СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ СТАТИЧЕСКИМИ СТАБИЛИЗИРОВАННЫМИ ИСТОЧНИКАМИ ПЕРЕМЕННОГО НАПРЯЖЕНИЯ, РАБОТАЮЩИМИ ПАРАЛЛЕЛЬНО НА ОБЩУЮ НАГРУЗКУ Российский патент 2005 года по МПК H02J3/46 

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано при построении систем генерирования электрической энергии или систем гарантированного электропитания, в которых для достижения надежности электропитания и повышения выходной мощности статические стабилизированные источники электрической энергии включаются параллельно на общую нагрузку. Первичными источниками с нестабильными параметрами входной энергии в таких системах может служить сеть промышленной частоты, синхронный генератор с переменной скоростью вращения вала или аккумуляторная батарея. Функции стабилизации параметров (амплитуды и фазы) переменного выходного напряжения постоянной частоты и распределение составляющих мощности нагрузки между источниками возлагаются на статический преобразователь (циклоконвертор, инвертор напряжения или тока), а требуемый гармонический состав выходного напряжения достигается включением на выходе источника низкочастотного фильтра.

Известен способ управления статическими стабилизированными источниками переменного напряжения, работающими параллельно на общую нагрузку, на базе управляемых полупроводниковых преобразователей [1], заключающийся в том, что формируют сигнал задания выходного напряжения преобразователей, измеряют напряжение на общей нагрузке и формируют сигнал отрицательной обратной связи по напряжению вычитанием сигнала, пропорционального напряжению на общей нагрузке, из сигнала задания напряжения, измеряют выходной ток каждого преобразователя, формируют эталонный сигнал тока нагрузки параллельно работающих преобразователей суммированием сигналов, пропорциональных токам преобразователей, формируют сигнал задания доли тока каждого преобразователя в токе нагрузке пропорционально эталонному сигналу тока нагрузки, с коэффициентом пропорциональности, равным отношению номинального тока данного преобразователя к номинальному току нагрузки, формируют сигнал отрицательной обратной связи по току путем вычитания сигнала, пропорционального току данного преобразователя, из сигнала задания доли тока данного преобразователя и формируют сигнал управления каждым преобразователем суммированием сигналов отрицательной обратной связи по току, напряжению и сигнала задания доли тока.

Данный способ управления реализует пропорциональное управление как по мгновенным значениям токов, так и по мгновенному значению выходного напряжения в каждом из параллельно работающих источников, и поэтому он обладает статическими ошибками при стабилизации общего напряжения и распределении составляющих мощности нагрузки между источниками, определяемыми конечностью коэффициентов усиления соответствующих контуров регулирования.

Известен способ управления статическими стабилизированными источниками переменного напряжения, работающими параллельно на общую нагрузку, на базе управляемых полупроводниковых преобразователей [2], являющийся прототипом предлагаемого изобретения, заключающийся в том, что измеряют мгновенные значения напряжения на общей нагрузке и токов источников, измеряют активные и реактивные составляющие мощностей источников, для каждого источника формируют эталонные напряжения амплитуды и фазы управляющего сигнала, формируют напряжения, пропорциональные разности активных и реактивных мощностей источников; формируют дополнительный сигнал амплитуды управляющего сигнала суммированием двух составляющих, одна из которых пропорциональна амплитуде напряжения на общей нагрузке, а вторая состоит из двух частей, пропорциональных разности активных и реактивных составляющих мощностей источников, формируют дополнительный сигнал фазы управляющего сигнала суммированием двух составляющих, одна из которых пропорциональна фазе напряжения на общей нагрузке, а вторая состоит из двух частей, пропорциональных разности реактивных и активных составляющих мощностей источников, значения коэффициентов пропорциональности полученных составляющих формируют равными, знаки коэффициентов пропорциональности первых частей дополнительных сигналов формируют одинаковыми и положительными, а знаки коэффициентов пропорциональности вторых частей дополнительных сигналов амплитуды и фазы формируют противоположными, формируют сигналы сравнения амплитуды и фазы путем интегрирования разности соответствующих эталонных напряжений и дополнительных сигналов, пропорционально соответствующим сигналам сравнения формируют амплитуду и фазу управляющего сигнала.

