ВЕКТОРНЫЙ СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ЧЕТЫРЕХКВАДРАНТНЫМ ИНВЕРТОРОМ НАПРЯЖЕНИЯ В СОСТАВЕ СИСТЕМЫ ГЕНЕРИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА Российский патент 2003 года по МПК H02M7/72 H02P9/42 H02P21/00 

Изобретение относится к области управления системами генерирования электрической энергии (СГЭЭ) переменного тока и может быть использовано для управления устройствами, преобразующими постоянное и переменное напряжение в переменное трехфазное.

Известен способ управления, описанный в статье Ганина М.В. и Зиновьева Г.С. "Концепция обеспечения электромагнитной совместимости устройств силовой электроники с питающей сетью", опубликованной в сборнике трудов научной конференции Актуальные проблемы электронного приборостроения, том 7, стр. 21-24, при котором достигается улучшенная или полная электромагнитная совместимость с питающей сетью путем использования дополнительного компенсационного инвертора напряжения, включенного последовательно или параллельно, который управляется так, чтобы компенсировать реактивную составляющую потребляемого тока.

Однако указанный способ управления предполагает большое количество функциональных преобразований для управления компенсационным инвертором, что снижает точность регулирования.

Кроме того, известен способ управления, описанный в статье Azeddin Draou, Yukihito Sato, Teruo Kataoka "A new state feedback based transient control PWM AC to DC voltage type converters." IEEE transactions on industry applications, vol. 10, 6, May/June 1995, стр. 716-724, являющийся прототипом предлагаемого изобретения и заключающийся в обращенном способе управления инвертором напряжения с ШИМ, который используется в качестве выпрямителя, что обеспечивает единичный коэффициент мощности синхронного генератора. В прототипе сигналы управления вырабатывают сравнением фазных напряжений преобразователя с эталонными сигналами, вырабатываемыми системой регулирования, после чего полученные сигналы управления поступают в блоки регулирования каждой из фаз, а после раздельного регулирования каждой фазы полученные сигналы управления используют для управления силовыми ключами преобразователя.

Однако указанный способ предполагает большое количество функциональных преобразований, что приводит к ухудшению точности управления, не обеспечивает поддержание заданного напряжения на фильтровом конденсаторе в звене постоянного тока при условии отбора всей генерируемой синхронным генератором мощности, и, кроме того, при использовании синусоидальной ШИМ не удается получить полный диапазон выходных напряжений инвертора.

Задачей предлагаемого изобретения является создание способа управления, увеличивающего точность управления, позволяющего поддерживать заданное напряжение на фильтровом конденсаторе в звене постоянного тока при условии отбора всей генерируемой синхронным генератором мощности и обеспечивающего полный диапазон выходных напряжений инвертора по первой гармонике.

Это достигается тем, что в известном способе, заключающемся в векторном управлении четырехквадрантным инвертором напряжения в составе системы генерирования электрической энергии переменного тока, управление инверторами производят в системе α,β-координат с использованием двух каналов регулирования - канала поддержания нулевых фаз входных токов инвертора в обращенном режиме относительно напряжения синхронного генератора и нулевых фаз выходных токов инвертора в традиционном использовании относительно напряжения сети и канала регулирования мощности инверторов, сигнал задания каждой фазы инвертора формируют как сумму двух ортогональных синусоидальных сигналов: сигнала задания на нулевой фазный угол тока инвертора и сигнала задания на мощность инвертора, сигнал задания на нулевой фазный угол тока для каждой фазы инвертора синфазен с напряжением соответствующей фазы синхронного генератора для обращенного инвертора и синфазен с напряжением соответствующей фазы сети для инвертора в традиционном использовании, сигнал задания на мощность на 90^o опережает сигнал задания на нулевой фазный угол тока инвертора, сигналы задания на нулевой фазный угол токов инвертора в системе α,β-координат определяют для инвертора в обращенном режиме сигналами, полученными после прямого преобразования напряжений генератора в α,β-координаты, а для инвертора в традиционном использовании - сигналами, полученными после прямого преобразования напряжений сети в α,β-координаты, сигналы задания на мощность для инвертора в обращенном режиме пропорциональны β-составляющей напряжения генератора для α-составляющей сигнала задания и α-составляющей напряжения генератора, взятой с обратным знаком для β-составляющей сигнала задания, сигналы задания на мощность для инвертора в традиционном использовании пропорциональны β-составляющей напряжения сети для α-составляющей сигнала задания и α-составляющей напряжения сети, взятой с обратным знаком для β-составляющей сигнала задания; поддерживают заданное напряжение на фильтровом конденсаторе в звене постоянного тока при отборе всей мощности от синхронного генератора в диапазоне изменения скорости вращения вала генератора от n_min до n_max следующим способом: обращенным инвертором управляют таким образом, чтобы обеспечить отбор от синхронного генератора всей генерируемой им мощности, а инвертором в традиционном использовании управляют так, что он поддерживает заданное напряжение на фильтровом конденсаторе в звене постоянного тока, которое пропорционально напряжению сети, сигналы задания на мощность для инвертора в обращенном режиме в системе α,β-координат определяют для α-составляющей сигнала задания как произведение β-составляющей напряжения генератора и сигнала, пропорционального мощности, отдаваемой генератором, для β-составляющей сигнала задания как произведение α-составляющей напряжения генератора, взятой с обратным знаком, и сигнала, пропорционального мощности, отдаваемой генератором; сигналы задания на мощность для инвертора в традиционном использовании в системе α,β-координат определяют для α-составляющей сигнала задания как произведение β-составляющей напряжения сети и сигнала, формируемого как разность сигнала, пропорционального мощности, отдаваемой генератором, и сигнала, определяемого как разность сигнала задания на напряжение на фильтровом конденсаторе и сигнала обратной связи напряжения на фильтровом конденсаторе, для β-составляющей сигнала задания как произведение α-составляющей напряжения сети, взятой с обратным знаком, и сигнала, формируемого как разность сигнала, пропорционального мощности, отдаваемой генератором, и сигнала, определяемого как разность сигнала задания на напряжение на фильтровом конденсаторе и сигнала обратной связи напряжения на фильтровом конденсаторе; для управления инверторами используют векторный ШИМ.

