СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ СТАТИЧЕСКИМИ СТАБИЛИЗИРОВАННЫМИ ИСТОЧНИКАМИ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ, РАБОТАЮЩИМИ ПАРАЛЛЕЛЬНО НА ОБЩУЮ НАГРУЗКУ
METHOD TO CONTROL STATIC STABILISED SOURCES OF AC VOLTAGE OPERATING IN PARALLEL FOR COMMON LOAD

Изобретение относится к области электротехники и силовой электроники и может быть использовано при построении систем генерирования электрической энергии переменного тока или систем гарантированного электропитания, в которых для достижения качественных показателей выходной энергии применяются статические преобразователи электрической энергии. Первичными источниками с нестабильными параметрами входной энергии в таких системах может служить сеть промышленной частоты с выпрямителем, синхронный генератор с переменной скоростью вращения вала с выпрямителем или источник постоянного напряжения: аккумуляторная батарея, топливный элемент или солнечная батарея. Функция обеспечения качественных показателей генерируемой электрической энергии возлагается на статический преобразователь и выходной силовой низкочастотный фильтр.
Для повышения мощности и надежности системы электропитания источники включаются параллельно на общую нагрузку. При этом возникает задача распределения (равномерно при одинаковой номинальной мощности или пропорционально номинальной мощности источников при разной мощности источников) тока нагрузки между параллельно работающими источниками.
Известен способ управления статическими стабилизированными источниками переменного напряжения, работающими параллельно на общую нагрузку [Патент РФ №2379812, H02J 3/46, Н02М 7/48, Н02М 7/493, Н02М 7/5387. Способ управления статическими стабилизированными источниками переменного напряжения, работающими параллельно на общую нагрузку /Н.И.Бородин, С.А.Харитонов. - Опубл. БИ №2, 2010 г.], состоящий в том, что измеряют мгновенные значения общего напряжения и для каждого источника измеряют мгновенные значения выходных токов, формируют эталонный сигнал амплитуды, формируют эталонный сигнал фазы, формируют сигналы, пропорциональные амплитуде и фазе общего напряжения, измеряют активные и реактивные составляющие токов источника, для каждой составляющей формируют разностные напряжения активных и реактивных составляющих токов как разность соответствующих составляющих токов только двух источников, а именно разность составляющих токов данного и другого источников или разность составляющих токов других источников, причем каждая разность при формировании соответствующих суммарных сигналов используется только один раз, разностное напряжение активных составляющих токов суммируют с сигналом, пропорциональным амплитуде выходного напряжения источника, формируют сигнал сравнения амплитуды путем интегрирования разности эталонного сигнала амплитуды и суммарного сигнала, соответствующего разности активных составляющих токов, пропорционально сигналу сравнения амплитуды формируют амплитуду управляющего напряжения, разностное напряжение реактивных составляющих токов суммируют с сигналом, пропорциональным фазе выходного напряжения источника, формируют сигнал сравнения фазы путем интегрирования разности эталонного сигнала фазы и суммарного сигнала, соответствующего разности реактивных составляющих токов, пропорционально которому формируют фазу управляющего напряжения.
Данный способ управления принципиально обладает недостаточной точностью заданного распределения тока нагрузки между параллельно работающими источниками из-за возможных разбросов значений эталонных сигналов амплитуды и фазы источников в допустимых со стороны нагрузки пределах. При одинаковой номинальной мощности параллельно работающих источников ток нагрузки при таком способе управления будет распределяться между ними неравномерно. При параллельной работе источников разной номинальной мощности и возможных разбросах эталонных сигналов будет нарушаться пропорциональность номинальной мощности источников при распределении тока нагрузки между ними.
