СИСТЕМА ВЕКТОРНОГО УПРАВЛЕНИЯ ВОЛЬТОДОБАВОЧНЫМ ТРАНСФОРМАТОРОМ
VECTOR CONTROL SYSTEM FOR VOLTAGE-ADDING TRANSFORMER

Изобретение относится к электротехнике, в частности к системам электроснабжения, и может быть использовано для управления вольтодобавочными устройствами при создании трансформаторных подстанций с высокой эффективностью потребления и использования электроэнергии.
Известен принцип построения вольтодобавочных устройств и преобразователей фазы на основе преобразователей частоты для асинхронного двигателя (Климаш B.C. Вольтодобавочные устройства для компенсаторов отклонений напряжения и реактивной энергии с амплитудным, импульсным и фазовым регулированием. Монография. - Владивосток: ДВО РАН Дальнаука, 2002. - 141 с., Климаш B.C. Построение преобразователей фазы и регуляторов качества электроэнергии на основе преобразователей частоты: Ученые записки КнАГТУ, №2-1 (2), 2010, с. 21-22). Для реализации этого принципа, за прототип взята система векторного управления машиной двойного питания (Haitham Abu-Rub, Mariusz Malinowski, Kamal Al-Haddad, Power electronics for renewable energy systems, transportation and industrial applications, John Wiley & Sons Ltd, 2014. - c. 270-318), которая управляет частотой, фазой и амплитудой выходного напряжения инвертора напряжения.
m
abcr
r
r
m
m
m
r
На вход системы векторного управления подаются мгновенные значения напряжения сети, а также мгновенные значения токов первичной обмотки (статора) и вторичной обмотки (ротора) двигателя с датчиков. Кроме этого на вход системы управления подается сигнал скорости вращения ротора Ω. Система векторного управления прототипа, содержит модули преобразований Кларка и Парка ротора, переводящие ток ротора I из трехфазной системы координат ABC во вращающуюся систему координат dq, вращение которой определяется утлом поворота ротора θ. Угол θ вычисляется исходя из разницы задаваемого утла вращения поля статора  и угла поворота ротора θ, причем угол θ вычисляется в модуле вычисления утла поворота ротора, на вход которого подается значение скорости вращения ротора Ω. В свою очередь модули преобразований Кларка и Парка статора переводят мгновенный ток  и мгновенное напряжение  статора из трехфазной системы координат ABC во вращающуюся систему координат dq, которая ориентирована по углу вращения поля статора . Угол вращения поля статора  вычисляется в модуле формирования частоты вращения ротора, на управляющий вход скорости которого подается задаваемая скорость вращения двигателя , в результате полученные в dq ток  и напряжение  статора подаются на модуль оценки тока нагрузки статора, а также напряжение статора  вычитается из задаваемого напряжения , а результат подается на ПИ-регуляторы, которые вычисляют требуемый ток ротора . Далее вычисляется ток ротора , путем вычитания из него оценочного тока нагрузки статора  и прибавления к нему тока фильтрующих конденсаторов статора, который вычисляется в специальном модуле. В модуле контроля тока ротора вычисляется требуемое напряжение ротора , причем на вход данного модуля подается требуемый ток ротора  и мгновенный ток ротора , далее напряжение ротора  в модулях обратного преобразования Парка и пространственно-векторной модуляции переходит из вращающейся системы координат dq, вращение которой задается утлом θ, обратно в трехфазную систему координат ABC и подается на модуль широтно-импульсной модуляции. После всех вычислений, система векторного управления подает через модуль широтно-импульсной модуляции управляющие сигналы широтно-импульсной модуляции на инвертор напряжения, который управляет ротором машины двойного питания и подключен к активному выпрямителю, запитанному от сети через трансформатор.
Задачей изобретения является создание системы векторного управления вольтодобавочным трансформатором с улучшенными динамическими свойствами, а именно повышенной точностью и быстродействием.
В результате решения поставленной задачи была применена с минимальными изменениями и дополнениями система векторного управления машиной двойного питания, за счет чего достигнут технический результат, заключающийся в улучшении точности и быстродействия системы векторного управления вольтодобавочным трансформатором.
Решение поставленной задачи достигается тем, что вводится модуль синхронизации системы управления и модуль регулирования фазы, причем вход модуля синхронизации системы управления соединен с сетью через трехфазный датчик мгновенного напряжения сети, а выход соединен с управляющим входом синхронизации модуля прямого преобразования Парка первичной обмотки вольтодобавочного трансформатора и входом синхронизации модуля регулирования фазы, также на управляющий вход модуля регулирования фазы подается сигнал задания фазы, а выход модуля регулирования фазы соединен с управляющими входами синхронизации прямого и обратного преобразования Парка вторичной обмотки вольтодобавочного трансформатора.
