СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ СТАТИЧЕСКИМИ, СТАБИЛИЗИРОВАННЫМИ ИСТОЧНИКАМИ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ, РАБОТАЮЩИМИ ПАРАЛЛЕЛЬНО НА ОБЩУЮ НАГРУЗКУ
METHODS FOR CONTROL OF STATIC STABILISED AC VOLTAGE SOURCES WORKING IN PARALLEL FOR 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 или синхронный генератор с переменной скоростью вращения вала или аккумуляторная батарея. Функция стабилизации параметров переменного выходного напряжения возлагается на статический преобразователь частоты (непосредственный преобразователь частоты), преобразующий напряжение одной, как правило, нестабильной частоты в напряжение другой, стабильной частоты, или на статические преобразователи, реализующие формирование переменного напряжения одной частоты из переменного напряжения другой частоты через звено постоянного тока (выпрямитель-инвертор), или на инвертор при первичном источнике постоянного напряжения. Требуемый гармонический состав выходного напряжения достигается включением на выходе источника низкочастотного фильтра.
Известен способ управления статическими стабилизированными источниками напряжения переменного тока, работающими параллельно на общую нагрузку [Пат. 2379812 РФ, МКИ6: H02J 3/46, МКИ7: Н02М 7/48, Н02М 7/493, Н02М 7/5387. Способ управления статическими стабилизированными источниками напряжения переменного тока, работающими параллельно на общую нагрузку / Н.И.Бородин, С.А.Харитонов // Изобретения, 2010. - №2], заключающийся в том, что для каждого источника измеряют мгновенные значения выходного напряжения и тока, формируют эталонный сигнал амплитуды, формируют эталонный сигнал фазы, формируют сигналы, пропорциональные амплитуде и фазе выходного напряжения источника, измеряют активные и реактивные составляющие токов источников, для каждой составляющей формируют разностное напряжение, разностные напряжения активных и реактивных составляющих токов формируют как разность соответствующих составляющих токов только двух источников, а именно разность составляющих токов данного и другого источников или разность составляющих токов других источников, 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 которому 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, причем каждая разность составляющих токов при формировании соответствующих суммарных сигналов используется только один раз.
Данный способ управления реализует высокую стабильность параметров напряжения на общей нагрузке (амплитуды и фазы) и точность распределения тока нагрузки между источниками только в статическом режиме. Однако при коммутации общей нагрузки из-за формирования соответствующих сигналов сравнения путем интегрирования разностных сигналов приводит к изменению напряжения на нагрузке («провал» или «выброс»), которые компенсируются сигналами управления за время, определяемое длительностью операции интегрирования. Поэтому динамические характеристики параллельно работающих источников при таком способе управления будут низкими.
Кроме того, известен способ управления статическими стабилизированными источниками напряжения переменного тока, работающими параллельно на общую нагрузку [Пат. 2380820 РФ, МКИ6: Н02М 5/297, Н02Р 13/00, МКИ7: Н02М 7/493. Способ управления статическими стабилизированными источниками напряжения переменного тока, работающими параллельно на общую нагрузку / Н.И.Бородин, С.А.Харитонов // Изобретения, 2010. - №3], который является прототипом предлагаемого изобретения, и заключается в том, что для каждого источника измеряют мгновенные значения выходного напряжения и тока, измеренные мгновенные значения напряжения и 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 выходного напряжения источника, формируют сигналы, пропорциональные d- и q-составляющим выходного напряжения, формируют сигналы, пропорциональные d- и q-составляющим токов источников, для каждого источника формируют первое разностное напряжение путем вычитания d-составляющих токов источников и второе разностное напряжение путем вычитания q-составляющих токов источников, причем указанные первое и второе разностные напряжения 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 напряжений используется только один раз, первое разностное напряжение суммируют с сигналом, пропорциональным d-составляющей выходного напряжения, второе разностное напряжение 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, по сигналам сравнения формируют амплитуду и фазу модулирующего напряжения обратным преобразованием d- и q-составляющих результата сравнения из двухфазной dq-системы координат в трехфазную abc-систему координат.
