УМЕНЬШЕНИЕ ПРОБЛЕМ, СВЯЗАННЫХ С КАЧЕСТВОМ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ, ПОСРЕДСТВОМ ГИБРИДНОЙ СЕТИ
REDUCTION OF POWER QUALITY PROBLEMS BY HYBRID NETWORK

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Данное изобретение относится, в общем, к области распределения электроэнергии и, в частности, к компоновкам цепей для уменьшения проблем, связанных с качеством электроэнергии.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
На срок службы и работу чувствительных нагрузок, таких как устройства, включающие светильники с LED, отрицательно влияют проблемы, связанные с качеством электроэнергии, такие как кратковременное падение напряжения, перенапряжение, пульсации и т.д. Вспомогательные электроэнергетические системы, такие как резервный генератор, могут уменьшить влияние перерывов электропитания, но не решают проблем, связанных с качеством электроэнергии. Системы с источником бесперебойного питания (UPS) могут уменьшить проблемы, связанные с качеством электроэнергии, но имеют ряд недостатков. В качестве примера, система с UPS, такая как раскрытая в патенте США No. 7,142,950, не имеет дополнительных преимуществ, когда нет проблем, связанных с качеством электроэнергии. В качестве другого примера, системы с UPS обычно предназначены для уменьшения негативных последствий перерывов электропитания и, следовательно, являются излишними для уменьшения проблем, связанных с качеством электроэнергии.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачей данного изобретения является предоставление улучшенной компоновки цепи для соединения источников питания с нагрузкой.
Задача данного изобретения решается посредством представления компоновки цепи, включающей в себя управляемый переключающий механизм, выполненный с возможностью переключения между параллельной конфигурацией и последовательной конфигурацией. Управляемый переключающий механизм выполнен с возможностью соединения нагрузки с вводом первого источника питания и с вводом второго источника питания. В параллельной конфигурации ввод первого источника питания и ввод второго источника питания подключены к нагрузке параллельно; причем как электроэнергия, подаваемая через ввод первого источника питания, так и электроэнергия, подаваемая через ввод второго источника питания, могут питать нагрузку. При последовательной конфигурации ввод первого источника питания и ввод второго источника питания подключены к нагрузке последовательно; причем электроэнергия, подаваемая через ввод второго источника питания, может компенсировать проблемы, связанные с качеством электроэнергии, подаваемой через ввод первого источника энергии. Управляемый механизм переключения управляется посредством контроллера. Контроллер может определять параметр качества электроэнергии и управлять управляемым переключающим механизмом на основании этого параметра качества электроэнергии.
В варианте осуществления компоновки цепи в соответствии с изобретением контроллер выполнен с возможностью обнаружения двух наиболее частых проблем, связанных с качеством электроэнергии: кратковременного падения напряжения и/или перенапряжения. Параметр качества электроэнергии определяется на основании обнаружения этого кратковременного падения напряжения и/или перенапряжения для электроэнергии, подаваемой через ввод первого источника энергии.
В дополнительном варианте осуществления компоновки цепи в соответствии с изобретением управляемый переключающий механизм включает в себя три двунаправленных переключателя. Это выгодно, так как данный вариант осуществления требует всего несколько компонентов для реализации управляемого переключающего механизма. Двунаправленные переключатели выполнены с возможностью соединения ввода первого источника питания и ввода второго источника питания параллельно, когда первый и второй двунаправленные переключатели включены, а третий двунаправленный переключатель выключен. Управляемый переключающий механизм выполнен с возможностью соединения ввода второго источника питания последовательно с вводом первого источника питания и нагрузкой, когда конфигурация обратная (т.е. первый и второй двунаправленные переключатели выключены, а третий двунаправленный переключатель включен).
В особенно преимущественном варианте осуществления компоновки цепи в соответствии с изобретением компоновка цепи также включает в себя управляемый инвертор. Управляемый инвертор включает в себя ввод источника питания постоянного тока и вывод источника питания, соединенный с вводом второго источника питания управляемого переключающего механизма. Контроллер также выполнен с возможностью управления управляемым инвертором. Частота и фаза электроэнергии, подаваемой через вывод источника витания управляемого инвертора, могут регулировать на основании, например, частоты (например, уравнивать частоту, умножать частоту) электроэнергии и/или фазы тока (например, синхронизировать с подаваемым положительным напряжением) электроэнергии, принимаемой через ввод первого источника энергии.