Сущность изобретения поясняется нижеследующим описанием и прилагаемым к нему приведенным на фигуре чертежом, на котором изображена функциональная схема устройства до уровня известных элементов.
Устройство содержит сеть 1, нагрузку 2, главный 3 и вольтодобавочный 4 трансформаторы, активный выпрямитель 5, инвертор напряжения 6, трехфазный датчик мгновенного тока вторичной обмотки вольтодобавочного трансформатора 7, трехфазный датчик мгновенного напряжения сети 8, трехфазный датчик мгновенного тока первичной обмотки вольтодобавочного трансформатора 9, конденсаторный фильтр сети 10 и систему векторного управления 11. В состав системы векторного управления 11 входят модули преобразований Кларка и Парка вторичной обмотки вольтодобавочного трансформатора 12 и 13, модули преобразований Кларка и Парка первичной обмотки вольтодобавочного трансформатора 14 и 15, модуль синхронизации системы управления 16, модуль регулирования фазы 17, модуль оценки тока нагрузки первичной обмотки вольтодобавочного трансформатора 18, ПИ-регуляторы 19 и 20, модуль вычисления тока конденсаторного фильтра сети 21, модуль контроля тока вторичной обмотки вольтодобавочного трансформатора 22, модуль обратного преобразования Парка вторичной обмотки вольтодобавочного трансформатора 23, модуль пространственно-векторной модуляции 24 и модуль широтно-импульсной модуляции 25.
Элементы устройства соединены следующим образом. Первичные обмотки главного и вольтодобавочного трансформаторов 3 и 4 соединены пофазно последовательно и подключены к сети 1, к которой также подключен вход трехфазного датчика мгновенного напряжения сети 8, вход трехфазного датчика мгновенного тока первичной обмотки вольтодобавочного трансформатора 9 и выход конденсаторного фильтра сети 10. Выход датчика трехфазного мгновенного напряжения сети 8 подключен ко входу модуля преобразования Кларка вторичной обмотки вольтодобавочного трансформатора 14 и входу модуля синхронизации системы управления 16. Выход датчика трехфазного мгновенного тока первичной обмотки вольтодобавочного трансформатора 8 подключен ко входу модуля преобразования Кларка первичной обмотки вольтодобавочного трансформатора 14. Вторичная обмотка главного трансформатора 3 подключена к нагрузке 2, а вторичная обмотка вольтодобавочного трансформатора 4 к выходу инвертора напряжения 6 и входу трехфазного датчика тока вторичной обмотки вольтодобавочного трансформатора 7, выход которого подключен ко входу модуля преобразования Кларка вторичной обмотки вольтодобавочного трансформатора 12. Вход инвертора напряжения 6 подключен к выходу активного выпрямителя 5, вход которого подключен к нагрузке 2. Выход модуля преобразования Кларка вторичной обмотки вольтодобавочного трансформатора 12 соединен с входом модуля преобразования Парка вторичной обмотки вольтодобавочного трансформатора 13, выход модуля преобразования Кларка первичной обмотки вольтодобавочного трансформатора 14 соединен с входом модуля преобразования Парка первичной обмотки вольтодобавочного трансформатора 15, выход которого соединен с входом модуля оценки тока нагрузки первичной обмотки вольтодобавочного трансформатора 18, а также с входом ПИ-регулятора 19 и 20 через вычитание из задаваемого напряжения. Выход модуля синхронизации системы управления 16 соединен с управляющим входом синхронизации модуля прямого преобразования Парка первичной обмотки вольтодобавочного трансформатора 15 и входом синхронизации модуля регулирования фазы 17, причем на управляющий вход смещения фазы этого модуля подается задаваемый угол смещения фазы , а выход подключен к управляющим входам синхронизации прямого и обратного преобразования Парка вторичной обмотки вольтодобавочного трансформатора 13 и 23 соответственно. Далее выходы ПИ-регуляторов 19 и 20, выход модуля оценки тока нагрузки первичной обмотки вольтодобавочного трансформатора 18 и выход модуля вычисления тока конденсаторного фильтра сети 21 соединены через вычитатели с входом модуля контроля тока вторичной обмотки вольтодобавочного трансформатора 22, также вход данного модуля соединен с выходом прямого преобразования Парка вторичной обмотки вольтодобавочного трансформатора 13, а выход со входом обратного преобразования Парка вторичной обмотки вольтодобавочного трансформатора 23, выход которого соединен с входом модуля пространственно-векторной модуляции 24, выход которого соединен с входом модуля широтно-импульсной модуляции 25, и, наконец, выход модуля широтно-импульсной модуляции 25 соединен с управляющим входом широтно-импульсной модуляции инвертора напряжения 6.
