УСТРОЙСТВО ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ПЕРЕДАЧЕЙ МОЩНОСТИ МЕЖДУ ДВУМЯ ЦЕНТРАМИ СЕТИ ПОСТОЯННОГО ТОКА
DEVICE TO CONTROL POWER TRANSMISSION BETWEEN TWO DC CIRCUIT STATIONS

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к устройству для управления передачей мощности между двумя центрами сети постоянного тока и может быть использовано, в частности, в сетях постоянного тока на борту летательного аппарата, а также в любых типах бортовых сетей (морское судно, автомобиль и т.д.) и даже в других, не бортовых сетях, например, в стационарных сетях (локальная сеть постоянного тока, железнодорожная сеть и т.д.).
Для простоты изложения в дальнейшем описание изобретения ограничивается использованием только в области авиационных бортовых сетей.
Уровень техники
Интерес к передаче энергии по линии постоянного тока в бортовых сетях в основном связан с развитием электронных силовых систем, в частности, с увеличением числа установленных на борту самолета электромеханических приводов. Большинство этих приводов, управляемых и питаемых при помощи преобразователей постоянного тока, требуют наличия каскада постоянного напряжения. Однако такой каскад получают на основе классической переменной сети с использованием преобразования переменного тока в постоянный.
Все используемые блоки преобразования можно заменить централизованным распределением энергии: это распределение может быть полным прямым распределением (сеть высокого постоянного напряжения или HVDC) или частичным прямым распределением (смешанная сеть переменного/постоянного напряжения).
Однако применение таких постоянных сетей связано со многими техническими проблемами, в частности с необходимостью обеспечения стабильности этих сетей независимо от типа силовой нагрузки.
Чтобы обеспечить достаточное качество напряжения для каждого прибора, подключенного к такой постоянной сети, и отфильтровать гармонические частоты, генерируемые этими приборами, можно использовать, например индуктивно-емкостной фильтр типа L/C (L - индуктивность; С - емкость), установленный на входе прибора. В современных сетях постоянного тока подключенные нагрузки часто управляются силовыми электронными устройствами управления, которые в шкале граничных частот фильтра потребляют почти постоянную мощность. Такое явление является тем более очевидным, учитывая, что регулирование подключенного прибора происходит динамически. Однако входной фильтр, помещенный между источником постоянного тока и регулируемым преобразователем постоянного тока, в этом случае может входить в состояние колебания во время подачи мощности. Чем больше соотношение L/C, что, в частности, происходит, когда прибор подключают к кабелю большой длины, тем больше колебания напряжения на контактах конденсатора фильтра.
В документе «Méthode d'étude de la stabilité des ensembles convertisseurs-filtres» de Philippe Barrade, Hubert Piquet, et Yvon Cheron (Journal de Physique III, vol 6, pages 91 á 104 janvier 1996), далее - [1] показано, что любая система, образованная фильтром, нагружаемым преобразователем постоянного тока, и потребляющая постоянную мощность в динамическом диапазоне фильтра, является потенциально нестабильной системой.
Архитектуры современных сетей переменного тока предполагают подключение всех приборов к единому «центру» по линиям, которые могут достигать большой длины и становиться в этом случае высокоимпедансными.
«Центром» является узел соединения источник-нагрузка, содержащий защитные и контактные элементы, напряжение (в данном случае постоянное) которого стабилизируется внешним элементом. Центр может быть соединен с источником энергии: блоком из генератора переменного тока и выпрямителя («связанный центр»). Он может быть также соединен только с одним источником энергии (аккумулятором) или просто с одним или несколькими другими центрами («несвязанный центр»).
Учитывая упомянутые выше явления потенциальной нестабильности и усиление этих явлений при использовании кабелей большой длины, нецелесообразно переносить архитектуру сетей постоянного тока на архитектуру сетей переменного тока.