Кроме того, известен способ управления статическими стабилизированными источниками переменного напряжения, работающими параллельно на общую нагрузку [Патент РФ №2380820, Н02М 5/297, Н02М 7/493, Н02Р 13/00. Способ управления статическими стабилизированными источниками переменного напряжения, работающими параллельно на общую нагрузку/ Н.И.Бородин, С.А.Харитонов. - Опубл. БИ, №3, 2010 г.], который является прототипом предлагаемого изобретения и заключается в том, что измеряют мгновенные значения общего напряжения и для каждого источника мгновенные значения выходных токов, мгновенные значения общего напряжения и выходного тока каждого источника преобразуют из трехфазной abc-системы координат во вращающуюся с постоянной частотой Ω двухфазную dq-систему координат, формируют эталонные сигналы для d- и q-составляющих общего напряжения источников, формируют сигналы, пропорциональные d- и q-составляющим общего напряжения, формируют сигналы, пропорциональные d- и q-составляющим токов источников, для каждого источника формируют первый разностный сигнал путем вычитания d-составляющих токов источников и второй разностный сигнал путем вычитания q-составляющих токов источников, причем указанные первый и второй разностные сигналы формируют, соответственно, как разность d- или q-составляющих токов только двух источников, а именно разность составляющих токов данного и другого источников или разность составляющих токов других источников, причем каждая разность при формировании соответствующих разностных сигналов используется только один раз, первый разностный сигнал суммируют с сигналом, пропорциональным d-составляющей выходного напряжения, второй разностный сигнал суммируют с сигналом, пропорциональным q-составляющей выходного напряжения, формируют первый сигнал сравнения путем интегрирования разности эталонного сигнала для d-составляющей напряжения источника и суммарного сигнала, соответствующего разности d-составляющих токов источников, и второй сигнал сравнения путем интегрирования разности эталонного сигнала для q-составляющей напряжения источника и суммарного сигнала, соответствующего разности q-составляющих токов источников, формируют d- или q-составляющие управляющего сигнала пропорционально сигналам сравнения, формируют амплитуду и фазу модулирующих сигналов обратным преобразованием d- и q-составляющих управляющего сигнала из двухфазной dq-системы координат в трехфазную abc-систему координат.
Для этого способа управления установившийся режим работы каждого i-го источника описывается следующей системой уравнений, представляющих собой равенство нулю алгебраической суммы входных токов интеграторов d- и q-составляющих:
где ,  - приведенные относительные эталонные сигналы соответствующих параметров выходного напряжения;
, - относительные значения стабилизируемых параметров выходного напряжения;
,  - относительные составляющие токов источников;
,  - приведенные коэффициенты, характеризующие долю сигналов, распределяющих токи источников, в результирующем управляющем сигнале по отношению к сигналам, стабилизирующим параметры напряжения на нагрузке;
Нном
Нном,
Нном
U, IZ - номинальные действующие значения напряжения и тока нагрузки и модуль номинального значения сопротивления нагрузки;
N - число источников, работающих параллельно;
i=1, 2, …, N - порядковый номер источника.
Просуммируем уравнения (1) для d- и для q-составляющих для всех N источников. В результате получим:
При одинаковых значениях номинальной мощности источников и соответственно одинаковых коэффициентах пропорциональности всех  всех  выражения (2) преобразуются к виду:
Просуммируем уравнения (1) d- и q-составляющих для j-ro и (j+1)-го источников одинаковой номинальной мощности с учетом выражения (3). В результате получим:
Выражения (4) показывают, что разница d- и q-составляющих токов источников при их одинаковой номинальной мощности определяется разницей соответствующих эталонных сигналов. При возможных разбросах значений эталонных сигналов d- и q-составляющих выходных напряжений источников в допустимых со стороны нагрузки пределах разница d- и q-составляющих токов источников будет конечной и отличной от нуля.
Данный способ управления, как и предыдущий, обладает недостаточной точностью заданного распределения тока нагрузки между параллельно работающими источниками из-за возможных разбросов значений эталонных сигналов d- и q-составляющих выходных напряжений источников.
При одинаковой номинальной мощности параллельно работающих источников ток нагрузки при таком способе управления будет распределяться между ними неравномерно. При параллельной работе источников разной номинальной мощности и возможных разбросах эталонных сигналов будет нарушаться пропорциональность номинальной мощности источников при распределении тока нагрузки между ними.
Задача изобретения заключается в повышении точности заданного распределения тока нагрузки между параллельно работающими источниками пропорционально номинальной мощности каждого источника.
