КОМПОНОВКА И СПОСОБ ПОДАЧИ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ
ELECTRIC ENERGY SUPPLY ARRANGEMENT AND METHOD

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к компоновкам для подачи электрической энергии на нагрузку через фильтрующую шину, где компоновка содержит по меньшей мере два преобразователя источника напряжения, подключенных параллельно к упомянутой фильтрующей шине через катушку индуктивности, каждый из которых сконфигурирован с возможностью совместной работы на нагрузку, а также к способу подачи электрической энергии на нагрузку через такую компоновку.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Изобретение не ограничено каким-либо конкретным уровнем напряжения на упомянутой фильтрующей шине или мощностью, передаваемой в упомянутую нагрузку, но в качестве примеров могут быть указаны диапазоны 1-32 кВ и 100 кВт - несколько мегаватт.
Параллельная работа генераторов электрической энергии, к которым подключены упомянутые преобразователи источников напряжения, используется для распределения между ними нагрузки, подключенной к обоим преобразователям через упомянутую фильтрующую шину. Одним из применений изобретения является централизованная опорная схема преобразования частоты, предназначенная для передачи энергии питания, в которой упомянутой нагрузкой может быть один или несколько кораблей, подключенных к упомянутой фильтрующей шине. Применением такой параллельной системы преобразователей может быть также одна или большее количество микросетей.
Параллельное включение нескольких источников электрической энергии, предназначенных для подачи электрической энергии на упомянутую нагрузку, имеет некоторые преимущества. Одним из них является возможность достижения повышенной номинальной мощности при использовании нескольких менее мощных источников электрической энергии, подключенных параллельно к упомянутой фильтрующей шине вместо использования одного источника электрической энергии большой мощности. Это означает, что техническое обслуживание одного такого источника электрической энергии может быть выполнено без необходимости полного отключения подачи электрической энергии на упомянутую нагрузку, поскольку в этом случае другие источники электрической энергии могли бы временно взять на себя часть нагрузки от источника, остановленного на техническое обслуживание. Избыточность, достигаемая параллельным включением нескольких источников электрической энергии, увеличивает также имеющуюся в наличии электрическую энергию для упомянутой нагрузки, поскольку электрическая энергия может подаваться на нее до тех пор, пока работает достаточное количество источников электрической энергии.
Приложенная фиг.1 условно изображает упомянутую компоновку, имеющую три преобразователя 1-3 источника напряжения, подключенных параллельно к фильтрующей шине 4 через катушки 5-7 индуктивности для совместной работы на общую нагрузку 8, которая, на самом деле, может представлять собой множество нагрузок, подключенных к фильтрующей шине. Одним из способов сделать так, чтобы эти преобразователи работали на общую нагрузку, состоит в том, чтобы использовать главный контроллер, который устанавливает напряжения на зажимах всех преобразователей. Однако, поскольку установки генераторов электрической энергии, к которым подключены или которым принадлежат упомянутые преобразователи, могут быть расположены очень далеко со значительным импедансом линии между ними, то параллельная работа преобразователей может быть достигнута без каких-либо управляющих связей или с их минимальным количеством. Альтернативная стратегия управления, которая исключает зависимость всех преобразователей от одного главного контроллера, состоит в том, чтобы для каждого преобразователя иметь отдельный контроллер, установленный параллельно.
Схемы использования частоты для ослабления активной мощности и использования напряжения для ослабления реактивной мощности при совместной работе на нагрузку независимо управляемых генераторов и преобразователей источников напряжения хорошо известны. Однако преобразователи, подключенные параллельно общей фильтрующей шине через промежуточные катушки индуктивности и использующие такие схемы ослабления работают как источники напряжения. Даже если они активно регулируют напряжение фильтрующей шины, они не имеют базовых контуров управления током, которые динамично регулируют и ограничивают их выходные токи.