В документах «Subsystem interaction analysis in power distribution System of next génération airlifters» de Sriram Chandrasekaran, Douglas K. Lindner, Konstantin Louganshi, et Dushan Boroyevich (European power electronics conférence, Lausanne, Suisse, 7-9 septembre 1999, pages 1-6), далее - [2] и «An active bus conditioner for a distributed power System» de Kun Xing, Jinghong Guo, Wenkang Huang, Dengming Peng, Fred C. Lee et Dusan Borojevic (Power Electronics Specialists Conférence, pages 895-900, l' PESC 99. 30-th Annual IEEE), далее - [3] описаны два известных технических решения, целью которых является снижение опасности нестабильности.
В первом из этих документов описана бортовая система распределения мощности для самолета в рамках инициативы МЕА ("More Electric Aircraft" или «Более электрический самолет»). Большинство нагрузок, включая исполнительные устройства, регулируются с использованием двунаправленных силовых преобразователей, которые контролируют и согласовывают мощность при помощи постоянной шины. В этом документе анализируется потеря стабильности в случае больших возмущений, чтобы показать преимущество нелинейного метода анализа стабильности.
Во втором из этих документов описано устройство согласования активной постоянной шины для системы распределения мощности, которое компенсирует гармонический и реактивный ток на постоянной шине и активно ослабляет колебания в силовой системе постоянного тока.
Эти два документа касаются распределения энергии через шину при постоянном напряжении. Проектирование сети и ее оборудования с обеспечением стабильности работы системы является сложной задачей, и управление системой всегда является ограниченным.
Задачей настоящего изобретения является снижение вероятности нестабильной работы системы путем размещения между двумя центрами, находящимися в разных зонах системы и, следовательно, разделенными большими расстояниями, силовой и управляющей электроники, которая может управлять передачей мощности между этими центрами, обеспечивая качественную подачу мощности, как в нормальном, так и в аварийном режимах (отключение источника, перегрузка мощности на центре и т.д.).
Раскрытие изобретения
Объектом настоящего изобретения является устройство для управления передачей мощности между двумя центрами сети постоянного тока, являющимися узлами соединений источник-нагрузка, которые содержат защитные и контактные средства и размещены в разных зонах бортовой системы распределения мощности.
Согласно настоящему изобретению устройство содержит
- электронный преобразователь мощности, состоящий из двух соединенных между собой посредством индуктивности коммутационных элементов, каждый из которых состоит из двух ключей,
- модуль управления этим преобразователем, обеспечивающий возможность регулируемой передачи энергии на постоянном токе и стабилизации постоянного напряжения.
Предпочтительно каждый коммутационный элемент состоит из двух ключей, однонаправленных по напряжению и двунаправленных по току. Каждый ключ может содержать транзистор, связанный с диодом по встречной схеме. Индуктивность может включать в себя аппаратный компонент, если собственная индуктивность соединяющего центры кабеля недостаточна.
Устройство в соответствии с настоящим изобретением имеет следующие преимущества:
- оно позволяет проектировать архитектуры многозвенных сетей с децентрализованными центрами и обеспечивать стабильность этих сетей, сводя к минимуму длину кабелей между стабилизированными узлами напряжения (центрами) и приборами, даже если речь идет о дестабилизирующих нагрузках, потребляющих почти постоянную мощность;
- оно осуществляет в нормальном режиме регулируемую передачу мощности между двумя центрами, позволяя распределять и балансировать поток мощности сети или сетей. Стабильность тока обеспечивается благодаря соединению, управляемому по току, даже если длина кабелей между центрами является большой и присутствуют контуры, которые могут быть колебательными. Таким образом, режимы соединения/отсоединения центров являются стабильными и устойчивыми;
- в нормальном режиме оно может выполнять функцию «стабилизатора напряжения» центра, не соединенного с сетью постоянного тока;
- в аварийном режиме (например, при отказе источника) оно может выполнять функцию «стабилизатора напряжения» центра после его отсоединения от соединенного с ним неисправного источника.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 представлена схема устройства в соответствии с настоящим изобретением;
на фиг.2 показана архитектура бортовой сети с децентрализованным центром в соответствии с настоящим изобретением;
на фиг.3 представлен пример выполнения устройства в соответствии с настоящим изобретением;
на фиг.4 показана известная схема в случае отказа генератора переменного тока с соединением посредством контактора;
на фиг.5 показана схема в случае отказа генератора переменного тока с соединением посредством устройства, соответствующего настоящему изобретению;
на фиг.6А и 6В изображены временные диаграммы, полученные для примера выполнения, показанного на фиг.5.
