмотрим состав онлайн инверторной системы для полного использования альтернативных источников электроэнергии, схема которой приведена на рис. 1.

 

Дык такую схему я уже тут как-то выкладывал...
Но при питании от сети будут потери на преобразованиях

 

А в чем фишка? Схема известная, ничего нового в ней нет. И не обязательно должна быть online зарядка от сети. Важно, как реализованы режимы работы различных элементов этой схемы и как они взаимодействуют друг с другом. Каким образом в вашей схеме реализован приоритет заряда АБ от ВИЭ? Только по напряжению на АБ?

Простота не всегда оправдывает себя. Потери online системы существенны - от 5 до 30%, плюс циклирование АБ.

 

Основными ее элементами являются источник питания, также выполняющий функцию зарядного устройства, и обычный батарейный инвертор. Эти устройства являются широко распространенными на рынке, поэтому весьма дешевы. Связь между этими элементами по постоянному току является шиной постоянного тока, куда подключаются накопитель энергии (АКБ), а также выходы преобразователей (контроллеров) источников альтернативной энергии.
Принцип работы системы аналогичен онлайн ИБП, с добавлением возможности заряда от альтернативных источников энергии. Рассмотрим работу системы в обоих режимах: с использованием дополнительных источников переменного напряжения (сеть, генератор) и без них. Для понимания процессов необходимо предварительно обратить внимание на особое свойство системы с шиной постоянного тока в отличие от систем, построенных на объединении устройств по сети переменного тока – автоматическое сложение мощностей разных источников с обеспечением приоритета. А именно это и нужно для полного использования альтернативных источников электроэнергии. Рассмотрим это свойство более подробно. Пусть есть два источника постоянного тока с ограничением напряжения на каких-либо разных пороговых уровнях, работающие на общую шину. Такими источниками как раз и являются в системе источник питания и контроллер альтернативных источников электроэнергии. В зависимости от напряжения на шине постоянного тока возможны 3 варианта: напряжение на шине ниже порогов, напряжение между порогами, напряжение выше порогов. В первом варианте используется энергия обоих источников тока, во втором- только одного, более приоритетного, в третьем нет использования энергии. Получается, что источник питания с более высоким напряжением будет иметь приоритет. Данная схема работоспособна и при подключении к шине накопителя- АКБ, и может практически не влиять на процесс его заряда, если разница между порогами зарядных источников незначительна по отношению к общему напряжению шины.
При работе системы в режиме без дополнительных источников переменного напряжения
источниками энергии являются альтернативный источник энергии и АКБ. Приоритет использования энергии определяется напряжением на шине и настраивается с помощью порога ограничения напряжения заряда контроллера альтернативного источника энергии. Настройка производится на уровне выше напряжения, при котором начинается разряд АКБ. При таких настройках альтернативный источник энергии имеет приоритет и используется всегда, осуществляя питание инвертора и заряд АКБ, кроме тех случаев, когда эти потребители не требуют энергии- АКБ полностью заряжен и к инвертору не подключена нагрузка.
При работе же системы с использованием дополнительных источников электроэнергии ~220В, имеются 3 источника энергии: источник питания, альтернативный источник энергии, АКБ. Приоритет использования энергии в этом случае должен иметь опять же альтернативный источник энергии, и это обеспечивается выбором для него самого высокого порога ограничения напряжения. Источник питания должен иметь приоритет ниже, чем альтернативный источник энергии, но выше, чем разряд АКБ, и это осуществляется соответствующим выбором его порога ограничения напряжения. Таким образом, и в этом случае обеспечивается полное использование альтернативной энергии.
В заключение, отметим преимущества и недостатки подобной системы.
Преимущества:

1. Полное использование альтернативной электроэнергии.
2. Высокое качество электроэнергии на выходе, не зависящее от качества входной электроэнергии (онлайн принцип).
3. Работа в режиме увеличения мощности сети за счет запасания энергии в АКБ.
4. Модульный принцип дает гибкость в построении системы. Возможность смасштабировать систему под конкретную задачу. Например, при подзаряде АКБ от генератора, включаемого кратковременно, может требоваться мощность зарядного устройства значительно больше мощности инвертора. И наоборот, для кратковременной работы мощных нагрузок (например электроинструмент) требуется мощный инвертор относительно зарядного устройства. Готовые системы не имеют такой гибкости.
5. Построение из стандартных модулей дает дешевизну.