Статический режим параллельной работы при этом способе управления и условии линейности и достаточности диапазонов регулирования элементов системы описывается следующей системой уравнений для двух источников, каждое из которых получено приравниванием к нулю в установившемся режиме результирующего входного тока соответствующего интегратора:

где: - эталонные напряжения амплитудного и фазового каналов регулирования i-того источника;

- амплитуда и фаза напряжения на общей нагрузки;

- активная и реактивная составляющие мощности i-го источника, передаваемые в нагрузку;

B_i, K_i - коэффициенты пропорциональности.

Попарно складывая и вычитая второе уравнение и первое, четвертое и третье и решая полученную систему уравнений относительно , ΔР=Р₂-Р₁ и ΔQ=Q₂-Q₁, получим:

Анализ полученных выражений показывает, что точность стабилизации амплитуды и фазы общего напряжения определяется усредненными значениями соответствующих эталонных напряжений, и при одновременном уходе этих напряжений в крайние точки допустимого диапазона их изменения точность стабилизации этих параметров будет соответствовать точности стабилизации источников при их независимой работе.

Точность распределения составляющих мощности нагрузки между источниками определяется комбинацией разности соответствующих эталонных напряжений и в значительной степени определяется температурной, технологической и временной нестабильностью большого числа параметров ( К_i, i=1,2).

Кроме того, данный способ управления не предполагает параллельную работу источников с разной номинальной мощностью.

Задача изобретения - повышение точности распределения составляющих мощности нагрузки между источниками пропорционально их номинальным мощностям при сохранении точности стабилизации параметров общего напряжения в статическом режиме.

Это достигается тем, что в известном способе управления статическими стабилизированными источниками переменного напряжения, работающими параллельно на общую нагрузку, заключающемся в том, что измеряют мгновенные значения напряжения на общей нагрузке и токов источников, измеряют активные и реактивные составляющие мощностей источников, для каждого источника формируют эталонные напряжения амплитуды и фазы управляющего сигнала, формируют дополнительные сигналы амплитуды и фазы управляющего сигнала, формируют сигналы сравнения амплитуды и фазы путем интегрирования разности соответствующих эталонных напряжений и дополнительных сигналов, пропорционально соответствующим сигналам сравнения формируют амплитуду и фазу управляющего сигнала, эталонные напряжения амплитуды и фазы одного из параллельно работающих источников, отвечающего за стабилизацию параметров общего напряжения, формируют постоянными и соответствующими номинальным значениям параметров напряжения, дополнительные сигналы этого источника формируют соответственно пропорционально амплитуде и фазе общего напряжения, а для каждого из остальных параллельно работающих источников эталонные напряжения амплитуды и фазы формируют пропорционально соответственно активной и реактивной составляющим мощности источника, отвечающего за стабилизацию параметров общего напряжения, с коэффициентом пропорциональности, равным отношению номинальных полных мощностей каждого источника и источника, стабилизирующего параметры напряжения, и дополнительные сигналы амплитуды и фазы остальных источников формируют равными соответственно активной и реактивной составляющим их мощности.

