СХЕМА НАКОПИТЕЛЯ ЭНЕРГИИ ПОСТОЯННОГО ТОКА И СПОСОБ ЕЕ РАБОТЫ
CIRCUIT OF DC POWER ACCUMULATOR AND OPERATION METHOD THEREOF

Область техники
Изобретение относится к схемам накопителей энергии постоянного тока, и, в частности, схемам, которые позволяют накапливать энергию постоянного тока для питания вспомогательных систем накопителей энергии постоянного тока, таких как, например, вентиляторы или насосы.
Предпосылки создания изобретения
Накопители энергии постоянного тока могут быть реализованы на основе различных технологий, таких, как аккумуляторы (например, литиевые и серно-натриевые), конденсаторы, включая ионисторы, а также электролизеры с поточным электролитом (например, ванадиевые редокс-батареи с поточным электролитом). Энергия может сохраняться в накопителе энергии постоянного тока и использоваться по мере необходимости. Такая способность накапливать и подавать энергию полезна в целом ряде различных приложений, в том числе, для накопления избыточной энергии ветра и последующей передачи этой энергии в сеть переменного тока или электросеть в то время, когда ветер дает меньше энергии. Еще одно применение - накопление энергии на случай, если электрический генератор прекращает работу. Энергия, накопленная в накопителе энергии постоянного тока, может быть использована для поддержания работоспособности жизненно важных систем и служб до тех пор, пока не будет запущен резервный генератор. В некоторых случаях может быть полезно накапливать энергию постепенно, а затем очень быстро подавать энергию, накопленную в накопителе энергии постоянного тока - для приложений, где требуется высокая мощность энергетических импульсов, например, линейных электромоторов, применяемых в аттракционах.
Накопители энергии постоянного тока, как правило, имеют вспомогательные системы, такие, как насосы, вентиляторы, блоки управления и другие устройства, которые подключены к сети питания переменного тока. Если в сети переменного тока подача энергии прерывается, либо наблюдаются колебания напряжения и частоты, то подача энергии к вспомогательным системам происходить не будет, и это может вызвать проблемы в практической работе накопителя энергии постоянного тока. Например, если перестают работать вентиляторы, которые используются для охлаждения накопителя энергии постоянного тока, то это может привести к недопустимому повышению температуры. Кроме того, для максимально эффективной работы некоторых видов накопителей энергии постоянного тока требуются насосы.
Сущность изобретения
Настоящее изобретение предлагает схему накопителя энергии постоянного тока, включающую в себя: накопитель энергии постоянного тока, имеющий вспомогательные системы (например, насосы, вентиляторы, блоки управления и другие устройства, связанные с накопителем энергии постоянного тока, которые обычно необходимы для нормального или стандартного функционирования, а не просто являются потребителями электроэнергии, подключенными к сети переменного тока или электросети), преобразователь питания переменного/постоянного тока, включающий в себя несколько полупроводниковых устройств переключения питания, преобразователь питания переменного/постоянного тока, имеющий контакты постоянного тока и контакты переменного тока, которые электрически подсоединены к сети переменного тока или электросети, при необходимости с помощью фильтров и-или через трансформатор, преобразователь питания постоянного/постоянного тока, включающий в себя несколько полупроводниковых устройств переключения питания, преобразователь питания постоянного/постоянного тока, чьи первые контакты постоянного тока электрически соединены с клеммами постоянного тока преобразователя питания переменного/постоянного тока с помощью цепи постоянного тока, а вторые контакты постоянного тока электрически соединены с клеммами постоянного тока накопителя энергии постоянного тока, при необходимости с помощью индуктивностей постоянного тока и конденсаторов фильтра; первый контроллер для преобразователя питания переменного/постоянного тока и второй контроллер для преобразователя питания постоянного/постоянного тока.
Схема накопителя энергии постоянного тока может работать в одном или нескольких из трех режимов, при необходимости переключаясь между режимами работы, когда этого требуют обстоятельства. В "автономном режиме" схема накопителя энергии постоянного тока используется для подачи энергии из накопителя энергии постоянного тока к вспомогательным системам накопителя энергии постоянного тока при отсутствии подачи энергии из сети питания переменного тока. В этом режиме схема накопителя энергии постоянного тока, как правило, изолирована от сети питания переменного тока, чтобы неисправность в сети питания переменного тока не помешала работе в автономном режиме. Схема накопителя энергии постоянного тока может быть изолирована с помощью любого подходящего средства, например, коммутатора. В "изолированном режиме" схема накопителя энергии постоянного тока используется для подачи энергии от накопителя энергии постоянного тока к вспомогательным системам и другим электрическим нагрузкам, подключенным к сети переменного тока, когда накопитель энергии постоянного тока является основным источником питания. В "нормальном режиме" сеть переменного тока работает нормальным образом и связана с другими генераторами. Схема накопителя энергии постоянного тока используется для подачи энергии от сети питания переменного тока к накопителю энергии постоянного тока и для подачи энергии от накопителя энергии постоянного тока в сеть переменного тока, т.е., соответственно, для заряда и разряда накопителя энергии постоянного тока.
Когда накопитель энергии постоянного тока цепи работает в автономном режиме, в котором энергия подается от накопителя энергии постоянного тока к вспомогательным системам накопителя энергии постоянного тока:
первый контроллер использует сигнал запроса напряжения, указывающий желательное напряжение на клеммах переменного тока преобразователя питания переменного/постоянного тока для управления полупроводниковыми устройствами переключения питания преобразователя питания переменного/постоянного тока с целью достижения желательного уровня напряжения переменного тока, соответствующего сигналу запроса напряжения, где сигнал запроса напряжения выводится из сравнения сигнала обратной связи напряжения и второго сигнала запроса напряжения, заданного с целью обеспечения требуемого напряжения переменного тока для вспомогательных систем накопителя энергию постоянного тока; и
второй контроллер использует сигнал запроса тока, указывающий желательный ток в цепи постоянного тока для управления полупроводниковыми устройствами переключения питания преобразователя питания постоянного/постоянного тока с целью достижения желательного уровня тока в цепи постоянного тока, соответствующего сигналу запроса тока, где сигнал запроса тока выводится из сравнения сигнала запроса напряжения в цепи постоянного тока, указывающего желательное постоянное напряжение в цепи постоянного тока, и сигнала обратной связи напряжения в цепи постоянного тока.
Автономный режим обычно используется, когда сеть переменного тока или энергосистема, которые обычно подают питание на вспомогательные системы, не доступны по какой-либо причине (например, из-за сбоя). Таким образом, энергия, запасенная в накопителе постоянного тока, может использоваться для питания вспомогательных систем с целью обеспечения их нормальной работы или выполнения процедуры отключения.
В автономном режиме первый контроллер предпочтительно включает в себя модулятор широтно-импульсной модуляции (ШИМ), который выводит команды запуска полупроводниковых устройств переключения питания преобразователя питания переменного/постоянного тока на основе сигнала запроса напряжения и требуемой частоты сети переменного тока.
Когда схема накопителя энергии постоянного тока работает в изолированном режиме, в котором питание подается из накопителя энергии постоянного тока в сеть переменного тока и к вспомогательным системам накопителя энергии постоянного тока:
первый контроллер использует сигнал запроса напряжения, указывающий желательное напряжение переменного тока на клеммах переменного тока преобразователя питания переменного/постоянного тока для управления полупроводниковыми устройствами переключения питания преобразователя питания переменного/постоянного тока с целью достижения желательного уровня напряжения переменного тока, соответствующего сигналу запроса напряжения, где сигнал запроса напряжения выводится из сравнения сигнала обратной связи напряжения и второго сигнала запроса напряжения, заранее заданного для обеспечения желательного напряжения переменного тока для сети питания переменного тока, и
второй контроллер использует сигнал запроса тока, указывающий желательный ток в цепи постоянного тока для управления полупроводниковыми устройствами переключения питания преобразователя питания постоянного/постоянного тока с целью достижения желательного уровня тока в цепи постоянного тока, соответствующего сигналу запроса тока, где сигнал запроса тока получается из сравнения сигнала запроса напряжения в цепи постоянного тока, указывающего напряжение в цепи постоянного тока, и сигнала обратной связи напряжения в цепи постоянного тока.
Изолированный режим работы обычно используется, когда накопитель энергии постоянного тока является основным источником питания для внешних нагрузок, подключенных к сети переменного тока или электрической сети.
В изолированном режиме первый контроллер, предпочтительно, включает в себя ШИМ-модулятор, который выводит команды запуска полупроводниковых устройств переключения питания преобразователя питания переменного/постоянного тока на основании сигнала запроса напряжения и сигнала запроса частоты, где сигнал запроса частоты получается из сравнения частоты сигнала обратной связи и сигнала запроса частоты, который заранее задан для обеспечения желательной частоты переменного тока в сети питания переменного тока.
В автономном и изолированном режимах второй контроллер, предпочтительно, включает в себя ШИМ-модулятор, который выводит команды запуска полупроводниковых устройств переключения питания преобразователя питания постоянного/постоянного тока преобразователя питания переменного/постоянного тока на основании сигнала запроса напряжения и измерения угла фазы напряжения, где сигнал запроса напряжения выводится путем сравнения сигнала обратной связи тока и одного из следующих: сигнала запроса тока и ограниченного варианта сигнала запроса тока, получаемого из ограничителя тока.
В автономном и изолированном режимах второй контроллер может включать в себя ограничитель тока, который получает ограниченный вариант сигнала запроса тока с помощью сигнала предела тока, указывающего максимальный допустимый ток на клеммах постоянного тока накопителя энергии постоянного тока. Сигнал предела тока может подаваться, например, из накопителя энергии постоянного тока или связанного с ним контроллера. Если сигнал запроса тока превышает сигнал предела тока, то ограничитель тока может подать управляющий сигнал. В автономном и изолированном режимах работы управляющий сигнал обычно используется для отключения схемы накопителя энергии постоянного тока поездку. Дополнительный сигнал выключения может подаваться, если переменный ток на клеммах переменного тока преобразователя питания переменного/постоянного тока больше максимального допустимого тока.