Данный способ управления реализует также высокую точность распределения составляющих тока нагрузки между параллельно работающими источниками и высокую точность стабилизации параметров напряжения на общей нагрузке только в установившемся режиме за счет использования интегрирования соответствующих постоянных разностных сигналов. Но при коммутации нагрузки, как и в предыдущем способе, будут происходить изменения напряжения на общей нагрузке, и длительность переходного процесса установления напряжения будет определяться временем операции интегрирования соответствующих разностных сигналов. Поэтому динамические характеристики параллельно работающих источников будут низкими.
Задача изобретения - повышение динамических характеристик параллельно работающих источников за счет уменьшения величины изменения напряжения на общей нагрузке и сокращения длительности переходного процесса установления параметров общего напряжения при коммутации нагрузки.
Это достигается тем, что в известном способе управления статическими стабилизированными источниками переменного напряжения, работающими параллельно на общую нагрузку, заключающемся в том, что для каждого источника измеряют мгновенные значения выходного напряжения и тока, измеренные мгновенные значения напряжения и тока каждого источника преобразуют из трехфазной abc-системы координат во вращающуюся с постоянной частотой Ω двухфазную dq-систему координат, формируют сигналы сравнения для d- и q-составляющих, распределяющие ток нагрузки между параллельно работающими источниками и стабилизирующие параметры напряжения на общей нагрузке в установившемся режиме, формируют амплитуду и фазу модулирующего напряжения обратным преобразованием d- и q-составляющих из двухфазной dq-системы координат в трехфазную abc-систему координат, для каждого источника формируют дополнительные сигналы, пропорциональные d- и q-составляющим токов источников, суммируют дополнительные сигналы с соответствующими d- и q-составляющими сигналов сравнения, и указанное обратное преобразование осуществляют с использованием суммарных сигналов.
На фиг.1 представлена одна из возможных структурных схем, реализующая предлагаемый способ управления параллельно работающими источниками. На фиг.2 и фиг.3 представлены результаты моделирования в среде моделирования PSIM переходных процессов при коммутации общей нагрузки трех инверторов напряжения при параллельной работе на общую нагрузку.
1
N
i
i
-1
Структурная схема фиг.1 реализует параллельную работу N трехфазных статических стабилизированных источников переменного напряжения ИCT…ИCT (блоки 1…3), трехфазные выходы которых соединены с общей нагрузкой Н (блок 4). Каждый источник включает в себя источник эталонного сигнала d-составляющей выходного напряжения  (блок 5) и источник эталонного сигнала q-составляющей выходного напряжения  (блок 6), которые соединены с первыми, уменьшаемыми входами схем вычитания (блоки 7 и 8). Вторые вычитаемые входы схем вычитания (блоки 7 и 8) соединены с выходами пропорциональных звеньев для d- и q- составляющих выходного напряжения  и  (блоки 9, 10). Третьи, вычитаемые входы схем вычитания (блоки 7 и 8) соединены с выходами пропорциональных звеньев разностей d- и q-составляющих токов источников  и  (блоки 11, 12). Выходы схем вычитания (блоки 7 и 8) соединены с входами интеграторов  и  (блоки 13, 14). Выходы интеграторов соединены с первыми входами сумматоров (блоки 15 и 16). Вторые входы сумматоров (блоки 15 и 16) соединены с выходами пропорциональных звеньев  и  (блоки 17 и 18). Выходы сумматоров соединены с входами обратных преобразователей координат ПК (блок 19), выходы которых соединены с входами систем импульсно-фазового управления СИФУ (блок 20). Выходы систем импульсно-фазового управления соединены с силовыми схемами статических преобразователей частоты ПЧ (блок 21). На силовые схемы преобразователей так же поступают напряжения источников нестабильного напряжения Uc (блок 22). Выходы силовых схем через низкочастотные фильтры Ф (блок 23), датчики мгновенного значения фазного тока ДТа, ДТв, ДТс (блоки 24…26) соединены с общей нагрузкой Н (блок 4) и входами прямых преобразователей координат выходного напряжения ПК (блок 27). Выходы прямых преобразователей координат выходного напряжения ПК (блок 27) соединены с входами пропорциональных звеньев  и  (блоки 9, 10). Выходы датчиков мгновенных значений фазных токов ДТа, ДТв, ДТс (блоки 24…26) соединены с входами прямых преобразователей координат выходных токов ПК (блок 28), выходы которых соединены с входами схем вычитания (блоки 29…34) и входами пропорциональных звеньев  и  (блоки 17 и 18). Выходы схем вычитания (блоки 29…34) соединены с входами соответствующих пропорциональных звеньев  и  (блоки 11, 12).