На чертеже представлена одна из возможных структурных схем, реализующая предлагаемый способ управления. Структурная схема, приведенная на чертеже, реализует режим параллельной работы N статических источников переменного напряжения И1...ИN с различными номинальными мощностями (блоки 1...3) на общую нагрузку (блок 4), представляющую собой резистор или последовательное или параллельное включение резистора и дросселя. Синхронизация источников осуществляется от общего задающего генератора 3Го (блок 5), представляющего собой высокостабильный кварцевый генератор по любой из известных схем (Справочник по кварцевым резонаторам / Андросова В.Г., Банков В.Н., Дикиджи A.M. и др. Под ред. П.Г. Позднякова. - М.: Связь, 1978. - 288 с.) и определяющего частоту выходного напряжения. Каждый источник содержит: схемы вычитания (блоки 6...11), интеграторы (блоки 12...17), выполненные по известным схемам, - типовые элементарные звенья, известные из теории автоматического управления (см. Теория автоматического управления. Ч1. Теория линейных систем автоматического управления. Под ред. А.А. Воронова. Учеб. пособие для вузов. - М.: Высш. школа, 1977), преобразователь П (блоки 18...20), формирующий сигналы переменного прямоугольного напряжения, частота которого задается внешним генератором 3Го, а фаза регулируется постоянным напряжением соответствующего фазового интегратора (блоки 12, 14, 16), и реализующий принцип вертикального управления, основанный на сравнении опорного пилообразного сигнала двойной частоты по отношению к синхронизирующему сигналу 3Го и постоянного напряжения с последующим делением частоты полученного сигнала сравнения в два раза (см. B.C. Руденко, В.И. Сенько, И.М. Чиженко. Основы преобразовательной техники. - М.: Высш. школа, 1980. - 424 с.); генератор модулирующего напряжения источников ГМН (блоки 21...23), представляющий собой аналоговый умножитель двух сигналов (см. Тимонеев В.Н., Величко Л.М., Ткаченко В.А. Аналоговые перемножители сигналов в радиоэлектронной аппаратуре. - М.: Радио и связь, 1982. - 112 с.), один из которых представляет собой переменное прямоугольное напряжение, а второй - постоянное выходное напряжение амплитудного интегратора; стандартную систему импульсно-фазового управления СИФУ (блоки 24...26), реализующую вертикальный принцип управления силовой схемой преобразователя (см. B.C. Руденко, В.И. Сенько, И.М. Чиженко. Основы преобразовательной техники. М.: Высш. школа, 1980. - 424 с.); силовую схему статического преобразователя СС (блоки 27...29), представляющую собой, в зависимости от конкретного применения системы и типа первичного источника, циклоконвертор, автономный инвертор напряжения или тока, построенные по известным схемам (см. B.C. Руденко, В.И. Сенько, И.М. Чиженко. Основы преобразовательной техники. - М.: Высш. школа, 1980. - 424 с.); первичный источник электрической энергии U_c (блоки 30...32) с изменяющимися параметрами, представляющий собой промышленную сеть, синхронный генератор с переменной скоростью вращения вала, аккумуляторную батарею или источник переменного напряжения и выпрямитель по любой из известных схем (см. B.C. Руденко, В.И. Сенько, И.М. Чиженко. Основы преобразовательной техники. - М.: Высш. школа, 1980. - 424 с.); выходной силовой фильтр СФ (блоки 33...35), представляющий собой низкочастотный фильтр, исключающий высокочастотную часть спектра выходного напряжения, например Г-образный однозвенный LC-фильтр; датчик мгновенного значения тока источника Дт (блоки 36...38), например трансформатор тока или измерительный шунт с высокочастотным заполнением измеренного напряжения, передачей модулированного сигнала через трансформатор с последующей демодуляцией, схемы измерения реактивной Q (блоки 39...41) и активной Р (блоки 42...44) составляющих мощности источника, представляющие собой стандартные схемы умножителей аналоговых сигналов (см. Тимонеев В.Н., Величко Л.М., Ткаченко В.А. Аналоговые перемножители сигналов в радиоэлектронной аппаратуре. - М.: Радио и связь, 1982. - 112 с.) и формирующие на своих выходах сигналы, постоянная составляющая которых пропорциональна активной или реактивной мощности источника (см. Бородин Н.И., Семенов Ю.Е.. Воронин B.C. Параллельная работа НПЧ ЕК на общую нагрузку //Преобразовательная техника/ НЭТИ. - Новосибирск, 1978. - С.153-162). Источник, стабилизирующий параметры общего напряжения И1 (блок 1), содержит фазовый детектор ФД (блок 45), выполненный по одной из стандартных схем (см. Шагильдян В.В., Ляховкин А.А. Системы фазовой автоподстройки частоты. - М.: Связь, 1972. - 447 с.), схему однофазного выпрямителя В (блок 46) и источники эталонного напряжения фазы (блок 47) и амплитуды (блок 48), представляющие собой стандартные параметрические стабилизаторы (см. Источники электропитания радиоэлектронной аппаратуры: Справочник /Под ред. Г.С. Найвельта. - М.: Радио и связь, 1986. - 576 с.). Остальные параллельно работающие источники содержат стандартные пропорциональные звенья (блоки 49...52) (см. Теория автоматического управления. Ч1. Теория линейных систем автоматического управления. Под ред. А.А.Воронова. Учеб. пособие для вузов. - М.: Высш. школа, 1977).