Система векторного управления вольтодобавочным трансформатором работает следующим образом.
aC
вC
сC
aП
вП
сП
С
C
aB
bB
cB
В
В
С
В
При снижении напряжения  нагрузки 2, вызванного снижением напряжения  сети 1 и(или) увеличением тока  нагрузки 2, уменьшается сигнал  на выходе трехфазного датчика мгновенного напряжения сети 8 и(или) увеличивается сигнал  на входе трехфазного датчика мгновенного тока первичной обмотки вольтодобавочного трансформатора 9 и  трехфазного датчика мгновенного тока вторичной обмотки вольтодобавочного трансформатора 7, далее проекции (u, u и u) мгновенного напряжения  на трехфазную систему координат ABC и проекции (i, i и i) мгновенного тока первичной обмотки вольтодобавочного трансформатора  на трехфазную систему координат ABC переходят в модулях 14 и 15 преобразований Кларка и Парка первичной обмотки вольтодобавочного трансформатора из трехфазной системы координат ABC в двумерную вращающуюся систему координат dq, которая ориентированна по вектору мгновенного напряжения сети  через угол фазы мгновенного напряжения сети θ. Угол θ вычисляется в модуле синхронизации системы управления 16 исходя из значений мгновенного напряжения сети . Проекции (i, i и i) мгновенного тока  вторичной обмотки вольтодобавочного трансформатора на трехфазную систему координат ABC переходят в модулях 12 и 13 преобразований Кларка и Парка вторичной обмотки вольтодобавочного трансформатора из трехфазной системы координат ABC в двумерную вращающуюся систему координат dq, вращение которой определяется утлом фазы мгновенного напряжения вторичной обмотки вольтодобавочного трансформатора θ. Угол θ вычисляется в модуле регулирования фазы 17 исходя из угла фазы мгновенного напряжения сети θ и задаваемого угла смещения фазы , также угол θ подается на управляющий вход синхронизации модуля обратного преобразования Парка вторичной обмотки вольтодобавочного трансформатора 23. Полученные в dq ток  первичной обмотки вольтодобавочного трансформатора и напряжение сети  подается на модуль оценки тока нагрузки первичной обмотки вольтодобавочного трансформатора 18. Напряжение сети  вычитается из задаваемого напряжения сети  и подается на ПИ-регуляторы 19 и 20, которые вычисляют требуемый ток вторичной обмотки вольтодобавочного трансформатора . Далее вычисляется ток вторичной обмотки вольтодобавочного трансформатора , путем вычитания от него оценочного тока нагрузки статора  и прибавления тока фильтрующих конденсаторов сети 10, который вычисляется в модуле вычисления тока конденсаторного фильтра сети 21.
В модуле контроля тока вторичной обмотки вольтодобавочного трансформатора 22 вычисляется требуемое напряжения вторичной обмотки вольтодобавочного трансформатора , исходя из требуемого тока вторичной обмотки вольтодобавочного трансформатора  и мгновенного тока вторичной обмотки вольтодобавочного трансформатора . Напряжение вторичной обмотки вольтодобавочного трансформатора  в модулях обратного преобразования Парка вторичной обмотки вольтодобавочного трансформатора 23 и пространственно-векторной модуляции 24 переходит обратно в трехфазную систему координат ABC, после чего напряжение вторичной обмотки вольтодобавочного трансформатора  подается на модуль широтно-импульсной модуляции 25, который управляет инвертором напряжения 6. Инвертор напряжения 6 управляет вольтодобавочным трансформатором 4, стабилизируя таким образом напряжение на нагрузке 2.
Аналогично происходит работа вольтодобавочного устройства и при увеличении напряжения сети и(или) уменьшении тока нагрузки. В этом случае выходной сигнал датчика напряжения первичной обмотки вольтодобавочного трансформатора падает, и в зависимости от его величины также происходит амплитудное регулирование добавочного напряжения устройства для стабилизации напряжения трансформаторной подстанции.