Осуществление изобретения
На фиг.1 показана схема устройства 10 в соответствии с настоящим изобретением, расположенного между двумя центрами или узлами 11 и 12 сети постоянного тока.
Устройство содержит
- электронный преобразователь 19 мощности, содержащий два коммутационных элемента 13 и 14, соединенных между собой через индуктивность 20, которая может представлять собой как индуктивность кабеля, если значение его индуктивности является достаточным, так и аппаратный компонент. При этом каждый из коммутационных элементов соединен с центром и содержит два ключа, однонаправленных по напряжению и двунаправленных по току (15, 16; 17, 18), например транзистор, связанный с диодом по встречной схеме;
- модуль 21 управления указанным преобразователем, обеспечивающий возможность регулируемой передачи энергии на постоянном токе и стабилизации постоянного напряжения центров 11 и 12.
Управление двумя коммутационными элементами 13 и 14 обеспечивает почти мгновенное управление током на линии, соединяющей оба центра 11 и 12, при времени реагирования порядка величины нескольких периодов коммутации соответствующих элементов в устройстве согласно изобретению (обычно несколько миллисекунд).
Такое управление позволяет
- осуществить регулирование передачи мощности между двумя центрами в нормальном режиме работы, а также в случае неисправности связанного с одним из них генератора, причем передача мощности может происходить как от одного из двух центров к другому, так и наоборот;
- регулировать и балансировать мощность, выдаваемую генераторами и поступающую на центры;
- облегчить электрическое отключение центров, так как управление двумя коммутационными элементами позволяет устранить ток в индуктивной ветви устройства в соответствии с настоящим изобретением до приведения в «заблокированное» состояние контактора, установленного, как показано на фиг.4, на кабеле, который соединяет центры 62 и 63 (фиг.4);
- обеспечивать стабильность напряжения, поступающего на уровень центров, за счет соответствующего управления двумя коммутационными элементами.
На фиг.1 показана также схема устройства в соответствии с настоящим изобретением, которое содержит схему включения 13 «напряжение-ток», связанную со схемой включения 14 «ток-напряжение» через индуктивность 20. Первая схема включения 13 регулирует передачу мощности (то есть постоянный ток при данном напряжении), а вторая схема включения 14 стабилизирует постоянное напряжение несвязанного или связанного центра, источник питания которого оказался неисправным (аварийный режим).
Таким образом, устройство в соответствии с настоящим изобретением выполняет две функции. Оно одновременно обеспечивает
- регулируемую передачу энергии на постоянном токе,
- контроль и стабилизацию постоянного напряжения.
Устройство в соответствии с настоящим изобретением предназначено, в частности, для управления и контроля над обменом энергии между двумя децентрализованными центрами, которые обладают основным свойством источника напряжения (по крайней мере, мгновенного), которое может быть в случае необходимости поддержано наличием набора конденсаторов.
На фиг.2 показана архитектура на борту самолета 34 с децентрализованными центрами 30, 31, 32 и 33, в которой между двумя соседними центрами установлено несколько устройств 35, 36, 37, 38 и 39 в соответствии с настоящим изобретением.
Далее будет рассмотрена каждая из двух функций устройства в соответствии с настоящим изобретением.