Способ осуществляется следующим образом. Общий задающий генератор 3Го (блок 5) вырабатывает сигнал, частота которого задает одинаковую частоту напряжений и токов каждого из параллельно работающих источников И1...ИN (блоки 1...3). Этот сигнал поступает на фазовый детектор ФД (блок 45), на второй вход которого поступает напряжение общей нагрузки Н (блок 4). Фазовый детектор формирует выходное постоянное напряжение, величина которого пропорциональна разности фаз его входных сигналов, поступающее на второй вход схемы вычитания фазового контура регулирования (блок 6). На первый вход схемы вычитания фазового контура регулирования (блок 6) поступает постоянное эталонное напряжение фазы (блок 47). Разность эталонного напряжения фазы и напряжения фазового детектора интегрируется (блок 12) и поступает на один из входов преобразователя П (блок 18). На другой вход преобразователя П (блок 18) поступает сигнал задающего генератора 3Го (блок 5), который синхронизирует работу преобразователя и обеспечивает равенство частот переменного прямоугольного выходного сигнала преобразователя и сигнала задающего генератора 3Го (блок 5). Таким образом, на выходе преобразователя формируется переменное прямоугольное напряжение, частота которого задается 3Го (блок 5), а его фаза регулируется выходным сигналом интегратора (блок 12). Выходной сигнал преобразователя П (блок 18) поступает на один из входов генератора модулирующего напряжения ГМН (блок 21), а на его другой вход поступает сигнал, представляющий собой результат интегрирования (блок 13) разности (блок 7) эталонного напряжения амплитуды (блок 48) и выпрямленного напряжения (блок 46), пропорционального амплитуде напряжения общей нагрузки. В ГМН осуществляется умножение прямоугольного переменного выходного напряжения преобразователя П (блок 18) и постоянного сигнала интегратора амплитуды (блок 13) и выделяется низкочастотным фильтром основная гармоническая составляющая результата умножения. Таким образом, на выходе ГМН формируется переменное синусоидальное напряжение, частота которого задается общим задающим генератором 3Го (блок 5), фаза регулируется сигналом интегратора фазы (блок 12), а амплитуда регулируется сигналом интегратора амплитуды (блок 13). Выходное напряжение ГМН через систему импульсно-фазового управления (блок 24) обеспечивает переключение ключей силовой схемы источника (блок 27) и преобразование нестабильной энергии первичного источника (блок 30) в энергию на выходе силовой схемы с заданными параметрами. Высокочастотная часть спектра выходного напряжения силовой схемы подавляется низкочастотным силовым фильтром (блок 33) и на нагрузке формируется синусоидальное напряжение со стабильными амплитудой и фазой.