Схема накопителя энергии постоянного тока может также работать в нормальном режиме, в котором энергия подается от сети питания переменного тока в накопитель энергии постоянного тока для зарядки накопителя энергии постоянного тока, либо энергия подается из накопителя энергии постоянного тока в сеть питания переменного тока, при этом происходит разрядка накопителя энергии постоянного тока. В нормальном режиме работы питание вспомогательных систем накопителя энергии постоянного тока может поступать либо от сети питания переменного тока, либо из накопителя энергии постоянного тока, в зависимости от сигнала запроса мощности, указывающего желательную мощность переменного тока на клеммах переменного тока преобразователя питания переменного/постоянного тока. Вспомогательные системы, предпочтительно, электрически подключены к сети питания переменного тока по обе стороны от дополнительного трансформатора. В частности, вспомогательные системы могут иметь соответствующие клеммы переменного тока, которые подключены непосредственно к сети питания переменного тока, например, параллельно с остальной частью схемы накопителя энергию постоянного тока, либо через дополнительный трансформатор или любые другие промежуточные электрические компоненты. Когда схема накопителя энергии постоянного тока работает в нормальном режиме:
первый контроллер использует сигналы запроса реального и реактивного тока, указывающие желательные реальный и реактивный ток на клеммах переменного тока преобразователя питания переменного/постоянного тока для управления полупроводниковыми устройствами переключения питания преобразователя питания переменного/постоянного тока с целью достижения желательного уровня реального и реактивного тока, который соответствует сигналам запроса реального и реактивного тока, где сигнал запроса реального тока, полученный из сравнения сигнала запроса напряжения в цепи постоянного тока, и сигнала обратной связи напряжения в цепи постоянного тока (таким образом обеспечивается, чтобы напряжение в цепи постоянного тока, предпочтительно, оставалось бы практически постоянной в течение действия нормального режима работы); и
второй контроллер использует сигнал запроса тока, указывающий желательную величину постоянного тока на клеммах постоянного тока накопителя энергии постоянного тока для управления полупроводниковыми устройствами переключения питания преобразователя питания постоянного/постоянного тока с целью достижения желательного уровня постоянного тока, соответствующего сигналу запроса тока, где сигнал запроса тока рассчитывается в блоке расчета мощности на основе (i) сигнала запроса мощности, указывающего необходимую мощность переменного тока на клеммах переменного тока преобразователя питания переменного/постоянного тока (то есть, вышеупомянутого сигнала запроса мощности), (ii) сигнала обратной связи напряжения, указывающего постоянное напряжение на клеммах постоянного тока накопителя энергии постоянного тока, и (iii) потерь в схеме накопителя энергии постоянного тока (например, в цепи переменного тока, соединяющей преобразователь питания переменного/постоянного тока и сеть питания переменного тока, в цепи постоянного тока, которая соединяет клеммы преобразователя питания постоянного/постоянного тока 14 и вспомогательные системы схемы накопителя энергии постоянного тока).
В нормальном режиме работы первый контроллер может включать в себя модулятор ШИМ, который формирует команды запуска для управления полупроводниковыми устройствами переключения питания преобразователя питания переменного/постоянного тока с помощью относительно обычных способов на основе сигналов запроса напряжения по осям D и Q и измерения угла фазы сети питания переменного, обычно с помощью блока фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ). Сигнал запроса реактивного тока может быть получен на основе одного или нескольких сигналов запроса тока, которые задают желательный уровень реактивного тока в сети питания переменного тока, гасят реактивный ток фильтра и устраняют сдвиг фазы в сети питания сети переменного тока или энергосети, чтобы, например, обеспечить надлежащее питание в определенной точке в сети питания переменного тока. Таким образом, сигнал запроса реактивного тока обычно указывает необходимую величину реактивного тока в цепи переменного тока. Сигнал запроса напряжения по оси Q может быть получен из сопоставления сигнала запроса реального тока и сигнала обратной связи тока, указывающего величину реального переменного тока на клеммах переменного тока преобразователя питания переменного/постоянного тока. Аналогично, сигнал запроса напряжения по оси D может быть получен из сопоставления сигнала запроса реактивного тока и сигнала обратной связи тока, указывающего величину реактивного переменного тока на клеммах переменного тока преобразователя питания переменного/постоянного тока.
В нормальном режиме работы сигнал запроса тока второго контроллера можно дополнительно получить с помощью блока расчета мощности на основании сигнала обратной связи цепи постоянного тока, указывающего напряжение цепи постоянного тока, а сигнал запроса реального тока первого контроллера может быть дополнительно получен из сигнала тока, который предоставляется блоком расчета мощности второго контроллера.
В нормальном режиме работы второй контроллер, предпочтительно, включает в себя ШИМ-модулятор, который выводит команды запуска полупроводниковых устройств переключения питания преобразователя питания постоянного/постоянного тока на основании сигнала запроса напряжения и измерения угла фазы напряжения, где сигнал запроса напряжения выводится путем сравнения сигнала обратной связи тока и одного из следующих: сигнала запроса тока и ограниченного варианта сигнала запроса тока, получаемого из ограничителя тока.
В нормальном режиме работы второй контроллер, предпочтительно, включает в себя ограничитель тока, который получает ограниченный вариант сигнала запроса тока с помощью сигнала предела тока, указывающего максимальный допустимый ток на клеммах постоянного тока накопителя энергии постоянного тока. Если сигнал запроса тока превышает сигнал предела тока, то ограничитель тока может подать управляющий сигнал на блок расчета мощности. Если блок расчета мощности получает управляющий сигнал, то он может выдать предупреждение пользователю системы, которая продолжает работать, но не в состоянии выдавать или поглощать запрашиваемую мощность.
В нормальном режиме работы сигнал запроса тока может быть дополнительно получен блоком расчета мощности на основании сигнала обратной связи мощности, указывающего мощность переменного тока в сети питания переменного тока. Сигнал обратной связи мощности используется блоком расчета мощности для применения постепенной коррекцию потерь в схеме накопителя энергии постоянного тока.
Преобразователи питания переменного/постоянного тока и постоянного/постоянного тока могут быть любой подходящей топологии и использовать любые подходящие полупроводниковые устройства переключения питания. Работу полупроводниковых устройств переключения питания в преобразователях питания переменного/постоянного тока и постоянного/постоянного тока можно контролировать с помощью управляющих сигналов вентильного устройства, полученных в соответствии с традиционной стратегией ШИМ. Могут рассматриваться различные виды стратегий ШИМ.
Накопитель энергии постоянного тока может быть также реализован на основе любой подходящей технологии, например, в виде аккумуляторов, конденсаторов и элементов с проточным электролитом.
Описанные выше схемы накопителей энергии постоянного тока предлагают два независимых контроллера, но можно было бы объединить функции контроллеров в один физический контроллер. Аналогично, функции каждого контроллера преобразователей питания переменного/постоянного тока и постоянного/постоянного тока можно распределить по нескольким контроллерам (например, сделать отдельный физический контроллер для каждого режима работы накопителя энергии постоянного тока), если это удобно для практической реализации схемы накопителя энергии постоянного тока.
Сеть питания переменного тока может иметь одну или несколько фаз (например, три).
Настоящее изобретение предусматривает дополнительно способ работы схемы накопителя энергии постоянного тока, включающего в себя: накопитель энергии постоянного тока, имеющий вспомогательные системы, преобразователь питания переменного/постоянного тока, включающий в себя несколько полупроводниковых устройств переключения питания, преобразователь питания переменного/постоянного тока постоянного тока с клеммами переменного тока и клеммами постоянного тока, которые электрически подключены к сети питания переменного тока, при необходимости с помощью фильтров и-или трансформатора, преобразователь питания постоянного/постоянного тока, включающий в себя несколько полупроводниковых устройств переключения питания, где первые клеммы постоянного тока преобразователя питания постоянного/постоянного тока электрически соединены с клеммами постоянного тока преобразователя питания переменного/постоянного тока посредством цепи постоянного тока, а вторые клеммы постоянного тока электрически соединены с клеммами постоянного тока накопителя энергии постоянного тока, при необходимости с помощью индуктивностей постоянного тока и конденсаторов фильтра; первый контроллер для преобразователя питания переменного/постоянного тока; и второй контроллер для преобразователя питания постоянного/постоянного тока; где способ включает в себя стадию эксплуатации накопителя постоянного тока энергии в автономном режиме, в котором питание подается от накопителя энергии постоянного тока к вспомогательным системам накопителя энергии постоянного тока таким образом, что:
первый контроллер использует сигнал запроса напряжения, указывающий желательное напряжение переменного тока на клеммах переменного тока преобразователя питания переменного/постоянного тока для управления полупроводниковыми устройствами переключения питания преобразователя питания переменного/постоянного тока с целью достижения желательного уровня напряжения переменного тока, соответствующего напряжению сигнала запроса напряжения, где сигнал запроса напряжения получается из сравнения сигнала обратной связи напряжения и второго сигнала запроса напряжения, заранее заданного с целью обеспечения желательного напряжения переменного тока для вспомогательных систем накопителя энергию постоянного тока, и
второй контроллер использует сигнал запроса тока, указывающий желательный ток в цепи постоянного тока для управления полупроводниковыми устройствами переключения питания преобразователя питания постоянного/постоянного тока с целью достижения желательного уровня тока в цепи постоянного тока, соответствующего сигналу запроса тока, где сигнал запроса тока получается путем сравнения сигнала запроса напряжения в цепи постоянного тока, указывающего желательное напряжение в цепи постоянного тока, и сигнала обратной связи напряжения в цепи постоянного тока.
Этот способ может дополнительно или в качестве альтернативы включать в себя этап эксплуатации схемы накопителя энергии постоянного тока в изолированном режиме, в котором питание подается из накопителя энергии постоянного тока в сеть переменного тока и к вспомогательным системам накопителя постоянного энергии, таким, что:
первый контроллер использует сигнал запроса напряжения, указывающий желательное напряжение на клеммах переменного тока преобразователя питания переменного/постоянного тока для управления полупроводниковыми устройствами переключения питания преобразователя питания переменного/постоянного тока с целью достижения желательного уровня напряжения переменного тока, соответствующего сигналу запроса напряжения, где сигнал запроса напряжения, полученный из сравнения сигнала обратной связи напряжения и второго сигнала запроса напряжения, заданного с целью обеспечения требуемого напряжения переменного тока для работы в сети питания переменного тока, и
второй контроллер использует сигнал запроса тока, указывающий желательный ток в цепи постоянного тока для управления полупроводниковыми устройствами переключения питания преобразователя питания постоянного/постоянного тока с целью достижения желательного уровня тока в цепи постоянного тока, соответствующего сигналу запроса тока, где сигнал запроса тока выводится из сравнения сигнала запроса напряжения в цепи постоянного тока, указывающего желательное напряжение в цепи постоянного тока, и сигнала обратной связи напряжения в цепи постоянного тока.
