СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ СТАТИЧЕСКИМИ СТАБИЛИЗИРОВАННЫМИ ИСТОЧНИКАМИ НАПРЯЖЕНИЯ ПОСТОЯННОГО ТОКА, РАБОТАЮЩИМИ ПАРАЛЛЕЛЬНО НА ОБЩУЮ НАГРУЗКУ
METHOD TO CONTROL STATIC STABILISED DC VOLTAGE SOURCES OPERATING IN PARALLEL INTO COMMON LOAD

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при построении систем генерирования электрической энергии или систем гарантированного электропитания, в которых для достижения надежности электропитания и повышения выходной мощности статические стабилизированные источники электрической энергии включаются параллельно на общую нагрузку. Первичными источниками с нестабильными параметрами входной энергии в таких системах может служить сеть промышленной частоты, синхронный генератор с переменной скоростью вращения вала или аккумуляторная батарея. Функция стабилизации величины постоянного выходного напряжения возлагается на управляемый выпрямитель или преобразователь постоянного напряжения, а требуемый гармонический состав выходного напряжения достигается включением на выходе источника низкочастотного фильтра.
Известен способ управления N параллельно работающими статическими стабилизированными источниками напряжения постоянного тока на базе управляемых полупроводниковых выпрямителей или преобразователей постоянного напряжения [Розанов Ю.К. Полупроводниковые преобразователи со звеном повышенной частоты. - М.: Энергоавтомиздат, 1987. - 184 с], основанный на измерении мгновенных значений тока общей нагрузки и токов источников, формировании сигнала управления каждым преобразователем как разность тока данного источника и тока нагрузки, деленного на N - число параллельно работающих источников, формировании сигнала уставки тока для каждого источника и перевод источника из режима стабилизации его выходного напряжения в режим стабилизации тока при превышении тока источника тока уставки.
Вышеописанный способ управления параллельно работающими источниками предполагает наличие обязательного наклона внешних характеристик каждого из источников и поэтому при изменении величины общей нагрузки будут изменяться и величина напряжения на общей нагрузке, и перераспределение токов между источниками в статическом режиме, определяемые конечными коэффициентами усиления соответствующих контуров регулирования. При переходе всех источников в режим стабилизации тока ни значение выходного напряжения, ни распределение токов между источниками при таком способе управления не контролируются.
При выходе из строя при таком управлении силовых схем одного или нескольких параллельно работающих статических источников ток нагрузки перераспределяется между остальными параллельно работающими источниками, чем создаются условия для перехода источников в режим стабилизации тока и нарушении стабилизации общего напряжения.
Известен другой способ управления статическими стабилизированными источниками напряжения постоянного тока, работающими параллельно на общую нагрузку [Пат. РФ №2246747, МПК G05F 1/625. Способ управления статическими стабилизированными источниками напряжения постоянного тока, работающими параллельно на общую нагрузку / Н.И.Бородин, С.А.Харитонов. - опубл. 20.02.2005, бюл. №5], являющийся прототипом предлагаемого изобретения, состоящий в том, что формируют сигнал задания напряжения, измеряют напряжение на общей нагрузке и выходной ток каждого источника, формируют сигнал отрицательной обратной связи по напряжению вычитанием сигнала, пропорционального напряжению на общей нагрузке, из сигнала задания напряжения, формируют дополнительный сигнал напряжения путем интегрирования сигнала отрицательной обратной связи по напряжению, формируют сигнал управления напряжением на общей нагрузке суммированием трех составляющих, одна из которых пропорциональна дополнительному сигналу напряжения, вторая - пропорциональна сигналу отрицательной обратной связи по напряжению, а третья - пропорциональна выходному току данного источника, сигнал управления напряжением на общей нагрузке используют для управления одним из параллельно работающих источников, формируют сигнал задания доли тока источника в токе нагрузки для каждого из остальных параллельно работающих источников пропорционально току источника, регулируемого по напряжению, с коэффициентом пропорциональности, равным отношению номинального значения тока данного источника к номинальному значению тока источника, регулируемого по напряжению, формируют сигнал отрицательной обратной связи по току путем вычитания сигнала, пропорционального току данного источника, из сигнала задания доли тока данного источника, для каждого из остальных источников формируют дополнительный сигнал тока путем интегрирования его сигнала отрицательной обратной связи по току и формируют сигнал управления каждым из остальных источников суммированием трех составляющих, одна из которых пропорциональна его дополнительному сигналу тока, вторая - его сигналу отрицательной обратной связи по току, а третья пропорциональна его сигналу задания доли тока.