Датчик тока Дт1 (блок 36) измеряет мгновенное значение тока источника И1 (блок 1), которое поступает на один из входов схем измерения активной P_i (блок 42) и реактивной Q_l (блок 39) составляющих мощности. На другие входы этих схем поступает измеренное мгновенное значение общего напряжения. Постоянная составляющая результата перемножения мгновенных значений тока и напряжения источника пропорциональна активной мощности источника, передаваемой им в нагрузку (блок 42). Постоянная составляющая результата перемножения мгновенных значений тока источника и напряжения источника, имеющая фиксированный на заданной частоте фазовый сдвиг, равный 90°, пропорциональна реактивной мощности источника, передаваемой им в нагрузку (блок 39). Полученные в результате перемножения постоянные сигналы схем измерения активной P₁ (блок 42) и реактивной Q₁ (блок 39) составляющих мощности первого источника, отвечающего за стабилизацию параметров напряжения общей нагрузки, поступают в остальные параллельно работающие источники И2...ИN (блоки 2, 3) на входы соответствующих пропорциональных звеньев (блоки 49...52). На выходе пропорциональных звеньев формируются эталонные напряжения амплитуды (блоки 50, 52) и фазы (блоки 49, 51) для остальных параллельно работающих источников пропорционально соответственно активной и реактивной составляющим мощности источника И1 (блок 1), отвечающего за стабилизацию параметров общего напряжения, с коэффициентом пропорциональности, равным отношению номинальных полных мощностей каждого источника И2...ИN (блоки 2, 3) и источника И1 (блок 1), стабилизирующего параметры напряжения. Эти эталонные напряжения поступают на первые входы соответствующих схем вычитания остальных источников (блоки 8...11). На вторые входы этих схем вычитания поступают дополнительные сигналы, равные измеренным активным (блоки 43, 44) или реактивным (блоки 40, 41) составляющим мощностей каждого из остальных параллельно работающих источников. Полученные разностные сигналы схем вычитания поступают на соответствующие интеграторы контуров регулирования амплитуды (блоки 15, 17) и интеграторы контуров регулирования фазы (блоки 14, 16) каждого из остальных источников И2...ИN (блоки 2, 3). Дальнейшая реализация управления каждым из остальных параллельно работающих источников И2...ИN (блоки 2, 3) аналогична вышеописанному управлению источником И1 (блок 1) с тем лишь различием, что амплитуда выходного напряжения каждого из источников регулируется по разности активных составляющих мощностей первого и каждого из источников, а фаза выходного напряжения каждого из источников регулируется по разности реактивных составляющих мощностей первого и каждого из источников.

Докажем преимущество предложенного способа управления по отношению к способу-прототипу. Статический режим параллельной работы при предлагаемом способе управления описывается следующей системой уравнений:

где: , - эталонные напряжения амплитудного и фазового каналов регулирования i-го источника;

- амплитуда и фаза напряжения на общей нагрузке;

P_i, Q_i - активная и реактивная составляющие мощности i-го источника, передаваемые в нагрузку;

В_i - коэффициенты пропорциональности;

S_iH - номинальная полная мощность i-го источника.

Первые два уравнения определяют точность стабилизации амплитуды и фазы напряжения на общей нагрузке, а остальные определяют долю активной и реактивной составляющих мощности, передаваемые i-ым источником в нагрузку.

Анализ полученных выражений показывает, что точность стабилизации амплитуды и фазы напряжения на общей нагрузке в предложенном способе управления определяется, как и в способе-прототипе, нестабильностью соответствующих эталонных напряжений и коэффициентов пропорциональности. Следовательно, предложенный способ управления сохраняет предельную точность стабилизации параметров общего напряжения.

Определим долю активной и реактивной составляющих мощности i-того источника, передаваемой в нагрузку при предлагаемом способе управления:

где: Р_Н, Q_H - активная и реактивная составляющие мощности нагрузки;

S_HH - номинальная полная мощность нагрузки.

Анализ полученных выражений показывает, что доля активной и реактивной составляющих мощности нагрузки, распределяемой на i-ый источник при предлагаемом способе управления, пропорциональна номинальной полной мощности i-го источника и не зависит от значения текущей нагрузки и нестабильностей соответствующих эталонных напряжений. Точность распределения составляющих мощности нагрузки между источниками пропорционально их номинальным мощностям определяется нестабильностью отношения номинальной полной мощности каждого источника к полной номинальной мощности нагрузки, т.е. будет определяться нестабильностью одного коэффициента. Следовательно, точность распределения составляющих мощности нагрузки между источниками пропорционально их номинальным мощностям в предложенном способе управления будет выше, чем в способе-прототипе.