Этот способ может дополнительно или в качестве альтернативы включать в себя этап эксплуатации накопителя энергии постоянного тока в нормальном режиме, в котором энергия подается от сети питания переменного тока к накопителю энергии постоянного тока, чтобы зарядить накопитель энергии постоянного тока, либо питание подается из накопителя энергии постоянного тока в сеть переменного тока для того, чтобы разрядить накопитель энергии постоянного тока, таким образом, что:
первый контроллер использует сигналы запроса реального и реактивного тока, указывающие желательный реальный и реактивный ток на клеммах переменного тока преобразователя питания переменного/постоянного тока для управления полупроводниковыми устройствами переключения питания преобразователя питания переменного/постоянного тока с целью достижения желательных уровней реального и реактивного тока, соответствующих сигналам запроса реального и реактивного тока, при этом сигнал запроса реального тока выводится из сравнения сигнала запроса напряжения в цепи постоянного тока, указывающего желательное напряжение в цепи постоянного тока, и сигнала обратной связи напряжения в цепи постоянного тока (тем самым, напряжение в цепи постоянного тока остается практически постоянным в течение нормального режима работы); и
второй контроллер использует сигнал запроса тока, указывающий желательный постоянный ток на клеммах постоянного тока накопителя энергию постоянного тока для управления полупроводниковыми устройствами переключения питания преобразователя питания постоянного/постоянного тока с целью достижения желательного уровня постоянного тока, соответствующего сигналу запроса тока, при этом сигнал запроса тока выводится из расчета мощности на основе (i) сигнала запроса мощности, указывающего необходимую мощность переменного тока на клеммах переменного тока преобразователя питания переменного/постоянного тока, (ii) сигнала обратной связи напряжения, указывающего постоянное напряжение на клеммах постоянного тока накопителя энергии постоянного тока, и (iii) потерь в схеме накопителя энергии постоянного тока.
Чертежи
На Фиг.1 показана схема накопителя энергии постоянного тока в соответствии с настоящим изобретением;
На Фиг.2 схематически показано устройство контроллера в случае, когда накопитель энергии постоянного тока работает в нормальном режиме;
На Фиг.3 схематически показано альтернативное устройство контроллера в случае, когда накопитель энергии постоянного тока работает в нормальном режиме;
На Фиг.4 схематически показано устройство контроллера в случае, когда накопитель энергии постоянного тока работает в автономном режиме;
На Фиг.5 схематически показано альтернативное устройство контроллера в случае, когда накопитель энергии постоянного тока работает в автономном режиме;
На Фиг.6 схематически показано устройство контроллера в случае, когда накопитель энергии постоянного тока работает в изолированном режиме; и
На Фиг.7 схематически показано альтернативное устройство контроллера в случае, когда накопитель энергии постоянного тока работает в изолированном режиме.
1. Топология схемы накопителя энергии постоянного тока На Фиг.1, схема накопителя энергии постоянного тока 2 включает в себя преобразователь питания переменного тока/постоянного тока 4. Преобразователь питания переменного тока/постоянного тока 4 может представлять собой инвертор, имеющий обычную трехфазную топологию с рядом полупроводниковых устройств переключения питания (например, БТИЗ, IEGT (Injection Enhanced Gate Bipolar Transistor) или биполярные транзисторы с коммутируемым затвором), полностью управляемых с помощью стратегии широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Однако на практике преобразователь питания переменного тока/постоянного тока 4 может иметь любую подходящую топологию, например, трехуровневую топологию с фиксированной нейтральной точкой или многоуровневую топологию.
Клеммы переменного тока преобразователя питания переменного тока/постоянного тока 4 соединены с трехфазным источником питания переменного тока 6 посредством трансформатора 8, схемы пассивной гармонической фильтрации 10 и обычного стабилизатора 12, который ограничивает гармонические токи ШИМ. Схема фильтрации 10, показанная в простейшей форме, однако на практике несколько различных схем фильтрации можно объединить для достижения требуемых гармонических напряжений в источнике питания переменного тока 6, при этом соединение переменного тока между трансформатором 8 и схемой фильтрации 10 может содержать дополнительный стабилизатор.
Преобразователь питания постоянного тока/постоянного тока 14 подключен к клеммам постоянного тока преобразователя питания переменного тока/постоянного тока 4 посредством цепи постоянного тока 16. Преобразователь питания постоянного тока/постоянного тока 14 может иметь трехфазную двухуровневую топологию, аналогично преобразователю питания переменного тока/постоянного тока 4, с рядом полупроводниковых устройств переключения питания (например, БТИЗ, IEGT (Injection Enhanced Gate Bipolar Transistor) или биполярные транзисторы с коммутируемым затвором), полностью управляемых с помощью стратегии широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Однако на практике преобразователь питания постоянного тока/постоянного тока 14 может иметь любую подходящую топологию, как сказано выше для преобразователя питания переменного тока/постоянного тока. Ниже подробнее описывается получение командных сигналов вентильного устройства, которые используются для управления полупроводниковыми устройствами переключения питания преобразователей питания переменного тока/постоянного тока и постоянного тока/постоянного тока.
Преобразователь питания постоянного тока/постоянного тока 14 подает три величины постоянного тока, который регулируется для накопления энергии в накопителе энергии постоянного тока 2 или выделения энергии из него. Накопитель энергии постоянного тока 2 подключен к преобразователю питания постоянного тока/постоянного тока 14 посредством стабилизаторов постоянного тока 18, которые ограничивают гармонические токи ШИМ в дополнительный сглаживающий конденсатор 22 и накопитель энергии постоянного тока.
Накопитель энергии постоянного тока 2 может быть любого подходящего типа (например, литиевые аккумуляторы, суперконденсаторы, маховики и элементы с проточным электролитом). Можно добиться практического постоянства напряжения постоянного тока на клеммах постоянного тока преобразователя питания постоянного тока/постоянного тока 14 со стороны преобразователя питания переменного тока/постоянного тока в то время, как напряжение постоянного тока накопителя энергии постоянного тока 2 может в значительной мере меняться на клеммах напряжения постоянного тока в различных режимах работы в результате изменения напряжения накопителя энергии постоянного тока во время накопления или выделения энергии постоянного тока.
Вполне может быть, что преобразователь питания переменного тока/постоянного тока 4 способен работать в качестве активного выпрямителя или инвертора в зависимости от того, поступает ли энергия в накопитель энергии постоянного тока 2 из источника питания переменного тока 6 или наоборот. Например, когда энергия поступает в накопитель энергии постоянного тока 2 из источника питания переменного тока 6 (то есть, накопитель энергии постоянного тока заряжается), тогда преобразователь питания переменного тока/постоянного тока 4 работает в качестве активного выпрямителя, и преобразует энергию переменного тока в энергию постоянного тока, которая затем делается совместимой с напряжением на клеммах постоянного тока накопителя энергии постоянного тока посредством промежуточного преобразователя питания постоянного тока/постоянного тока 14. Когда энергия поступает в источник питания переменного тока 6 из накопителя энергии постоянного тока 2 (то есть, накопитель энергии постоянного тока разряжается), тогда преобразователь питания переменного тока/постоянного тока 4 работает в качестве инвертора для преобразования энергии постоянного тока в энергию переменного тока, которая совместима с источником питания переменного тока. Таким образом, преобразователи питания переменного тока/постоянного тока и постоянного тока/постоянного тока 4, 16 поддерживают ток в обоих направлениях.
Полупроводниковые устройства переключения питания преобразователя питания переменного тока/постоянного тока находятся под управлением контроллера 24, а полупроводниковые устройства переключения питания преобразователя питания постоянного тока/постоянного тока находятся под управлением контроллера 46. Ниже приведено более подробное описание контроллеров в связи с различными режимами работы накопителя энергии постоянного тока 2.
Из вышеприведенного описания следует, что общая схема накопителя энергии постоянного тока может быть разделена на пять подсхем, среди которых:
(i) цепь переменного тока, которая соединяет преобразователь питания переменного тока/постоянного тока 4 с источником питания переменного тока 6;
(ii) преобразователь питания переменного тока/постоянного тока 4;
(iii) цепь постоянного тока 16, которая соединяет клеммы постоянного тока преобразователя питания переменного тока/постоянного тока 4 с преобразователем питания постоянного тока/постоянного тока 14;
(iv) преобразователь питания постоянного тока/постоянного тока 14; и
(v) цепь постоянного тока 20, которая соединяет клеммы постоянного тока преобразователя питания постоянного тока/постоянного тока 14 с накопителем энергии постоянного тока 2.
2. Нормальный режим работы, показанный на Фиг.2 и 3
А. Управление преобразователем питания переменного тока/постоянного тока
Контроллер 24 преобразователя питания переменного тока/постоянного тока 4 включает в себя блок фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) 26, выходной сигнал которого указывает амплитуду и фазовый угол источника питания переменного тока 6. Блок управления переменный-постоянный ток 28 использует выходной сигнал блока ФАПЧ 26 для преобразования измеренных сигналов величины переменного тока, поступающих от датчиков переменного тока 30, находящихся в цепи переменного тока, в сигналы обратной связи величины постоянного тока Iqfb и Idfb, которые указывают реальный питающий ток и реальный реактивный ток, протекающие в цепи переменного тока.
Требуемый переменный ток питания для цепи переменного тока задается сигналами тока IQ1 и IQ2. Сигнал тока IQ2 обычно подается блоком расчета мощности 48 (см. ниже), чтобы обеспечить сигнал положительной обратной связи, формирующий значительное изменение требуемой мощности, чтобы обеспечить стабильность схемы накопителя энергии постоянного тока; подробнее это описывается ниже.
Сигнал обратной связи напряжения VDCbus подается датчиком напряжения постоянного тока 32 в цепь постоянного тока и указывает напряжение в цепи постоянного тока. Сигнал обратной связи напряжения VDCbus сравнивается с сигналом запроса напряжения VDCr, который указывает требуемое напряжение постоянного тока, находящееся в пределах номинальных значений преобразователей питания переменного тока/постоянного тока и постоянного тока/постоянного тока 4, 14 (например, 1 кВ постоянного тока). Вполне может быть, что различные конструкции, показанные на чертежах, будут использовать несколько усилителей, которые сравнивают реальный сигнал с требуемым значением сигнала, а затем результирующая разность между двумя сигналами усиливается и используется для уменьшения ошибки между ними. Такой усилитель обычно содержит контур с пропорциональным (Р) усилением для быстрого отклика и интегральным (I) усилением для более точного долговременного отклика, поэтому часто называется усилителем P+I. Сравнение между сигналом обратной связи напряжения VDCbus и сигналом запроса напряжения VDCr выполняется в усилителе P+I вольт 34, который подает сигнал тока IQ1 в контроллер 24 преобразователя питания переменного тока/постоянного тока 4. Тем самым обеспечивается управление напряжением в цепи постоянного тока во время работы накопителя энергии постоянного тока 2 с требуемой точностью.
Сигналы тока IQ1 и IQ2 складываются в IQ-сумматоре (сумматоре со сдвигом на 90 градусов) 36, чтобы сформировать суммарный сигнал запроса тока Iqr суммарный требуемый ток питания в цепи переменного тока.