Регулируемая передачи мощности
Устройство в соответствии с настоящим изобретением позволяет равномерно распределять мощность, потребляемую потребителями сети, между генераторами переменного тока.
На фиг.3 показано распределение потребляемой мощности между двумя генераторами 40 и 41 переменного тока.
Первый генератор 40 соединен с первой шиной 62 распределения (первый центр) через первый модуль 43 стабилизированного преобразования переменного тока в постоянный. С этой распределительной шиной 62 соединена первая нагрузка 60.
Второй генератор 41 соединен со второй шиной 63 распределения (второй центр) через второй модуль 47 стабилизированного преобразования переменного тока в постоянный. С этой второй распределительной шиной 63 соединена вторая нагрузка 61.
Устройство 10 в соответствии с настоящим изобретением, которое установлено между двумя распределительными шинами 62 и 63, позволяет сбалансировать мощность, выдаваемую двумя генераторами 40 и 41. Когда на одном из центров 62, 63 появляется колебание нагрузки, менее нагруженный генератор направляет через устройство 10 в соответствии с настоящим изобретением часть мощности, необходимой для питания нагрузок 60 и 61.
При нормальной работе мощность, распределяемую между генераторами 40 и 41, можно рассчитать в зависимости от общей суммы мощностей потребляющих элементов, а не от суммы мощностей потребляющих элементов, связанных только с одним отдельным генератором. Таким образом, можно зафиксировать и контролировать рабочую точку этих генераторов 40 и 41. Устройство 10 в соответствии с настоящим изобретением работает наподобие электронного «крана», который может регулировать передачу мощности даже при наличии колебаний напряжения питающего его источника постоянного тока.
Можно также упростить конструкцию генераторов 40 и 41, отказавшись от функции регулирования выдаваемого ими напряжения.
Контроль и стабилизация напряжения
Устройство 10 в соответствии с настоящим изобретением позволяет питать несвязанный центр от связанного центра или управлять изменением конфигурации сети в случае выхода из строя одного или нескольких источников питания.
В случае неисправности одного из генераторов переменного тока устройство в соответствии с настоящим изобретением позволяет осуществлять передачу мощности в часть сети, находящуюся со стороны неисправного генератора, и контролировать переходные явления и колебания, которые могут произойти.
Чтобы нагляднее продемонстрировать преимущество устройства в соответствии с настоящим изобретением, можно последовательно рассмотреть известное решение (фиг.4) в случае неисправности одного из генераторов и решение в соответствии с настоящим изобретением (фиг.5) в этом же случае.
На фиг.4 представлен случай неисправности второго генератора 41 в известной конструкции с подключением через контактор 51. Позициями 56, 57 и 58, соответственно, обозначены индуктивности кабеля и индуктивность соединения. Переключение питания через контактор 51 приводит к скачку напряжения в цепи, содержащей индуктивности (индуктивность кабеля) и емкости (например, емкость выпрямителя ШИМ), способные к генерации колебаний. В этом случае ток в контакторе 51 может произвольно изменяться, и какой-либо контроль не представляется возможным. Сеть не может гарантировать качество напряжения, подаваемого на нагрузки 60 и 61. Таким образом, при проектировании приборов необходимо принимать в расчет новые условия.
Узлы 62 и 63, состоящие из генератора 40 или 41 переменного тока, преобразователя 43 или 47 переменного тока в постоянный для генерирования постоянного напряжения и конденсатора 64 или 65, установленного на выходе (со стороны постоянного тока) преобразователя, соответствуют понятию «центра сети», то есть точки сети с контролируемым напряжением.
Такое решение для подачи энергии является лишь примером: питание можно осуществить непосредственно по постоянному току при помощи устройства, генерирующего постоянный ток (генератор постоянного тока, панель солнечных элементов и т.д.).
