СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ РАБОТОЙ БЛОКА ПИТАНИЯ ЭНЕРГИЕЙ И КОНТРОЛЛЕР ДЛЯ БЛОКА ПИТАНИЯ
METHOD FOR CONTROLLING A POWER SUPPLY UNIT AND A CONTROLLER FOR A POWER SUPPLY UNIT

Область применения изобретения
Настоящее изобретение имеет отношение к созданию контроллеров для блоков питания, типично таких, которые используют для подачи мощности переменного тока в питающую электрическую сеть переменного тока или в электроэнергетическую систему. Этими блоками можно быстро управлять, типично, чтобы воспроизводить реакцию по мощности (характеристику мощности) синхронного генератора переменного тока, который подключен к питающей электрической сети.
Предпосылки к созданию изобретения
В типичной объединенной энергосистеме переменного тока блок выработки электроэнергии может подавать энергию переменного тока в питающую электрическую сеть переменного тока или в электроэнергетическую систему. Блок выработки электроэнергии подключен к питающей электрической сети при помощи защитного распределительного устройства с автоматическими выключателями и связанными с ними органами управления. Электрические нагрузки аналогично подключены к питающей электрической сети при помощи защитного распределительного устройства.
Блок выработки электроэнергии может содержать блок паровой турбины, в котором вырабатывается пар, который подводится к узлу турбины. Вал узла турбины подключен к ротору синхронного генератора переменного тока, непосредственно или через редуктор. Переменная частота напряжения на статоре, получаемого на клеммах статора генератора, прямо пропорциональна скорости вращения ротора. Переменную частоту питающей электрической сети регулируют и используют для управления работой блока выработки электроэнергии, так чтобы поддерживать частоту в приемлемых границах, которые типично определяются сетевыми нормами. Например, усилитель с обратной связью может быть использован для сравнения фактической частоты питающей электрической сети с опорной частотой (например, с частотой 50 Гц в европейских странах). Если возникает понижение частоты питающей электрической сети, возможно, вызванное повышением отбора количества энергии подключенными электрическими нагрузками, то тогда вырабатываемая генератором энергия может быть увеличена за счет увеличения подачи пара в узел турбины, и наоборот. Так как частота питающей электрической сети прямо связана с частотой вращения вала генератора, иногда более удобно использовать измерение частоты вращения вала как входной сигнал для усилителя с обратной связью.
Блок выработки электроэнергии выполнен так, чтобы создавать малое изменение частоты питающей электрической сети, когда возрастает требуемая мощность в нагрузке переменного тока. Это обеспечено за счет того, что если несколько блоков выработки электроэнергии подключены к питающей электрической сети в параллель, то он может одновременно реагировать на изменения мощности в нагрузке переменного тока (параллельное управление спадом). Блоком выработки электроэнергии также можно управлять так, что, в ответ на изменение потребляемой энергии, один или несколько параллельных блоков выработки электроэнергии будут отключаться от питающей электрической сети или подключаться к ней.
Аналогичная схема управления может быть использована для различных типов блоков выработки электроэнергии, чтобы изменять количество энергии, которое поступает в генератор, например, в блок газовой турбины или в дизель-генераторы.
Когда синхронный генератор переменного тока имеет низкую нагрузку, тогда его вектор напряжения электродвижущей силы (эдс) будет иметь только очень небольшой (или даже нулевой) фазовый сдвиг  относительно вектора переменного напряжения питающей электрической сети. Однако когда синхронный генератор переменного тока имеет значительную нагрузку, тогда его вектор напряжения эдс будет иметь значительный фазовый сдвиг относительно вектора переменного напряжения питающей электрической сети. Это является основой работы синхронного генератора переменного тока, причем легко можно понять, что фазовый сдвиг будет возрастать пропорционально изменениям в нагрузке. Таким образом, если возникает внезапное снижение частоты питающей электрической сети, то тогда фазовый сдвиг будет возрастать и мощность, вырабатываемая синхронным генератором переменного тока, должна увеличиться. Увеличение подаваемой мощности будет происходить первоначально за счет инерции вращения синхронного генератора переменного тока, с использованием собственного свойства синхронного генератора переменного тока, в соответствии с которым увеличение фазового сдвига увеличивает подаваемую мощность. Эта мощность инерции уменьшает степень спада частоты питающей электрической сети. Однако частота напряжения на статоре будет продолжать снижаться, пока контроллер генератора не повысит подачу пара на турбину с использованием своей более медленной системы управления, которая измеряет частоту питающей электрической сети переменного тока.
