ВЕКТОРНЫЙ СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ТРЕХФАЗНЫМ СТАТИЧЕСКИМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ ПРИ НЕСИММЕТРИЧНОЙ НАГРУЗКЕ
VECTOR METHOD FOR CONTROL OF THREE-PHASE STATIC CONVERTER WITH ASYMMETRIC LOAD

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для управления трехфазным статическим преобразователем при несимметричной нагрузке, входящим в состав автономной системы генерирования электрической энергии, системы бесперебойного электропитания, системы электроснабжения и др.
Известен векторный способ управления трехфазным статическим преобразователем [Патент РФ № 2207698, Н02М 7/72, Н02Р 9/42, 21/00. Векторный способ управления четырехквадрантым инвертором напряжения в составе системы генерирования электрической энергии переменного тока. / С.А.Харитонов, А.А.Стенников. - опубл. 27.06.2003. - бюл № 18], состоящий в том, что измеряют напряжение и мощность синхронного генератора, напряжение сети и напряжение на фильтровом конденсаторе звена постоянного тока, преобразуют напряжение синхронного генератора и напряжение сети из трехфазной abc-системы координат в двухфазную α,β-систему координат, для двухфазной системы координат формируют сигнал задания на нулевой фазный угол выходного тока для каждой выходной фазы преобразователя синфазно с напряжением соответствующей фазы сети и сигнал задания на выходную мощность статического преобразователя, причем сигнал задания на мощность на 90° опережает сигнал задания на нулевой фазный угол выходного тока, α- и β-составляющие сигнала задания на нулевой фазный угол выходного тока формируют пропорционально α- и β-составляющим преобразованным фазным напряжениям сети, α-составляющую сигнала задания на выходную мощность статического преобразователя формируют как произведение β-составляющей напряжения сети и сигнала, формируемого как разность сигнала, пропорционального мощности, отдаваемой генератором, и сигнала, определяемого как разность сигнала задания на напряжение на фильтровом конденсаторе и сигнала обратной связи напряжения на фильтровом конденсаторе, β-составляющую сигнала задания на выходную мощность статического преобразователя формируют как произведение α-составляющей напряжения сети, взятой с обратным знаком, и сигнала, формируемого как разность сигнала, пропорционального мощности, отдаваемой генератором, и сигнала, определяемого как разность сигнала задания на напряжение на фильтровом конденсаторе и сигнала обратной связи напряжения на фильтровом конденсаторе, формируют α- и β-составляющие регулирующего сигнала суммированием соответственно α- или β-составляющих сигнала задания на нулевой фазный угол выходного тока и сигнала задания на выходную мощность статического преобразователя, формируют модулирующий сигнал инвертором путем преобразования α- и β-составляющих регулирующего сигнала из двухфазной α, β-системы координат в трехфазную abc-систему координат.
Этот способ реализуется при симметричной системе напряжений сети и учитывает только прямую последовательность трехфазной системы сетевых напряжений. Кроме того, преобразование в α,β-систему координат, где составляющие представляют собой синусоидальные сигналы, не позволяет реализовать высокую точность регулирования из-за конечности коэффициентов усиления соответствующих контуров регулирования.
Известен векторный способ управления преобразователем [Патент РФ № 2144729, Н02М 5/27, G05F 1/40. Векторный способ управления преобразователем. / С.А.Харитонов, Машинский В.В. - опубл. 20.01.2000. - бюл № 2], который является прототипом предлагаемого изобретения и заключается в том, что измеряют мгновенные значения трехфазной выходной величины, инвертора, напряжения или тока, выделяют нулевую последовательность трехфазного выходного напряжения инвертора, преобразуют величины из трехфазной abc-системы координат в двухфазную α,β-систему координат, для двухфазной системы координат и нулевой последовательности формируют эталонные сигналы, формируют сигналы сравнения путем вычитания α, β-составляющих и нулевой последовательности напряжения трехфазного выходного напряжения инвертора из соответствующих эталонных сигналов, пропорционально результатам сравнения формируют соответствующие регулирующие сигналы, которые преобразуют из двухфазной системы α, β-координат в трехфазную abc-систему координат, формируют трехфазный модулирующий сигнал суммированием преобразованных α- и β-составляющих регулирующих сигналов и регулирующего сигнала нулевой последовательности.
Этот способ не регулирует обратную последовательность трехфазной системы выходных напряжений, возникающую при несимметричной нагрузке. Используемое преобразование в α,β-систему координат, где составляющие представляют собой синусоидальные сигналы, не позволяет реализовать высокую точность регулирования из-за конечности коэффициентов усиления соответствующих статических контуров регулирования по α- и β-составляющим и нулевой последовательности. В результате при несимметричной нагрузке выходное напряжение преобразователя при реализации данного способа будет несимметричным.