Это достигается тем, что в известном способе управления статическими стабилизированными источниками переменного напряжения, работающими параллельно на общую нагрузку, заключающемся в том, что измеряют мгновенное значение общего напряжения и для каждого источника мгновенные значения выходных токов, мгновенные значения общего напряжения и выходного тока каждого источника преобразуют из трехфазной abc-системы координат во вращающуюся с постоянной частотой Ω двухфазную dq-систему координат, формируют эталонные сигналы для d- и q-составляющих общего напряжения источников, формируют сигналы, пропорциональные d- и q-составляющим общего напряжения, формируют сигналы, пропорциональные d-и q-составляющим токов источников, для каждого источника формируют первый разностный сигнал и второй разностный сигнал, первый сигнал сравнения и второй сигнал сравнения путем интегрирования соответствующих первого и второго разностных сигналов, формируют d- и q-составляющие управляющего сигнала пропорционально сигналам сравнения, формируют амплитуду и фазу модулирующих сигналов обратным преобразованием d- и q-составляющих управляющих сигналов из двухфазной dq-системы координат в трехфазную abc-систему координат, один из параллельно работающих источников выбирают ведущим а остальные - ведомыми, причем первый разностный сигнал ведущего источника формируют путем вычитания сигнала, пропорционального d-составляющей общего напряжения, из эталонного сигнала для d-составляющей общего напряжения, второй разностный сигнал ведущего источника формируют путем вычитания сигнала, пропорционального q-составляющей общего напряжения, из эталонного сигнала для q-составляющей общего напряжения, а для остальных ведомых источников первый разностный сигнал формируют путем вычитания сигнала, пропорционального d-составляющей тока ведомого источника, из сигнала, пропорционального d-составляющей тока ведущего источника, второй разностный сигнал формируют путем вычитания сигнала, пропорционального q-составляющей тока ведомого источника, из сигнала, пропорционального q -составляющей тока ведущего источника.
1
2
N
1
1
1
i
2
-1
-1
На чертеже представлена одна из возможных блок-схем, реализующая предлагаемый способ управления. Блок-схема включает N параллельно работающих трехфазных источников ИСТ, ИСТ, ИCT (1, 2, 3) на общую нагрузку Н(4). Первый источник ИСТ (1) является ведущим, а остальные 2…, N (2, 3) - ведомыми. Ведущий источник ИСТ (1) содержит источник эталонного сигнала d-составляющей выходного напряжения  (5) и источник эталонного сигнала q-составляющей выходного напряжения  (6), которые соединены с первыми, уменьшаемыми входами схем вычитания (7, 8). Вторые, вычитаемые входы схем вычитания (7, 8) соединены с выходами пропорциональных звеньев для d- и q-составляющих выходного напряжения  и  (9, 10). Выходы схем вычитания (7, 8) соединены с входами интеграторов  и  (11, 12). Входы интеграторов (11, 12) соединены с входами обратного преобразователя координат ПК (13), выходы которых соединены с входами системы импульсно-фазового управления СИФУ (14). Выходы систем импульсно-фазового управления соединены с управляющими входами силовой схемы статического преобразователя частоты ПЧ (15). Силовые схемы преобразователей соединены с выходами источников нестабильного напряжения Uc1 (16). Выходы силовых схем через низкочастотные фильтры Ф (17), датчики мгновенного значения фазного тока ДТа, ДТв, ДТс (18…20) соединены с общей нагрузкой Н (4) и входами прямых преобразователей координат выходного напряжения ПК (21). Выходы прямых преобразователей координат выходного напряжения ПК (21) соединены с входами пропорциональных звеньев  и  (9, 10). Выходы датчиков мгновенных значений фазных токов ДТа, ДТв, ДТс (18…20) соединены с входами прямого преобразователя координат выходного тока ведущего источника ПК (22), выходы которых соединены с входами пропорциональных звеньев всех ведомых источников (23, 24). Выходы пропорциональных звеньев (23, 24) ведомых источников соединены с уменьшаемыми входами схем вычитания (25, 26). Уменьшаемые входы схем вычитания (25,26) соединены с выходами прямых преобразователей координат ПК (37) токов ведомых источников. Выходы схем вычитания (25, 26) соединены с входами интеграторов d- и q-составляющих  и  (27, 28) ведомых источников. Выходы интеграторов  и  (27, 28) соединены с входами обратных преобразователей координат ПК (29), выходы которых соединены с входами систем импульсно-фазового управления СИФУ (30). Выходы систем импульсно-фазового управления соединены с силовыми схемами статических преобразователей частоты ПЧ (31). Силовые схемы преобразователей соединены с выходами источников нестабильного напряжения Uc2 (32). Выходы силовых схем через низкочастотные фильтры Ф2 (33), датчики мгновенного значения фазного тока ДТа, ДТв, ДТс (34…36) соединены с общей нагрузкой Н (4).
