Способ управления инвертором напряжения в системах бесперебойного питания и системах накопления электрической энергии при резкопеременной нагрузке
CONTROL METHOD OF VOLTAGE INVERTER IN UNINTERRUPTED POWER SUPPLY SYSTEMS AND SYSTEMS OF ELECTRIC ENERGY ACCUMULATION AT SHARPLY ALTERNATING LOAD

Изобретение относится к области электротехники и силовой электроники, может быть использовано при построении систем генерирования электрической энергии трехфазного переменного тока или систем гарантированного электропитания переменного тока, в которых для повышения бесперебойности электроснабжения, стабилизации уровня загрузки источника, снижения потребляемой от источника реактивной мощности применяется накопитель электрической энергии на основе инвертора напряжения и аккумуляторной батареи. Первичными источниками в таких системах может служить трехпроводная сеть промышленной частоты, мотор-генераторные установки.
Известен способ управления трехфазным инвертором напряжения в составе активного фильтра [Kabir, M.A. "Synchronous detection and digital control of Shunt Active Power Filter in power quality improvement" / M.A. Kabir, U. Mahbub // Power and Energy Conference at Illinois (PECI), 2011, pp. 1-5], при котором складывают результаты пофазного умножения сигналов обратной связи по напряжениям и токам в цепи нагрузки, таким образом вычисляют полную мощность, вычисляют ее среднее значение при помощи фильтра нижних частот, определяют среднюю мощность в каждой фазе, из которой формируют задание на величину токов в соответствующих фазах источника питания. Из полученного сигнала вычитают сигнал обратной связи по току в соответствующих фазах нагрузки, таким образом получают задание на ток на выходе инвертора активного фильтра.
Однако указанный способ не позволяет контролировать отдельно активную и реактивную составляющие, тем самым, при помощи него невозможно регулировать коэффициент мощности на выходе источника питания.
Кроме того, известен способ управления трехфазным инвертором напряжения в составе активного фильтра [Akagi, H. "Instantaneous Power Theory and Applications to Power Conditioning" / H. Akagi, E.H. Watanabe, M. Aredes // IEEE Press Series on Power Engineering. Wiley, 2007, P. 400], являющийся прототипом предлагаемого изобретения, при котором сигналы обратной связи по току и напряжению в цепи нагрузки преобразуют d- и q- проекции обобщенного вектора, вычисляют активную, реактивную и пульсационные составляющие мгновенной мощности, на основе которых рассчитывают действительную и мнимую мгновенную мощность.
В рамках данной теории, которая получила название p-q-теория вычисления мгновенной мощности, задания на d- и q-проекции тока в выходной цепи инвертора вычисляют из инверсных значений реактивной и переменных составляющих мгновенных мощностей.
Недостатком данного способа управления является то, что данный метод не рассматривает скорость нарастания мощности источника питания, что является важным параметром для источников питания с ограничениями по максимальной мощности и/или с инерционностью в звене регулирования. В случае резкопеременной нагрузки в таких источниках питания могут возникнуть аварийные срабатывания защитного оборудования, просадка/выбросы по амплитуде и/или частоте напряжения источника питания, что снижает показатели качества электроснабжения.
Задача изобретения - снижение скорости нарастания мощности источника питания при неизменной скорости нарастания мощности нагрузки, а также регулирование каждой составляющей мгновенной мощности.
Поставленная задача достигается тем, что в известном способе формирования задания на d- и q-проекции тока инвертора задание на действительную и мнимую мгновенные мощности инвертора непрерывно формируется разностью мгновенной мощности нагрузки и задания на скорость нарастания соответствующей мгновенной мощности источника питания, которое, в свою очередь, является результатом преобразования сигнала мгновенной мощности нагрузки при помощи низкочастотного фильтра первого порядка.