Нагрузка Н (блок 4) может представлять собой резистор или последовательное или параллельное включение резистора и дросселя.
-1
i
Источники эталонных сигналов d-составляющей выходного напряжения (блок 5) и q-составляющей выходного напряжения (блок 6), например параметрические стабилизаторы (см. Источники электропитания радиоэлектронной аппаратуры: Справочник / Под ред. Г.С.Найвельта. - М.: Радио и связь, 1986). Схемы вычитания (блоки 7 и 8, 29…34), пропорциональные звенья (блоки 9, 10 и 11, 12), интеграторы (блоки 13, 14), сумматоры (блоки 15 и 16) представляют собой типовые элементарные звенья, известные из теории автоматического регулирования (см. Теория автоматического управления. Ч1. Теория линейных систем автоматического управления. Под ред. А.А.Воронова. Учеб. пособие для вузов. - М.: Высш. школа, 1977). Обратный преобразователь координат ПК (блок 19) реализует известное из электромеханики и теории автоматизированного электропривода преобразование двух dq-координат системы координат, вращающейся с постоянной частотой Ω, в трехфазную, симметричную 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(блок 20) - 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 (блок 21) 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 Uc (блок 22) - промышленная сеть или синхронный генератор с переменной скоростью вращения ротора или аккумуляторная батарея. Силовой фильтр Ф (блок 23), например, однозвенный LC-фильтр в каждой выходной фазе или С-фильтр в каждой выходной фазе. Датчики мгновенного значения фазного тока (блоки 24…26), например, трансформаторы тока. Прямые преобразователи координат ПК (блоки 27, 28) реализуют известное из электромеханики и теории автоматизированного электропривода преобразование трехфазных величин (токов и напряжений) их 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.П., Величко Л.М., Ткаченко В.А. Аналоговые перемножители сигналов в радиоэлектронной аппаратуре. - М.: Радио и связь. - 1982. - 112 с.).
-1
-1
C
Способ осуществляется следующим образом. Формируются (блоки 5 и 6) первый  и второй  эталонные сигналы, представляющие собой постоянные напряжения, для d-составляющей и q-составляющей выходного напряжения, которые поступают на первые, уменьшаемые входы соответствующих схем вычитания (блоки 7 и 8). Преобразователи координат ПК (блоки 27 и 28) преобразуют трехфазные системы измеренных синусоидальных величин, соответственно выходных напряжений и токов (блоки 24…26) источников, во вращающуюся с постоянной частотой Ω систему двух d- и q-координат, соответственно, напряжений ( - первый параметр стабилизируемого напряжения,  - второй параметр стабилизируемого напряжения) и токов ( - первый параметр токов,  - второй параметр токов), которые представляют собой сигналы постоянного тока. D- и q-составляющие выходного напряжения поступают через пропорциональные звенья (блоки 9 и 10) на вторые уменьшаемые входы схем вычитания (блоки 7 и 8). D- и q-составляющие токов источников поступают на входы схем вычитания своих источников с положительным знаком и на входы схем вычитания других источников с отрицательным знаком (блоки 29…34). Схемы вычитания (блоки 29…34) формируют первое (разность d-составляющих токов -  и второе (разность q-составляющих токов -  разностные напряжения, которые через пропорциональные звенья (блоки 11 и 12) поступают на третьи, вычитаемые входы схем вычитания (блоки 7 и 8). Схемы вычитания (блоки 7 и 8) формируют разность соответствующих эталонных сигналов и соответствующих суммарных сигналов. Так как все сигналы, поступающие на сумматоры, - напряжения постоянного тока, то и формируемые сумматорами напряжения также являются напряжениями постоянного тока. Эти напряжения поступают на интеграторы (блоки 13 и 14), которые формируют первый (блок 13) и второй (блок 14) сигналы сравнения путем интегрирования разности соответствующих эталонных и суммарных сигналов. Выходные напряжения интеграторов поступают на первые входы сумматоров (блоки 15 и 16). На вторые входы сумматоров (блоки 15 и 16) поступают сигналы, пропорциональные d- и q-составляющим токов источников. Выходные сигналы сумматоров (блоки 15 и 16) поступают на обратный преобразователь координат ПК (блок 19), который формирует трехфазную систему модулирующих напряжений, амплитуда и фаза которых определяется входными сигналами ПК (блок 19), то есть результатами суммирования. В системе импульсно-фазового регулирования (блок 20) модулирующие напряжения преобразуются в последовательность модулированных импульсов, обеспечивающих коммутацию силовых ключей схем статического источника переменного напряжения ПЧ (блок 21), преобразующего энергию источника нестабильного напряжения U (блок 22) в переменное напряжение стабильной частоты Ω с параметрами, определяемыми модулирующим напряжением СИФУi (блок 20). Силовой фильтр Ф (блок 23) в значительной мере исключает высокочастотные составляющие спектра выходного напряжения и тока источника, обеспечивая их синусоидальность.