Работа в неустановившемся режиме питающей электрической сети показана графически на фиг.1. На графике (a) показана нагрузка на питающую электрическую сеть, которая увеличилась внезапно в момент времени T1. На графике (b) показано, как частота питающей электрической сети снижается монотонно от момента времени T1, пока дополнительный пар не будет подан в турбину в момент времени Т2, чтобы стабилизировать частоту питающей электрической сети на более низком уровне. На графике (c) показано, как синхронный генератор переменного тока быстро реагирует в момент времени Т1 и повышает выходную мощность в ответ на увеличение фазового сдвига, которое возникает за счет внезапного увеличения нагрузки на питающую электрическую сеть, которое показано на графике (a). Энергию для этого быстрого увеличения выходной мощности первоначально получают за счет инерции вращения генератора, используя его собственную реакцию на изменение фазы. После быстрого повышения в момент времени T1 выходная мощность повышается более медленно за счет действия системы управления генератора, которая измеряет понижение частоты питающей электрической сети, пока не будет достигнуто установившееся состояние в момент времени Т2, с более высокой выходной мощностью, но с более низкой частотой питающей электрической сети.
После этого системой управляют так, чтобы возвратить частоту питающей электрической сети к желательной частоте (например, 50 Гц). Таким образом, можно видеть, что типичной реакцией по мощности синхронного генератора переменного тока является комбинация первоначальной быстрой, но меньшей реакции, основанной на инерции, и последующей более медленной, но большей финальной реакции, созданной за счет системы управления генератора, на базе измерения частоты питающей электрической сети. Отношение первоначальной быстрой, но меньшей реакции, основанной на инерции, к более медленной, но большей финальной реакции, зависит главным образом от инерции вращения генератора в сравнении с номинальной мощностью генератора. Это вызвано тем, что мощность первоначальной основанной на инерции реакции пропорциональна частоте вращения генератора, инерции вращения генератора и скорости изменения частоты питающей электрической сети. Таким образом, величина первоначальной основанной на инерции реакции определяется физической конструкцией вращающихся частей генератора, которую нелегко изменить при помощи систем управления.
Синхронные генераторы переменного тока поддерживают питающую электрическую сеть различным образом, во время внезапных изменений нагрузки, в зависимости от их рабочих состояний. Например, если генератор имеет минимальную выходную мощность, то он может реагировать только на внезапное увеличение нагрузки, в то время как если генератор имеет максимальную выходную мощность, то он может реагировать только на внезапное снижение нагрузки. Таким образом, в случае нормальных рабочих состояний, генераторы эффективно снижают воздействие таких резких изменений нагрузки на частоту питающей электрической сети, за счет наличия их инерции вращения.
Блок питания статической энергией также может быть подключен к питающей электрической сети. Блок питания статической энергией может иметь накопитель энергии любого подходящего типа (например, литиевые батареи, суперконденсаторы, маховики и топливные элементы), подключенный к питающей электрической сети при помощи силового преобразователя и связанных с ним систем. Силовым преобразователем может быть инвертор любой подходящей топологии (например, с двумя уровнями, тремя уровнями или с множеством уровней), содержащий множество полупроводниковых переключающих приборов (например, типа IGBT, IGCT и IEGT), работающих с использованием широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Частоту питающей электрической сети контролируют при помощи датчиков и используют для управления работой блока питания статической энергией. Например, усилитель с обратной связью может быть использован для сравнения фактической частоты питающей электрической сети с опорной частотой (например, 50 Гц в европейских странах). Если имеется снижение фактической частоты питающей электрической сети, то тогда может быть увеличена энергия, подаваемая от накопителя энергии, и наоборот. Количество энергии, которую подают в питающую электрическую сеть, задают за счет регулировки работы силового преобразователя, например, за счет изменения параметров ШИМ, управляющих открыванием и закрыванием полупроводниковых переключающих приборов. Реакция по мощности блока питания статической энергией при внезапном увеличении нагрузки на питающую электрическую сеть аналогична более медленной, но более значительной финальной реакции системы регулирования синхронного генератора переменного тока блока выработки электроэнергии, из-за необходимости измерения снижения частоты питающей электрической сети. Поэтому типично проходит несколько периодов питающей электрической сети до того, как управление силовым преобразователем начнет происходить соответствующим образом, чтобы поддерживать питающую электрическую сеть.
Наиболее крупные объединенные энергосистемы переменного тока имеют большое число блоков выработки электроэнергии с синхронными генераторами переменного тока, которые могут первоначально создавать быструю основанную на инерции реакцию, чтобы поддерживать питающую электрическую сеть. Однако, вероятнее всего, в будущем часть этих блоков выработки электроэнергии будет заменена устройствами с возобновляемыми источниками энергии устройствами (например, ветротурбинами), которые требуют накопления избыточной энергии в накопителях энергии. Таким образом, возникает необходимость в усовершенствованных контроллерах для блоков питания статической энергией, которые могут обеспечивать реакцию по мощности, которая по меньшей мере позволяет воспроизводить реакцию по мощности синхронного генератора переменного тока и, таким образом, которые позволяют блокам питания статической энергией обеспечивать поддержку питающей электрической сети во время внезапных изменений нагрузки.