Данный способ управления обладает высокой точностью стабилизации напряжения на общей нагрузке за счет исключения наклона (статизма) внешней характеристики в установившемся режиме ведущего источника, отвечающего за стабилизацию напряжения на общей нагрузке, в результате использования дополнительного сигнала напряжения, и высокой точностью распределения тока нагрузки между источниками в установившемся режиме пропорционально номинальным значениям их токов за счет использования при управлении источниками дополнительного сигнала тока. Кроме того, способ повышает стабильность напряжения на общей нагрузке в динамических режимах («сброс-наброс» нагрузки) за счет использования в сигналах управления источниками сигналов, пропорциональных току ведущего источника, реализующих управление по возмущению.
Однако при прекращении формирования тока ведущего источника, отвечающего за стабилизацию напряжения на общей нагрузке и формирующего сигнал задания доли тока источника в токе нагрузки для остальных (ведомых) источников, формирование напряжения на общей нагрузке и распределение тока нагрузки между источниками прекращаются.
Задача изобретения - обеспечение формирования напряжения на общей нагрузке и распределения тока нагрузки между источниками при сохранении стабильности общего напряжения и точности распределения тока нагрузки между источниками пропорционально номинальным токам источников в послеаварийном режиме работы.
Это достигается тем, что формируют сигнал задания напряжения, измеряют напряжение на общей нагрузке и выходной ток каждого источника, формируют сигнал отрицательной обратной связи по напряжению вычитанием сигнала, пропорционального напряжению на общей нагрузке, из сигнала задания напряжения, формируют дополнительный сигнал напряжения путем интегрирования сигнала отрицательной обратной связи по напряжению, формируют сигнал управления напряжением на общей нагрузке суммированием двух составляющих, одна из которых пропорциональна дополнительному сигналу напряжения, вторая - пропорциональна сигналу отрицательной обратной связи по напряжению, формируют для каждого источника сигнал задания доли тока в токе нагрузки, формируют сигнал отрицательной обратной связи по току путем вычитания сигнала, пропорционального току данного источника, из сигнала задания доли тока данного источника, для каждого из источников формируют дополнительный сигнал тока путем интегрирования его сигнала отрицательной обратной связи по току, и формируют сигнал управления каждым из источников суммированием трех составляющих, одна из которых пропорциональна его дополнительному сигналу тока, вторая - его сигналу отрицательной обратной связи по току, сигнал задания доли тока источника в токе нагрузки формируют для каждого из параллельно работающих источников пропорционально сигналу управления напряжением на общей нагрузке с коэффициентом пропорциональности, равным отношению номинального значения тока данного источника к номинальному значению тока нагрузки, а третью составляющую сигнала управления каждым из параллельно работающих источников формируют пропорционально току данного источника.
На чертеже представлена одна из возможных блок-схем, реализующая предложенный способ управления.
