Министерство высшего и среднего специального образования республики узбекистан ташкентский государственный технический

 
Система№2. Схема без аккумуляторной батареи с вводом основной 
сети. 
Основными компонентами являются: 
1. Ветряная турбина 
2. Солнечные панели (не обязательно) 
3. Система управления 
4. Инвертор 
5. Подключение основной электрической сети 
Рис.4.2. Схема без аккумуляторной батареи с вводом основной сети 

---

52 
В этой системе генерируемая мощность непосредственно преобразуется в 
питающее напряжение, для домашних электроприборов. Аккумуляторные ба-
тареи в схеме отсутствуют. Как и в первом случае имеется опция запуска гене-
ратора. 
Система №3. Схема без ввода основной сети. 
Основными компонентами являются:
1. Ветряная турбина. 2. Солнечные панели (не обязательно). 3. Систе-
ма управления. 4. Инвертор. 
5. Аккумуляторные батареи. 
Рис. 4.3. Схема без ввода основной сети 
В данной схеме отсутствует подключение основной электрической сети, 
все электроприборы и аккумулятор питаются от ветротурбин и солнечных па-
нелей. 

---

53 
4.2. Сравнительный анализ схем комбинированных электростанций 
и их присоединения к центральным электрическим сетям 
Сравнительный анализ схем автономных электростанции и их присоеди-
нения к центральным электрическим сетям, использующих установки возоб-
новляемой энергетики показывает, что модульные схемы электростанций, поз-
воляют суммировать и распределять потоки энергии от генерирующих источ-
ников и реализовывать эффективные методы управления этими процессами.
К числу наиболее перспективных направлений повышения энергетиче-
ской эффективности локальных систем электроснабжения относятся использо-
вание в энергетическом балансе регионов возобновляемых источников энергии 
(ВИЭ) и оптимизация режимов работы основного энергетического оборудова-
ния. Так как для потребителей электроэнергии децентрализованных зон необ-
ходим гарантированный источник питания, наиболее целесообразными вариан-
тами автономных систем представляются фотоэлектрические, ветродизельные 
и ветрофотодизельные энергетические установки.
Большинство находящихся в эксплуатации и предлагаемых на рынке ав-
тономных энергетических систем, использующих ВИЭ, являются технически 
законченными изделиями, адаптированными под строго определенный тип 
энергетического оборудования, не допускающими возможности расширения их 
функциональных возможностей и наращивания
мощностей за счет подключе-
ния новых генерирующих источников. Это обусловлено главным образом су-
щественным различием основных технических показателей генерируемой ВИЭ 
электроэнергии, такими, как род тока, частота и значение выходного напряже-
ния.
Отсутствие на рынке возобновляемой энергетики универсальных 
устройств, обеспечивающих возможность объединения в рамках единой энер-
гетической системы разнотипных энергетических установок с эффективным 
управлением режимами работы, негативно отражается на развитии малой энер-
гетики, поэтому их создание является актуальной задачей.

---

54 
Возможны разные варианты сопряжения ДЭС, ветроэнергетических уста-
новок (ВЭУ) и фотоэлектрических установок (ФЭУ) при работе на общего по-
требителя, которые могут значительно различаться как по составу используе-
мого электрооборудования, так и по технико-экономическим характеристикам.
На рис. 4.4 представлен распространенный вариант схемы гибридной 
электростанции, использующей ВИЭ, где источники подключаются непосред-
ственно к распределительной сети объекта без промежуточного преобразования 
электроэнергии. Система управления станцией при этом должна обеспечивать 
не только стратегию регулирования мощностей ДГ, ФЭУ и ВЭУ, но и синхро-
низацию запуска агрегатов и их дальнейшую синхронную работу.
Рис.4.4. Схема гибридной электростанции с непосредственным подключени-
ем генерирующих установок к распределительной сети объекта электроснабже-
ния. 
1 - Ветроэнергетическая установка; 2 – ветротурбина; 3- редуктор-
мультипликатор; 4, 14 – синхронные электромашинные генераторы; 5, 15 – 
устройства плавного пуска; 6, 16 – регуляторы тока возбуждения синхронных ге-