На фиг. 1 приведена одна из возможных структурных схем устройства, реализующего предлагаемый способ. На фиг.2 приведена схема замещения для одной фазы входной цепи обращенного инвертора при предположении малых активных потерь в системе. На фиг.3 приведена векторная диаграмма действующих значений токов и напряжений основной гармоники для схемы замещения на фиг.2.

Устройство на фиг.1 содержит следующие функциональные блоки:
- Синхронный генератор (СГ) с электромагнитным возбуждением (1), который является первичным источником энергии.

- Входной фильтр (2), применяемый для сглаживания пульсаций тока синхронного генератора, например LC-фильтр.

- Инвертор напряжения ИН1 (3). Этот инвертор напряжения с ШИМ на базе трехфазной мостовой схемы на IJBT транзисторах, работающий в обращенном режиме, то есть используется как активный выпрямитель, который не только обеспечивает на выходе постоянное напряжение, но и формирует синусоидальную форму тока синхронного генератора в фазе с напряжением синхронного генератора.

- Фильтровой конденсатор (4) используется для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения.

- Инвертор напряжения ИН2 (5). Этот инвертор напряжения с ШИМ на базе трехфазной мостовой схемы на IJBT транзисторах в традиционном использовании, то есть он преобразует постоянное напряжение в переменное, поставляемое затем во внешнюю сеть переменного тока.

- Выходной фильтр (6) сглаживает пульсации тока сети, например LC-фильтр.

- Сеть (7) - внешняя трехфазная промышленная сеть переменного тока.

- Векторные ШИМ-преобразователи (8, 9) - это широтно-импульсные преобразователи, которые преобразуют сигналы регулирования в импульсы управления силовыми ключами преобразователей ИН1 и ИН2, например, при микропроцессорной схеме управления реализуется программно (см. Харитонов С.А., Стенников А.А. Векторный ШИМ для инвертора напряжения в составе системы генерирования электрической энергии переменного тока. Труды 4-ой МНТК АПЭП-98. Том 7, -Новосибирск: НГТУ, 1998. С. 76-79).

- Пропорциональные звенья (10, 11, 12, 13, 14), например, при микропроцессорной схеме управления реализуются программно путем умножения текущего на шаге счета значения сигнала на коэффициент пропорционального звена.

- Схемы прямого преобразования координат (15, 16). Задачей этой схемы является преобразование фазных напряжений из трехфазной системы координат А, В, С в систему α,β-координат, например, при микропроцессорной схеме управления реализуются программно (см. Трещеев "Электромеханические процессы в машинах переменного тока").

- Умножители (17, 18, 19, 20), например, при микропроцессорной схеме управления реализуются программно путем перемножения текущих на шаге счета значений входных сигналов.

- Блок определения амплитуды (21) определяет амплитуду синусоидального напряжения сети, например, на основе пикового детектора.

- Инверторы (22, 23) инвертируют поступающие на них сигналы управления, например, при микропроцессорной схеме управления реализуются программно инвертированием текущего на шаге счета значения сигнала.