Раскрытие изобретения
В соответствии с настоящим изобретением предлагается способ управления работой блока питания статической энергией, имеющего накопитель энергии (например, литиевые батареи, суперконденсаторы, маховики и топливные элементы), подключенный к питающей электрической сети переменного тока при помощи силового преобразователя, причем указанный способ включает в себя следующие операции: измерение характеристики напряжения питающей электрической сети переменного тока и выработка характеристик напряжения выходных сигналов, свидетельствующих о характеристиках напряжения для рабочего состояния питающей электрической сети переменного тока; генерирование сигнала смоделированного выходного напряжения для каждой фазы питающей электрической сети переменного тока, имеющего характеристики напряжения, производные от характеристики напряжения выходных сигналов; сравнение сигнала смоделированного выходного напряжения для каждой фазы и измеренного переменного напряжения для соответствующей фазы питающей электрической сети переменного тока; и управление работой силового преобразователя, чтобы изменять количество энергии, которое подают в питающую электрическую сеть переменного тока от накопителя энергии, на основании сравнения сигнала (сигналов) смоделированного выходного напряжения и измеренного переменного напряжения (напряжений).
Рабочим состоянием питающей электрической сети переменного тока может быть преобладающее или текущее рабочее состояние, если питающая электрическая сеть переменного тока работает нормально. Однако если питающая электрическая сеть переменного тока не работает нормально, например, если в ней имеются неполадки или переходный процесс, то рабочим состоянием питающей электрической сети переменного тока может быть предыдущее рабочее состояние, которое существовало до возникновения неполадок, то есть когда питающая электрическая сеть работала нормально.
Питающая электрическая сеть может иметь любое подходящее число фаз.
Операция сравнения сигнала (сигналов) смоделированного выходного напряжения и измеренного переменного напряжения (напряжений) может быть использована для обнаружения фазового сдвига. В этом случае работой силового преобразователя можно управлять на основании любого обнаруженного фазового сдвига. Обнаружение фазового сдвига позволяет контроллеру в соответствии с настоящим изобретением реагировать на изменение нагрузки питающей электрической сети быстрее, чем система управления стандартного блока питания статической энергией или система управления синхронной машины переменного тока, обе из которых основаны на измерении частоты питающей электрической сети.
Операция измерения характеристики напряжения питающей электрической сети может предусматривать измерение амплитуды, фазы и частоты переменного напряжения (напряжений) питающей электрической сети. Это может быть осуществлено при помощи соответствующих датчиков, связанных с питающей электрической сетью. Характеристики напряжения выходных сигналов типично свидетельствуют о характеристиках напряжения для господствующего или самого недавнего нормального рабочего состояния питающей электрической сети переменного тока, в зависимости от скорости изменения амплитуды, фазы и частоты переменного напряжения (напряжений).
Измеренное значение амплитуды питающей электрической сети может храниться в амплитудном регуляторе. Амплитудный регулятор может вырабатывать выходной сигнал амплитуды, имеющий значение, которое свидетельствует об амплитуде переменного напряжения (напряжений) питающей электрической сети для соответствующего рабочего состояния питающей электрической сети. Как уже было указано здесь выше, предпочтительно, чтобы амплитуду выходного сигнала можно было все еще вырабатывать, если переменное напряжение (напряжения) питающей электрической сети потеряно по каким-либо причинам, например, в результате неполадок в сети или переходного процесса. В этом случае может быть использовано запомненное значение измеренной амплитуды от предыдущего рабочего состояния, когда питающая электрическая сеть функционировала нормально. Значение выходного сигнала амплитуды может изменяться вместе с амплитудой переменного напряжения (напряжений) питающей электрической сети, но с регулируемой временной задержкой.
Измеренное значение фазы питающей электрической сети может храниться в фазорегуляторе. Фазорегулятор может вырабатывать выходной сигнал фазы, имеющий значение, которое свидетельствует о фазе переменного напряжения (напряжений) питающей электрической сети для соответствующего рабочего состояния питающей электрической сети переменного тока. Предпочтительно, чтобы выходной сигнал фазы можно было все еще вырабатывать, если переменное напряжение (напряжения) питающей электрической сети потеряно по каким-либо причинам, например, в результате неполадок в сети или переходного процесса. В этом случае может быть использовано запомненное значение измеренной фазы от предыдущего рабочего состояния, когда питающая электрическая сеть функционировала нормально. Значение выходного сигнала фазы может изменяться вместе с фазой переменного напряжения (напряжений) питающей электрической сети переменного тока, но с задаваемой временной задержкой.
Измеренное значение частоты питающей электрической сети переменного тока может храниться в частотном регуляторе. Частотный контроллер может вырабатывать выходной сигнал частоты, имеющий значение, которое свидетельствует о частоте переменного напряжения (напряжений) питающей электрической сети для соответствующего рабочего состояния питающей электрической сети. Предпочтительно, чтобы выходной сигнал частоты можно было все еще вырабатывать, если переменное напряжение (напряжения) питающей электрической сети потеряно по каким-либо причинам, например, в результате неполадок в сети или переходного процесса. В этом случае может быть использовано запомненное значение измеренной частоты от предыдущего рабочего состояния, когда питающая электрическая сеть функционировала нормально. Значение выходного сигнала частоты может изменяться вместе с частотой переменного напряжения (напряжений) питающей электрической сети, но с задаваемой временной задержкой.