Задача изобретения заключаются в формировании симметричной трехфазной выходной величины, напряжения или тока, при несимметричной нагрузке.
Поставленная задача достигается тем, что в известном способе управления трехфазным преобразователем, заключающемся в том, что измеряют мгновенные значения трехфазной выходной величины преобразователя, напряжения или тока, выделяют нулевую последовательность выходной величины, преобразуют величины из трехфазной abc-системы координат в двухфазную систему координат, для двухфазной системы координат формируют эталонные сигналы, формируют сигналы сравнения, пропорционально результатам сравнения формируют регулирующие сигналы, которые преобразуют из двухфазной системы координат в трехфазную abc-систему координат, формируют трехфазный модулирующий сигнал преобразователя, по выделенному сигналу нулевой последовательности формируют ортогональный ему сигнал и принимают его в качестве второй составляющей двухфазной системы координат нулевой последовательности, выделяют из трехфазной выходной величины преобразователя прямую и обратную последовательности, прямую, обратную и нулевую последовательности преобразуют во вращающуюся dq-систему координат, эталонный сигнал для d-составляющей прямой последовательности формируют соответственно номинальному значению выходной величины, эталонные сигналы для остальных составляющих прямой, обратной и нулевой последовательностей формируют нулевыми, указанные сигналы сравнения формируют для каждой составляющей прямой, обратной и нулевой последовательностей путем интегрирования разностей соответствующих эталонных сигналов и d- и q-составляющих последовательностей, и указанный модулирующий сигнал формируют суммированием преобразованных регулирующих сигналов прямой, обратной и нулевой последовательностей в abc-системе координат.
-1
-1
На чертеже приведена одна из возможных структурных схем, реализующих предлагаемый способ при стабилизации выходного напряжения преобразователя. Она содержит систему импульсно-фазового управления СИФУ (блок 1), выходы которой соединены с силовой схемой статического преобразователя частоты ПЧ (блок 2). Силовая схема преобразователя соединена также с первичным источником электроэнергии с нестабильными параметрами Uc (блок 3). Выход силовой схемы статического преобразователя частоты ПЧ (блок 2) через выходной фильтр Ф (блок 4) соединен с несимметричной нагрузкой Н (блок 5). Одновременно выход преобразователя соединен с входами схем выделения нулевой Z (блок 6), обратной N (блок 7) и прямой Р (блок 8) последовательностей выходного напряжения. Выход схемы выделения нулевой последовательности Z (блок 6) через схему формирования ортогональной составляющей Δφ (блок 9) и непосредственно соединен с входами преобразователя координат ПК2 (блок 10). Выходы схем выделения обратной N (блок 7) и прямой Р (блок 8) последовательностей через соответствующие преобразователи координат ПК1 (блоки 11 и 12) соединены с входом преобразователей координат ПК2 для обратной (блок 13) и прямой (блок 14) последовательностей. Выходы преобразователей координат ПК2 нулевой последовательности (блок 10), обратной последовательности (блок 13) и прямой последовательности (блок 14) соединены с соответствующими входами схем вычитания d- и q-составляющих нулевой последовательности (блоки 15 и 16), обратной последовательности (блоки 17 и 18) и прямой последовательности (блоки 19 и 20). Вторые входы указанных схем вычитания последовательностей соединены с выходами схем формирования эталонных сигналов d- и q-составляющих нулевой последовательности  и  (блоки 21 и 22), обратной последовательности  и  (блоки 23 и 24) и прямой последовательности  и  (блоки 25 и 26). Выходы соответствующих схем вычитания соединены с входами интеграторов d- и q-составляющих нулевой последовательности  и  (блоки 27 и 28), обратной последовательности  и  (блоки 29 и 30) и прямой последовательности  и  (блоки 31 и 32). Выходы интеграторов d- и q-составляющих каждой последовательности через пропорциональные звенья (блоки 33, …, 38) соединены с входами схем обратного преобразования координат ПК для нулевой последовательности (блок 39), обратной последовательности (блок 40) и прямой последовательности (блок 41). Выходы схем обратного преобразования координат ПК нулевой, обратной и прямой последовательностей пофазно соединены с входами сумматоров (блоки 42, 43 и 44). Выходы сумматоров (блоки 42, 43 и 44) соединены с входами системы импульсно-фазового управления СИФУ (блок 1).