- Датчик скорости (24) преобразует скорость вращения вала синхронного генератора в напряжение определенной амплитуды, может быть реализован на основе тахогенератора.

- Функциональный преобразователь (25) определяет зависимость мощности синхронного генератора от скорости вращения его вала, например, при микропроцессорной схеме управления реализуются программно расчетом мощности на текущем шаге по заложенному алгоритму.

Способ осуществляется следующим образом: система управления включает в себя управление инвертором ИН1 и управление инвертором ИН2. Система управления каждым инвертором имеет два канала регулирования - регулирование мощности и регулирование фазы токов инвертора.

Рассмотрим схему замещения для одной фазы входной цепи инвертора ИН1 (фиг.2) и векторную диаграмму действующих значений токов и напряжений основной гармоники для этой схемы замещения (фиг.3). Схема замещения построена со следующими допущениями: L_f<L_s, кратность частот ШИМ и напряжения синхронного генератора велика, величина тока основной гармоники конденсатора C'_f существенно меньше аналогичной составляющей в токе синхронного генератора, обеспечивается единичный коэффициент мощности синхронного генератора.

На схеме замещения (фиг.2) имеем следующие обозначения:
- Е_СГХХ - напряжение холостого хода синхронного генератора.

- L_s - индуктивное сопротивление синхронного генератора.

- L_f - дроссель входного фильтра.

- C_f - конденсатор входного фильтра.

- U_СГ - напряжение синхронного генератора.

- U_ИН1 - входное напряжение инвертора ИН1.

- I_СГ - ток синхронного генератора.

- I_ИН1 - входной ток инвертора ИН1.

На диаграмме (фиг.3):
- U_s - напряжение на индуктивном сопротивлении синхронного генератора.

- U_f - напряжение на дросселе входного фильтра.

- K_ИН1 - коэффициент преобразования инвертора ИН1.

- U_{задрИН1} - сигнал задания на мощность инвертора ИН1.

- U_{задϕИН1} - сигнал задания фазы трехфазной системы токов синхронного генератора относительно трехфазной системы напряжений синхронного генератора.

Из анализа схемы замещения и векторной диаграммы ясно, что входное напряжение инвертора ИН1 U_ИН1 образует две составляющие - K_ИН1U_{задϕИН1}, совпадающую по фазе с напряжением синхронного генератора U_СГ, и K_ИН1U_{задРИН1}, ортогональную U_СГ. Для обеспечения единичного коэффициента мощности синхронного генератора необходимо, чтобы напряжение K_ИН1U_{задϕИН1} равнялось напряжению U_СГ, а изменением напряжения K_ИН1U_{задРИН1} регулируется мощность, отбираемая от генератора. Таким образом, сигнал задания дли инвертора ИН1 при условии обеспечения единичного коэффициента мощности синхронного генератора должен состоять из суммы двух ортогональных составляющих, одна из которых U_{задϕИН1} совпадает по фазе с U_СГ и равна

а вторая составляющая U_{задРИН1} пропорциональна мощности, отбираемой от генератора.

Для уменьшения числа преобразований при управлении от трехфазной системы координат перейдем в систему α,β-координат. В системе α,β-координат вышеописанный алгоритм обеспечения единичного коэффициента мощности синхронного генератора при отборе всей генерируемой им мощности реализуется следующим образом. На вход системы управления инвертором ИН1 подаются напряжения U_АГ, U_ВГ, U_СГ синхронного генератора (1 на фиг.1), они преобразовываются из трехфазной системы координат в систему α,β-координат с помощью схемы прямого преобразования координат (16 на фиг.1). Полученные в результате этого преобразования сигналы U_αГ и U_βГ являются сигналами задания нулевой фазы трехфазной системы токов синхронного генератора относительно трехфазной системы напряжений синхронного генератора U_{задϕαИН1} и U_{задϕβИН1}. Сигналы задания на мощность инвертора ИН1 U_{задPαИН1} и U_{задPβИН1}, ортогональные сигналам задания на фазу U_{задϕαИН1} и U_{задϕβИН1} соответственно, определяются как U_{задPαИН1} = P_Г•Uβ_Г и U_{задPβИН1} = -P_Г•U_αГ с помощью умножителей (19 и 20 на фиг.1) и инвертора (23 на фиг.1).