Сигнал запроса тока Iqr сравнивается с сигналом обратной связи величины постоянного тока Iqfb в усилителе ошибки 38 по поперечной оси (Q), имеющем контуры P+I, чтобы выдать сигнал запроса напряжения по поперечной оси Vqr для преобразователя питания переменного тока/постоянного тока 4. Сигнал запроса напряжения по поперечной оси Vqr представляет собой сигнал постоянного тока, который превращается в надлежащие команды запуска для полупроводниковых устройств переключения питания преобразователя питания переменного тока/постоянного тока 4 с использованием выходного сигнала из блока ФАПЧ 26, который представляет угол фазы источника питания переменного тока 6. Результат состоит в достижении переменного тока питания, который задан сигналом запроса тока Iqr.
Требуемые реактивные токи источника питания переменного тока для цепи переменного тока задаются сигналами запроса тока IVARr, ICAPr и IPAr. Сигнал запроса тока IVARr обычно предоставляется пользователем накопителя энергии постоянного тока 2, чтобы гарантировать, что схема накопителя энергии постоянного тока обеспечивает реактивный ток заданной величины в источнике питания переменного тока. Это делается обычно для того, чтобы управлять напряжением источника питания переменного тока в заданной точке в источнике питания переменного тока 6. Сигнал запроса тока ICAPr обычно задается таким образом, чтобы погасить реактивный ток гармонической схемы фильтрации 10. Сигнал запроса тока IPAr обычно подается из IQ-сумматора 36 для устранения сдвига фазы источника питания переменного тока 6, чтобы обеспечить надлежащее питание в заданной точке в источнике питания переменного тока. Сигналы запроса тока IVARr, ICAPr и IPAr складываются в ID-сумматоре 40, чтобы сформировать сигнал запроса суммарного реактивного тока Idr, который указывает требуемую величину реактивного переменного тока питания в цепи переменного тока.
Сигнал запроса тока Idr сравнивается с сигналом обратной связи величины постоянного тока Idfb в усилителе 42 ошибки по продольной оси (D), имеющем контуры P+I, чтобы выдать сигнал запроса напряжения по продольной Vdr для преобразователя питания переменного тока/постоянного тока 4. Сигнал запроса напряжения по продольной оси Vdr представляет собой сигнал постоянного тока, который превращается в надлежащие команды запуска для полупроводниковых устройств переключения питания преобразователя питания переменного тока/постоянного тока 4 с использованием выходного сигнала из блока ФАПЧ 26, который представляет угол фазы источника питания переменного тока 6. Результат состоит в достижении переменного тока питания, который задан сигналом запроса тока Idr.
Сигналы запроса напряжения по поперечной и продольной осям Vqr и Vdr превращаются в команды запуска в ШИМ-модуляторе 44.
Вполне может быть, что управление преобразователем питания переменного тока/постоянного тока функционально аналогично преобразователям питания, которые используются для подключения электрических машин (например, двигателей) к источнику питания переменного тока.
Не показанный на Фиг.2 и 3, накопитель энергии постоянного тока 2 включает в себя вспомогательные системы 68 (Фиг.4 и 5), которые необходимы для его нормальной работы. Например, вспомогательные системы могут включать в себя насосы для обеспечения циркуляции электролитов в элементе ванадиевой редокс-батареи, охлаждающие вентиляторы, блоки управления накопителя энергии постоянного тока, и т.д. Вспомогательные системы 68 подключены к источнику питания переменного тока 6 и могут питаться с любой из сторон трансформатора 8. Во время нормальной работы вспомогательные системы 68 берут энергию непосредственно из источника питания переменного тока 6.
В. Управление преобразователем питания постоянного тока/постоянного тока
Контроллер 46 преобразователя питания постоянного тока/постоянного тока 14 включает в себя схему расчета мощности 48, которая подает сигнал запроса тока lor, указывающий требуемую величину постоянного тока в цепи постоянного тока. Сигнал запроса тока lor получается с помощью сигнала запроса мощности Powerr, указывающего мощность переменного тока в цепи переменного тока, сигнала обратной связи напряжения Vofb, который указывает напряжение постоянного тока в цепи постоянного тока и подается датчиком напряжения постоянного тока 50, а также справочной таблицы потерь в схеме в зависимости от выходной мощности постоянного тока. Сигнал запроса мощности Powerr обычно предоставляется пользователем накопителя энергии постоянного тока 2, чтобы гарантировать, что схема накопителя энергии постоянного тока обеспечивает заданную мощность источника питания переменного тока (например, 1,0 МВт). Это делается обычно для того, чтобы управлять входным и выходным потоком энергии источника питания переменного тока 6 в соответствии с требованиями к энергопитанию, предъявляемыми другими пользователями источника питания переменного тока. Потокораспределение может также использоваться для управления стабильностью или частотой источника питания переменного тока 6, либо для чего-то другого, необходимого пользователю.
Ниже более подробно описывается получение сигнала запроса тока lor.
Сигнал запроса тока lor ограничивается в ограничителе тока 52 для предотвращения отключения схемы в результате перегрузки в случае, если посредством сигнала запроса мощности Powerr реализуется чрезмерная потребность в энергии. На выход ограничителя тока 52 поступает ограниченный вариант сигнала запроса тока lorl. Ниже с использованием Фиг.3 более подробно описывается, что максимальный допустимый ток может быть задан сигналом предела тока Ilimit, предоставляемым накопителем энергии постоянного тока 2 или его системой управления (не показана). Это означает, что в случае, если сигнал запроса тока lor меньше или равен сигналу предела тока Ilimit, то сигнал запроса тока lor не ограничен (то есть, lorl=lor). Однако, если сигнал запроса тока lor больше сигнала предела тока Ilimit, то сигнал запроса тока lor ограничен максимальным допустимым током (то есть, lorl=Ilimit). Максимальный допустимый ток, заданный сигналом предела тока Ilimit, может быть фиксированным или переменным в зависимости от эксплуатационных параметров накопителя энергии постоянного тока 2.
Ограниченный вариант сигнала запроса тока lorl сравнивается с сигналом обратной связи тока lofb, который указывает величину постоянного тока в цепи постоянного тока, и который подается датчиком постоянного тока 54. Тот же сигнал может быть также получен путем измерения трех величин постоянного тока в стабилизаторе постоянного тока 18 и сложения сигналов.
Сравнение между ограниченным вариантом сигнала запроса тока lorl и сигналом обратной связи тока lofb выполняется в усилителе 56 P+I контура тока, чтобы сформировать сигнал запроса напряжения Vor для преобразователя питания постоянного тока/постоянного тока 14. Сигнал запроса напряжения Vor представляет собой сигнал постоянного тока, который превращается в надлежащие команды запуска для полупроводниковых устройств переключения питания преобразователя питания постоянного тока/постоянного тока 14 с использованием измеренного угла фазы для достижения требуемого выходного постоянного тока. Сигнал запроса напряжения Vor представляет собой сигнал постоянного тока, амплитуда которого изменяется для достижения требуемой величины постоянного тока, однако, если требуется фиксированная величина выходного тока, то сигнал запроса напряжения Vor будет представлять собой сигнал постоянного тока с постоянной амплитудой.
Сигнал запроса напряжения Vor превращается в команды запуска ШИМ-модулятора 58. Поскольку требуется выходной сигнал постоянного тока, то задается нулевой фазовый угол сигнала ШИМ-модулятора 58.
С. Расчет мощности
На Фиг.2, используются следующие уравнения, когда накопитель энергии постоянного тока 2 разряжается, то есть, когда энергия от накопителя энергии постоянного тока подается в источник питания переменного тока 6:
<mrow><mi>A</mi><mi>a</mi><mi>c</mi><mo>=</mo><mi>B</mi><mi>d</mi><mi>c</mi><mo>−</mo><mi>L</mi><mi>a</mi><mi>c</mi><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><mo stretchy="false">(</mo><mi>E</mi><mi>Q</mi><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
<mrow><mi>C</mi><mi>d</mi><mi>c</mi><mo>=</mo><mi>D</mi><mi>d</mi><mi>c</mi><mo>−</mo><mi>L</mi><mi>d</mi><mi>c</mi><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><mo stretchy="false">(</mo><mi>E</mi><mi>Q</mi><mn>2</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
<mrow><mi>D</mi><mi>d</mi><mi>c</mi><mo>=</mo><mi>V</mi><mi>o</mi><mo>−</mo><mi>I</mi><mi>o</mi><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><mo stretchy="false">(</mo><mi>E</mi><mi>Q</mi><mn>3</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
где:
Aac - требуемая мощность переменного тока в точке 'А' (то есть, в источнике питания переменного тока);
Bdc - мощность постоянного тока в точке 'В' (то есть, на клеммах постоянного тока преобразователя питания переменного тока/постоянного тока 4);
Cdc - мощность постоянного тока в точке 'С' (то есть, на клеммах постоянного тока преобразователя питания постоянного тока/постоянного тока 14 со стороны преобразователя питания переменного тока/постоянного тока);
Ddc - мощность постоянного тока в точке 'D' (то есть, на накопителе энергии постоянного тока 2);
Lac - потери в цепь переменного тока между источником питания переменного тока 6 и преобразователем питания переменного тока/постоянного тока 4;
Ldc - потери в цепь постоянного тока 20 между преобразователем питания постоянного тока/постоянного тока 14 и накопителем энергии постоянного тока 2;
Vo - выходное напряжение постоянного тока, то есть, напряжение постоянного тока в цепи постоянного тока; и
Io - выходной постоянный ток, то есть, величина постоянного тока в цепи постоянного тока.
Если напряжение в цепи постоянного тока поддерживается постоянным с помощью усилителя ошибки по поперечной оси 38 и усилитель P+I напряжения 34, то мощность постоянного тока в точке 'В' должна быть равна мощности постоянного тока в точке 'С'.