Система импульсно-фазового управления СИФУ (блок 1) представляет собой стандартную систему управления, реализующую вертикальный принцип управления (см. B.C.Руденко, В.И.Сенько, И.М.Чиженко. Основы преобразовательной техники. - М.: Высш. школа, 1980). Силовая схема статического преобразователя частоты ПЧ (блок 2) - автономный инвертор напряжения на полностью управляемых ключах (см. B.C.Руденко, В.И.Сенько, И.М.Чиженко. Основы преобразовательной техники. - М.: Высш. школа, 1980); первичный источник электроэнергии с нестабильными параметрами Uc (блок 3) - аккумуляторная батарея; выходной фильтр Ф (блок 4) - низкочастотный фильтр, подавляющий высокочастотные составляющие спектра выходной величины, например, однозвенный LC-фильтр; несимметричная нагрузка Н (блок 5) - параллельное или последовательное включение резистора и дросселя.
Схемы выделения нулевой Z (блок 6), обратной N (блок 7) и прямой Р (блок 8) последовательностей выходного напряжения реализуют известное из теоретических основ электротехники разложение несимметричных трехфазных систем на симметричные составляющие (см. Л.Р.Нейман, К.С.Демирчян. Теоретические основы электротехники: Учебник для вузов. - Том 1. - Л.: Энергоиздат. Ленингр. отд-ние, 1981) и могут представлять собой формирователи однофазной (блок 6) и трехфазных симметричных (блоки 7 и 8) синусоидальных сигналов, амплитуды которых определяются известными соотношениями
где , ,  - комплексные амплитуды фаз выходных несимметричных напряжений;  - комплексный множитель, обеспечивающий смещение фазы сигнала на  |…| - модуль комплексного числа.
-1
Схема формирования ортогональной составляющей Δφ (блок 9) может представлять собой фазосдвигающую цепь на 90° на постоянной частоте Ω с нормированием амплитуды смещенного по фазе сигнала (см. Теория автоматического управления. Ч1. Теория линейных систем автоматического управления. /Под ред. А.А.Воронова. Учеб. пособие для вузов. - М.: Высш. школа, 1977) или цифровой фильтр (см. Сергиенко А.Б. Цифровая обработка сигналов. - СПб.: Питер. - 2006. - 751 с.). Преобразователи координат ПК1 (блоки 11 и 12) реализуют известное преобразования Кларке (см. Важнов А.И. Переходные процессы в машинах переменного тока. - Л.: Энергия, Ленингр. отд-ние, 1980) из трехфазной abc системы координат в двухфазную ортогональную αβ-систему координат и могут представлять собой схемы суммирования и вычитания аналоговых сигналов на операционных усилителях (см. Теория автоматического управления. Ч1. Теория линейных систем автоматического управления. /Под ред. А.А.Воронова. Учеб. пособие для вузов. - М.: Высш. школа, 1977). Преобразователи координат ПК2 для нулевой (блок 10), обратной (блок 13) и прямой (блок 14) последовательностей реализуют преобразование Парка сигналов из αβ-системы координат во вращающуюся с постоянной частотой Ω dq-систему координат (см. Важнов А.И. Переходные процессы в машинах переменного тока. - Л.: Энергия, Ленингр. отд-ние, 1980) и могут представлять собой умножители аналоговых сигналов (см. Тимонеев В.Н., Величко Л.М., Ткаченко В.А. Аналоговые перемножители сигналов в радиоэлектронной аппаратуре. - М.: Радио и связь. - 1982. - 112 с.). Схемы вычитания нулевой последовательности (блоки 15 и 16), обратной последовательности (блоки 17 и 18) и прямой последовательности (блоки 19 и 20), интеграторы (блоки 27, …, 32), пропорциональные звенья (блоки 33, …, 38) и сумматоры (блоки 42, …, 44) 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). Схемы формирования эталонных сигналов (блоки 21, …, 26) - параметрические стабилизаторы напряжения (см. Источники электропитания радиоэлектронной аппаратуры: Справочник / Под ред. Г.С.Найвельта. - М.: Радио и связь, 1986). Схемы обратного преобразования координат ПК реализует преобразование из вращающейся двухфазной dq-системы координат в трехфазную abc-систему координат (см. Важнов А.И. Переходные процессы в машинах переменного тока. - Л.: Энергия, Ленингр. отд-ние, 1980) и могут представлять собой умножители аналоговых сигналов (см. Тимонеев В.Н., Величко Л.М., Ткаченко В.А. Аналоговые перемножители сигналов в радиоэлектронной аппаратуре. - М.: Радио и связь. - 1982. - 112 с.).