На фиг. 1 представлена одна из возможных структурных схем, реализующая предлагаемый способ управления инвертором напряжения. Она условно может быть разделена на силовую схему (блок 18) и систему управления (блок 19). Силовая схема содержит инвертор напряжения (блок 20), три выхода стоек которого соединены с входами низкочастотного фильтра (блок 21), а выходы последних через датчики тока (блоки 24, 25, 26) подключены к общей точке соединения источника трехфазного напряжения (блок 22) и нагрузки (блок 23). Нагрузка подключена к общей точке через датчики тока (блоки 27, 28, 29). Выходы низкочастотного фильтра и информационные сигналы датчиков тока (блоки 24, 25, 26, 27, 28, 29) соединены с входами системы управления (блок 19). Система управления включает в себя блок системы регулирования (блок 33), входы и выходы которого соединены с блоками преобразователей координат (блоки 30, 31, 32, 34), три выхода блока преобразователя координат (блок 34) соединены с входами схем сравнения (блоки 36, 37, 38), к другим входам которых подключен выход генератора двухполярного пилообразного напряжения (блок 35). Выходы схем сравнения соединены с входами первой группы драйверов непосредственно (блоки 43, 45, 47) и через логические элементы «не» (блоки 39, 40, 41) с входами второй группы драйверов (блоки 42, 44, 46). Выходы первой группы драйверов (блоки 43, 45, 47) соединены с затворами верхних транзисторов стоек инвертора напряжения (блок 20), а выходы второй группы драйверов (блоки 42, 44, 46) соединены с затворами нижних транзисторов стоек инвертора напряжения (блок 20). На фиг. 2 представлена структурная схема системы регулирования. Она может быть разделена на две части. Одна часть формирует управляющий сигнал проекции «d» для ШИМ-модулятора (блоки 1, 2, 5, 7, 9, 12, 14, 16), другая часть формирует управляющий сигнал проекции «q» (3, 4, 6, 8, 10, 13, 15, 17). Схема состоит из блоков 1-4, выполняющих функцию алгебраического умножения, формирующих сигналы соответствующих составляющих мгновенной мощности; схемы суммирования (блок 5) и схемы вычитания (блок 6); фильтров нижних частот первого порядка (блоки 7, 8); схем вычитания (блоки 9, 10, 14, 15); блока 11, вычисляющего корень из суммы квадратов двух величин; схем деления (блоки 12, 13) и регуляторов контура тока (блоки 16, 17).
I.d
I.q
L.d
L.q
Блоки схемы выполняют следующие функции. Блоки преобразования координат abc/dq (блок 30, 31) из соответствующих фазных токов формируют проекцию «d» I и проекцию «q» I обобщенного вектора тока инвертора, а также проекцию «d» I и проекцию «q» I обобщенного вектора тока нагрузки по следующим формулам:
IA
IB
IC
LA
LB
LC
где I, I, I - фазные значения токов инвертора; I, I, I - фазные значения токов нагрузки; ω - циклическая частота выходного напряжения; t - время.
L.d.fdb
L.q.fdb
Аналогично проекция «d» U и проекция «q» U обобщенного вектора напряжения нагрузки с помощью блока преобразования координат abc/dq (блок 31) получаются из фазных напряжений по следующим формулам:
LA
LB
LC
где U, U, U - фазные значения напряжений нагрузки; ω - циклическая частота выходного напряжения; t - время.
Блок 33 выполняет функцию регулирования выходных параметров инвертора напряжения, сигналы управления с которого поступают на вход блока преобразования координат dq/abc (блок 34), формирующего три модулирующих сигнала согласно следующим формулам:
Компараторы (блоки 36, 37, 38) производят сравнение модулирующих сигналов с опорным двухполярным пилообразным сигналом, формируемого блоком 35. Логические элементы «не» (блоки 39, 40, 41) представляют собой импульсные (цифровые) инверторы уровня сигнала. Блоки 42, 43, 44, 45, 46, 47 являются драйверами, усиливающие сигнал по мощности, а также осуществляющие гальваническую развязку между электрическими цепями системы управления и силовой схемой инвертора напряжения (блок 20). Инвертор напряжения может быть выполнен на любых управляемых вентилях, в качестве примера полезной модели изображен инвертор напряжения на IGBT транзисторах VT1, VT2, VT3, VT4, VT5 и VT6. Выходные сигналы датчиков тока (блоки 24, 25, 26, 27, 28, 29) пропорциональны, соответственно, токам инвертора (блок 22) и нагрузки (блоки 23), и подаются на вход блоков 30, 31. Токи источника напряжения промышленной частоты (блок 22) являются разностью токов нагрузки (блок 23) и инвертора (блок 20). Низкочастотный фильтр (блок 21) исключает высокочастотные гармоники тока и напряжения, формируемые на выходе инвертора (блок 20).