Таким образом, уравнения EQ1-EQ3 можно объединить в следующее уравнение для управления мощностью переменного тока источника питания переменного тока 6:
<mrow><mi>I</mi><mi>o</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>A</mi><mi>a</mi><mi>c</mi><mo>+</mo><mi>L</mi><mi>d</mi><mi>c</mi><mo>+</mo><mi>L</mi><mi>a</mi><mi>c</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mrow><mi>V</mi><mi>o</mi></mrow></mfrac><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><mo stretchy="false">(</mo><mi>E</mi><mi>Q</mi><mn>4</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
Вспомогательные системы (не показаны - см. выше) take energy from the источник питания переменного тока 6 и equation EQ4 can be further modified to include потери во вспомогательных системах (Laux):
<mrow><mi>I</mi><mi>o</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>A</mi><mi>a</mi><mi>c</mi><mo>+</mo><mi>L</mi><mi>d</mi><mi>c</mi><mo>+</mo><mi>L</mi><mi>a</mi><mi>c</mi><mo>+</mo><mi>L</mi><mi>a</mi><mi>u</mi><mi>x</mi><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mrow><mi>V</mi><mi>o</mi></mrow></mfrac><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><mo stretchy="false">(</mo><mi>E</mi><mi>Q</mi><mn>5</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
Уравнения EQ4 и EQ5 образуют основу точного управления мощностью в источнике питания переменного тока 6, поскольку потери энергии в сети обычно низкие, а схема накопителя энергии постоянного тока обладает весьма динамичным откликом при отсутствии замкнутого контура питания переменным током. Когда энергия подается от источника питания переменного тока 6 в накопитель энергии постоянного тока 2 (то есть, когда накопитель энергии постоянного тока заряжается), то могут использоваться те же уравнения EQ4 и EQ5, однако полярность членов потерь меняется на обратную.
Таким образом, вполне может быть, что блок расчета мощности 48 способен определить сигнал запроса тока lor (указывает требуемый выходной постоянный ток Io) на основании сигнала запроса мощности Powerr (указывает требуемую мощность переменного тока в точке 'А' Aac), сигнала обратной связи напряжения Vofb (указывает требуемое выходное напряжение постоянного тока Vo) и справочной таблицы, которая используется для расчета различных потерь (Ldc, Lac, и, дополнительно, можно добавить Laux) в схеме накопителя энергии постоянного тока в соответствии с выходной мощностью постоянного тока.
Для улучшения динамической реакции схемы накопителя энергии постоянного тока сигнал тока IQ2 можно использовать для отправки запроса в преобразователь питания переменного тока/постоянного тока 4 в то время, как новый запрос мощности осуществляется сигналом запроса мощности Powerr. Если используется сигнал тока IQ2, то в блок расчета мощности 48 должен подаваться сигнал обратной связи напряжения VACfb из блока ФАПЧ 26, как показано на Фиг.2.
В этом случае сигнал тока IQ2=Powerr/(VACfb×√3)
Управление схемой накопителя энергии постоянного тока обычно осуществляется таким образом, чтобы накопитель энергии постоянного тока 2 мог накапливать энергию постоянного тока с характеристиками, задаваемыми пользователем, заряжаясь от источника питания переменного тока 6, и подавать энергию переменного тока путем разряда накопителя энергии постоянного тока с характеристиками, задаваемыми пользователем. Схема накопителя энергии постоянного тока обычно разрабатывается таким образом, чтобы обеспечить быструю реакцию по переменному току, обычно требуется один цикл сети для полного перехода от накопления энергии к подаче энергии и наоборот, при этом не требуется наличия обратной связи по питанию переменным токов, поскольку для этого потребовались бы датчики, измеряющие мощность переменного тока в источнике питания переменного тока 6, которые работают медленно и недешевы.
Дополнительные свойства можно добавить в схему накопителя энергии постоянного тока (Фиг.2), как показано на Фиг.3. В цепь постоянного тока 20 добавлен пускатель или выключатель постоянного тока 60, что позволяет изолировать накопитель энергии постоянного тока 2 для обслуживания или защиты. Сигнал управления Estorer сравнивается с сигналом обратной связи напряжения Vofb в пусковом усилителе 62. Выходной сигнал пускового усилителя 62 подается на усилитель 56 P+I контура тока с помощью переключателя 64 и используется для предварительной установки выходного сигнала усилителя P+I контура тока, чтобы обеспечить нулевое общее напряжение на выключателе постоянного тока 60 при запуске накопителя энергии постоянного тока. Таким образом, выключатель постоянного тока 60 может замкнуться без переходного процесса, а переключатель 64 может разомкнуться, обеспечивая продолжение нормальной работы накопителя энергии постоянного тока 2. Можно также не использовать пусковой усилитель 62 и подключить сигнал управления Estorer непосредственно к переключателю 64. Точность при этом снижается, но может оказаться достаточной для практического использования.
Полезно определять перегрузку накопителя энергии постоянного тока 2 и необходимость работы с меньшим постоянным током. Таким образом, накопитель энергии постоянного тока 2 может подавать сигнал предела тока Ilimit в ограничитель тока 52. Сигнал предела тока Ilimit рассчитывается системой управления (не показана) накопителя энергии постоянного тока 2 и обычно устанавливается равным заданному максимальному допустимому току, чтобы защитить накопитель энергии постоянного тока. Однако в случае, если какие-либо части накопителя энергии постоянного тока 2 находятся под сильной нагрузкой, например, перегреваются, то сигнал предела тока Ilimit можно, соответственно, уменьшить, чтобы поддержать работу схемы накопителя энергии постоянного тока без отключения.
Обычно в ограничитель тока 52 непрерывно подается сигнал предела тока Ilimit. Ограничитель тока 52 может функционировать несколькими различными способами:
(i) Если сигнал запроса мощности Powerr приводит к тому, что величина постоянного тока, заданная сигналом запроса тока lor, меньше или равна сигналу предела тока Ilimit, то схема накопителя энергии постоянного тока будет подавать или поглощать требуемую мощность в зависимости от направления энергетического потока. Ограничитель тока 52 имеет положительный и отрицательный пределы, которые регулируются сигналом предела тока Ilimit таким образом, чтобы работа шла одинаково при заряде и разряде накопителя энергии постоянного тока 2. Если используется сигнал тока IQ2, то IQ2=Powerr/(VACfb×√3).
(ii) Если накопитель энергии постоянного тока 2 подает энергию, то его напряжение постоянного тока будет падать, и это будет измерено датчиком напряжения постоянного тока 54. Результат состоит в том, что сигнал запроса тока lor для запрошенной мощности возрастет, а это может сделать сигнал запроса тока lor больше сигнала предела тока Ilimit. Тогда подаваемая мощность будет определяться как напряжение постоянного тока, умноженное на величину сигнала предела тока Ilimit. Затем в блок расчета мощности 48 передается сигнал управления InLimit, чтобы уведомить блок расчета мощности 48 о том, что мощность, запрошенная посредством сигнала запроса мощности Powerr, не может быть подана. В этом режиме будет работать только предел ограничителя тока 52 для подачи энергии. Если блок расчета мощности 48 принимает сигнал управления InLimit, то блок выдаст пользователю предупреждение о том, что накопитель энергии постоянного тока работает, но не способен подать требуемую мощность. Если используется сигнал тока IQ2, то IQ2=(Vofb×Ilimit)/(VACfb×√3).
(iii) Если сигналу запроса мощности Powerr задается значение, которое делает сигнал запроса тока lor больше сигнала предела тока Ilimit, то подаваемая мощность будет определяться как напряжение постоянного тока, умноженное на величину сигнала предела тока Ilimit. Затем в блок расчета мощности 48 передается сигнал управления InLimit, чтобы уведомить блок расчета мощности 48 о том, что мощность, запрошенная посредством сигнала запроса мощности Powerr, не может быть подана или потреблена. Ограничитель тока 52 имеет положительный и отрицательный пределы, которые регулируются сигналом предела тока Ilimit таким образом, чтобы работа шла одинаково при заряде и разряде накопителя энергии постоянного тока 2. Если блок расчета мощности 48 принимает сигнал управления InLimit, то блок выдаст пользователю предупреждение о том, что накопитель энергии постоянного тока работает, но не способен подать или потребить требуемую мощность. Если используется сигнал тока IQ2, то IQ2=(Vofb×Ilimit)/(VACfb×√3).
(iv) Если накопитель энергии постоянного тока подает или потребляет энергию в течение длительного периода времени, он может выйти за пределы надлежащих условий своей эксплуатации. Результат состоит в том, что сигнал предела тока Ilimit будет уменьшен, и если он достигнет величины, когда сигнал запроса тока lor больше сигнала предела тока Ilimit, то подаваемая мощность будет определяться как напряжение постоянного тока, умноженное на величину сигнала предела тока Ilimit. Затем в блок расчета мощности 48 передается сигнал управления InLimit, чтобы уведомить блок расчета мощности 48 о том, что мощность, запрошенная посредством сигнала запроса мощности Powerr, не может быть подана или потреблена. Ограничитель тока 52 имеет положительный и отрицательный пределы, которые регулируются сигналом предела тока Ilimit таким образом, чтобы работа шла одинаково при заряде и разряде накопителя энергии постоянного тока 2. Если блок расчета мощности 48 принимает сигнал управления InLimit, то блок выдаст пользователю предупреждение о том, что накопитель энергии постоянного тока работает, но не способен подать или потребить требуемую мощность. Если используется сигнал тока IQ2, то IQ2=(Vofb×Ilimit)/(VACfb×√3).
Схема накопителя энергии постоянного тока обладает очень быстрым откликом, однако ей требуются оценки потерь, что отражено в уравнении EQ5. Если требуется более высокая точность управления, то в цепь переменного тока между трансформатором 8 и источником питания переменного тока 6 можно включить несколько датчиков мощности 66, обеспечивающих подачу сигнала обратной связи мощности Poutfb, указывающего реальную мощность переменного тока. Сигнал обратной связи мощности Poutfb подается в блок расчета мощности 48, где он используется для постепенного исправления членов потерь, используемых в уравнении EQ5. Если требуется применение этой возможности, то сигнал запроса мощности Powerr и сигнал обратной связи мощности Poutfb сравниваются в усилителе P+I, имеющем низкое быстродействие и входящем в состав блока расчета мощности 48, для формирования дополнительного сигнала ошибки, который добавляется к сигналу запроса тока lor. Таким образом, достигается требуемая точность. Схема накопителя энергии постоянного тока будет обладать таким же быстрым откликом, поскольку используется то же самое уравнение EQ5, за которым следует исправляющий член P+I с более низким быстродействием, служащий для устранения любых небольших ошибок, если таковые имеются.
Хотя это не показано на чертежах, схема накопителя энергии постоянного тока может быть расширена и включать в себя несколько накопителей энергии постоянного тока, подключенных к общей цепи постоянного тока через соответствующий преобразователь питания постоянного тока/постоянного тока и цепь постоянного тока. Каждый преобразователь питания постоянного тока/постоянного тока находится под управлением собственного контроллера (контроллеры разных преобразователей питания постоянного тока/постоянного тока могут быть объединены в один физический контроллер), но с общим блоком расчета мощности 48 для всех накопителей энергии постоянного тока.