i
-1
-1
Способ осуществляется следующим образом. Несимметричное трехфазное напряжение нагрузки Н (блок 5) поступает на схемы выделения нулевой Z (блок 6), обратной N (блок 7) и прямой Р (блок 8) последовательностей выходного напряжения. На выходах этих схем формируются переменные напряжения основной частоты Ω однофазное (блок 6) и трехфазные (блоки 7 и 8) определенной амплитуды, в соответствие с выражениями (1). Схема формирования ортогональной составляющей Δφ (блок 9) смещает фазу входного сигнала на 90° и нормирует амплитуду выходного сигнала, делая ее равной амплитуде входного сигнала. Выходной сигнал схемы выделения нулевой последовательности Z (блок 6) принимается в качестве α-составляющей нулевой последовательности, а выходной сигнал схемы формирования ортогональной составляющей Δφ (блок 9) - в качестве β-составляющей нулевой последовательности. Преобразователи координат ПК1 обратной (блок 11) и прямой (блок 12) последовательностей формируют α- и β-составляющие обратной и прямой последовательностей. По этим α- и β-составляющим для нулевой, обратной и прямой последовательностей в преобразователях координат ПК2 определяется собственный фазовый угол φ, с использованием которого на выходах преобразователей координат ПК2 формируются d- и q-составляющие нулевой (блок 10), и симметричных обратной (блок 13) и прямой (блок 14) последовательностей, представляющие собой напряжения постоянного тока. На выходах схем вычитания (блоки 15, …, 20) формируется разность соответствующих эталонных сигналов (напряжения постоянного тока) и d- и q-составляющих нулевой (блоки 15, 16), обратной (блоки 17, 18) и прямой (блоки 19, 20) последовательностей (напряжения постоянного тока). Эти разности интегрируются (блоки 27, …, 32), и на выходах соответствующих интеграторов формируются сигналы сравнения d- и q-составляющих нулевой (блоки 27, 28), обратной (блоки 29, 30) и прямой (блоки 31, 32) последовательностей, которые масштабируются линейными звеньями (блоки 33, …, 38). Сформированные на выходах линейных звеньев регулирующие сигналы по каждой последовательности (блоки 33, …, 38) преобразуются схемами обратного преобразования координат ПК (блоки 39, 40, 41) из dq-системы координат в трехфазную abc-систему координат. Выходные напряжения схем обратного преобразования координат ПК (блоки 39, 40, 41) пофазно суммируются в сумматорах (блоки 42, 43, 44), на выходе которых формируются модулирующие сигналы для системы импульсно-фазового управления СИФУ (блок 1). По этим модулирующим сигналам система импульсно-фазового управления СИФУ (блок 1) вырабатывает импульсы управления, которые поступают на управляемые ключи силовой схемы статического преобразователя частоты ПЧ (блок 2). Ключи силовой переключаются в соответствие с изменением модулирующих сигналов, и тем самым реализуется преобразование электрической энергии первичного источника электроэнергии с нестабильными параметрами Uc (блок 3) в трехфазное напряжение заданной частоты и величины. Выходной фильтр Ф (блок 4) значительно снижает в спектре выходного напряжения высокочастотные составляющие, приближая форму выходного напряжения к синусоидальной.
Формирование симметричного трехфазного выходного напряжения при несимметричной нагрузке достигается за счет того, что при преобразовании сигналов из трехфазной abc-системы координат во вращающуюся dq-систему координат выделенных симметричных напряжений d- и q-составляющие каждой последовательности представляют собой напряжения постоянного тока, и при интегрировании соответствующих разностных сигналов постоянного тока в установившемся режиме и в линейном диапазоне работы всех элементов системы управления реализуется астатизм нулевого порядка при регулировании по каждой составляющей. При этом выполняются соотношения
где  - эталонный сигнал для d(q)-составляющей одной из последовательностей;  - d(q)-составляющая одной из последовательностей; i=Z, N, P - нулевая, обратная или прямая последовательность.
Если эталонные сигналы d- и q-составляющих нулевой и обратной и q-составляющей прямой последовательностей формировать нулевыми, а эталонный сигнал d-составляющей прямой последовательности формировать соответственно номинальному значению выходного напряжения, то согласно выражениям (2) выходное напряжение будет представлять собой прямую последовательность с заданным значением амплитуды. Амплитуды обратной и нулевой последовательностей будут нулевыми. Таким образом, выходное напряжение будет представлять собой трехфазное, симметричное напряжение при несимметричной нагрузке.