Временные задержки для выходных сигналов амплитуды, фазы и частоты могут быть заданы в зависимости от результатов, достигнутых за счет процесса регулирования. Амплитудный, фазовый и частотный регуляторы могут быть адаптированы к изменению их выходных сигналов с соответствующей предварительно заданной скоростью.
Значение выходного сигнала частоты может быть избирательно изменено, так что частота сигнала смоделированного выходного напряжения для каждой фазы питающей электрической сети постепенно снижается с заданной скоростью, за счет предварительно заданной реакции частотного регулятора.
Силовым преобразователем можно управлять так, чтобы изменять количество энергии, которое подают в питающую электрическую сеть от накопителя энергии, таким образом, чтобы в основном воспроизводить реакцию по мощности синхронной машины переменного тока, подключенной к питающей электрической сети (например, чтобы иметь реакцию по мощности, аналогичную показанной на графике (c) на фиг.3, которая в основном воспроизводит или моделирует начальную основанную на инерции реакцию и финальную реакцию синхронной машины переменного тока). Это может быть достигнуто за счет установки параметров постоянной времени амплитудного, фазового и частотного регуляторов и коэффициентов усиления любых соответствующих чистых разностных сигналов. На практике возможны различные реакции по мощности. Например, реакция по мощности может быть задана где угодно между реакцией, показанной на графике (c) на фиг.3, и реакцией, показанной на графике (b) на фиг.3, когда первоначальная основанная на инерции реакция составляет 100% всей реакции, а основанная на частоте реакция составляет 0% всей реакции. Реализуемый способ управления и соответствующий контроллер для блока питания статической энергией позволяют обеспечить оптимальное управление для питающей электрической сети переменного тока.
Амплитуда любой воспроизводимой основанной на инерции реакции блока питания статической энергией может быть определена за счет сравнения сигнала смоделированного выходного напряжения (напряжений) и измеренного переменного напряжения (напряжений). Амплитуда любой воспроизводимой основанной на инерции реакции преимущественно блокируется от изменения частоты питающей электрической сети при помощи контроллера и не разблокируется даже при быстрых падениях частоты питающей электрической сети. Как только сигнал частоты смоделированного выходного напряжения (напряжений), который определен при помощи частотного регулятора, станет в основном равным измеренной частоте питающей электрической сети, то тогда любая воспроизводимая основанная на инерции реакция преимущественно прекращается, так что задаваемую временную задержку для выходного сигнала частоты типично используют для задания длительности начальной реакции. Задаваемые временные задержки для выходных сигналов амплитуды и фазы типично являются менее критическими и часто могут быть более длительными, чтобы подготовиться к следующему изменению частоты.
Во время установившихся рабочих состояний питающей электрической сети, преимущественно не подают мощность в питающую электрическую сеть от накопителя энергии, чтобы обеспечивать поддержку инерции (самоиндукции) в питающей электрической сети переменного тока. Само собой разумеется, что мощность может проходить через силовой преобразователь по другим причинам, которые не связаны с поддержкой инерции, например, при нормальном заряде и разряде накопителя энергии.
В соответствии с настоящим изобретением предлагается также контроллер для осуществления описанного здесь выше способа.
Таким образом, в соответствии с настоящим изобретением предлагается контроллер для блока питания статической энергией, имеющий накопитель энергии, подключенный к питающей электрической сети переменного тока при помощи силового преобразователя, причем указанный контроллер содержит: амплитудный регулятор для измерения и возможного запоминания амплитуды переменного напряжения (напряжений) питающей электрической сети переменного тока и для выработки выходного сигнала амплитуды, имеющего значение, которое свидетельствует об амплитуде переменного напряжения (напряжений) питающей электрической сети переменного тока для рабочего состояния питающей электрической сети переменного тока; фазорегулятор для измерения и возможного запоминания фазы переменного напряжения (напряжений) питающей электрической сети переменного тока и для выработки выходного сигнала фазы, имеющего значение, которое свидетельствует о фазе переменного напряжения (напряжений) питающей электрической сети переменного тока для рабочего состояния питающей электрической сети переменного тока; частотный регулятор для измерения и возможного запоминания частоты переменного напряжения (напряжений) питающей электрической сети переменного тока и для выработки выходного сигнала частоты, имеющего значение, которое свидетельствует о частоте переменного напряжения (напряжений) питающей электрической сети переменного тока для рабочего состояния питающей электрической сети переменного тока; генератор сигналов (например, полностью (вполне) регулируемый источник, реализованный в микропроцессорной системе управления) для генерирования сигнала смоделированного выходного напряжения для каждой фазы питающей электрической сети переменного тока, причем сигнал (сигналы) смоделированного выходного напряжения имеет характеристики амплитуды, фазы и частоты, производные соответственно от амплитуды, фазы и частоты выходных сигналов; компаратор для сравнения сигнала смоделированного выходного напряжения для каждой фазы и измеренного переменного напряжения для соответствующей фазы питающей электрической сети переменного тока; причем контроллер управляет работой силового преобразователя так, чтобы изменять количество энергии, которое подают в питающую электрическую сеть переменного тока от накопителя энергии, на основании сравнения сигнала смоделированного выходного напряжения (напряжений) и измеренного переменного напряжения (напряжений).