Уменьшение отклонений напряжения на общей нагрузке и сокращение времени переходного процессы установления напряжения на общей нагрузке происходит за счет того, что при коммутации нагрузки скачкообразно изменяется ток каждого источника и соответственно d- и q-составляющие токов источников. Суммирование сигналов, пропорциональных d- и q-составляющим токов источников, с соответствующими сигналами сравнения позволяет скачкообразно изменять входные сигналы схемы обратного преобразования координат и, следовательно, за счет безынерционного обратного преобразования координат скачкообразно увеличивать или уменьшать амплитуду и фазу модулирующих напряжений. За счет этого происходит быстрая компенсация изменения падения напряжения на внутреннем сопротивлении источников при изменении тока источника. Поэтому изменение напряжения на общей нагрузке при ее коммутации значительно снижается, а длительность переходного процесса установления общего напряжения сокращается.
н
н
н
d
q
int
int
mod
mod
mod
op
4
1
На фиг.2 и фиг.3 представлены результаты моделирования в среде PSIM параллельной работы трех трехфазных инверторов напряжения на общую нагрузку. Инверторы формируют напряжение на общей нагрузке с действующим значением 115 В, частотой 400 Гц. Мощность нагрузки 15 кВт (бортовая авиационная система генерирования). Коммутация тока нагрузки производилась от 10% до 160% от номинального фазного тока 43,5 А. Частота переключения транзисторов инверторов 20 кГц. На чертежах представлены мгновенные фазные напряжения на общей нагрузке U(А), U (В), U(С) (первый график), выходные напряжения схем вычитания (блоки 7 и 8) ΔU, ΔU и интеграторов (блоки 13 и 14) U(d), U(q) (второй график) одного из параллельно работающих источников, мгновенные значения фаз А токов источников I1(A), I2(A), I3(A) (график 3), модулирующие напряжения первого источника U(A), U(B), U(C) (график 4) при опорном напряжении U, равном 10 вольт. На чертеже 2 изображены графики, характеризующие способ-прототип, а на чертеже 3 - графики, характеризующие предлагаемый способ. Сравнение аналогичных графиков для способа-прототипа и предлагаемого способа показывает, что в предлагаемом способе модулирующие напряжения изменяются практически скачкообразно, интеграторы d- и q-составляющих изменяют свои выходные напряжения в меньшей степени, чем в способе-прототипе, «провал» и «выброс» напряжения на общей нагрузке снижаются, и длительность переходного процесса при коммутации нагрузки уменьшается. Моделирование проводилось для наихудшего случая, когда коммутация нагрузки осуществлялась в максимуме мгновенного значения одного фазного напряжения. Поэтому единичный выброс, возникающий при сбросе тока нагрузки, обусловлен свободной составляющей переходного процесса, которая затухает менее чем за /. часть периода выходной частоты. При этом выброс напряжения примерно в 2 раза ниже, чем в способе-прототипе. Коммутация нагрузки в любой другой момент времени приводит к искажению кривых напряжения на общей нагрузке и исключает выбросы и провалы напряжений.
Таким образом, предложенный способ управления позволяет повысить динамические характеристики параллельно работающих источников за счет уменьшения величины изменения напряжения на общей нагрузке и сокращения длительности переходного процесса установления параметров общего напряжения при коммутации нагрузки.