Зависимость мощности синхронного генератора Р_Г от скорости вращения вала синхронного генератора n_Г в общем случае имеет вид Р_Г=k•n_Г ^t, где k зависит от типа синхронного генератора, а t - от вида СГЭЭ (например, для ветроэлектрической установки t=3), и определяется функциональным преобразователем (25 на фиг. 1). Диапазон преобразования n_Г ограничен значениями n_Гmin и n_Гmax, при n_Г<n_Гmin P_Г= 0, при n_Г=n_Гmin P_Г=P_Гmin, при n_Г>n_Гmax Р_Г=P_Гmax и коэффициент мощности синхронного генератора не равен 1. Скорость вращения вала синхронного генератора n_Г определяется с помощью датчика скорости (24 на фиг.1).

Сигналы задания для инвертора ИН1 U_{задαИН1} и U_{задβИН1} формируются как сумма соответственно U_{задϕαИН1} с U_задPα и U_{задϕβИН} с взятые с некоторым коэффициентом, определяемым пропорциональными звеньями (12 и 13 на фиг.1).

Векторный ШИМ-преобразователь для ИН1 (9 на фиг.1) преобразует сигналы регулирования U_{задαИН1} и U_{задβИН1} в импульсы управления силовыми ключами преобразователя ИН1 и обеспечивает выход по напряжению по первой гармонике, на 15% больший, чем при использовании синусоидального ШИМ-преобразователя.

Система управления инвертором ИН2 построена по аналогичному принципу, но на вход системы продается трехфазная система напряжений сети U_AC, U_BC, U_СС. Полученные в результате прямого преобразования (15 на фиг.1) сигналы U_αC и U_βC являются сигналами задания нулевой фазы трехфазной системы токов сети относительно трехфазной системы напряжений сети U_{задϕαИН2} и U_{задϕβИН2}. Сигналы задания на мощность инвертора ИН2 U_{задPαИН2} и U_{задPβИН2}, ортогональные сигналам задания на фазу U_{задϕαИН2} и U_{задϕβИН2} соответственно определяются как U_{задPαИН2} = (U_C-U_Cзад-P_Г)•U_βC и U_{задPβИН2} = -(U_C-U_Cзад-P_Г)•U_αC с помощью умножителей (17 и 18 на фиг.1) и инвертора (22 на фиг.1). U_С - напряжение на фильтровом конденсаторе в звене постоянного тока, U_сзад - напряжение задания на фильтровом конденсаторе в звене постоянного тока, пропорциональное амплитуде сетевого напряжения, вычисленного с помощью блока определения амплитуды (21 на фиг.1) и взятого с определенным коэффициентом пропорционального звена (14 на фиг.1).

Сигналы задания для инвертора ИН2 U_{задαИН2} и U_{задβИН2} формируются как сумма соответственно U_{задϕαИН2} с U_{задPαИН2} и U_{задϕβИН2} с U_{задPβИН2}, взятые с некоторым коэффициентом, определяемым пропорциональными звеньями (10 и 11 на фиг.1).

Векторный ШИМ-преобразователь для ИН2 (8 на фиг.1) преобразует сигналы регулирования U_{задαИН2} и U_{задββИН2} в импульсы управления силовыми ключами преобразователя ИН2 и обеспечивает выход по напряжению по первой гармонике, на 15% больший, чем при использовании синусоидального ШИМ-преобразователя.

Система управления инвертором ИН1 обеспечивает отбор всей мощности, поставляемой синхронным генератором, при обеспечении единичного коэффициента мощности генератора. Система управления инвертором ИН2 поддерживает напряжение задания на фильтровом конденсаторе (4 на фиг.1) при обеспечении единичного коэффициента мощности для энергии, поставляемой в сеть от синхронного генератора.

Таким образом, предлагаемый способ управления дает следующие преимущества по сравнению с прототипом:
- Уменьшается число функциональных преобразований, а значит увеличивается точность управления.

- Поддерживается заданное напряжение на фильтровом конденсаторе в звене постоянного тока при отборе всей мощности от синхронного генератора при изменении скорости вращения вала генератора от n_min до n_max.

- Использование векторной ШИМ повышает выходное напряжение инверторов на 15% по первой гармонике.