Таким образом, предложенный способ управления статическими стабилизированными источниками переменного напряжения, работающими параллельно на общую нагрузку, повышает точность распределения составляющих мощности нагрузки между источниками пропорционально их номинальным мощностям при сохранении точности стабилизации параметров общего напряжения в статическом режиме.

Источники информации

1. А.С. 1310974 СССР, Н 02 М 7/48. Способ управления статическими преобразователями частоты, работающими параллельно на общую нагрузку /Е.А. Подъяков, Н.И. Бородин, В.В. Иванцов, С.А. Харитонов, Ю.Е. Семенов. - Опубл. 15.05.87, бюл. №18.

2. А.С. 1229921, Н 02 М 5/22. Способ управления двумя статическими преобразователями частоты, работающими параллельно на общую нагрузку/ Н.И. Бородин, С.А. Харитонов, Е.А. Подъяков. - Опубл. 07.05.86, бюл. №17.

Предлагаемый способ может использоваться при построении систем генерирования электрической энергии или систем гарантированного электропитания, в которых для достижения надежности электропитания и повышения выходной мощности статические стабилизированные источники электрической энергии включаются параллельно на общую нагрузку. Сущность изобретения состоит в том, что измеряют мгновенные значения напряжения на общей нагрузке и токов источников, измеряют активные и реактивные составляющие мощностей источников, для каждого источника формируют эталонные напряжения амплитуды и фазы управляющего сигнала, формируют дополнительные сигналы амплитуды и фазы управляющего сигнала, формируют сигналы сравнения амплитуды и фазы путем интегрирования разности соответствующих эталонных напряжений и дополнительных сигналов, пропорционально соответствующим сигналам сравнения формируют амплитуду и фазу управляющего сигнала, эталонные напряжения амплитуды и фазы одного из параллельно работающих источников, отвечающего за стабилизацию параметров общего напряжения, формируют постоянными и соответствующими номинальным значениям параметров напряжения, дополнительные сигналы этого источника формируют соответственно пропорционально амплитуде и фазе общего напряжения, а для каждого из остальных параллельно работающих источников эталонные напряжения амплитуды и фазы формируют пропорционально соответственно активной и реактивной составляющим мощности источника, отвечающего за стабилизацию параметров общего напряжения, с коэффициентом пропорциональности, равным отношению номинальных полных мощностей каждого источника и источника, стабилизирующего параметры напряжения, и дополнительные сигналы амплитуды и фазы остальных источников формируют равными соответственно активной и реактивной составляющим их мощности. Способ позволяет повысить точность распределения составляющих мощности нагрузки между источниками пропорционально их номинальным мощностям при сохранении точности стабилизации параметров общего напряжения в статическом режиме - это является техническим результатом. 1 ил.

Способ управления статическими стабилизированными источниками переменного напряжения, работающими параллельно на общую нагрузку, состоящий в том, что измеряют мгновенные значения напряжения на общей нагрузке и токов источников, измеряют активные и реактивные составляющие мощностей источников, для каждого источника формируют эталонные напряжения амплитуды и фазы управляющего сигнала, формируют дополнительные сигналы амплитуды и фазы управляющего сигнала, формируют сигналы сравнения амплитуды и фазы путем интегрирования разности соответствующих эталонных напряжений и дополнительных сигналов, пропорционально соответствующим сигналам сравнения формируют амплитуду и фазу управляющего сигнала, отличающийся тем, что эталонные напряжения амплитуды и фазы одного из параллельно работающих источников, отвечающего за стабилизацию параметров общего напряжения, формируют постоянными и соответствующими номинальным значениям параметров напряжения, дополнительные сигналы этого источника формируют соответственно пропорционально амплитуде и фазе общего напряжения, а для каждого из остальных параллельно работающих источников эталонные напряжения амплитуды и фазы формируют пропорционально соответственно активной и реактивной составляющим мощности источника, отвечающего за стабилизацию параметров общего напряжения, с коэффициентом пропорциональности, равным отношению номинальных полных мощностей каждого источника и источника, стабилизирующего параметры напряжения, и дополнительные сигналы амплитуды и фазы остальных источников формируют равными соответственно активной и реактивной составляющим их мощности.