---

55 
нераторов; 7 – блок балластных нагрузок; 8 – компенсатор реактивной мощности; 
9 – фотоэлектрическая установка; 10- солнечная панель; 11 – импульсный преоб-
разователь постоянного напряжения в переменное (инвертор); 12 – дизель-
генератор; 13 – дизельный двигатель; 17 – шина переменного тока 220/380 В, 50 
Гц; 18 – потребители 220/380 В; 19 – силовой повышающий трансформатор; 20 – 
потребители 6 или 10 кВ; 21 – объект децентрализоанного электроснабжения; 22 – 
двунаправленный преобразователь переменного напряжения в постоянное; 23 – 
блок аккумуляторных батарей; 24 – буферный накопитель электроэнергии; 
 
Рассматриваемая система автономного электроснабжения проста для реа-
лизации, что позволяет легко масштабировать ее, устанавливая, например, не-
сколько ВЭУ. Благодаря отсутствию дополнительных преобразованииэлектро-
энергии обеспечивается высокий КПД энергетической системы в целом. Одна-
ко данный способ построения системы требует наличия на выходах электриче-
ских генераторов заданных, одинаковых и постоянных значений напряжения и 
частоты сети, что предполагает применение ВЭУ со сложными системами 
аэродинамической стабилизации частоты вращения ветроколеса и мультипли-
катором или с использованием асинхронной машины с фазным ротором при 
соответствующем ее управлении от сетевого инвертора.
Подобные ВЭУ подходят для большой ветроэнергетики, но находят 
крайне ограниченное применение при построении малых энергетических си-
стем ввиду большой стоимости установок. В настоящее время в малой ветро-
энергетике преимущественное распространение получили безредукторные кон-
струкции ВЭУ с многополюсными электрическими генераторами на постоян-
ных магнитах, работающими при переменной частоте вращения ветроколеса, 
что обеспечивает высокую эффективность использования первичной энергии 
воздушного потока при относительно невысокой стоимости установки. Но при 
этом для каждой ветроэнергетической установки необходим индивидуальный 
преобразователь, построенный по схеме выпрямитель-инвертор. Помимо это-
го
требуются индивидуальный инвертор для каждой ФЭУ, включаемой в состав 
автономной энергосистемы, и двунаправленный преобразователь постоянного 
напряжения в переменное для буферного накопителя электроэнергии, который 

---

56 
в большинстве практических случаев выполняется на базе аккумуляторных ба-
тарей.
Рис.4.5. Схема гибридной электростанции с подключением генерирующих 
установок к промежуточной шине постоянного тока ( и при смешанном подклю-
чении). 
1 - Ветроэнергетическая установка; 2 – ветротурбина; 3, 11, 15 – синхронные 
электромашинные генераторы; 4, 12 – управляемые выпрямители; 5 – блок бал-
ластных нагрузок; 6 – фотоэлектрическая установка; 7- солнечная панель; 8 – кон-
вертор напряжения; 9, 13 – дизель генераторы; 16 – устройство плавного пуска; 17 
– регулятор тока возбуждения; 18 – шина постоянного тока; 19 – инвертор напря-
жения; 20 – буферный накопитель электроэнергии; 21 – двунаправленный импуль-
сный преобразователь; 22 – блок аккумуляторных батарей; 23 – шина переменного 
тока 220/380 В, 50 Гц; 24 – потребители 220/380 В; 25 – силовой повышающий 
трансформатор; 26 – потребители 6 или 10 кВ; 27 – объект децентрализованного 
электроснабжения; 
Указанные недостатки отсутствуют в варианте сопряжения, показанном в 
схеме на рис. 4.5. Несмотря на более сложную структуру энергетического ком-