Недостатки:
1. Пониженный КПД из-за нескольких преобразований мощности. Данный недостаток не является определяющим, потому что
1) Существует не во всех режимах. Например в системах с накоплением энергии в АКБ принципиально невозможно уменьшить это количество преобразований энергии.
2) Преобразования энергии происходят с помощью стандартной импульсной техники. А данная отрасль развита настолько, что любой блок системы может быть найден на рынке с достаточной для практики эффективностью, это вопрос цены а не теоретической возможности.
2. Нет готовых решений. Необходим подбор составляющих системы под требуемые параметры.
3. Для некоторых вариантов построения системы нет готовых комплектующих. Например, если максимальные токи зарядного устройства и альтернативного источника энергии велики относительно емкости АКБ, требуется управлять мощностью этих устройств, чтобы не превысить зарядные токи в некоторых случаях. То есть может потребоваться некий внешний контроллер системы, управляющий потоками мощности между компонентами, а на рынке нет таких специализированных устройств.

 

Что же неожиданного в этом свойстве? Все давно известно.
Так работает любая система, построенная из отдельных блоков (сетевое ЗУ, инвертор, контроллеры заряда от СБ и ВГ) в которой используются СБ и ВГ и есть возможность подключения к сети.
На форуме на это неоднократно обращали внимание противники использования "комбайнов" (типа того же МАПа).
Вот схема моей системы (без ВГ, так как он пока простаивает за ненадобностью, МАП используется в качестве инвертора):


Обеспечено полное использование энергии СБ.
Обеспечить приоритет использования альтернативных источников проще простого. Достаточно использовать "слабосильное" сетевое ЗУ, имеющее ограничение выходного тока.
У пользователя такой системы если не сразу, то со временем обязательно, возникнет вопрос о сбалансированности различных ЗУ при изменении температуры АКБ.

 

Устройство с балластом TriStrar выполняет роль утилизатора энергии при полной зарядке батарей ? Очень хочется использовать излишки энергии на обогрев, но никак не могу придумать схему. Если в указанной выше схеме Weis'a это работает именно так, то буду считать, что нашел)

 

Да.
В качестве балласта используете ТЭН и греете что пожелаете (методика расчета есть в документации на контроллер).
У меня греется воздух

 

расскажите поподробнее насчет циклирования АКБ. В данной системе не предполагается использование энергии аккумулятора кроме случаев, когда не сходится баланс мощностей. Т. е. аккумулятор используется не больше, чем в других топологиях

 

уточню) Утилизируется ли энергия, поступающая от солнечной установки? или только от ветрогенератора? Просто в случае полного заряда батарей MPPT ограничивает зарядный ток, а своего балласта у устройства нет. Соответственно он не отдает ток на аккумуляторы (и на другое устройство, соответственно) к тому-же он не может отдать мощность больше 48в*60 (ограниченно автоматом)=2880 вт.

Если не сложно проясните)

 

1. Утилизуются излишки энергии, поступающей от любого источника зарядного тока.
2. Да кто ж ему даст ограничить?
МРРТ контроллер всегда работает в режиме "MPPT" (его настройки по напряжению слегка превышают настройки ШИМ контроллера), а режимы зарядки АКБ обеспечивает ШИМ контроллер, сбрасывая излишки на балласт.
3. У ШИМ контроллера так же есть ограничение по выходному току.

 

В общем случае неверно. Как показано в статье, для создания приоритета одного из источников энергии, необходимо обеспечивать определенные соотношения порогов ограничения напряжения.

 

О как
А ток вроде как и ни причем?
Что произойдет с напряжением АКБ, когда мощности ЗУ не хватит для питания нагрузки и поддержки АКБ одновременно?
Хоть в общем, хоть в частном случае оно "просядет".
Откуда возьмется необходимая для питания нагрузки мощность?
От альтернативных источников, если они в это время способны ее выдать, либо от АКБ.
Вот и все приоритеты.

Если мощность ЗУ от внешней сети меньше, чем средняя мощность нагрузки, имеющейся во время отсутствия энергии от альтернативных источников, то это приведет к тому самому циклированию АКБ, о котором говорил Leo2.

В статье немало фраз, которые при внимательном прочтении вызывают по меньшей мере недоумение.