Контроллер может дополнительно содержать функциональный блок моделирования инерции для избирательного изменения значения выходного сигнала частоты до его подачи на генератор сигналов, так что частота сигнала смоделированного выходного напряжения для каждой фазы питающей электрической сети переменного тока постепенно снижается с заданной скоростью. Функциональный блок моделирования инерции может быть использован для моделирования инерции вращения всей объединенной энергосистемы переменного тока, которое позволяет задавать реальную скорость изменения частоты относительно изменений нагрузки на питающую электрическую сеть переменного тока. Таким образом, задачей функционального блока моделирования инерции является достижение такой же реакции от системы накопления энергии.
Краткое описание чертежей
На фиг.1 показана работа в неустановившемся режиме питающей электрической сети переменного тока.
На фиг.2 показан узел контроллера в соответствии с настоящим изобретением, предназначенного для управления блоком питания статической энергией.
На фиг.3 показаны различные реакции по мощности, поясняющие технические преимущества узла контроллера, показанного на фиг.2.
На фиг.2 показан блок 2 питания статической энергией, который содержит накопитель 4 энергии постоянного тока, подключенный к питающей электрической сети SN переменного тока. Выходной трансформатор 6 имеет первичные обмотки, подключенные к питающей электрической сети SN, и вторичные обмотки, подключенные к инвертору 8, в котором управляют открыванием и закрыванием переключающих приборов типа IGBT в соответствии с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ). Фильтр 10 подавления гармоник включен между выходным трансформатором 6 и инвертором 8 и позволяет свести к минимуму гармоники, возникающие при нормальной работе инвертора. Инвертор 8 подключен к накопителю энергии 4 постоянного тока при помощи звена 12 постоянного тока и факультативного преобразователя 14 постоянного напряжения в постоянное напряжение.
Сигналы управления по затворам для открывания и закрывания приборов типа IGBT инвертора 8 получают при помощи регулятора 16 тока, который регулирует количество энергии, которое блок 2 питания статической энергией подает в питающую электрическую сеть SN через инвертор. В описанном здесь выше известном блоке питания статической энергией регулятор тока управляет инвертором за счет сравнения фактической частоты питающей электрической сети и опорной частоты (например, 50 Гц). В случае использования блока 2 питания статической энергией показанный на фиг.2 регулятор тока 16 управляет инвертором 8 на основании выходных сигналов, вырабатываемых при помощи узла 20 контроллера.
Узел 20 контроллера для блока 2 питания статической энергией содержит полностью регулируемый трехфазный источник 22, реализованный в виде программных сигналов в микропроцессорной системе управления, такой как контроллер (PECe) силовой электроники, выпускаемый заявителем настоящего изобретения. Выходные сигналы 24a-24c полностью регулируемого источника 22 представляют собой выходные напряжения, предназначенные для того, чтобы моделировать внутренние напряжения синхронного генератора переменного тока, который имеет инерцию вращения. Выходной сигнал для каждой фазы в функции времени, который вырабатывают в микропроцессорной системе управления как непрерывно обновляемое числовое значение, может быть выражен как:
<mrow><mi>O</mi><mi>u</mi><mi>t</mi><mi>p</mi><mi>u</mi><mi>t</mi><mo>_</mo><mi>A</mi><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mi>A</mi><mo>⋅</mo><mi>sin</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mn>2</mn><mi>π</mi><mi>f</mi><mi>t</mi><mo>+</mo><mi>θ</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>E</mi><mi>Q</mi><mn>1</mn></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><mi>O</mi><mi>u</mi><mi>t</mi><mi>p</mi><mi>u</mi><mi>t</mi><mo>_</mo><mi>B</mi><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mi>A</mi><mo>⋅</mo><mi>sin</mi><mo stretchy="false">(</mo><mn>2</mn><mi>π</mi><mi>f</mi><mi>t</mi><mo>+</mo><mi>θ</mi><mo>+</mo><mfrac><mrow><mn>2</mn><mi>π</mi></mrow><mn>3</mn></mfrac><mo stretchy="false">)</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>E</mi><mi>Q</mi><mn>2</mn></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><mi>O</mi><mi>u</mi><mi>t</mi><mi>p</mi><mi>u</mi><mi>t</mi><mo>_</mo><mi>C</mi><mrow><mo>(</mo><mi>t</mi><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mi>A</mi><mo>⋅</mo><mi>sin</mi><mo stretchy="false">(</mo><mn>2</mn><mi>π</mi><mi>f</mi><mi>t</mi><mo>+</mo><mi>θ</mi><mo>+</mo><mfrac><mrow><mn>4</mn><mi>π</mi></mrow><mn>3</mn></mfrac><mo stretchy="false">)</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>E</mi><mi>Q</mi><mn>3</mn></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
где:
Output_A представляет собой смоделированное выходное напряжение для фазы A (то есть выходной сигнал 24a),
Output_B представляет собой смоделированное выходное напряжение для фазы B (то есть выходной сигнал 24b),
Output_C представляет собой смоделированное выходное напряжение для фазы C (то есть выходной сигнал 24c),
A представляет собой амплитуду напряжения,
f представляет собой частоту напряжения, и
θ представляет собой фазовый угол напряжения.