L
Сигналы на выходах блоков 1, 2, 3, 4 представляют собой сигналы обратной связи по соответствующим составляющим мгновенной мощности. Блоки 5, 6 формируют результирующие сигналы обратной связи по мгновенной мощности нагрузки. Блоки 7, 8 формируют задание на величину и скорость нарастания действительной и мнимой составляющих мгновенной мощности источника питания. Блоки 9, 10 формируют сигналы ошибок между сигналами задания составляющих мгновенной мощности источника питания и сигналами обратных связей соответствующих составляющих мгновенной мощности нагрузки. Блок 11 производит расчет амплитуды обобщенного вектора напряжения нагрузки u по следующей формуле:
Блоки 12, 13 формируют сигналы задания «d» и «q» проекций тока инвертора, соответственно. Блоки 14, 15 формируют сигналы ошибок между сигналами задания и сигналами обратных связей соответствующих проекций тока накопителя. Блоки 16, 17 формируют задание на «d» и «q» проекции сигнала управления инвертором напряжения, соответственно.
Способ осуществляется следующим образом: при помощи блоков умножения 1, 2, 3, 4 сигналы обратной связи (фазные токи нагрузки и на выходе инвертора, фазные напряжения в точке общего подключения), преобразованные блоками 30, 31, 32 в «d» и «q» проекции обобщенных векторов соответствующих параметров, формируют собой активную и пульсационную составляющие действительной мгновенной мощности нагрузки, соответственно, а на выходах блоков - реактивную и пульсационную составляющие мнимой мгновенной мощности нагрузки, соответственно:
Блоки 5, 6 формируют сигналы обратной связи, отражающие полную действительную и мнимую мгновенную мощность нагрузки:
G.ref
G.ref
Блоки 7, 8, выполняющие функцию фильтра нижних частот, формируют сигнал задания на величину и скорость нарастания действительной и мнимой мгновенной мощности источника питания p и q, соответственно, согласно следующим выражениям:
L.n-1
L.n-1
L.n
L.n
где p и q - величина мгновенной действительной и мнимой мощности до наброса/сброса нагрузки, соответственно; p и q - величина мгновенной действительной и мнимой мощности после наброса/сброса нагрузки, соответственно; τ - постоянная времени нарастания мощности на выходе источника напряжения промышленной частоты (блок 22).
Блоки вычитания 9, 10 формируют разность между сигналами обратной связи по составляющим мгновенной мощности нагрузки и сигналами задания на соответствующие составляющие мгновенной мощности источника питания, формируя сигналы ошибки, которые, в свою очередь, являются заданием на «d» и «q» проекции обобщенных векторов мгновенной мощности инвертора:
L
На основе сформированных сигналов ошибки и сигнала с выхода блока 11, отражающего амплитуду обобщенного вектора напряжения нагрузки u, блоки деления 12, 13 формируют задание на «d» и «q» проекции обобщенных векторов тока на выходе инвертора:
Блоки вычитания 14, 15 формируют разность между сигналами задания и сигналами обратной связи по току на выходе инвертора, формируя сигналы ошибки по на «d» и «q» проекциям обобщенных векторов тока на выходе инвертора. Данные сигналы поступают на вход регуляторов тока (блоки 16 и 17), формирующих такой сигнал управления соответствующей проекции, чтобы разностный сигнал на выходе блоков 14 и 15 был равен нулю, т.е. чтобы ток на выходе инвертора равнялся сигналу задания на данный ток. Сигналы управления поступают на вход блока преобразования координат dq/abc (блок 34), формирующего три модулирующих сигнала согласно следующим формулам:
Модулирующие сигнал и опорный сигнал (с выхода блока 35) поступают на компараторы (блоки 36, 37, 38), вырабатывающие импульсы при превышении модулирующих напряжений над опорным напряжением. Сформированные импульсы поступают на вход логических элементов «не» (блоки 39, 40, 41) и драйверов (блоки 43, 45, 47) верхних транзисторов (VT1, VT3, VT5) инвертора напряжения (блок 20). Сигналы с выходов логических элементов «не» подаются на драйверы (блоки 42, 44, 46) нижних транзисторов (VT2, VT4, VT6) инвертора напряжения (блок 20). Выходные напряжения инвертора снимаются со средних точек стоек А, В, С и подаются на вход силового низкочастотного фильтра (блок 21). Низкочастотный фильтр подавляет высокочастотные гармоники, а сглаженное трехфазное напряжение подается в общую точку подключения источника питания (блок 22) и нагрузки (блок 23).
Таким образом, предложенный способ управления инвертором напряжения в системах бесперебойного питания и системах накопления электрической энергии приводит к снижению скорости нарастания/спада мощности на выходе источника питания за счет компенсации разницы мощностей накопителем электрической энергии и позволяет управлять каждой составляющей мгновенной мощности отдельно.