Вот например абзац "ни о чем":
"При работе системы в режиме без дополнительных источников переменного напряжения
источниками энергии являются альтернативный источник энергии и АКБ. Приоритет использования энергии определяется напряжением на шине и настраивается с помощью порога ограничения напряжения заряда контроллера альтернативного источника энергии. Настройка производится на уровне выше напряжения, при котором начинается разряд АКБ. При таких настройках альтернативный источник энергии имеет приоритет и используется всегда, осуществляя питание инвертора и заряд АКБ, кроме тех случаев, когда эти потребители не требуют энергии- АКБ полностью заряжен и к инвертору не подключена нагрузка."

При отсутствии источников переменного напряжения вопрос приоритета вообще возникнуть не может, так как выбора (а следовательно и приоритета) просто нет.

Что значит "Настройка производится на уровне выше напряжения, при котором начинается разряд АКБ"?
А как еще можно настроить контроллер заряда от альтернативного источника энергии?
У АКБ есть рекомендованные изготовителем режимы зарядки, где присутствуют режимы заряда, насыщения, выравнивания, поддержки. При любом из режимов напряжение выше чем напряжение при котором начинается разряд АКБ.
Ну и как его настраивать?

Дальше не легче:
"При работе же системы с использованием дополнительных источников электроэнергии ~220В, имеются 3 источника энергии: источник питания, альтернативный источник энергии, АКБ. Приоритет использования энергии в этом случае должен иметь опять же альтернативный источник энергии, и это обеспечивается выбором для него самого высокого порога ограничения напряжения. Источник питания должен иметь приоритет ниже, чем альтернативный источник энергии, но выше, чем разряд АКБ, и это осуществляется соответствующим выбором его порога ограничения напряжения. Таким образом, и в этом случае обеспечивается полное использование альтернативной энергии."

Снова о пресловутых порогах ограничения напряжения источников.
Ну давайте подумаем вместе, оно нам надо?
Вариант 1.
Допустим нагрузки нет, ну совсем нет, так уж получилось. И альтернативные источники по какой-либо причине не работают.
Сможет источник питания (терминология из статьи) обеспечить полную зарядку (с режимами насыщения и выравнивания) АКБ?
Нет, не сможет из-за этого самого порога ограничения напряжения.
Значит недозаряд.
Не хорошо. Верно?

Вариант 2.
Нагрузка есть и она меньше чем мощность источника питания. Альтернативные источники не работают.
В этом случае источник питания обеспечивает питание нагрузки.

Вариант 3.
Нагрузка есть и она больше чем мощность источника питания. Альтернативные источники не работают. Циклирование АКБ.
Питание нагрузки осуществляется от источника питания (работающего на своем пределе по току) и АКБ. Без возможности последующего полного заряда АКБ (из-за того самого "порога")

Вариант 4.
Нагрузка есть. Альтернативные источники работают.
Самый интересный случай.
Каким прикажете выставить этот самый "порог ограничения напряжения" для источника питания и контроллера альтернативных источников? С какой точность (миливольты, микровольты)? Как заставить разные ЗУ одинаково отрабатывать температурную компенсацию?
На практике достаточно настроить каждое из ЗУ на конкретный имеющийся в системе тип АКБ, без всяких "порогов" (иначе рискуем получить недозаряд АКБ, писал выше).

Таким образом только при варианте 2 "порог ограничения напряжения" не влечет за собой негативных последствий.

 

Ну как же нет?
Если только именно "специализированных", а универсальные есть.
TS60 в режиме Diversion Load что делает?
Сбрасывает "излишки" энергии на ТЭН.
Что это как не управление потоками мощности?
Оно самое и есть.

Показано?
Да.

Целесообразно?
Нет.

Обеспечивается ли описанной схемой полное использование энергии альтернативных источников при любых условиях?
Нет.

 

Weis, спасибо за мысли в топе.

Целый поток критики. Однако важно отметить, что статья является лишь некоторой теоретической вводной, а ваши замечания относятся уже к неким практическим реализациям, которые в статье и не рассматриваются. Конечно, практические вопросы требуют рассмотрения в данной теме, но надо разделить как-то теорию и практику. Поясню по некоторым вопросам

Это лишь один из возможных сценариев. Другой вариант, если при проектировании системы заложить мощность источника питания больше мощности нагрузки, то использования энергии АКБ можно избежать при наличии сети

здесь идет разговор о двух источниках: АКБ и альтернативный источник энергии. Выбор между ними существует и возможны 3 варианта: использование энергии АКБ, использование альтернативного источника энергии и использование обоих источников.