U
i
I
i
i
i
iном
нном
iном
нном
i
1
i
i
2
i
i
i
i
i
i
i
i
i
3
i
4
i
Блок-схема включает N параллельно работающих идентичных по структуре построения источников ИCT1,…,ИCTN (блоки 1, 2, 3), выходы которых соединены с общей нагрузкой Н (блок 4) и через пропорциональное звено В1 (блок 5) с входом схемы вычитания напряжения CBU (блок 6). Второй вход схемы вычитания напряжения CBU (блок 6) соединен с выходом схемы формирования сигнала задания напряжения Uэт (блок 7). Выход схемы вычитания напряжения CBU (блок 6) через пропорциональное звено KU1 (блок 8) соединен с одним из входов сумматора CU (блок 9) и через интегратор И (блок 10) и пропорциональное звено KU2 (блок 11) - с другим входом сумматора CU (блок 9). Выход сумматора CU (блок 9) соединен с пропорциональными звеньями I/I (блоки 12,13,14) каждого из параллельно работающих источников. Выходы пропорциональных звеньев I/I (блоки 12, 13, 14) соединены с входами схем вычитания токов CBI (блоки 15, 16, 17), выходы которых через пропорциональные звенья KI  (блоки 18, 19, 20) соединены с одним входом сумматоров CI; (блоки 21, 22, 23), а также через токовые интеграторы И  (блоки 24,25,26) и пропорциональные звенья KI  (блоки 27, 28, 29) соединены со вторыми входами сумматоров CI (блоки 21, 22, 23). Выходы сумматоров CI (блоки 21, 22, 23) соединены с входами систем импульсно-фазового управления СИФУ (блоки 30, 31, 32), выходы которых соединены с управляющими входами силовых схем источников CC (блоки 33, 34, 35). Вторые силовые входы силовых схем источников CC (блоки 33, 34, 35) соединены с выходами источников первичной энергии Uc (блоки 36, 37, 38). Выходы силовых схем источников CC (блоки 33, 34, 35) через силовые фильтры CФ (блоки 39,40,41) и датчики мгновенных значений токов Дт (блоки 42, 43, 44) соединены с общей нагрузкой Н (блок 4). Выходы датчиков токов через пропорциональные звенья KI  (блоки 45, 46, 47) соединены с третьими входами сумматоров CI (блоки 21, 22, 23), а через пропорциональные звенья KI  (блоки 48, 49, 50) соединены с вычитающими входами схем вычитания токов CBI (блоки 15, 16, 17).
iном
нном
1
2
3
4
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
i
U
I
Нагрузкой Н (блок 4) может быть резистор или последовательное включение резистора и дросселя. Пропорциональные звенья: В1 (блок 5), KU1 (блок 8), KU2 (блок 11), I/I (блоки 12, 13, 14), KI  (блоки 18, 19, 20), KI  (блоки 27, 28, 29), KI  (блоки 45, 46, 47), KI  (блоки 48, 49, 50), интеграторы: И (блок 10), И  (блоки 24, 25, 26), схемы вычитания: CBU (блок 6), CBI (блоки 15, 16, 17), сумматоры: CU (блок 9), CI (блоки 21, 22, 23) представляют собой типовые звенья, известные из теории автоматического регулирования (см. Теория автоматического управления. Ч1. Теория линейных систем автоматического управления. Под ред. А.А.Воронова. Учебн. пособие для вузов. - М.: Высш. школа, 1977). Схема формирования сигнала задания напряжения Uэт (блок 7) - параметрический стабилизатор напряжения (см. Источники электропитания радиоэлектронной аппаратуры: Справочник / Под ред. Г.С.Найвельта. - М.: Радио и связь, 1986). Системы импульсно-фазового управления СИФУ (блоки 30, 31, 32) - стандартные системы, реализующие вертикальный принцип управления (см. B.C.Руденко, В.И.Сенько, И.М.Чиженко. Основы преобразовательной техники.- М.: Высш. школа, 1980). Первичный источник электрической энергии Uc (блоки 36, 37, 38) может представлять собой либо управляемый выпрямитель по любой из известных схем при использовании первичного источника энергии переменного тока (см. B.C.Руденко, В.И.Сенько, И.М.Чиженко. Основы преобразовательной техники. - М.: Высш. школа, 1980), либо аккумуляторные батареи. Силовые схемы источников СС (блоки 33, 34, 35) могут представлять собой преобразователь постоянного напряжения (см. B.C.Моин Стабилизированные транзисторные преобразователи. - М.: Энергоатомиздат, 1980). Силовые фильтры СФ (блоки 39, 40, 41) представляют собой, например, однозвенный LC-фильтр или C-фильтр. Датчики мгновенных значений токов Дт (блоки 42, 43, 44), например измерительный шунт с высокочастотным преобразованием постоянного измеренного напряжения через трансформатор с последующим выпрямлением.
Способ управления осуществляется следующим образом.