f
fx
fy
fx
fy
kx
ky
ν
, ν
i
, i
*
*
Для достижения динамического управления током, а также способности ограничения тока, каждый преобразователь на фиг.1 должен использовать векторное управление напряжением, то есть управление напряжением в системе d-q координат или в системе α-β координат с базовым контроллером тока. Это необходимо для регулирования вектора напряжения фильтрующей шины при сохранении динамического управления током преобразователя. Пример блока управления, достигающего этого для одного упомянутого преобразователя, показан на приложенной фиг.2. Этот блок 10' управления содержит первое средство 11' (обозначенное сигнальными стрелками), сконфигурированное с возможностью создания из напряжения ν фильтрующей шины двух перпендикулярных взаимно пересекающихся векторов ν, ν напряжения фильтрующей шины, второе средство 12' (обозначенное сигнальными стрелками), сконфигурированное с возможностью создания опорного вектора    напряжения фильтрующей шиныдля каждого из двух упомянутых векторов напряжения фильтрующей шины, третье средство 13', сконфигурированное с возможностью суммирования каждого упомянутого вектора напряжения фильтрующей шины со связанным с ним опорным вектором напряжения фильтрующей шины, регулятор 14', подключенный для приема результата суммирования на упомянутом третьем средстве и получения опорного вектора тока для каждого вектора напряжения фильтрующей шины, и четвертое средство 15', сконфигурированное с возможностью привлечения токового управления в управление преобразователя на основе упомянутых опорных векторов тока с целью получения двух перпендикулярных взаимно пересекающихся друг с другом векторов  тока k-го преобразователя. Внутри этой схемы управления преобразователи могут быть смоделированы как источники 16-18 тока, которые подключены непосредственно к фильтрующей шине 4, как показано на приложенной фиг.3. Эти источники тока регулируют свои выходные токи внутри токовых пределов, регулируя тем самым напряжение фильтрующей шины. Однако схема управления по фиг.2 будет работать только в том случае, если в данный момент времени работает только один из показанных на фиг.1 преобразователей. Если включено несколько преобразователей, контроллеры упомянутого четвертого средства будут "конфликтовать" друг с другом, поскольку все они будут пытаться регулировать один и тот же вектор напряжения фильтрующей шины. Более того, на фиг.2 нет ничего, что могло бы гарантировать, что они будут делить между собой общую нагрузку. Хорошо известные схемы использования частоты для ослабления активной мощности и использования напряжения для ослабления реактивной мощности не могут быть использованы для того чтобы "заставить" эти источники тока работать на общую нагрузку, потому что эти схемы ослабления предназначены строго для источников напряжения, подключенных через индуктивности параллельно друг другу.
Патент США №7567064 раскрывает компоновку подачи электрической энергии такого типа, который был определен во введении, с независимым управлением каждого преобразователя.
КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩЕСТВА ИЗОБРЕТЕНИЯ
Задачей настоящего изобретения является обеспечение компоновки и способа такого типа, который рассмотрен выше, содержащих предпочтительный альтернативный способ достижения независимого управления каждым преобразователем из множества преобразователей источников напряжения, каждый из которых через катушку индуктивности подключен параллельно к фильтрующей шине и работает на общую нагрузку.
Эта задача в соответствии с изобретением решается обеспечением компоновки согласно преамбуле приложенного пункта 1 формулы изобретения с дополнительным признаком, заключающимся в том, что упомянутый блок управления каждого преобразователя содержит также пятое средство, сконфигурированное с возможностью умножения каждого вектора тока или опорного вектора тока на коэффициент ослабления, общий для всех векторов тока или опорных векторов тока, и отправки результата этого умножения в упомянутое третье средство для вычитания этого результата из соответствующего опорного вектора напряжения фильтрующей шины.
Ослабление компонент опорного вектора напряжения обеспечивает то, что блоки управления не будут "конфликтовать" друг с другом при управлении соответствующим преобразователем, и что преобразователи могут разделять между собой общую активную и реактивную нагрузку, будучи, в то же время, независимо управляемыми.
В соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения каждый упомянутый блок управления для соответствующего упомянутого преобразователя дополнительно содержит шестое средство, сконфигурированное с возможностью приема неограниченного опорного вектора тока для каждого упомянутого вектора напряжения фильтрующей шины от упомянутого регулятора, ограничения величины каждого упомянутого неограниченного опорного вектора тока и отправки ограниченного опорного вектора тока в упомянутое четвертое средство. Это значит, что величина каждого опорного вектора тока может быть ограничена, с тем, чтобы она не превышала уровень, который повреждает преобразователь.
В другом варианте осуществления настоящего изобретения каждый упомянутый блок управления для соответствующего преобразователя дополнительно содержит седьмое средство, сконфигурированное с возможностью отправки упреждающего сигнала, представляющего собой ток нагрузки, в восьмое средство, сконфигурированное с возможностью суммирования выходного сигнала от упомянутого регулятора таким образом, чтобы получить упомянутый опорный вектор токадля каждого упомянутого вектора напряжения фильтрующей шины. Такое использование упреждающего сигнала тока нагрузки увеличивает скорость реакции управления по току при управлении соответствующим преобразователем при изменении нагрузки.
В соответствии с другими вариантами осуществления настоящего изобретения каждое упомянутое первое средство сконфигурировано с возможностью получения упомянутых векторов напряжения фильтрующей шины в соответствии с системой d-q координат или в соответствии с системой α-β координат, а каждое упомянутое четвертое средство включает в себя, соответственно, контроллер тока в d-q координатах и контроллер тока в α-β координатах.
В соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения данная компоновка содержит фильтр, расположенный между упомянутым первым средством и упомянутым третьим средством для сглаживания упомянутых векторов напряжения фильтрующей шины до достижения ими третьего средства.
Способ подачи электрической энергии в нагрузку через фильтрующую шину посредством, по меньшей мере, двух преобразователей источников напряжения, подключенных параллельно к упомянутой фильтрующей шине через катушки индуктивности и сконфигурированных с возможностью совместной работы на упомянутую нагрузку, позволяющий производить независимое управление упомянутыми преобразователями соответствует изобретению, определенному в приложенном независимом пункте формулы изобретения, определяющем способ. Преимущества и преимущественные признаки такого способа и его вариантов осуществления, определенные в зависимых пунктах формулы изобретения, определяющих способ, ясно следуют из вышеприведенного обсуждения компоновки в соответствии с настоящим изобретением.
Данное изобретение относится также к компьютерному программному продукту, а также к машиночитаемому носителю, связанному со способом в соответствии с настоящим изобретением.
Дополнительные преимущества и преимущественные признаки изобретения будут очевидны из нижеследующего описания.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения изобретения со ссылками на сопроводительные чертежи, на которых:
фиг.1 изображает условный вид компоновки того типа, к которому относится изобретение;
фиг.2 изображает упрощенный условный вид возможного блока управления для компоновки по фиг.1, требующей одного главного контроллера для зависимого друг от друга управления преобразователями;
фиг.3 изображает условный вид компоновки по фиг.1, иллюстрирующий управление, осуществляемое посредством блоков управления в соответствии с фиг.2, и
фиг.4 изображает вид блока управления по компоновке в соответствии с настоящим изобретением, имеющей подключенный параллельно отдельный контроллер для каждого преобразователя.
ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
f
fx
fy
fx
fy
fx
fy
fx
fy
ν
, ν
ν
, ν
*
*
*
*
Компоновка в соответствии с вариантом осуществления настоящего изобретения для подачи электрической энергии на нагрузку того типа, который показан на фиг.1, имеет для каждого своего преобразователя показанный на фиг.4 блок 10 управления, сконфигурированный с возможностью регулирования напряжения фильтрующей шины при сохранении динамического управления током преобразователя. Каждый такой блок управления содержит первое средство 11, сконфигурированное с возможностью создания из напряжения ν фильтрующей шины двух перпендикулярных взаимно пересекающихся векторов ν, ν напряжения фильтрующей шины. Первое средство может быть сконфигурировано с возможностью создания упомянутых векторов напряжения фильтрующей шины в соответствии с системой d-q координат или с системой α-β координат. Этот блок управления содержит также второе средство 12, сконфигурированное с возможностью создания опорного вектора    напряжения фильтрующей шины для каждого из двух упомянутых векторов напряжения фильтрующей шины. Эти опорные векторы напряжения фильтрующей шины могут быть установлены оператором, после чего они включаются в упомянутое второе средство, если компоновка содержит одну группу преобразователей, или в органы управления более высокого уровня, если компоновка содержит несколько групп преобразователей. Компоновка также содержит третье средство 13, сконфигурированное с возможностью суммирования каждого упомянутого вектора ν, ν напряжения фильтрующей шины со связанным с ним опорным вектором    напряжения фильтрующей шины. Блок управления содержит также для каждого из двух взаимно перпендикулярно пересекающихся векторов регулятор 14, подключенный с возможностью приема результата суммирования упомянутого третьего средства, чтобы обеспечить, что вектор напряжения фильтрующей шины отслеживает свой опорный вектор принципиально без какой-либо постоянной погрешности состояния.
i
, i
*
*
kx-Unlim
ky-Unlim
Кроме того, блок управления содержит седьмое средство 19, сконфигурированное с возможностью отправки упреждающего сигнала, представляющего собой ток нагрузки, в восьмое средство 20, сконфигурированное с возможностью суммирования выходного сигнала от регулятора таким образом, чтобы получить неограниченный опорный вектор    тока. Такое использование упреждающего сигнала тока нагрузки увеличивает скорость реакции контроллера блока управления, управляющего преобразователем при изменении нагрузки. Кроме того, он может быть использован также для устранения эффекта взаимодействия между упомянутыми взаимно перпендикулярно пересекающимися векторами данной компоновки.