Изобретение относится к области управления системами генерирования электрической энергии (СГЭЭ) переменного тока и может быть использовано для управления устройствами, преобразующими постоянное и переменное напряжение в переменное трехфазное. Технический результат заключается в увеличении точности управления, в возможности поддержания заданного напряжения на фильтровом конденсаторе в звене постоянного тока при условии отбора всей генерируемой синхронным генератором мощности и в обеспечении полного диапазона выходных напряжений инвертора по первой гармонике. Для этого в векторном способе управления четырехквадрантным инвертором напряжения в составе системы генерирования электрической энергии переменного тока используют векторный ШИМ в качестве выпрямителя, при этом управление инверторами производят в системе α,β-координат с использованием канала поддержания нулевых фаз входных токов инвертора в обращенном режиме относительно напряжения синхронного генератора и нулевых фаз выходных токов инвертора в традиционном использовании относительно напряжения сети и канала регулирования мощности инверторов. Сигнал задания каждой фазы инвертора формируют как сумму ортогональных синусоидальных сигналов - сигнала задания на нулевой фазный угол тока инвертора и сигнала задания на мощность инвертора, при этом поддерживают заданное напряжение на фильтровом конденсаторе в звене постоянного тока при отборе мощности от синхронного генератора в диапазоне изменения скорости вращения вала генератора от n_min до n_max. Для этого обращенным инвертором управляют таким образом, чтобы обеспечить отбор от синхронного генератора всей генерируемой им мощности, а инвертором в традиционном использовании управляют так, чтобы он поддерживал заданное напряжение на фильтровом конденсаторе в звене постоянного тока, которое пропорционально напряжению сети. 3 ил.

Способ векторного управления четырехквадрантным инвертором напряжения в составе системы генерирования электрической энергии переменного тока, при котором используется обращенный способ управления инвертором напряжения с ШИМ, отличающийся тем, что управление инверторами производят в системе α,β-координат с использованием двух каналов регулирования - канала поддержания нулевых фаз входных токов инвертора в обращенном режиме относительно напряжения синхронного генератора и нулевых фаз выходных токов инвертора в традиционном использовании относительно напряжения сети, и канала регулирования мощности инверторов, сигнал задания каждой фазы инвертора формируют как сумму двух ортогональных синусоидальных сигналов - сигнала задания на нулевой фазный угол тока инвертора и сигнала задания на мощность инвертора, сигнал задания на нулевой фазный угол тока для каждой фазы инвертора синфазен с напряжением соответствующей фазы синхронного генератора для обращенного инвертора и синфазен с напряжением соответствующей фазы сети для инвертора в традиционном использовании, сигнал задания на мощность на 90^o опережает сигнал задания на нулевой фазный угол тока инвертора, сигналы задания на нулевой фазный угол токов инвертора в системе α,β-координат определяют для инвертора в обращенном режиме сигналами, полученными после прямого преобразования напряжений генератора в α,β-координаты, а для инвертора в традиционном использовании - сигналами, полученными после прямого преобразования напряжений сети в α,β-координаты, сигналы задания на мощность для инвертора в обращенном режиме пропорциональны β-составляющей напряжения генератора для α-составляющей сигнала задания и α-составляющей напряжения генератора, взятой с обратным знаком для β-составляющей сигнала задания, сигналы задания на мощность для инвертора в традиционном использовании пропорциональны β-составляющей напряжения сети для α-составляющей сигнала задания, и α-составляющей напряжения сети, взятой с обратным знаком для β-составляющей сигнала задания, поддерживают заданное напряжение на фильтровом конденсаторе в звене постоянного тока при отборе всей мощности от синхронного генератора в диапазоне изменения скорости вращения вала генератора от n_min до n_max, при этом обращенным инвертором управляют таким образом, чтобы обеспечить отбор от синхронного генератора всей генерируемой им мощности, а инвертором в традиционном использовании управляют так, чтобы поддерживать заданное напряжения на фильтровом конденсаторе в звене постоянного тока, которое пропорционально напряжению сети, сигналы задания на мощность для инвертора в обращенном режиме в системе α,β-координат определяют для α-составляющей сигнала задания как произведение β-составляющей напряжения генератора и сигнала, пропорционального мощности, отдаваемой генератором, а для β-составляющей сигнала задания как произведение α-составляющей напряжения генератора, взятой с обратным знаком, и сигнала, пропорционального мощности, отдаваемой генератором, сигналы задания на мощность для инвертора в традиционном использовании в системе α,β-координат определяют для α-составляющей сигнала задания как произведение β-составляющей напряжения сети и сигнала, формируемого как разность сигнала, пропорционального мощности, отдаваемой генератором, и сигнала, определяемого как разность сигнала задания на напряжение на фильтровом конденсаторе и сигнала обратной связи напряжения на фильтровом конденсаторе, для β-составляющей сигнала задания как произведение α-составляющей напряжения сети, взятой с обратным знаком, и сигнала, формируемого как разность сигнала, пропорционального мощности, отдаваемой генератором, и сигнала, определяемого как разность сигнала задания на напряжение на фильтровом конденсаторе и сигнала обратной связи напряжения на фильтровом конденсаторе, для управления инверторами используют векторный ШИМ.