Полностью регулируемый источник вырабатывает выходной сигнал для каждой фазы питающей электрической сети, причем легко можно понять, что несмотря на то, что пример, показанный на фиг.2, содержит трехфазную питающую электрическую сеть, на практике может быть использовано любое подходящее число фаз.
В отличие от синхронного генератора переменного тока блок 2 питания статической энергией не имеет инерции вращения, так что его выходные напряжения переменного тока (то есть переменные напряжения, подаваемые в питающую электрическую сеть через инвертор 8) синхронизованы частотой питающей электрической сети SN. Таким образом, за счет сравнения смоделированного выходного напряжения, выработанного при помощи полностью регулируемого источника 22, с переменными напряжениями питающей электрической сети, любой обнаруженный фазовый сдвиг может быть использован для регулирования количества энергии, которое поступает в питающую электрическую сеть за счет блока 2 питания статической энергией, преимущественно таким образом, что блок питания статической энергией поддерживает питающую электрическую сеть аналогично тому, как это делает синхронный генератор переменного тока.
Амплитуду A напряжения определяют при помощи амплитудного регулятора 26. Амплитудный регулятор 26 измеряет и запоминает амплитуды переменных напряжений питающей электрической сети SN и создает выходной сигнал 28, имеющий значение, свидетельствующее об амплитуде для господствующего или самого недавнего нормального рабочего состояния. Значение выходного сигнала 28 будет изменяться вместе с амплитудой переменных напряжений питающей электрической сети, но с задаваемой временной задержкой, типично одна секунда. Временная задержка предназначена для того, чтобы моделировать действие внутреннего напряжения эдс синхронного генератора переменного тока, которое не изменяет очень быстро.
Если переменные напряжения питающей электрической сети SN потеряны по какой-либо причине (например, во время неполадок в питающей электрической сети), то тогда выходной сигнал 28 будет непрерывно вырабатываться со значением, которое отображает самое недавнее рабочее состояние ранее потери переменных напряжений. Задачей для выходного сигнала 28, вырабатываемого при помощи амплитудного регулятора 26, является воспроизведение амплитуды вектора напряжения эдс синхронного генератора переменного тока для всех рабочих состояний питающей электрической сети, в том числе состояний во время неполадок.
Выходной сигнал 28 амплитудного регулятора 26 подают непосредственно на полностью регулируемый источник 22, чтобы регулировать амплитуду выходного напряжения, как это показано в уравнениях EQ1-EQ3. Если выходной сигнал 28 увеличивается, то тогда амплитуда выходных сигналов 24a-24c, вырабатываемых при помощи полностью регулируемого источника 22, будет увеличиваться, и наоборот. Поэтому амплитуда выходных сигналов 24a-24c, вырабатываемых при помощи полностью регулируемого источника 22, будет изменяться в ответ на измеренную амплитуду переменных напряжений питающей электрической сети SN, но с временной характеристикой, задаваемой параметрами амплитудного регулятора 26.
Фазу в напряжения определяют при помощи фазорегулятора 30. Фазорегулятор 30 измеряет и запоминает фазы переменных напряжений питающей электрической сети SN и создает выходной сигнал 32, имеющий значение, свидетельствующее о фазе для господствующего или самого недавнего нормального рабочего состояния. Значение выходного сигнала 32 будет изменяться вместе с фазой переменных напряжений питающей электрической сети, но с задаваемой временной задержкой, типично четыре секунды. Временная задержка предназначена для того, чтобы медленно адаптироваться к изменениям фазы переменных напряжений.
Если переменные напряжения питающей электрической сети SN потеряны по какой-либо причине (например, во время неполадок в питающей электрической сети), то тогда выходной сигнал 32 будет непрерывно вырабатываться со значением, которое отображает самое недавнее рабочее состояние ранее потери переменных напряжений. Задачей для выходного сигнала 32, вырабатываемого при помощи фазорегулятора 30, является воспроизведение фазы вектора напряжения эдс синхронного генератора переменного тока для всех рабочих состояний питающей электрической сети.