i
, i
i
, i
*
*
kx
ky
kx
ky
Блок управления содержит также шестое средство 21 в виде блока ограничения тока, сконфигурированного с возможностью приема упомянутого неограниченного опорного вектора тока для каждого упомянутого вектора напряжения фильтрующей шины от средства 20, ограничения величины упомянутого неограниченного опорного вектора тока и отправки ограниченного опорного вектора    тока в четвертое средство 15, сконфигурированное с возможностью привлечения токового управления к управлению преобразователем на основании упомянутых опорных векторов тока для получения после упомянутого преобразователя двух перпендикулярных взаимно пересекающихся друг с другом векторов  тока.
i
, i
D
kx
ky
pri
На фиг.4 показано, что блок управления содержит также пятое средство 22, сконфигурированное с возможностью умножения каждого из векторов  тока k-го преобразователя на общий коэффициент ослабления и отправки результата этого умножения в упомянутое третье суммирующее средство 13 для вычитания этого результата из соответствующего опорного вектора напряжения фильтрующей шины. Другими словами, опорный вектор напряжения k-го преобразователя ослаблен относительно компонентов вектора тока этого преобразователя.
Предполагая отсутствие каких-либо ограничительных операций, входы регуляторов на фиг.4 должны быть нулевыми в стабильном состоянии. Тогда компоненты вектора тока стабильного состояния преобразователя определяются выражениями
<mrow><msub><mi>i</mi><mrow><mi>k</mi><mi>x</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msubsup><mi>ν</mi><mrow><mi>f</mi><mi>x</mi><mo>_</mo><mi>k</mi></mrow><mo>*</mo></msubsup><mo>−</mo><msub><mi>ν</mi><mrow><mi>f</mi><mi>x</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>D</mi><mrow><mi>p</mi><mi>r</mi><mi>i</mi><mo>_</mo><mi>k</mi></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow>
(1)
<mrow><msub><mi>i</mi><mrow><mi>k</mi><mi>y</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msubsup><mi>ν</mi><mrow><mi>f</mi><mi>y</mi><mo>_</mo><mi>k</mi></mrow><mo>*</mo></msubsup><mo>−</mo><msub><mi>ν</mi><mrow><mi>f</mi><mi>y</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>D</mi><mrow><mi>p</mi><mi>r</mi><mi>i</mi><mo>_</mo><mi>k</mi></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow>
(2)
Как показано на фиг.1, в группе преобразователя напряжение фильтрующей шины будет общим для всех преобразователей. При условии, что все преобразователи имеют одинаковые коэффициенты ослабления компонента вектора напряжения и опорные векторы напряжения, уравнения (1) и (2) определяют, что "прямоугольные" компоненты (перпендикулярные пересекающиеся векторы) вектора выходного тока k-го преобразователя равны соответствующим компонентам векторов выходного тока всех других преобразователей одной и той же группы преобразователей. Таким образом, преобразователи разделяют между собой общую активную и реактивную нагрузку. Ослабление компонент опорного вектора напряжения гарантирует также, что контроллеры преобразователей, включенные в упомянутое четвертое средство 15, "не конфликтуют" друг с другом. Соответственно, показанная на фиг.4 схема ослабления обеспечивает возможность параллельной работы преобразователей, таких как показанные на фиг.1, с общим регулированием вектора напряжения фильтрующей шины при совместной работе на общую нагрузку.
В дополнение к показанному на фиг.4 вышеприведенному описанию блока 10 управления можно добавить, что в упомянутое четвертое средство 15, помимо контроллера в d-q- или α-β- координатах, будет включен импульсный ШИМ-генератор (генератор широтно-импульсной модуляции), преобразовательный мост и промежуточные катушки индуктивности, а блок 23 представляет динамику фильтрующей шины. Кроме того, показано также, каким образом между первым средством 11 и третьим средством 13 установлен фильтр 24 для сглаживания векторов напряжения фильтрующей шины, прежде чем они достигнут третьего средства. Помимо ветви опережающего управления током нагрузки в схеме есть также не показанная ветвь опережающего управления вектором напряжения, выдающая в контур управления vd функцию vq, а также функцию vd в контур управления vq для разделения динамики по осям d и q.
Настоящее изобретение, конечно, ни коим образом не сводится к вышеописанному варианту осуществления, специалистам в данной области техники будет очевидно множество возможностей его модификации без отклонения от объема изобретения в том виде, как он определен приложенными пунктами формулы изобретения.
i
, i
i
, i
*
*
kx
ky
kx
ky
Ограниченные опорные векторы    тока k-го преобразователя вместо перемножения на опорные векторы  тока могут быть помножены на общий коэффициент ослабления, если включенный в упомянутое четвертое средство контроллер тока является медленным.