---

57 
плекса (но, учитывая, что стоимость силовой электроники с каждым годом 
снижается, а ее удельная мощность растет [18]), данная схема имеет большие 
преимущества по сравнению с рассмотренной выше: не нужно согласовывать 
между собой режимы работы ВЭУ, ФЭУ и ДГ, что позволяет управлять этими 
агрегатами исходя из требуемых критериев оптимальности; система легко мас-
штабируется; достаточно просто решаются задачи электромагнитной совме-
стимости; благодаря питанию потребителей от общего автономного инвертора 
обеспечивается высокое качество отпускаемой электрической энергии; значи-
тельно упрощены схемы преобразователей для подключения ФЭУ и накопителя 
энергии, возможно включение в
состав системы (через управляемый выпрями-
тель) ВЭУ с переменной частотой вращения.
Помимо указанного в схеме станции с вставкой на постоянном токе мож-
но использовать перспективные ДЭС инверторного типа [12, 13], что позволяет 
значительно экономить дорогостоящее дизельное топливо. Кроме того, из-за 
высокого КПД силовой электроники потери мощности, связанные с двойным 
преобразованием электроэнергии силовыми конверторами и инверторами, не-
значительны. Данный вариант гибридных энергетических комплексов нашел 
широкое распространение (особенно за рубежом) при малых и средних мощно-
стях (1 — 100 кВт).
В последнее время появился ряд работ, где рассматривается возможность 
построения энергетического комплекса посредством вспомогательной шины, 
работающей на высокой частоте (единицы кГц) [14]. Вариант гибридной элек-
тростанции, основанный на данном способе сопряжения энергетических уста-
новок, показан на рис. 4.6. Следует отметить, что данный способ широко ис-
пользуется при создании сетей электроснабжения воздушных и космических 
летательных аппаратов. Он позволяет минимизировать количество реактивных 
элементов в системе, уменьшить массогабаритные показатели и соответственно 
снизить стоимость. Но из-за геометрической разобщенности отдельных агрега-
тов (ВЭУ, ФЭУ, ДГ и др.) при использовании данной схемы возникает ряд про-

---

58 
блем, связанных с потерями мощности во вспомогательной сети, электромаг-
нитной совместимостью и др.
Рис.4.6. Схема гибридной электростанции с подключением генерирующих 
установок через высокочастотную шину переменного тока. 
1 - Ветроэнергетическая установка; 2 – ветротурбина; 3, 11 – синхронные элек-
тромашинные генераторы; 4, 12, 14 – статические преобразователи частоты; 5 – 
блок балластных нагрузок; 6 – фотоэлектрическая установка; 7- солнечная панель; 
8 – конвертор напряжения; 9 – дизель генераторы; 10 – дизельный двигатель; 13 – 
шина переменного тока высокой частоты; 15 – буферный накопитель электроэнер-
гии; 16 – двунаправленный импульсный преобразователь; 17 – блок аккумулятор-
ных батарей; 18 – шина переменного тока 220/380 В, 50 Гц; 19 – потребители 
220/380 В; 20 – силовой повышающий трансформатор; 26 – потребители 6 или 10 
кВ; 21 – потребители 6 или 10 кВ; 22 – объект децентрализованного электроснаб-
жения; 
Сравнительный анализ схем автономных электростанций показал, что 
наиболее перспективным вариантом сопряжения разнотипных энергетических 
установок в одной энергетической системе является использование промежу-
точной вставки постоянного тока. В этом случае гибридный энергетический 
комплекс строится по агрегатному принципу, легко масштабируется и при 
необходимости перестраивается. Кроме того,
можно унифицировать структуру 

---

59 
и конструкцию электронных силовых преобразователей. Используя модульный 
принцип их построения, проще разработать линейку преобразователей на мо-
дельный ряд мощностей. Применение вставки постоянного тока позволяет бо-
лее просто суммировать и распределять потоки энергии от генерирующих ис-
точников и реализовывать эффективные алгоритмы управления этим процес-
сом.
Структурная схема системы автономного электроснабжения с вставкой 
постоянного тока приведена на рис. 4.7. Данная система состоит из отдельных 
генерирующих силовых агрегатов СА
1
, ..., СА
n
, количество которых в общем 
случае может быть произвольным. Каждый агрегат включает в себя соответ-
ствующую энергетическую установку ЗУ
1
, ..., ЭУ
n
, построенную на том или 
ином физическом принципе, и управляемый статический преобразователь 
Пр
1
..., Пр
n
. В качестве энергетических установок могут использоваться ВЭУ, 
солнечные модули, ДГ, работающие как при постоянной, так и при переменной 
частоте вращения вала дизельного двигателя. Управляемый преобразователь 
для каждого типа энергетической установки — свой, например, для ВЭУ и ДГ 
— управляемый повышающий выпрямитель, а для фотоэлектрических модулей 
— управляемый конвертор.
Рис.4.7. Структурная схема системы автономного электроснабжения с 
вставкой постоянного тока. 