В дополнительном варианте осуществления компоновки цепи в соответствии с изобретением управляемый инвертор является полномостовым инвертором (например, инвертором по схеме H-моста, инвертором по схеме однофазного моста). Это является преимуществом, так как этот вариант осуществления требует всего нескольких компонентов для реализации управляемого инвертора.
В варианте осуществления компоновки цепи в соответствии с изобретением управляемый инвертор также включает конденсатор постоянного тока (DC-link), соединенный параллельно с вводом источника питания постоянного тока. Этот конденсатор постоянного тока может подавать энергию в случае, когда электроэнергия, подаваемая через ввод источника питания постоянного тока, не подает достаточного количества энергии (например, если ввод источника питания постоянного тока принимает электроэнергию от солнечной панели, которая не получает достаточного количества солнечного света).
В варианте осуществления система включает в себя компоновку цепи в соответствии с изобретением и источник питания постоянного тока. Источник питания постоянного тока может быть выбран на основании требований к электроэнергии, связанных с нагрузкой (например, возможности независимо питать нагрузку или возможности уменьшать проблемы, связанные с электроэнергией, подаваемой через ввод первого источника питания). Источник питания постоянного тока имеет вывод источника питания постоянного тока, соединенный с вводом источника питания постоянного тока управляемого инвертора.
В особенно преимущественном варианте осуществления системы система включает в себя компоновку цепи в соответствии с изобретением и фотогальванический источник энергии (например, солнечную панель) в качестве источника энергии постоянного тока. Это очень выгодно, так как фотогальванический источник энергии имеет возможность преобразовывать солнечный свет в электричество. Таким образом, он не только помогает уменьшению проблем, связанных с качеством электроэнергии, но также может подавать электроэнергию в нормальном режиме работы. Когда управляемый переключающий механизм переключится на параллельную конфигурацию, энергия, доступная от фотогальванического источника питания, будет подаваться на нагрузку.
В еще одном другом варианте осуществления системы система включает компоновку цепи в соответствии с изобретением и батарею в качестве источника питания постоянного тока. Это выгодно, так как она может подавать энергию, когда солнечного света недостаточно для фотогальванического источника питания для подачи достаточного количества электроэнергии. Более того, батарея может заряжаться в нормальном режиме работы, а накопленная энергия может быть использована при необходимости (например, когда электроэнергия наиболее дорогая в течение дня или когда возникают проблемы, связанные с качеством электроэнергии). Сочетание фотогальванического источника питания и батареи предлагает сочетание соответствующих преимуществ этих источников питания.
Задачей данного изобретения является предоставление улучшенного способа соединения источников питания с нагрузкой. Задача изобретения решается посредством представления способа, включающего соединение нагрузки с управляемым переключающим механизмом с вводом первого и второго источников питания. Управляемый переключающий механизм выполнен с возможностью переключения между параллельной и последовательной конфигурациями. Способ также включает определение параметра качества электроэнергии и управление управляемым переключающим механизмом на основании этого параметра качества электроэнергии.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На приложенных фигурах:
Фиг. 1 схематически и в качестве примера изображает вариант осуществления системы, содержащей компоновку цепи в соответствии с изобретением, содержащей источник питания переменного тока и источник питания постоянного тока;
Фиг. 2 схематически и в качестве примера изображает вариант осуществления системы, содержащей компоновку цепи в соответствии с изобретением, содержащей источник питания переменного тока и источник питания постоянного тока, причем управляемый инвертор содержит полномостовой инвертор, и при этом управляемый переключающий механизм содержит три двунаправленных переключателя.
Фиг. 3 схематически и в качестве примера изображает контроллер как часть варианта осуществления компоновки цепи в соответствии с изобретением.