Устройства 60 и 61, соединенные с центрами 62 и 63 сети, являются нагрузкой для этих центров. В известных решениях центры распределены в структуре сети. Расстояние между центром и прибором обязательно предполагает наличие индуктивности соединения. Каждое устройство 60 или 61 оборудовано входным фильтром, не показанным на фиг.4, обычно содержащим по меньшей мере один индуктивно-емкостной элемент. Этот фильтр позволяет удовлетворить требования по ограничению гармонических возмущений потребляемого прибором тока и предохранить входной каскад прибора от любого колебания подаваемого напряжения.
Некоторые приборы содержат статический преобразователь, характеризующийся поведением типа «нагрузки с постоянной мощностью». Комбинация этого преобразователя и его входных фильтров характеризуется нестабильностью, которую можно устранить путем соответствующего управления или путем добавления дополнительных пассивных компонентов. Однако получаемая таким образом стабилизация не может быть удовлетворительной по причине наличия индуктивностей 56, 57 и 58 соединений.
В «нормальном» режиме работы каждый центр питает соединенные с ним приборы независимо, и между двумя центрами не происходит обмена мощностью. Контактор 51 находится в «заблокированном» положении.
В случае отказа одного из генераторов, чтобы обеспечить непрерывность питания соединенных с ним приборов, неисправный центр изолируют, затем контактор 51 переводят в «проходное» положение. Таким образом осуществляют передачу электрической мощности на большое расстояние (например, несколько десятков метров) по линиям, обладающим существенной индуктивностью 56. Во время переходного режима, соответствующего переходу в проходное состояние контактора 51, совокупность реактивных элементов (конденсаторы 64 и 65, индуктивности 57 и 58 кабеля, индуктивность 56 соединения, входные фильтры приборов) способствует появлению практически не контролируемых колебаний, которые могут привести к повреждению входных ступеней подключенных приборов.
На фиг.5 показан такой же случай неисправности второго генератора 41 в схеме с соединением посредством устройства в соответствии с настоящим изобретением. В этом случае осуществляется контроль передачи энергии в направлении отключенных от питания нагрузок. Можно избежать всех указанных выше колебательных явлений. Управление током при помощи устройства в соответствии с настоящим изобретением позволяет также контролировать условия, связанные с размерами, при наличии установленных, в случае необходимости, контакторов для обеспечения возможности выделения и изолирования неисправности. Управление такими контакторами (установленными последовательно на индуктивности устройства в соответствии с настоящим изобретением) можно осуществлять под нулевым током (размыкание) или под нулевой нагрузкой (замыкание).
Устройства 60, 61, которые представляют собой нагрузку для центров 62, 63, подключены напрямую к этим центрам, чтобы свести к минимуму индуктивности кабеля, которые на фиг.5 не показаны.
Пример выполнения
Как показано на фиг.6В, два центра 62 и 63, показанные на фиг.5, находятся под разной нагрузкой, и функцией устройства 10 в соответствии с настоящим изобретением является осуществление балансировки токов, выдаваемых двумя генераторами 40 и 41.
К центру 62 подключена нагрузка 60, которая потребляет ток, содержащий две составляющие, показанные на фиг.6В: импульсную составляющую (Ich11) и постоянную составляющую (Ich12). К центру 63 подключена нагрузка 61, которая потребляет ток, содержащий две составляющие: медленно возрастающую составляющую (Ich21) и импульсную составляющую (Ich22).
Диаграмма, показанная на фиг.6А, позволяет считать идеальным баланс, полученный на уровне токов, выдаваемых каждым центром (Idc1 и Idc2); можно также наблюдать ток (IDCPFC), протекающий через индуктивность устройства в соответствии с настоящим изобретением.
На фиг.6А и 6В продолжительность моделируемого цикла составляет 100 мс. Продолжительность различных событий и их взаимосвязь необязательно соответствуют реальной действительности. Модель предназначена для качественной оценки способности предложенной схемы реагировать на различные моделируемые ситуации.