В случае, когда имеется два накопителя энергии постоянного тока, блок расчета мощности 48 использует общий сигнал запроса мощности Powerr, первый и второй сигналы обратной связи напряжения Vofb1 и Vofb2, указывающие требуемое выходное напряжение постоянного тока Vo1 и Vo1 в цепи постоянного тока каждого накопителя энергии постоянного тока, а также первый и второй сигналы предела тока Ilimiti и Ilimit 2, указывающие максимальный допустимый ток для каждого накопителя энергии постоянного тока, для получения первого и второго сигналов запроса тока Ior1 и Ior2, которые подаются на соответствующие ограничители тока каждого контроллера. Все прочие схемы управления, показанные на Фиг.2 и 3, работают независимо.
Когда накопитель энергии постоянного тока 2 разряжается, первый и второй сигналы запроса тока Ior1 (указывает требуемую величину постоянного тока Ior1 в цепи постоянного тока первого накопителя энергии постоянного тока) и Ior2 (указывает требуемую величину постоянного тока Io2 в цепи постоянного тока второго накопителя энергии постоянного тока) получаются на основании следующих уравнений в зависимости от состояния первого и второго управляющих сигналов Ilimit1 и Ilimit2, поступающих от соответствующего ограничителя тока каждого из контроллеров на общий блок расчета мощности 48, следующим образом:
(i) Если величины постоянного тока, заданные первым и вторым сигналами запроса тока Ior1 и Ior2, меньше или равны, соответственно, первому и второму сигналам предела тока Ilimit1 и Ilimit2, то первый и второй накопители энергии постоянного тока будут обеспечивать подачу следующих мощностей:
<mrow><mi>I</mi><mi>o</mi><mn>1</mn><mo>=</mo><mfrac><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mfrac><mrow><mi>A</mi><mi>a</mi><mi>c</mi></mrow><mn>2</mn></mfrac><mo>+</mo><mi>L</mi><mi>d</mi><mi>c</mi><mn>1</mn><mo>+</mo><mi>L</mi><mi>a</mi><mi>c</mi><mn>1</mn><mo>+</mo><mi>L</mi><mi>a</mi><mi>u</mi><mi>x</mi><mn>1</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mrow><mi>V</mi><mi>o</mi><mn>1</mn></mrow></mfrac><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mi>E</mi><mi>Q</mi><mn>6</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
<mrow><mi>I</mi><mi>o</mi><mn>2</mn><mo>=</mo><mfrac><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mfrac><mrow><mi>A</mi><mi>a</mi><mi>c</mi></mrow><mn>2</mn></mfrac><mo>+</mo><mi>L</mi><mi>d</mi><mi>c</mi><mn>2</mn><mo>+</mo><mi>L</mi><mi>a</mi><mi>c</mi><mn>2</mn><mo>+</mo><mi>L</mi><mi>a</mi><mi>u</mi><mi>x</mi><mn>2</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mrow><mi>V</mi><mi>o</mi><mn>2</mn></mrow></mfrac><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mi>E</mi><mi>Q</mi><mn>7</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
где:
Lac1 - потери в цепи переменного тока между источником питания переменного тока и преобразователем питания переменного тока/постоянного тока, вызванные первым накопителем энергии постоянного тока;
Ldc1 - потери в цепи постоянного тока между преобразователем питания постоянного тока/постоянного тока и первым накопителем энергии постоянного тока;
Laux1. потери во вспомогательных системах первого накопителя энергии постоянного тока;
Vo1 - напряжение постоянного тока в цепи постоянного тока первого накопителя энергии постоянного тока;
Lac1 - потери в цепи переменного тока между источником питания переменного тока и преобразователем питания переменного тока/постоянного тока, вызванные вторым накопителем энергии постоянного тока;
Ldc1 - потери в цепи постоянного тока между преобразователем питания постоянного тока/постоянного тока и вторым накопителем энергии постоянного тока;
Laux1. потери во вспомогательных системах второго накопителя энергии постоянного тока; и
Vo2 - напряжение постоянного тока в цепи постоянного тока для второго накопителя энергии постоянного тока.
(ii) Если величина постоянного тока, заданная первым сигналом запроса тока Ior1, больше, чем первый сигнал предела тока Ilimit1, а величина постоянного тока, заданная вторым сигналом запроса тока Ior2, меньше или равна второму сигналу предела тока Ilimit2, то накопители энергии постоянного тока будут подавать следующую мощность Pes1 на клеммы первого накопителя энергии постоянного тока:
<mrow><mi>I</mi><mi>o</mi><mn>1</mn><mo>=</mo><mi>I</mi><mi>l</mi><mi>m</mi><mi>t</mi><mn>1</mn><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><mo stretchy="false">(</mo><mi>E</mi><mi>Q</mi><mn>8</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
где:
Ilmt1 - максимальный допустимый ток, заданный первым сигналом предела тока Ilimit1
<mrow><mi>P</mi><mi>e</mi><mi>s</mi><mn>1</mn><mo>=</mo><mi>I</mi><mi>l</mi><mi>m</mi><mi>t</mi><mn>1</mn><mo>⋅</mo><mi>V</mi><mi>o</mi><mn>1</mn><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mi>E</mi><mi>Q</mi><mn>9</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
где:
Pes1 - мощность первого накопителя энергии постоянного тока на его клеммах
<mrow><mi>I</mi><mi>o</mi><mn>2</mn><mo>=</mo><mfrac><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>A</mi><mi>a</mi><mi>c</mi><mo>−</mo><mi>P</mi><mi>e</mi><mi>s</mi><mn>1</mn><mo>+</mo><mi>L</mi><mi>d</mi><mi>c</mi><mn>1</mn><mo>+</mo><mi>L</mi><mi>d</mi><mi>c</mi><mn>2</mn><mo>+</mo><mi>L</mi><mi>a</mi><mi>c</mi><mn>1</mn><mo>+</mo><mi>L</mi><mi>a</mi><mi>c</mi><mn>2</mn><mo>+</mo><mi>L</mi><mi>a</mi><mi>u</mi><mi>x</mi><mn>1</mn><mo>+</mo><mi>L</mi><mi>a</mi><mi>u</mi><mi>x</mi><mn>2</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mrow><mi>V</mi><mi>o</mi><mn>2</mn></mrow></mfrac><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mi>E</mi><mi>Q</mi><mn>10</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
(iii) Если величина постоянного тока, заданная вторым сигналом запроса тока Ior2, больше, чем второй сигнал предела тока Ilimit2, а величина постоянного тока, заданная первым сигналом запроса тока Ior1, меньше или равна первому сигналу запроса тока Ilimit1, то накопители энергии постоянного тока будут подавать следующую мощность Pes2 на клеммы второго накопителя энергии постоянного тока:
<mrow><mi>I</mi><mi>o</mi><mn>2</mn><mo>=</mo><mi>I</mi><mi>l</mi><mi>m</mi><mi>t</mi><mn>2</mn><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mi>E</mi><mi>Q</mi><mn>11</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
где:
Ilmt1 - максимальный допустимый ток, заданный вторым сигналом предела тока Ilimit2
<mrow><mi>P</mi><mi>e</mi><mi>s</mi><mn>2</mn><mo>=</mo><mi>I</mi><mi>l</mi><mi>m</mi><mi>t</mi><mn>2</mn><mo>⋅</mo><mi>V</mi><mi>o</mi><mn>2</mn><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mi>E</mi><mi>Q</mi><mn>12</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
где:
Pes2 - мощность второго накопителя энергии постоянного тока на его клеммах
<mrow><mi>I</mi><mi>o</mi><mn>1</mn><mo>=</mo><mfrac><mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>A</mi><mi>a</mi><mi>c</mi><mo>−</mo><mi>P</mi><mi>e</mi><mi>s</mi><mn>2</mn><mo>+</mo><mi>L</mi><mi>d</mi><mi>c</mi><mn>1</mn><mo>+</mo><mi>L</mi><mi>d</mi><mi>c</mi><mn>2</mn><mo>+</mo><mi>L</mi><mi>a</mi><mi>c</mi><mn>1</mn><mo>+</mo><mi>L</mi><mi>a</mi><mi>c</mi><mn>2</mn><mo>+</mo><mi>L</mi><mi>a</mi><mi>u</mi><mi>x</mi><mn>1</mn><mo>+</mo><mi>L</mi><mi>a</mi><mi>u</mi><mi>x</mi><mn>2</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow><mrow><mi>V</mi><mi>o</mi><mn>1</mn></mrow></mfrac><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mi>E</mi><mi>Q</mi><mn>13</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
(iv) Если величины постоянного тока, заданные первым и вторым сигналами запроса тока Ior1 и Ior2, больше, соответственно, первого и второго сигналов предела тока Ilimit1 и Ilimit2, то первый и второй накопители энергии постоянного тока будут обеспечивать подачу следующих мощностей:
<mrow><mi>I</mi><mi>o</mi><mn>1</mn><mo>=</mo><mi>I</mi><mi>l</mi><mi>m</mi><mi>t</mi><mn>1</mn><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mi>E</mi><mi>Q</mi><mn>14</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
<mrow><mi>I</mi><mi>o</mi><mn>2</mn><mo>=</mo><mi>I</mi><mi>l</mi><mi>m</mi><mi>t</mi><mn>2</mn><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mi>E</mi><mi>Q</mi><mn>15</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
<mrow><mi>P</mi><mi>e</mi><mi>s</mi><mn>1</mn><mo>=</mo><mi>I</mi><mi>l</mi><mi>m</mi><mi>t</mi><mn>1</mn><mo>⋅</mo><mi>V</mi><mi>o</mi><mn>1</mn><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mi>E</mi><mi>Q</mi><mn>16</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
<mrow><mi>P</mi><mi>e</mi><mi>s</mi><mn>2</mn><mo>=</mo><mi>I</mi><mi>l</mi><mi>m</mi><mi>t</mi><mn>2</mn><mo>⋅</mo><mi>V</mi><mi>o</mi><mn>2</mn><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mi>E</mi><mi>Q</mi><mn>17</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
В этой ситуации накопители энергии постоянного тока работают, но не могут обеспечить подачу требуемой мощности. Кроме того, блок расчета мощности 48 выдаст пользователю предупреждение о том, что накопитель энергии постоянного тока работает, но не способен подать или потребить требуемую мощность. Если используется сигнал тока IQ2, то IQ2=(Vofb1×Ilimit1)/(VACfb×√3)+(Vofb2×Ilimit2)/(VACfb×√3).
Когда накопитель энергии постоянного тока 2 заряжается, то можно использовать те же уравнения EQ6-EQ17, однако полярность членов потерь меняется на обратную.
Аналогичные уравнения можно приспособить для любого количества накопителей энергии постоянного тока. Вообще, блок расчета мощности будет выводить сигнал запроса тока для каждого накопителя энергии постоянного тока на основании общего сигнала запроса мощности, сигнала обратной связи напряжения для каждого накопителя энергии постоянного тока и сигнала предела тока для каждого накопителя энергии постоянного тока.