Фиг. 4 схематически и в качестве примера изображает упрощенный вариант Фиг. 2 в последовательной конфигурации с указанием отрицательного цикла первого источника питания, где инвертор подает напряжение;
Фиг. 5 схематически и в качестве примера изображает упрощенный вариант Фиг. 2 в последовательной конфигурации с указанием положительного цикла первого источника питания, где инвертор подает напряжение;
Фиг. 6 схематически и в качестве примера изображает упрощенный вариант Фиг. 2 в последовательной конфигурации с указанием положительного цикла первого источника питания, где инвертор не подает напряжение;
Фиг. 7 схематически и в качестве примера изображает упрощенный вариант Фиг. 2 в последовательной конфигурации с указанием отрицательного цикла первого источника питания, где инвертор не подает напряжение.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ФИГУР
На Фиг. 1 изображен вариант осуществления системы, содержащей компоновку цепи в соответствии с изобретением. Компоновка цепи уменьшает проблемы, связанные с качеством электроэнергии, тем самым защищая электронные компоненты, которые часто встречаются в промышленном оборудовании и домашних устройствах. На оборудование и устройства, включая, например, программируемый логический контроллер (ПЛК), устройство с регулируемой скоростью, оптическое устройство, светильник со светоизлучающими диодами (LED) и светильники с компактными флуоресцентными лампами (CFL), проблемы, связанные с качеством электроэнергии, оказывают негативное воздействие. В качестве другого примера, работа таких компонентов может быть нарушена в результате проблем, связанных с качеством электроэнергии.
На Фиг. 1 источник 100 питания переменного тока и источник 102 питания постоянного тока соединены с нагрузкой 104 через управляемый переключающий механизм 106, выполненный с возможностью переключения между параллельной и последовательной конфигурациями. Контроллер 108 предоставляет первый управляющий сигнал 110 на управляемый инвертор 114 и второй управляющий сигнал 112 на управляемый переключающий механизм 106. Управляемый инвертор 114 получает на входе электроэнергию от источника 102 питания постоянного тока. Первый управляющий сигнал 110, управляющий управляемым инвертором 114 относится к частоте, фазе, напряжению или току электроэнергии, подаваемой от источника 100 питания переменного тока. Второй управляющий сигнал 112, управляющий управляемым переключающим механизмом 106, относится к соединению управляемого инвертора 114, соединенного с источником 102 питания постоянного тока, параллельно с источником 100 питания переменного тока, или последовательно между источником 100 переменного тока и нагрузкой 104.
pq
pq
pq
В качестве примера, контроллер 108 может определять проблему, связанную с качеством электроэнергии, и устанавливать параметр качества электроэнергии соответственно наличию проблемы, связанной с качеством электроэнергии (например, P= «истина»; где P является параметром качества электроэнергии, указывающим на наличие проблемы, связанной с качеством электроэнергии, причем указанный параметр имеет логическое значение). Контроллер 108 в данном примере может затем управлять управляемым переключающим механизмом 106 на основании параметра качества электроэнергии, соответствующего наличию проблемы, связанной с качеством электроэнергии (например, переключаться в последовательную конфигурацию, когда P имеет значение «истина»). Определение параметра качества электроэнергии может быть основано, например, на измерении напряжения электроэнергии, подаваемой от источника питания переменного тока, определении наличия кратковременного падения напряжения, наступлении времени ожидаемой проблемы, связанной с качеством электроэнергии, и т.д. Также существует множество вариантов реализации управления управляемого переключающего механизма 106 на основании параметра качества электроэнергии, например путем сравнения параметра качества электроэнергии с предварительно заданным значением (например, путем сравнения с опорным напряжением или путем сравнения времени возникновения ожидаемой проблемы, связанной с качеством электроэнергии, с текущим временем). Контроллер 108 может включать логику для определения и обработки множества параметров качества электроэнергии.