Выходной сигнал 32 фазорегулятора 30 подают непосредственно на полностью регулируемый источник 22, чтобы регулировать фазу выходного напряжения, как это показано в уравнениях EQ1-EQ3. Если выходной сигнал 32 увеличивается, то тогда фаза выходных сигналов 24a-24c, вырабатываемых при помощи полностью регулируемого источника 22, будет увеличиваться, и наоборот. Таким образом, фаза выходных сигналов 24a-24c, вырабатываемых при помощи полностью регулируемого источника 22, будет изменяться в ответ на измеренную амплитуду переменных напряжений питающей электрической сети SN, но с временной характеристикой, которая определяется параметрами фазорегулятора 30.
Частоту f напряжения определяют при помощи частотного регулятора 34. Частотный регулятор 34 измеряет и запоминает частоты переменных напряжений питающей электрической сети SN и создает выходной сигнал 36, имеющий значение, свидетельствующее о частоте для господствующего или самого недавнего нормального рабочего состояния. Значение выходного сигнала 36 будет изменяться вместе с частотой переменных напряжений питающей электрической сети, но с задаваемой временной задержкой, типично четыре секунды. Временная задержка предназначена для того, чтобы медленно адаптироваться к изменениям частоты переменных напряжений.
Если переменные напряжения питающей электрической сети SN потеряны по какой-либо причине (например, во время неполадок в питающей электрической сети), то тогда выходной сигнал 36 будет непрерывно вырабатываться со значением, которое отображает самое недавнее рабочее состояние ранее потери переменных напряжений. Задачей для выходного сигнала 36, вырабатываемого при помощи частотного регулятора 34, является воспроизведение частоты вектора напряжения эдс синхронного генератора переменного тока для всех рабочих состояний питающей электрической сети.
Выходной сигнал 36 частотного регулятора 34 подают на функциональный блок 38 моделирования инерции. Если питающая электрическая сеть SN работает нормально (то есть в приемлемых границах, заданных правилами эксплуатации сети), то выходной сигнал 36 частотного регулятора 34 не изменяется при помощи функционального блока 38 моделирования инерции и, таким образом, поступает неизменным на полностью регулируемый источник 22, чтобы управлять частотой выходных напряжений, как это показано в уравнениях EQ1-EQ3. Если выходной сигнал 36 увеличивается, тогда частота выходных сигналов 24a-24c, вырабатываемых при помощи полностью регулируемого источника 22, будет увеличиваться, и наоборот. Поэтому частота выходных сигналов 24a-24c, вырабатываемых при помощи полностью регулируемого источника 22, будет изменяться в ответ на измеренную частоту переменных напряжений питающей электрической сети SN, но с временной характеристикой, задаваемой параметрами частотного регулятора 34.
Выходной сигнал 24а для фазы A вычитают из действующего переменного напряжения для фазы A, чтобы получить первый чистый разностный сигнал 40a. Первый чистый разностный сигнал 40а масштабируют, чтобы получить требуемый переменный ток для фазы A, который затем подают на регулятор 16 тока и используют для регулировки количества энергии, которую блок 2 питания статической энергией подает в фазу A питающей электрической сети SN. Аналогично выходные сигналы 24b и 24c для фаз B и C вычитают из действующих переменных напряжений для фаз B и C, чтобы получить соответственно второй и третий чистые разностные сигналы 40b и 40c. Второй и третий чистые разностные сигналы 40b и 40c масштабируют, чтобы получить требуемые переменные токи для фаз B и C, которые затем подают на регулятор 16 тока.
В установившихся режимах, когда переменные напряжения питающей электрической сети SN не изменяются, тогда выходные сигналы 24а-24c будут иметь точно такие же амплитуду, фазу и частоту, что и измеренные переменные напряжения. В результате чистые разностные сигналы 40а-40c, которые узел 20 контроллера подает на регулятор 16 тока, будут равны нулю и блок 2 питания статической энергией не будет подавать энергию в питающую электрическую сеть, чтобы обеспечивать поддержку инерции (самоиндукции). Однако, легко можно понять, что могут быть использованы и другие регулирующие уравнения, позволяющие заряжать накопитель энергии 4 постоянного тока и разряжать его в соответствии с другими эксплуатационными требованиями.
Мощность, которую подают в питающую электрическую сеть SN при помощи блока 2 питания статической энергией, зависит от разности фаз между выходными сигналами 24a-24c, вырабатываемыми при помощи полностью регулируемого источника 22, и действующим переменным напряжением соответствующей фазы питающей электрической сети. В том случае, когда имеется изменение фазы переменных напряжений в питающей электрической сети (например, за счет изменения нагрузки), тогда возникает изменение чистых разностных сигналов 40а-40c. Регулятор 16 тока будет немедленно реагировать, чтобы обнаружить фазовый сдвиг между выходными сигналами 24a-24c и действующими переменными напряжениями, при этом инвертором 8 управляют так, что блок 2 питания статической энергией будет подавать мощность в питающую электрическую сеть для поддержки питающей сети, чтобы свести к минимуму любое дальнейшее изменение частоты питающей электрической сети. Блок 2 питания статической энергией типично воспроизводит реакцию по мощности синхронного генератора переменного тока, однако возможно воспроизведение и других реакций по мощности. Следует иметь в виду, что блок 2 питания статической энергией обеспечивает более быстрое воспроизведение, чем описанный здесь выше стандартный блок питания статической энергией, который основан на обнаружении изменений частоты питающей электрической сети.