3. Автономный режим работы, показанный на Фиг.4 и 5
Автономный режим работы используется в случае, когда источник питания переменного тока 6 по какой-либо причине недоступен (например, из-за сбоя источника питания переменного тока), и энергия накопителя энергии постоянного тока 2 используется для питания вспомогательных систем 68, которые обычно получают энергию из источника питания переменного тока. Хотя вспомогательные системы 68 показаны на Фиг.4 и 5 слева, они могут быть физически расположены поблизости от накопителя энергии постоянного тока 2, ч которым они связаны и используются. Эти части схемы накопителя энергии постоянного тока, совпадающие с показанными на Фиг.2 и 3, пронумерованы точно так же.
В автономном режиме схема накопителя энергии постоянного тока изолирована от источника питания переменного тока 6 путем размыкания переключателя (не показан) либо другим подходящим устройством изоляции. Таким образом, отказ источника питания переменного тока 6 не мешает продолжению работы схемы накопителя энергии постоянного тока в автономном режиме.
В автономном режиме работы вспомогательные системы 68 получают энергию из накопителя энергии постоянного тока 2 через преобразователь питания переменного тока/постоянного тока 4 и цепь переменного тока, к которой подключены вспомогательные системы. Это значит, что вспомогательные системы 68 могут продолжить нормальную работу, как только будет восстановлен источник питания переменного тока 6, и можно также поддерживать нормальную работу накопителя энергии постоянного тока 2 или, если необходимо, выключить накопитель энергии постоянного тока, поддерживая оптимальные условия выключения. Другими словами, вентиляторы, насосы и т.д., необходимые для надлежащей и надежной работы накопителя энергии постоянного тока 2, могут продолжать работу даже при потере источника питания переменного тока 6.
Вполне может быть, что в автономном режиме работы накопитель энергии постоянного тока 2 только разряжается (то есть, накопитель энергии постоянного тока подает питание постоянного тока в источник питания переменного тока 6 и, следовательно, на вспомогательные системы 68 посредством соответствующей цепи переменного тока). Таким образом, управление преобразователями питания переменного тока/постоянного тока и постоянного тока/постоянного тока 4, 14 до некоторой степени упрощается, поскольку нет необходимости обеспечивать подачу энергии в двух направлениях.
А. Управление преобразователем питания переменного тока/постоянного тока
Контроллер 24 для преобразователя питания переменного тока/постоянного тока 4 включает в себя блок ACV 70, который подает сигнал обратной связи напряжения VACfb. Сигнал обратной связи напряжения VACfb получается на основе сигналов напряжения переменного тока, измеренных датчиками напряжения переменного тока 72 в цепи переменного тока, и указывает реальное напряжение переменного тока в цепи переменного тока.
Сигнал обратной связи напряжения VACfb сравнивается с сигналом запроса напряжения VACsr, который обычно предварительно задается, чтобы установить надлежащее напряжение переменного тока для вспомогательных систем 68. Сравнение сигнала обратной связи напряжения VACfb и сигнала запроса напряжения VACsr выполняется в усилителе P+I вольт 74, результатом чего является сигнал запроса напряжения VACr для преобразователя питания переменного тока/постоянного тока 4. Сигнал запроса напряжения VACr представляет собой сигнал постоянного тока, который превращается в надлежащие команды запуска для полупроводниковых устройств переключения питания преобразователя питания переменного тока/постоянного тока 4. В результате достигается напряжение переменного тока в цепи переменного тока, которое определяется сигналом запроса напряжения VACsr. Частота источника питания переменного тока определяется предварительно заданным для источника питания переменного тока сигналом частоты ACF, который подается на ШИМ-модулятор 76 вместе с сигналом запроса напряжения VACr. Сигнал частоты ACF источника питания переменного тока обычно задается предварительно для подачи надлежащей частоты переменного тока на вспомогательные системы 68.
Датчики переменного тока 30 в цепи переменного тока обеспечивают подачу сигнала отключения TRIP, который отключает схему накопителя энергии постоянного тока в случае превышения максимального допустимого тока.
В. Управление преобразователем питания постоянного тока/постоянного тока Контроллер 46 для преобразователя питания постоянного тока/постоянного тока 14 работает аналогично вышеописанному контроллеру. Однако блок расчета мощности отсутствует, и сигнал запроса тока Ior, указывающий требуемую величину постоянного тока в цепи постоянного тока, получается путем сравнения сигнала обратной связи напряжения VDCbus, который указывает напряжение в цепи постоянного тока, и сигнала запроса напряжения VDCr, который находится в пределах номинальных значений преобразователей питания переменного тока/постоянного тока и постоянного тока/постоянного тока 4, 14 (например, 1 кВ постоянного тока).
Сравнение между сигналом обратной связи напряжения VDCbus и сигналом запроса напряжения VACr выполняется в усилителе P+I вольт 78.
Сигнал запроса тока Ior ограничивается в ограничителе тока 52 для предотвращения отключения схемы в результате перегрузки. Сигнал запроса напряжения Vor превращается в команды запуска ШИМ-модулятора 58.
На Фиг.4 действуют следующие уравнения, когда накопитель энергии постоянного тока 2 разряжается, то есть, когда энергия подается от накопителя энергии постоянного тока к вспомогательным системам 68.
<mrow><mi>A</mi><mi>a</mi><mi>c</mi><mo>=</mo><mi>B</mi><mi>d</mi><mi>c</mi><mo>−</mo><mi>L</mi><mi>a</mi><mi>c</mi><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mo stretchy="false">(</mo><mi>E</mi><mi>Q</mi><mn>18</mn><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
где:
Aac - требуемая мощность переменного тока в точке 'А' (то есть, в источнике питания переменного тока);
Bdc - мощность постоянного тока в точке 'В' (то есть, на клеммах постоянного тока преобразователя питания переменного тока/постоянного тока 4); и
Lac - потери в цепь переменного тока между источником питания переменного тока 6 и преобразователем питания переменного тока/постоянного тока 4.
Если напряжение в цепи постоянного тока поддерживается постоянным с помощью усилитель P+I вольт 78, то мощность постоянного тока в точке 'В' и в точке 'С' должна совпадать, и это означает, что накопитель энергии постоянного тока 2 подает надлежащую мощность.
Дополнительные свойства можно добавить в схему накопителя энергии постоянного тока (Фиг.4), как показано на Фиг.5. В цепь постоянного тока 20 добавлен пускатель или выключатель постоянного тока 60, что позволяет изолировать накопитель энергии постоянного тока 2 для обслуживания или защиты. Сигнал управления Estorer сравнивается с сигналом обратной связи напряжения Vofb в пусковом усилителе 62. Выходной сигнал пускового усилителя 62 подается на усилитель токовой петли P+I 56 с помощью переключателя 64 и используется для предварительной установки выходного сигнала усилителя токовой петли P+I, чтобы обеспечить нулевое общее напряжение на выключателе постоянного тока 60 при запуске накопителя энергии постоянного тока. Таким образом, выключатель постоянного тока 60 может замкнуться без переходного процесса, а переключатель 64 может разомкнуться, обеспечивая продолжение нормальной работы накопителя энергии постоянного тока 2. Можно также не использовать пусковой усилитель 62 и подключить сигнал управления Estorer непосредственно к переключателю 64. Точность при этом снижается, но может оказаться достаточной для практического использования.
Полезно определять перегрузку накопителя энергии постоянного тока 2 и необходимость работы с меньшим постоянным током. Таким образом, накопитель энергии постоянного тока 2 может подавать сигнал предела тока Ilimit в ограничитель тока 52. Сигнал предела тока Ilimit рассчитывается системой управления (не показана) накопителя энергии постоянного тока 2 и обычно устанавливается равным заданному максимальному допустимому току, чтобы защитить накопитель энергии постоянного тока. Если величина постоянного тока превышает сигнал предела тока Ilimit, то сигнал управления InLimit, подаваемый ограничителем тока 52, вызывает отключение системы.
Хотя это не показано на чертежах, схема накопителя энергии постоянного тока может быть расширена и включать в себя несколько накопителей энергии постоянного тока, подключенных к общей цепи постоянного тока через соответствующий преобразователь питания постоянного тока/постоянного тока и цепь постоянного тока. Каждый преобразователь питания постоянного тока/постоянного тока находится под управлением собственного контроллера (контроллеры разных преобразователей питания постоянного тока/постоянного тока могут быть объединены в один физический контроллер), но с общим усилителем P+I напряжения, который подает общий запроса тока Ior в отдельный ограничитель тока для каждого накопителя энергии постоянного тока.
В случае, когда имеется два накопителя энергии постоянного тока, ограничители тока используют первый и второй сигналы предела тока Ilimit1 и Ilimit2, указывающие максимальный допустимый ток для каждого накопителя энергии постоянного тока, чтобы получить первый и второй ограниченные сигналы запроса тока Iorl1 и Iorl2, которые подаются на соответствующий усилитель токовой петли P+I 56 каждого контроллера. Все прочие схемы управления, показанные на Фиг.4 и 5, работают независимо.
Работа схемы накопителя энергии постоянного тока зависит от первого и второго сигналов предела тока Ilimit1 и Ilimit2 следующим образом:
(i) Если величины постоянных токов, заданные сигналом запроса тока Ior, меньше или равны первому и второму сигналам предела тока Ilimit1 и Ilimit2, соответственно, то первый и второй накопители энергии постоянного тока будут автоматически подавать 50% требуемой мощности.
(ii) Если величина постоянного тока заданная сигналом запроса тока Ior, больше первого сигнала предела тока Ilimit1, а величина постоянного тока, заданная сигналом запроса тока Ior, меньше или равна второму сигналу предела тока Ilimit2, то первый накопитель энергии постоянного тока будет продолжать работать, но ток его будет равен заданному первым сигналом предела тока Ilimit1. Общий усилитель P+I напряжения 78 отреагирует на это и изменит сигнал запроса тока Ior таким образом, что второй накопитель энергии постоянного тока будет автоматически подавать ток, достаточный для обеспечения требуемой мощности. Таким образом, система в целом сохранит работоспособность.
(iii) Если величина постоянного тока, заданная сигналом запроса тока Ior, больше второго сигнала предела тока Ilimit2, а величина постоянного тока, заданная сигналом запроса тока Ior, меньше или равна первому сигналу предела тока Ilimit1, то второй накопитель энергии постоянного тока будет продолжать работать, но ток его будет равен заданному вторым сигналом предела тока Ilimit2. Общий усилитель P+I напряжения 78 отреагирует на это и изменит сигнал запроса тока Ior таким образом, что первый накопитель энергии постоянного тока будет автоматически подавать ток, достаточный для обеспечения требуемой мощности. Таким образом, система в целом сохранит работоспособность.