На Фиг. 2 изображен дополнительный вариант осуществления системы, содержащей компоновку цепи в соответствии с изобретением. Компоновка цепи содержит полномостовой инвертор ( содержащий четыре переключателя) и управляемый переключающий механизм (содержащий три двунаправленных переключателя). На этой фигуре источник 100 питания переменного тока (там, где ссылочный номер используется на многих чертежах, он относится к одному компоненту, соединению и т.д.) соединен с нагрузкой 104 посредством питающей сети 204 и нейтрали 206. Источник 102 питания постоянного тока (например, фотогальванический источник питания или батарея) соединен через управляемый инвертор 112 с сетью 210. Управляемый инвертор 112 включает фильтрующий конденсатор 216 постоянного тока, первый переключатель 218, второй переключатель 220, третий переключатель 222 и четвертый переключатель 224. Управляемый инвертор 112 подсоединен между первым переключателем 218 и четвертым переключателем 224 к сети 210 через точку общего присоединения 230 (PCC). Присоединение 232 к нейтрали соединяет управляемый инвертор 112 через присоединение 236 между вторым переключателем 220 и третьим переключателем 222 к сети 210 посредством двунаправленного переключателя 242. Присоединение 238 к питающей сети соединяет управляемый инвертор 112 через присоединение 236 между вторым переключателем 220 и третьим переключателем 222 с сетью 210 через двунаправленный переключатель 244. PCC 230 и присоединение 238 к питающей сети соединены через двунаправленный переключатель 240.
По сути, управляемый инвертор 112 соединен параллельно с источником 100 питания переменного тока, когда первый двунаправленный переключатель 240 и второй двунаправленный переключатель 242 включены, а третий двунаправленный переключатель 244 выключен. Управляемый инвертор 112 соединен последовательно между источником 100 питания переменного тока и нагрузкой 104, когда первый двунаправленный переключатель 240 и второй двунаправленный переключатель 242 выключены, а третий двунаправленный переключатель 244 включен.
При параллельном соединении с источником 100 питания переменного тока источник 102 постоянного тока будет подавать энергию на нагрузку 104 через управляемый инвертор 112. Если источник 102 питания постоянного тока является фотогальваническим источником питания, это может снизить количество электроэнергии, потребляемой от источника 100 питания переменного тока и, если, например, источник 100 питания переменного тока является энергосетью, обслуживаемой сетевой компанией, снизить счет за электроэнергию. Если источник 102 питания постоянного тока не может подавать (в достаточном количестве) электроэнергию, например, когда источник 102 питания постоянного тока является фотогальваническим источником питания, и недостаточно солнечного света, электроэнергия, подаваемая от источника 100 питания переменного тока, может питать нагрузку.
Размер фильтрующего конденсатора 216 постоянного тока определяет продолжительность периода времени, в течение которого возможно уменьшение негативных последствий проблем, связанный с качеством электроэнергии, в случае, когда источник 102 питания постоянного тока не подает достаточного количества электроэнергии. Выбор размера фильтрующего конденсатора постоянного тока может быть основан на Ур. 1, приведенном ниже.
Ур. 1;
rated
DCnom
DCmax
где P является номинальной мощностью, ω является основной частотой, V является номинальным напряжением фильтрующего конденсатора постоянного тока, а ΔV является максимально допустимым колебанием напряжения фильтрующего конденсатора постоянного тока.
AC_mes
AC_ref
AC_mes
AC_ref
На Фиг. 3 изображен вариант осуществления контроллера как части компоновки цепи в соответствии с изобретением. Контроллер предназначен подавать первый управляющий сигнал 110 управляемому переключающему механизму 106 и второй управляющий сигнал 112 управляемому инвертору 112. Первый управляющий сигнал 110 генерируется на основании первого этапа 304 определения проблемы, связанной с качеством электроэнергии (например, определения кратковременного падения напряжения или перенапряжения), относящейся к электроэнергии, подаваемой источником 100 питания переменного тока, и второго этапа 308 выбора конфигурации. Первый этап принимает на входе измеренное напряжение 312 переменного тока (V) и опорное напряжение 314 переменного тока (V) и на выходе предоставляет сигнал 306 проблемы, связанной с качеством электроэнергии. Определение проблемы, связанной с качеством электроэнергии, может быть основано, например, на определении разницы между V 312 и V 314. Если эта разница превышает предварительно заданное граничное значение, значит, было определено наличие проблемы, связанной с качеством электроэнергии. Другие способы реализации определения наличия проблемы, связанной с качеством электроэнергии, включают контроль различных других входных данных или применение определения на основании правил.