---

60 
, …, – токи силовых агрегатов; – ток нагрузки; – ток буферного 
накопителя энергии; 
– напряжение на шине постоянного тока. 
Будем считать, что система управления каждого силового агрегата долж-
на обеспечивать его подключение к общей шине постоянного тока ШПТ, а так-
же выполняет функцию максимума отбора мощности. Нагрузка
Н представлена в виде потребителя П, получающего электроэнергию с 
требуемыми параметрами через трехфазный управляемый автономный инвер-
тор напряжения АИН. Система управления инвертора должна обеспечивать не-
обходимое качество электроэнергии, а также содержать элементы защиты от 
аварийных режимов работы. В общем случае количество блоков Н в системе 
может быть произвольным, также, как и потребителей непосредственно под-
ключенных к вставке постоянного тока.
Все основные функции распределения и управления потоками энергии в 
рассматриваемой энергетической системе реализует система буферного нако-
пителя электроэнергии БНЭ. Она осуществляет отбор мощности в накопитель в 
моменты ее избытка и отдачу мощности при ее нехватке в системе, обеспечивая 
оптимальные режимы заряда/разряда первичных накопителей энергии (целесо-
образный тип первичных накопителей в данной статье не рассматривается) и 
контроль их текущей емкости. Здесь система БНЭ не только выполняет роль 
накопителя как такового, но и обеспечивает управление потоками мощности.
Важным достоинством предлагаемой схемы гибридной электростанции 
является возможность существенного расширения функций системы буферного 
накопления энергии при введении в систему управления входных сигналов о 
текущих скоростях ветра (с ВЭУ) и интенсивности солнечной радиации (с 
ФЭУ). В этом случае система управления БНЭ выдает выходные управляющие 
сигналы на преобразователи силовых агрегатов, обеспечивающие режим отбора 
максимальной мощности с энергетических установок. При использовании в со-
ставе энергетического комплекса ДЭС “инверторного” типа из системы управ-
ления БНЭ поступает управляющий сигнал на исполнительный механизм 

---

61 
управления положением рейки топливного насоса, обеспечивая оптимизацию 
режимов работы ДГ по критерию минимума расхода топлива.
Данный набор функций может быть реализован путем установки в систе-
ме БНЭ соответствующих дополнительных модулей расширения (при наличии 
технической возможности управления выходной мощностью генерирующих 
силовых агрегатов). За счет дополнительных модулей система получает и обра-
батывает информацию об условиях окружающей среды с метеорологического 
комплекса, рассчитывает в режиме реального времени оптимальные значения 
текущих нагрузок для каждого генерирующего силового
агрегата исходя из 
принципа максимума отбора мощности и вырабатывает управляющие воздей-
ствия для каждого преобразователя генерирующего источника.
Таким образом, построенная по изложенным выше принципам схема ав-
тономной электростанции имеет возможности:
включения в состав системы любой автономной энергетической установ-
ки независимо от установленного силового оборудования;
программной конфигурации системы накопления энергии под конкрет-
ный энергетический комплекс путем подключения к системе управления БНЭ 
персонального компьютера при выполнении данной операции;
управления перетоками энергии не только между системой и БНЭ, но и 
между всеми энергетическими установками и нагрузкой (если позволяет уста-
новленное оборудование);
эффективного использования потенциала ВЭУ путем установки дополни-
тельных модулей для сбора информации об условиях окружающей среды и вы-
работки управляющих воздействий с целью управления энергетическими уста-
новками комплекса.