(iv) Если величины постоянного тока, заданные сигналом запроса тока Ior, больше первого и второго сигналов предела тока Ilimit1 и Ilimit2, то первый и второй накопители энергии постоянного тока отключатся, и система перестанет работать.
Аналогичные операции можно приспособить для любого количества накопителей энергии постоянного тока.
4. Изолированный режим работы, показанный на Фиг.6 и 7
Изолированный режим работы используется, когда накопитель энергии постоянного тока 2 -основной поставщик энергии на внешние нагрузки, подключенные к источнику питания переменного тока 6. Одновременно подавать энергию в источник питания переменного тока 6 могут и дополнительные генераторы. Энергия также подается к вспомогательным системам (не показаны) накопителя энергии постоянного тока 2. Эти части схемы накопителя энергии постоянного тока, совпадающие с показанными на Фиг.2-5, пронумерованы точно так же.
При работе в изолированном режиме источник питания переменного тока 6 получает энергию из накопителя энергии постоянного тока 2 посредством преобразователя питания переменного тока/постоянного тока 4. Вполне может быть, что в изолированном режиме работы накопитель энергии постоянного тока 2 только разряжается (то есть, накопитель энергии постоянного тока подает питание постоянного тока в источник питания переменного тока 6). Таким образом, управление преобразователями питания переменного тока/постоянного тока и постоянного тока/постоянного тока 4, 14 до некоторой степени упрощается, поскольку нет необходимости обеспечивать подачу энергии в двух направлениях.
А. Управление преобразователем питания переменного тока/постоянного тока
Контроллер 24 преобразователя питания переменного тока/постоянного тока 4 включает в себя блок ACV и ACF 80, обеспечивающий подачу сигнала обратной связи напряжения VACfb и сигнала обратной связи частоты FACfb. Сигнал обратной связи напряжения VACfb и сигнал обратной связи частоты FACfb получаются из сигналов напряжения переменного тока, измеренных датчиками напряжения переменного тока 72 в цепи переменного тока, и указывают реальные напряжение и частоту в цепи переменного тока, соответственно.
Сигнал обратной связи напряжения VACfb сравнивается с сигналом запроса напряжения VACsr, который обычно предварительно задается, чтобы установить надлежащее напряжение переменного тока для источника питания переменного тока 6.
Сравнение между сигналом обратной связи напряжения VACfb и сигналом запроса напряжения VACsr выполняется в усилителе P+I напряжения 74, чтобы подать сигнал запроса напряжения VACr на преобразователь питания переменного тока/постоянного тока 4. Сигнал обратной связи частоты FACfb сравнивается с сигналом запроса частоты FACsr, который обычно предварительно задается, чтобы установить надлежащую частоту переменного тока для источника питания переменного тока 6.
Сравнение между сигналом обратной связи частоты FACfb и сигналом запроса частоты FACsr выполняется в усилителе P+I напряжения 82, в результате чего формируется сигнал запроса частоты FACr для преобразователя питания переменного тока/постоянного тока 4.
Сигнал запроса напряжения VACr и сигнал запроса частоты FACr представляют собой сигналы постоянного тока, которые посредством ШИМ-модулятора 76 превращаются в надлежащие команды запуска полупроводниковых устройств переключения питания преобразователя питания переменного тока/постоянного тока 4. В результате достигается напряжение в цепи переменного тока, которое задано сигналом запроса напряжения VACsr, и частота источника питания переменного тока, которая поддерживается постоянной по мере изменения нагрузки источника питания переменного тока, либо имеет затухающую характеристику для разделения нагрузки с любыми другими генераторами, подключенными к источнику питания переменного тока 6.
Датчики переменного тока 30 в цепи переменного тока обеспечивают подачу сигнала отключения TRIP, который используется для отключения схемы накопителя энергии постоянного тока.
В. Управление преобразователем питания постоянного тока/постоянного тока
Контроллер 46 преобразователя питания постоянного тока/постоянного тока 14 функционирует вышеописанным образом.
Дополнительные свойства можно добавить в схему накопителя энергии постоянного тока (Фиг.6), как показано на Фиг.7. В цепь постоянного тока 20 добавлен пускатель или выключатель постоянного тока 60, что позволяет изолировать накопитель энергии постоянного тока 2 для обслуживания или защиты. Сигнал управления Estorer сравнивается с сигналом обратной связи напряжения Vofb в пусковом усилителе 62. Выходной сигнал пускового усилителя 62 подается на усилитель 56 P+I контура тока с помощью переключателя 64 и используется для предварительной установки выходного сигнала усилителя P+I контура тока, чтобы обеспечить нулевое общее напряжение на выключателе постоянного тока 60 при запуске накопителя энергии постоянного тока. Таким образом, выключатель постоянного тока 60 может замкнуться без переходного процесса, а переключатель 64 может разомкнуться, обеспечивая продолжение нормальной работы накопителя энергии постоянного тока 2. Можно также не использовать пусковой усилитель 62 и подключить сигнал управления Estorer непосредственно к переключателю 64. Точность при этом снижается, но может оказаться достаточной для практического использования.
Полезно определять перегрузку накопителя энергии постоянного тока 2 и необходимость работы с меньшим постоянным током. Таким образом, накопитель энергии постоянного тока 2 может подавать сигнал предела тока Ilimit в ограничитель тока 52. Сигнал предела тока Ilimit рассчитывается системой управления (не показана) накопителя энергии постоянного тока 2 и обычно устанавливается равным заданному максимальному допустимому току, чтобы защитить накопитель энергии постоянного тока. Если величина постоянного тока превышает сигнал предела тока Ilimit, то сигнал управления InLimit, подаваемый ограничителем тока 52, вызывает отключение системы.
Хотя это не показано на чертежах, схема накопителя энергии постоянного тока может быть расширена и включать в себя несколько накопителей энергии постоянного тока, подключенных к общей цепи постоянного тока через соответствующий преобразователь питания постоянного тока/постоянного тока и цепь постоянного тока. Каждый преобразователь питания постоянного тока/постоянного тока находится под управлением собственного контроллера (контроллеры разных преобразователей питания постоянного тока/постоянного тока могут быть объединены в один физический контроллер), но с общим усилителем P+I напряжения, который подает общий запроса тока Ior в отдельный ограничитель тока для каждого накопителя энергии постоянного тока.
В случае, когда имеется два накопителя энергии постоянного тока, ограничители тока используют первый и второй сигналы предела тока Ilimit1 и Ilimit 2, указывающие максимальный допустимый ток для каждого накопителя энергии постоянного тока, чтобы получить первый и второй ограниченные сигналы запроса тока Iorl1 и Iorl2, которые подаются на соответствующий усилитель токовой петли P+I 56 каждого контроллера. Все прочие схемы управления, показанные на Фиг.6 и 7, работают независимо.
Работа схемы накопителя энергии постоянного тока зависит от первого и второго сигналов предела тока Ilimit1 и Ilimit2 следующим образом:
(i) Если величины постоянных токов, заданные сигналом запроса тока Ior, меньше или равны первому и второму сигналам предела тока Ilimit1 и Ilimit2, соответственно, то первый и второй накопители энергии постоянного тока будут автоматически подавать 50% требуемой мощности.
(ii) Если величина постоянного тока заданная сигналом запроса тока Ior, больше первого сигнала предела тока Ilimit1, а величина постоянного тока, заданная сигналом запроса тока Ior, меньше или равна второму сигналу предела тока Ilimit2, то первый накопитель энергии постоянного тока будет продолжать работать, но ток его будет равен заданному первым сигналом предела тока Ilimit1. Общий усилитель P+I напряжения 78 отреагирует на это и изменит сигнал запроса тока Ior таким образом, что второй накопитель энергии постоянного тока будет автоматически подавать ток, достаточный для обеспечения требуемой мощности. Таким образом, система в целом сохранит работоспособность.
(iii) Если величина постоянного тока, заданная сигналом запроса тока Ior, больше второго сигнала предела тока Ilimit2, а величина постоянного тока, заданная сигналом запроса тока Ior, меньше или равна первому сигналу предела тока Ilimit1, то второй накопитель энергии постоянного тока будет продолжать работать, но ток его будет равен заданному вторым сигналом предела тока Ilimit2. Общий усилитель P+I напряжения 78 отреагирует на это и изменит сигнал запроса тока Ior таким образом, что первый накопитель энергии постоянного тока будет автоматически подавать ток, достаточный для обеспечения требуемой мощности. Таким образом, система в целом сохранит работоспособность.
(iv) Если величины постоянного тока, заданные сигналом запроса тока Ior, больше первого и второго сигналов предела тока Ilimit1 и Ilimit2, то первый и второй накопители энергии постоянного тока отключатся, и система перестанет работать.
Аналогичные операции можно приспособить для любого количества накопителей энергии постоянного тока.
Вот некоторые основные технические преимущества схем накопителей энергии постоянного тока, представленных в настоящем изобретении:
1) для автономного режима работы - способность осуществлять питание вспомогательных систем, связанных с накопителем энергии постоянного тока, при потере питания переменным токов, тем самым обеспечивается поддержание нормальной работы до восстановления питания переменным током либо возможность отключения и охлаждения накопителя энергии постоянного тока при оптимальных условиях отключения;
2) использование стандартных БТИЗ-инверторов ШИМ в качестве преобразователей питания переменного/постоянного тока и постоянного тока/постоянного тока 4, 14;
3) способность хранить и подавать энергию с помощью накопителя энергии постоянного тока любого вида;
4) способность получать энергию переменного тока и сохранять в виде энергии постоянного тока с характеристиками, задаваемыми пользователем;
5) способность подавать энергию переменного тока путем выделения сохраненной энергии постоянного тока с характеристиками, задаваемыми пользователем;
6) быстрый отклик цепи питания переменным током без использования обратной связи для питания переменным током;
7) способность использовать дополнительный пускатель или выключатель постоянного тока для отключения накопителя энергии постоянного тока для изоляции, обслуживания или защиты)
8) использование дополнительных схем для включения накопителя энергии постоянного тока при наличии предварительно существующего напряжения без броска напряжения;
9) использование дополнительных схем для ограничения входного и выходного тока в накопителе энергии постоянного тока;
10) использование дополнительных схем для регулирования мощности с обратной связью с целью повышения точности по потребляемой или подаваемой мощности с сохранением динамической реакции;
11) способность использовать несколько накопителей энергии постоянного тока на клеммах постоянного тока цепи инвертора;
12) для изолированного режима работы - способность быть основным источником энергии для ряда внешних нагрузок, к которым могут быть дополнительно подключены другие генераторы;
13) для изолированного режима работы - способность сохранять работоспособность внешних нагрузок при потере источника питания переменного тока и-или способность работать параллельно другим генераторам переменного тока.