Второй этап 308 выбора конфигурации принимает на входе сигнал 306 проблемы, связанной с качеством электроэнергии, и на выходе предоставляет первый управляющий сигнал 110 управляемому переключающему механизму 106. Этот первый управляющий сигнал 110 определяет состояния двунаправленных переключателей 218, 220, 222, 224. Состояния переключателей приведены в Таблице 1.
Таблица 1
Двунаправленный переключатель
Проблема, связанная с качеством электроэнергии, обнаружена (параллельная конфигурация)
Проблема, связанная с качеством электроэнергии, не обнаружена (последовательная конфигурация)
240
Включен
Выключен
242
Включен
Выключен
244
Выключен
Включен
Мультиплексор 310 принимает на входе последовательный управляющий сигнал 316 и параллельный управляющий сигнал 318. Он выбирает управляющий сигнал 316, когда сигнал 306 проблемы, связанной с качеством электроэнергии, указывает на наличие проблемы, связанной с качеством электроэнергии. Мультиплексор выбирает параллельный контрольный сигнал 318, когда сигнал 306 проблемы, связанной с качеством электроэнергии, указывает на отсутствие проблемы, связанной с качеством электроэнергии. Мультиплексор 310 передает дальше в качестве второго управляющего сигнала 110 управляемому инвертору 112 либо последовательный управляющий сигнал 316, либо параллельный управляющий сигнал 318 на основании этого выбора.
AC_mes
AC_ref
Load_mes
Последовательный управляющий сигнал 316 генерируется последовательным блоком 320 управления. Параллельный управляющий сигнал 318 генерируется параллельным блоком 322 управления. Последовательный блок 320 управления принимает в качестве входных сигналов V 312, V 314 и измеренный ток 326 нагрузки (I). Последовательный блок 320 управления на первом этапе 328 определяет амплитуду требуемой добавки напряжения, на втором этапе 330 он определяет фазу, и, как первый этап 328, так и второй этап 330 предоставляются на вход третьего этапа 332, который определяет схему переключений.
AC_mes
AC_ref
AC_mes
Load_mes
Первый этап 328 принимает на входе изменяющееся во времени напряжение 334 на основании V 312 и V 314 и предоставляет на выходе сигнал 336, отображающий амплитуду требуемой добавки напряжения. Второй этап 330 принимает на входе V 312 и I 326 и предоставляет на выходе сигнал 338, отображающий фазу требуемой добавки напряжения. Эти два сигнала 336, 338 используются на третьем этапе 332 для определения схемы переключений и предоставления соответствующего сигнала широтно-импульсной модуляции (ШИМ); этот первый сигнал ШИМ является последовательным управляющим сигналом 316. Схема переключений при кратковременном падении напряжения и перенапряжении могут быть найдены, соответственно, в таблицах 2 и 3.