U
U
Выходное напряжение через пропорциональное звено В1 (блок 5), согласующее уровни выходного напряжения и сигнала задания напряжения Uэт (блок 7), поступает на вычитающий вход схемы вычитания напряжения CBU (блок 6). На уменьшаемый вход схемы вычитания напряжения поступает сигнал задания напряжения Uэт (блок 7). На выходе схемы вычитания напряжения CBU (блок 6) формируется разность входных сигналов схемы вычитания напряжения CBU (блок 6), которая интегрируется интегратором И (блок 10) с постоянной времени интегрирования, задаваемой пропорциональным звеном KU2 (блок 11). В установившемся режиме входной ток интегратора И (блок 10) равен нулю, в результате чего выполняется соотношение
Выражение (1) показывает, что стабильность напряжения на общей нагрузке не зависит от величины токов источников и величины нагрузки, а, как и в способе-прототипе, определяется стабильностью сигнала задания напряжения и стабильностью коэффициента передачи пропорционального звена:
iном
нно
i
i
4
i
i
2
2
i
I
i
i
В установившемся режиме согласно выражению (1) выходной сигнал схемы вычитания напряжения CBU (блок 6) будет нулевым, и на выходе пропорционального звена KU1 (блок 8) также будет формироваться нулевой сигнал. Поэтому на выходе сумматора CU (блок 9) в установившемся режиме будет присутствовать только выходной сигнал пропорционального звена KU2 (блок 10), который поступает на пропорциональные звенья I/I (блоки 12, 13, 14) каждого из параллельно работающих источников. На выходах пропорциональных звеньев (блоки 12, 13, 14) формируются сигналы задания токов для каждого источника, пропорционально его номинальной мощности. Сигналы задания токов поступают на уменьшаемый вход схем вычитания токов CBI (блоки 15, 16, 17), а на вычитаемый вход этих схем поступают измеренные датчиками мгновенных значений токов Дт (блоки 42, 43, 44) токи источников, согласованные по уровню с сигналами задания токов пропорциональными звеньями KI  (блоки 48, 49, 50). Выходные сигналы схем вычитания токов CBI (блоки 15, 16, 17) интегрируются токовыми интеграторами И  (блоки 24, 25, 26), постоянные времени интегрирования которых задаются пропорциональными звеньями KI  (блоки 27, 28, 29). В установившемся режиме на выходах пропорциональных звеньев KI  устанавливается сигнал, при котором выполняются соотношения:
ЗАДi
i
CU
где I - сигнал задания тока для i-го источника; I - ток i-го источника;  - коэффициенты пропорциональности, согласующие уровни сигналов задания тока и тока источника; U - выходной сигнал сумматора CU.
Таким образом, в установившемся режиме ток каждого из параллельно работающих источников будет пропорционален его номинальному значению тока и будет зависеть от выходного сигнала сумматора CU:
i
1
i
2
3
i
i
i
i
i
i
i
i
В установившемся режиме согласно выражению (3) выходные сигналы схем вычитания CBI (блоки 15, 16, 17) будут нулевым и на выходе пропорциональных звенев KI  (блоки 18, 19, 20) также будут формироваться нулевые сигналы. Поэтому на выходе сумматоров CI (блоки 21, 22, 23) в установившемся режиме будут формироваться суммы выходных сигналов пропорциональных звеньев KI  (блоки 27, 28, 29) и сигналов, пропорциональных токам источников с выхода пропорциональных звеньев KI  (блоки 45, 46, 47). Выходные сигналы сумматоров CI (блоки 21, 22, 23) являются сигналами управления для каждого источника. Они поступают в системы импульсно-фазового управления СИФУ (блоки 30, 31, 32), в которых преобразуются в последовательность импульсов, переключающих управляемые ключи силовых схем источников CC (блоки 33, 34, 35). Силовые схемы источников преобразуют энергию источников первичной энергии Uc (блоки 36, 37, 38) с нестабильными параметрами в выходную энергию источников со стабильными параметрами. Силовые фильтры СФ (блоки 39, 40, 41) подавляют высокочастотные составляющие спектров выходных напряжений источников, обеспечивая тем самым требуемый гармонический состав напряжения на общей нагрузке.