При факультативном построении функциональный блок 38 моделирования инерции позволяет снижать частоту выходных сигналов 24a-24c с заданной скоростью, вне зависимости от того, подает ли блок 2 питания статической энергией мощность в питающую электрическую сеть SN для поддержки инерции или нет. Задачей функционального блока 38 моделирования инерции является более точное воспроизведение выходными сигналами 24a-24c инерции вращения синхронного генератора переменного тока, что позволяет падать с заданной скоростью его частоте вращения и частоте на статоре. В этом случае функциональный блок 42 преобразует масштабированные чистые разностные сигналы 40a-40c в сигнал 44 постоянного тока, который эквивалентен мощности, которая была подана в сеть при помощи блока 2 питания статической энергией. Сигнал 44 постоянного тока подают на функциональный блок 38 моделирования инерции, чтобы изменять выходной сигнал 36 от частотного регулятора 34. Затем измененный выходной сигнал 36' подают на полностью регулируемый источник 22, чтобы регулировать частоту выходных напряжений, как это показано в уравнениях EQ1-EQ3. Однако в этом случае частоту выходных напряжений 24a-24c побуждают снижаться с заданной скоростью, так чтобы полная реакция по мощности блока 2 питания статической энергией более точно воспроизводила реакцию по мощности синхронного генератора переменного тока.
Теперь работа блока 2 питания статической энергией будет описана дополнительно со ссылкой на фиг.3.
На графике (a) показано, как изменяются во времени переменное напряжение фазы A питающей электрической сети (пунктирная линия) и смоделированное напряжение для фазы A, которое представляет собой выходной сигнал 24a полностью регулируемого источника 22 (сплошная линия) при возрастании нагрузки на питающую электрическую сеть, если не производить регулирующие воздействия. При возрастании нагрузки на питающую электрическую сеть частота питающей электрической сети будет снижаться, так что пунктирная линия, которая отображает переменное напряжение фазы A питающей электрической сети будет понижаться относительно сплошной линии, которая отображает выходной сигнал 24a полностью регулируемого источника 22 и которая остается неизменной, если не производить регулирующие воздействия при помощи блока 2 питания статической энергией. Легко можно понять, что соответствующие графики могут быть представлены для переменных напряжений фаз B и C питающей электрической сети и соответствующих выходных сигналов 24b и 24c полностью регулируемого источника 22.
На практике, когда нагрузка приложена к питающей электрической сети SN, частота переменного напряжения для фазы A питающей электрической сети (пунктирная линия) снижается, что приводит к фазовому сдвигу относительно выходного сигнала 24a полностью регулируемого источника 22 (сплошная линия). Увеличение фазового сдвига, которое возникает за счет снижения частоты питающей электрической сети, приводит к тому, что выработка выходной мощности блока 2 питания статической энергией быстро растет, как это показано на графике (b). Другими словами, на графике (b) показана реакция по мощности блока 2 питания статической энергией в результате регулирующих воздействий.
На графике (c) показана типичная реакция по мощности синхронного генератора переменного тока, когда прикладывают нагрузку к питающей электрической сети, а именно реакция по мощности с быстрой, но небольшой начальной основанной на инерции реакцией, и с последующей более медленной, но более значительной финальной реакцией, которая обеспечена за счет системы регулирования генератора, на базе измерения частоты питающей электрической сети. Можно видеть, что график (c) соответствует моменту времени непосредственно после T1 на фиг.1.
При корректных установочных параметрах (уставках) реакция по мощности блока 2 питания статической энергией (график (b)) может быть быстрее, чем реакция по мощности синхронного генератора переменного тока, имеющего стандартную, основанную на частоте систему регулирования (график (c)). Причем амплитуда реакции может быть больше, до номинального предела накопителя 4 энергии постоянного тока. Это возможно потому, что блок 2 питания статической энергией реагирует на изменение фазы, а не частоты питающей электрической сети. На практике, реакция по мощности блока 2 питания статической энергией может быть где-то между показанной на графике (b) и показанной на графике (c), причем в последнем случае реакция по мощности воспроизводит типичную реакцию по мощности синхронного генератора переменного тока, с начальной реакцией, которая воспроизводит или модулирует начальную основанную на инерции реакцию генератора. Реакция по мощности блока 2 питания статической энергией зависит от амплитуды начальной основанной на инерции реакции относительно более медленной основанной на частоте реакции.
Для сравнения на графике (d) показана реакция по мощности стандартного блока 2 питания статической энергией, который не имеет начальной основанной на инерции реакции синхронного генератора переменного тока и который основан на измерении частоты питающей электрической сети, чтобы получить последующую более значительную, но более медленную реакцию.