Таблица 2
Входное напряжение V
Ток I
Напряжение V, которое необходимо добавить
Переключатель 218
Переключатель 220
Переключатель 222
Переключатель 224
+ve
+ve
+ve
Выключен
Выключен
Включен
Включен
+ve
+ve
0
Выключен
Выключен
Включен
Выключен
+ve
-ve
+ve
Включен
Включен
Выключен
Выключен
+ve
-ve
0
Выключен
Включен
Выключен
Выключен
-ve
-ve
-ve
Включен
Включен
Выключен
Выключен
-ve
-ve
0
Выключен
Включен
Выключен
Выключен
-ve
+ve
-ve
Выключен
Выключен
Выключен
Выключен
-ve
+ve
0
Выключен
Выключен
Включен
Выключен
Таблица 3
Входное напряжение V
Ток I
Напряжение V, которое необходимо добавить
Переключатель 218
Переключатель 220
Переключатель 222
Переключатель 224
+ve
+ve
-ve
Выключен
Выключен
Выключен
Выключен
+ve
+ve
0
Выключен
Выключен
Выключен
Включен
+ve
-ve
-ve
Выключен
Выключен
Выключен
Выключен
+ve
-ve
0
Включен
Выключен
Выключен
Выключен
-ve
-ve
+ve
Выключен
Выключен
Выключен
Выключен
-ve
-ve
0
Включен
Выключен
Выключен
Выключен
-ve
+ve
+ve
Выключен
Выключен
Включен
Включен
-ve
+ve
0
Выключен
Выключен
Выключен
Включен
AC_mes
DC_mes
DC_ref
AC_mes
DC_mes
DC_ref
DC_ref
Параллельный управляющий сигнал 318 генерируется параллельным блоком 324 управления. Параллельный блок 324 управления принимает в качестве входных сигналов V 312, измеренное напряжение 340 постоянного тока (V) и опорное напряжение 342 постоянного тока (V). Параллельный блок 324 управления на первом шаге 344 создает сигнал 346 схемы фазовой автоподстройка частоты, на втором этапе 348 определяется PI компенсация и на третьем этапе 350 генерируется сигнал ШИМ. Первый этап 344 принимает на входе V 312 и предоставляет на выходе сигнал 346 схемы фазовой автоподстройки частоты. Второй этап 346 принимает на входе изменяющееся во времени напряжение 352 на основании V 340 и V 342 и предоставляет на выходе сигнал 354, отображающий требуемую частоту переключений инвертора относительно инвертора, предоставляющего на выходе напряжение V. На третьем этапе генерируется сигнал ШИМ, чтобы подать DC-link напряжение нужной фазы и амплитуды; этот второй сигнал ШИМ является параллельным управляющим сигналом 318.
На Фиг. 4 и 5 изображена упрощенная версия Фиг. 2 с последовательной конфигурацией (двунаправленные переключатели 240 и 242 выключены; 244 включен) с указанием тока, проходящего через компоновку цепи во время положительного цикла и отрицательного цикла электроэнергии, подаваемой от первого источника питания, соответственно; где второй источник питания добавляет напряжение. При кратковременном падении напряжения при последовательной конфигурации управляемый инвертор может добавлять напряжение (V, которое необходимо добавить; таблица 2) для уменьшения негативных последствий кратковременного падения напряжения.
На Фиг. 6 и Фиг. 7 изображена упрощенная версия Фиг. 2 с последовательной конфигурацией с определением тока, проходящего через компоновку цепи во время положительного цикла и отрицательного цикла электроэнергии, подаваемой от первого источника питания, соответственно; где второй источник питания не добавляет напряжение. Амплитуда добавляемого напряжения в последовательной конфигурации при кратковременном падении напряжения может регулироваться, например, путем переключения управляемого инвертора между добавлением напряжения (Фиг. 4 для положительного цикла, Фиг. 5 для отрицательного цикла) и не добавлением напряжения (Фиг. 6 для положительного цикла, Фиг. 7 для отрицательного цикла), пока не будет достигнута желаемая амплитуда напряжения, которое необходимо добавить.
Не изображена ни последовательная конфигурация, связанная с наличием других проблем, связанных с качеством электроэнергии (например, перенапряжением), ни параллельная конфигурация.
Следует отметить, что указанные выше варианты осуществления иллюстрируют, а не ограничивают изобретение и что специалисты в данной области техники будут способны спроектировать альтернативные варианты осуществления, не выходя за рамки объема приложенной формулы изобретения. В формуле изобретения любой ссылочный знак, помещенный между круглыми скобками, не следует толковать как ограничивающий объем формулы изобретения. Слово «включает» не исключает наличия элементов или этапов, не перечисленных в формуле изобретения. Использование единственного числа относительно элементов не исключает множественности таких элементов. Изобретение может быть реализовано с помощью оборудования, включающего несколько отдельных элементов, и с помощью подходящим образом запрограммированного компьютера. В пунктах формулы изобретения, где перечисляются несколько средств, несколько этих средств могут быть реализованы одним и тем же элементом оборудования или программного обеспечения. Применение слов первый, второй и третий и т.д. не указывает на какую-либо последовательность. Эти слова следует воспринимать как названия. Какой-либо специальной последовательности действий не требуется, пока это отдельно не указано.