-1
i
Нагрузка Н (4) может представлять собой резистор или последовательное или параллельное включение резистора и дросселя. Источники эталонных сигналов - для d-составляющей общего напряжения (5) и для q-составляющей общего напряжения (6), например, параметрические стабилизаторы (см. Источники электропитания радиоэлектронной аппаратуры: Справочник/Под ред. Г.С.Найвельта. - М.: Радио и связь, 1986). Схемы вычитания (7, 8, 25, 26), пропорциональные звенья (9, 10, 23, 24), интеграторы (11, 12, 27, 28) представляют собой типовые элементарные звенья, известные из теории автоматического регулирования (см. Теория автоматического управления. 41. Теория линейных систем автоматического управления. Под ред. А.А.Воронова. Учеб. пособие для вузов. - М.: Высш. школа, 1977). Обратный преобразователь координат ПК (13, 29) реализует известное из электромеханики и теории автоматизированного электропривода преобразование двух dq-координат системы координат, вращающейся с постоянной частотой Ω, в трехфазную, с постоянной частотой Ω abc систему координат (Важнов А.И. Переходные процессы в машинах переменного тока. - Л.: Энергия, Ленингр. отд-ние, 1980) и представляет собой умножитель аналоговых сигналов (Тимонеев В.Н., Величко Л.М., Ткаченко В.А. Аналоговые перемножители сигналов в радиоэлектронной аппаратуре. - М.: Радио и связь. - 1982. - 112 с). СИФУ (14, 30) - стандартная система импульсно-фазового управления, реализующая вертикальный принцип управления (см. B.C.Руденко, В.И.Сенько, И.М.Чиженко. Основы преобразовательной техники.- М.: Высш. школа, 1980). Силовая схема статического источника переменного напряжения ПЧ (15, 31) может представлять собой непосредственный преобразователь частоты или последовательное включение выпрямителя и инвертора или инвертор (см. B.C.Руденко, В.И.Сенько, И.М.Чиженко. Основы преобразовательной техники. - М.: Высш. школа, 1980). Источник нестабильного напряжения Uci (16, 32) - промышленная сеть или синхронный генератор с переменной скоростью вращения ротора или аккумуляторная батарея. Силовой фильтр Ф (17, 33), например, однозвенный LC-фильтр в каждой выходной фазе или С-фильтр в каждой выходной фазе. Датчики мгновенного значения фазного тока (18…20 и 34…36), например, трансформаторы тока. Прямые преобразователи координат ПК (21, 37) реализуют известное из электромеханики и теории автоматизированного электропривода преобразование трехфазных величин (токов и напряжений) из трехфазной abc системы координат во вращающуюся с постоянной частотой Ω, d- и q-составляющие системы dq-координат (Важнов А.И. Переходные процессы в машинах переменного тока. - Л.: Энергия, Ленингр. отд-ние, 1980) и представляют собой умножители аналоговых сигналов (Тимонеев В.Н., Величко Л.М., Ткаченко В.А. Аналоговые перемножители сигналов в радиоэлектронной аппаратуре. - М.: Радио и связь. - 1982. - 112 с.).
Предлагаемый способ осуществляется следующим образом. Источники эталонных сигналов (5, 6) формируют эталонные сигналы для d-составляющей  и q-составляющей  общего напряжения, представляющие собой постоянные напряжения, которые поступают на первые, уменьшаемые входы соответствующих схем вычитания (7, 8). Преобразователи координат ПК (21, 22, 37) преобразуют трехфазные системы измеренных синусоидальных величин, соответственно общего напряжения нагрузки (21) и токов источников (22, 37), во вращающуюся с постоянной частотой Ω систему двух d- и q-координат, соответственно, напряжений (,) и токов (,).