i
iном
нном
i
i
2
i
1
i
i
i
U
I
i
i
В переходном режиме, при увеличении (уменьшении) напряжения одного или нескольких источников первичной энергии Uc (блоки 36, 37, 38) напряжение на общей нагрузке должно увеличиться (уменьшиться). При этом сигнал на выходе пропорционального звена В1 (блок 5) увеличивается (уменьшается), сигнал на выходе схемы вычитания напряжения CBU (блок 6) становится отрицательным (положительным). Выходные сигналы интегратора И (блок 10) и пропорционального звена KU2 (блок 11) в первый момент времени переходного процесса не изменяются, а на выходе пропорционального звена KU1 (блок 8) формируется отрицательный (положительный) сигнал, который уменьшает (увеличивает) сигнал на выходе сумматора CU (блок 9). Это приводит к уменьшению (увеличению) сигналов задания токов источников на выходе пропорциональных звеньев I/I (блоки 12, 13, 14). При этом уменьшаются (увеличиваются) выходные сигналы схем вычитания CBI (блоки 15, 16, 17). Интеграторы И  (блоки 24, 25, 26) и пропорциональные звенья KI  (блоки 27, 28, 29) в первый момент времени переходного процесса также не изменяют значений своих выходных сигналов, а уменьшение (увеличение) сигналов схем вычитания CBI через пропорциональные звенья KI  (блоки 18, 19, 20) и сумматоры CI (блоки 21, 22, 23) уменьшают (увеличивают) сигналы управления источниками на управляющих входах систем импульсно-фазового управления СИФУ (блоки 30, 31, 32). В результате изменение напряжения на нагрузке в момент быстрого изменения напряжений источников первичной энергии Uc снижается.
i
i
U
I
В установившемся режиме после изменения напряжения одного или нескольких источников первичной энергии Uc (блоки 36, 37, 38) интеграторы И (блок 10) и И  (блоки 24, 25, 26) сформируют такой выходной сигнал, при котором будут выполняться выражения (2) и (4). Таким образом, стабильность общего напряжения и распределение тока нагрузки между источниками сохраняются.
3
i
i
i
При изменении величины сопротивления нагрузки изменяется ток нагрузки и соответственно токи параллельно работающих источников. При этом за счет внешних характеристик источников изменится напряжение на общей нагрузке. При скачкообразном увеличении (уменьшении) тока нагрузки напряжение на нагрузке должно скачкообразно уменьшиться (увеличиться). При этом сигналы на выходе пропорциональных звеньев KI  (блоки 45, 46, 47) также увеличиваются (уменьшаются) и через сумматоры CI (блоки 21, 22, 23) скачкообразно увеличивают (уменьшают) сигналы управления источниками на управляющих входах систем импульсно-фазового управления СИФУ (блоки 30, 31, 32). Тем самым реализуется управление по возмущению источниками, и изменение напряжения на общей нагрузке при коммутации величины сопротивления нагрузки в значительной мере снижается.
U
U
I
i
i
i
i
1
2
i
i
При нарушении формирования выходных токов в любых одном или нескольких параллельно работающих источниках ток нагрузки уменьшается. При неизменной величине нагрузки это приводит к уменьшению величины напряжения на общей нагрузке. Сигнал на выходе пропорционального звена В1 (блок 5) уменьшается, а на выходе схемы вычитания напряжения CBU (блок 6) появляется положительное напряжение, которое через пропорциональное звено KU1 (блок 8) и в результате увеличения выходных напряжений интегратора И (блок 10) и пропорционального звена KU2 (блок 11) увеличивает выходное напряжение сумматора CU (блок 9). Интегратор И (блок 10) будет увеличивать свое выходное напряжение до тех пор, пока не выполнятся условия (1) и (2). Увеличение выходного напряжения сумматора CU (блок 9) приводит к увеличению сигналов задания токов для каждого из оставшихся в работе источников. Но увеличение сигнала задания тока для каждого из оставшихся в работе источников будет пропорционально его номинальному току согласно выражению (3). Увеличение сигналов задания токов для каждого из оставшихся в работе источников приводит к увеличению выходных сигналов схем вычитания токов CBI (блоки 15, 16, 17), интеграторов И  (блоки 24, 25, 26), пропорциональных звеньев KI  (блоки 18, 19, 20) и KI  (блоки 27, 28, 29) и сумматоров CI (блоки 21, 22, 23). Увеличение сигналов управления источниками на управляющих входах систем импульсно-фазового управления СИФУ (блоки 30, 31, 32) приводит к увеличению токов оставшихся в работе источников до выполнения для них условий (4).
Таким образом, предложенный способ управления обеспечивает формирование напряжения на общей нагрузке и распределение тока нагрузки между источниками при сохранении стабильности общего напряжения и точности распределения тока нагрузки между источниками пропорционально номинальным токам источников как в нормальном, так и послеаварийном режимах работы.