Компенсирующее устройство с функцией бесперебойного питания

Область техники
Полезная модель относится к электроэнергетике и может быть применена, например, в статических синхронных компенсаторах типа СТАТКОМ, снабженных емкостными накопителями энергии. При использовании суперконденсаторных накопителей энергии такие компенсаторы могут дополнительно выполнять функцию источника бесперебойного питания, устраняющего кратковременные провалы или перерывы электроснабжения (например, на время бестоковой паузы автоматического повторного включения линии электропередачи).
Уровень техники
Известно выбранное в качестве прототипа компенсирующее устройство с функцией бесперебойного питания, содержащее транзисторный преобразователь напряжения, снабженный блоком управления, и емкостный накопитель электроэнергии, подключенный к указанному преобразователю на стороне постоянного тока [1].
Недостаток прототипа - низкая надежность.
Сущность полезной модели
Технический результат полезной модели - повышение надежности компенсирующего устройства, так как обеспечивается контроль состояния емкостного накопителя и устройство выводится из работы при возникновении критического дефекта в емкостном накопителе.
Предметом полезной модели является компенсирующее устройство, содержащее транзисторный преобразователь напряжения, снабженный блоком управления, и емкостный накопитель электроэнергии, подключенный к указанному преобразователю на стороне постоянного тока, отличающийся тем, что емкостный накопитель выполнен в виде батареи суперконденсаторов, соединенных по схеме Н-моста, и снабжен датчиками переменного тока, выходы которых подключены к входам блока управления, при этом первый датчик установлен в диагонали Н-моста, второй - в цепи общего тока накопителя, а блок управления выполнен с возможностью формирования зондирующего переменного тока на стороне постоянного тока преобразователя напряжения, вычисления оценки небаланса Н-моста по значениям токов, измеренных указанными датчиками, и формирования сигнала аварийного отключения устройства в случае превышения заданного порога вычисленной оценкой небаланса.
Это позволяет получить указанный технический результат.
Осуществление полезной модели
На фигуре показана общая структурная схема заявляемого устройства.
Компенсирующее устройство содержит транзисторный преобразователь 1 напряжения, снабженный блоком 2 управления, и емкостный накопитель 3 электроэнергии, подключенный к преобразователю 1 на стороне постоянного тока. К входам 4 блока 2 подключены датчики контролируемых токов и напряжений преобразователя 1 (на фигуре не показаны). С выхода 5 блока 2 на преобразователь 1 поступают управляющие воздействия.
Накопитель 3 выполнен в виде батареи суперконденсаторов, соединенных по схеме Н-моста, и снабжен датчиками 6 и 7 переменного тока, установленными в диагонали Н-моста и в цепи общего тока накопителя 3 соответственно. Выходы датчиков 6 и 7 подключены к входам 8 и 9 блока 2 соответственно.
Блок 2 выполнен программируемым с возможностью формирования преобразователем 1 зондирующего переменного тока на стороне постоянного тока, т.е. в цепи общего тока накопителя 3, вычисления оценки небаланса Н-моста накопителя 3 по значениям токов, измеренных датчиками 6 и 7, и формирования в цепи 10 сигнала аварийного отключения устройства в случае превышения заданного порога вычисленной оценкой небаланса.
Преобразователь 1 выполнен, например, на транзисторах IGBT, которые под управлением блока 2 формируют путем широтно-импульсной модуляции требуемые напряжение и ток на выводе 11 переменного тока преобразователя. Такие преобразователи известны, например, из [2], а также из описания прототипа [1], где подробно раскрыта структура и работа преобразователя в составе трехфазного компенсирующего устройства с функцией бесперебойного питания.
Заявляемое компенсирующее устройство работает следующим образом (на примере трехфазного выполнения).
Устройство подключается трехфазным выводом 11 к электросети переменного тока параллельно потребителю.
Преобразователь 1 получает от блока 2 управляющие воздействия, обеспечивающие осуществление широтной импульсной модуляции для формирования напряжений на трехфазном выводе 11 устройства в соответствии с требуемым режимом работы.
Формируя на выводе 11 вектор прямой последовательности напряжения в фазе с сетевым напряжением и изменяя амплитуду напряжения на выводе 11, устройство регулирует реактивную мощность, выдаваемую в сеть.