1
-1
В ведущем источнике ИСТ (1) разницы эталонных сигналов d - и q-составляющих общего напряжения ,  (5, 6) и соответствующих сигналов, пропорциональных d- и q-составляющим общего напряжения ,  с выхода схем вычитания (7, 8), поступают на входы интеграторов d- и q-составляющих общего напряжения  и  (11, 12), на выходе которых формируются первый и второй сигналы сравнения. Пропорционально сигналам сравнения формируются управляющие сигналы для d- и q-составляющих, которые обратным преобразователем координат ПК (13) преобразуются в трехфазную систему модулирующих напряжений, поступающих на входы системы импульсно-фазового управления СИФУ1(14). В системе импульсно-фазового регулирования (14) модулирующие напряжения преобразуются в последовательность модулированных импульсов, обеспечивающих коммутацию силовых ключей схем статического источника переменного напряжения ПЧ (15), преобразующего энергию источника нестабильного напряжения Uc1 (16) в переменное напряжение стабильной частоты Ω с параметрами, определяемыми управляющим напряжением СИФУ1 (14). Силовой фильтр Ф (18) в значительной мере исключает высокочастотные составляющие спектра выходного напряжения и токов источников, обеспечивая их синусоидальность.
В результате в установившемся режиме в линейном диапазоне работы всех элементов схемы системы импульсно-фазового управления ведущего источника сигналы сравнения на выходах интеграторов  и  (11, 12) примут такие значения, при которых будут выполняться соотношения:
-1
Измеренные датчиками тока ДТа, ДТв, ДТс (18…20) мгновенные значения выходных токов ведущего источника преобразователем координат ПК (22) преобразуются в d- и q-составляющие тока , , которые являются эталонными сигналами для токов ведомых источников. Эти сигналы через пропорциональные звенья (23, 24), коэффициент усиления которых определяется отношением номинальных значений тока ведомого источника к номинальному значению тока ведущего источника, поступают на уменьшаемые входы схем вычитания ведомых источников (25, 26). На вычитаемые входы схем вычитания (25, 26) поступают d- и q-составляющие токов ведомых источников с выходов преобразователя координат ПК (37). Разностные сигналы с выхода схем вычитания (25, 26) поступают на входы интеграторов ведомых источников  и  (27, 28), на выходе которых формируются соответствующие сигналы сравнения. Пропорционально сигналам сравнения формируются управляющие сигналы для d- и q-составляющих ведомых источников, которые обратным преобразователем координат ПК (29) преобразуются в трехфазную систему модулирующих напряжений, поступающих на входы системы импульсно-фазового управления СИФУ2 (30). В системе импульсно-фазового управления (30) модулирующие напряжения преобразуются в последовательность модулированных импульсов, обеспечивающих коммутацию силовых ключей схем статического источника переменного напряжения ПЧ (31), преобразующего энергию источника нестабильного напряжения Uc2 (32) в переменное напряжение стабильной частоты Ω с параметрами, определяемыми управляющим напряжением СИФУ2 (30). Силовой фильтр Ф (33) в значительной мере исключает высокочастотные составляющие спектра выходного напряжения и токов источников, обеспечивая их синусоидальность.
В результате в установившемся режиме в линейном диапазоне работы всех элементов системы импульсно-фазового управления ведомых источников сигналы сравнения на выходах интеграторов  и  (27, 28) i-го ведомого источника примут такие значения, при которых будут выполняться соотношения:
Докажем, что в предложенном способе управления повышается точность заданного распределения тока нагрузки между параллельно работающими источниками пропорционально номинальной мощности каждого источника. Для этого преобразуем выражения (1) и (2) к виду:
Выражения (7) показывают, что параметры напряжения на общей нагрузке определяются приведенными относительными эталонными сигналами для соответствующих параметров выходного напряжения, и они не зависят от величины нагрузки.
По выражениям (8) определим разницу d- и q-составляющих токов между j-м и (j+1)-м источниками:
Выражения (8) и (9) показывают, что ток каждого из ведомых источников в установившемся режиме пропорционален току ведущего источника и не зависит ни от разбросов эталонных сигналов d- и q-составляющих напряжения на общей нагрузке, ни от величины самой нагрузки. Коэффициент пропорциональности  должен быть равен единице при одинаковых номинальных мощностях параллельно работающих источников или отличаться от единицы при разной номинальной мощности источников. Но при любом варианте соотношения номинальных мощностей параллельно работающих источников точность заданного распределения тока нагрузки между параллельно работающими источниками пропорционально номинальной мощности каждого источника будет выше, чем в способе-прототипе согласно полученным ранее выражениям (4).
Таким образом, предложенный способ повышает точность заданного распределения тока нагрузки между параллельно работающими источниками пропорционально номинальной мощности каждого источника.