При формировании вектора напряжения, отстающего или опережающего по фазе напряжение сети, устройство потребляет активную мощность или выдает ее в сеть соответственно. Потребление активной мощности сопровождается зарядом накопителя 3 энергии.
Формируя вектор обратной последовательности напряжения, находящийся в противофазе с обратной последовательности напряжения сети, устройство компенсирует несимметрию сетевого напряжения.
Компенсация искажений синусоидальности напряжения сети осуществляется за счет генерации в противофазе соответствующих высших гармоник напряжения на трехфазном выводе 11.
При отключении потребителя от сетевого питания устройство, осуществляя функцию бесперебойного питания, переходит в режим поддержания напряжения, в котором на выводе 11 устройства формируется трехфазное синусоидальное напряжение с номинальной амплитудой и частотой. В этом режиме электроснабжение потребителя осуществляется за счет энергии, запасенной в накопителе 3, который, выполнен в виде батареи из единичных суперконденсаторов (например, суперконденсаторов емкостью 0,5 Ф с максимальным рабочим напряжением 700 В).
Известно [3], что при повреждении единичного суперконденсатора он, как правило, переходит в разомкнутое состояние, что приводит к перегрузке по току других суперконденсаторов накопителя 3, работающих с ним параллельно, и, в конечном счете, к потере устройством функции бесперебойного питания.
нб
нб
В заявляемом устройстве накопитель 3 выполнен в виде батареи суперконденсаторов, соединенных по схеме Н-моста. При исправности всех единичных суперконденсаторов Н-мост сбалансирован, т.е. его небаланс Н (определяемый соотношением полных сопротивлений Z плеч Н-моста, которое приведено, например, в [4])» находится в допустимых пределах вблизи нуля. При отказе одного из единичных суперконденсаторов абсолютное значение Н возрастает.
нб
Оценка Н в рабочем режиме устройства производится по соотношению переменных токов, измеряемых в общей цепи Н-моста и в его диагонали. Если вычисленная оценкой небаланса превышает заданный порог, блок 2 формирует аварийный сигнал в цепи 10, действующий на выключатель 12, отключающий устройство от сети переменного тока.
Для вычисления оценки небаланса по двум указанным токам могут использоваться различные соотношения между ними: например, отношение среднеквадратичных значений измеренных токов [5] или проекция вектора измеренного тока в диагонали Н-моста на направление вектора тока, измеренного в общей цепи Н-моста [4].
нб
Однако, как показали проведенные исследования переменная составляющая тока, протекающего в различных рабочих режимах через накопитель 3, включенный на стороне постоянного тока преобразователя 1, недостаточна для вычисления корректной оценки Н в условиях шумов и с учетом допустимых отклонений фактических емкостей единичных конденсаторов от их номинальных значений [4].
нб
Для решения этой проблемы в заявляемом устройстве блок 2 управляет преобразователем 1 так, что преобразователь наряду с выполнением вышеописанных основных (технологических) функций формирует (непрерывно или периодически) в цепи общего тока накопителя 3 зондирующий переменный ток повышенной частоты, достаточный для корректной оценки Н по показаниям датчиков 6 и 7 во всех рабочих режимах преобразовательного устройства.
Корректная оценка небаланса позволяет контролировать состояние накопителя 1 с высокой степенью достоверности и предотвращать аварийные отказы, выводя компенсирующее устройство в ремонт при появлении критического дефекта в накопителе 1. В результате повышается надежность работы компенсирующего устройства в целом.
Как показали проведенные исследования, частота зондирующего тока может быть выбрана так, чтобы минимизировать его влияние на основные режимы работы преобразователя 1. Например, установлено, что при номинальной частоте сети 50 Гц, оптимальное значение частоты зондирующего тока располагается вблизи 1500 Гц.
Источники информации:
1. Патент RU 180249.
2. Патент RU 2419942.
3. Supercapacitor User Manual [E-resource
https://www.tokin.com/english/product/pdf_dl/supercap_manual.pdf]
4. Alekseev, N., Kiselev, A., Matinyan, A., Skluev, A., and Rodygin, A. High Voltage Supercapacitor Energy Storage Protection // International Journal of Engineering Research and Technology ISSN 0974-3154, Volume 12, Number 10 (2019), pp. 1717-1722/
5. Патент RU 2553276.