СИСТЕМА ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ И СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ ЭНЕРГИИ Российский патент 2019 года по МПК H02S10/00 H02M3/135 H02M7/48 

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к системе и способу для преобразования энергии постоянного тока в энергию переменного тока. Уровень техники

Во многих случаях требуется преобразование энергии постоянного тока в энергию переменного тока. В более ранних международных патентных заявках заявителя, опубликованных под номерами WO 2012/016285 и WO 2013/023248, описываются системы, использующие усовершенствованные способы такого преобразования.

Описанные системы предусматривают формирование сигнала переменного тока, пригодного для питания потребителей или для передачи энергии в электрическую сеть, с использованием энергии источников постоянного тока. Такие системы состоят из цепочки модулей, каждый из которых подключен к источнику питания постоянного тока. Эти модули включаются в последовательную цепь и выключаются из нее, обеспечивая ступенчатую аппроксимацию сигнала переменного тока; далее производится сглаживание напряжения, позволяющее придать сигналу форму, более напоминающую гладкий сигнал переменного тока.

В системах из WO 2012/016285 и WO 2013/023248 предусмотрено применение импульсных регуляторов в каждом модуле. Используя сигнал ШИМ, импульсные регуляторы обеспечивают плавное повышение напряжения до максимального значения и плавное понижение его от этого значения таким образом, чтобы выходной сигнал больше походил на требуемый сигнал переменного тока, а цепи шунтирования в описанных системах снижают потери энергии при отсутствии импульсного регулирования.

Одним из недостатков упомянутых систем является сложность схемы коммутации, а также сниженная надежность и более высокая стоимость оборудования, что обусловлено наличием импульсных регуляторов в каждом модуле либо упомянутого корректора формы напряжения.

Согласно одному аспекту настоящего изобретения реализована система, конструкция которой нацелена на снижение сложности и, как результат, на решение проблемы надежности и стоимости.

Еще один недостаток упомянутых систем относится к электромагнитной совместимости (ЭМС) системы при коммутации источников питания, например, панелей. При сокращении использования импульсных регуляторов в каждом из модулей возможно ухудшение ЭМС. При использовании более длинных цепей коммутируемых панелей, работающих на один общий корректор напряжения, ухудшение ЭМС уже может создавать проблемы.

Еще один потенциальный недостаток упомянутых систем связан с их работой при выбросах или всплесках напряжения в электрической сети. В общем случае, напряжение в сети 240 В переменного тока может превышать номинальное значение на 20%, т.е. выбросы могут достигать 290 В. Резонно ожидать, что накопительные устройства в системах такого типа обеспечивают формирование формы сигнала с напряжением, кратковременно достигающим 290 В, поскольку токи коммутационных помех при превышении этого напряжения легко поглощаются. Однако, ввиду низкого импеданса электрической сети и крайне низкого импеданса коммутируемых последовательно соединенных накопительных устройств, выбросы более высокого напряжения могут создавать разрушающе высокие токи в накопительных устройствах.

Желательно также иметь дешевую и эффективную систему, способную выдерживать без повреждений короткие замыкания во внешней электрической сети, приводящие к перегоранию предохранителей и последующим выбросам высокого напряжения.

Далее, в таких системах источники постоянного тока зачастую отличаются по характеристикам от модуля к модулю. Например, в случае солнечных панелей, образующих источники питания постоянного тока, выходные параметры могут зависеть от затенения, типа панели, ориентации панели, возраста панели и других факторов. Поскольку модули соединены последовательно, выходные токи всех модулей одинаковы, но их напряжения могут сильно отличаться.

Настоящее изобретение относится к усовершенствованным системе и способу, обеспечивающим преобразование энергии постоянного тока в энергию переменного тока, и направлено на устранение, хотя бы частично, указанных выше недостатков.

Раскрытие изобретения

В соответствии с одним аспектом настоящего изобретения реализована система для преобразования энергии, содержащая:

множество модулей, каждый из которых имеет вход и выход, соединенных последовательно таким образом, что выход любого модуля соединен с входом последующего модуля, по меньшей мере один из модулей соединен с, по меньшей мере, одним источником питания постоянного тока, подающим энергию к модулю;

одно или несколько накопительных устройств, соединенных с этим источником питания постоянного тока таким образом, что этот источник питания заряжает накопительные устройства;

схему управления напряжением в каждом модуле, способную коммутировать накопительное устройство между входом и выходом для обеспечения максимального напряжения модуля и минимального напряжения модуля;

блок компенсатора, имеющий вход и выход, соединенный последовательно с модулями, содержащий накопительное устройство, заряжаемое сквозным током в системе, и схему управления напряжением компенсатора для изменения напряжения между входом и выходом компенсатора;

блок управления, соединенный со схемой управления напряжением каждого из модулей и блока компенсатора для регулирования напряжения между их входами и выходами;

при этом, когда блок управления воздействует на схему управления напряжением модуля для изменения напряжения, выдаваемого модулем, блок управления через схему управления напряжением компенсатора обеспечивает соответствующее, но противоположное изменение напряжения, выдаваемого блоком компенсатора, а между такими изменениями блок управления производит плавное повышение или понижение напряжения между входом и выходом блока компенсатора для получения требуемого сигнала.

Предпочтительно, блок управления воздействует на схему управления напряжением каждого из модулей таким образом, что сквозной ток системы поддерживает уровень заряда в накопительном устройстве компенсатора.

Предпочтительно, схема управления напряжением содержит коммутационные устройства, соединенные таким образом, чтобы обеспечить коммутацию источника питания для обеспечения напряжения между входом и выходом в первой полярности или во второй полярности, либо для шунтирования модуля.

Предпочтительно, блок управления получает информацию от каждого из модулей таким образом, что блок управления может определять заряд в каждом из накопительных устройств и, следовательно, максимальное и минимальное напряжения, доступные для выдачи в систему посредством включения или выключения каждого из модулей.

В предпочтительном варианте осуществления блок управления отслеживает и сохраняет информацию о емкости накопительных устройств в модулях и скорости заряда для обеспечения возможности определения блоком управления количества энергии, запасенной в каждом модуле, во времени на основе информации о том, какие модули включены последовательно в любой момент протекания сквозного тока.

Предпочтительно, блок управления через регулярные промежутки времени получает от каждого из модулей сообщения о хранящемся заряде для коррекции ошибок при расчете хранящегося заряда во времени.

В предпочтительном варианте осуществления для плавного повышения или понижения напряжения, выдаваемого блоком компенсатора, используется широтно-импульсная модуляция.

В одном варианте осуществления блок управления соединен с линией управления, по которой информация для управления работой коммутационных устройств передается каждому из модулей.

В другом варианте осуществления для передачи информации блоку управления или от него используется беспроводная связь.

Предпочтительно, один или несколько модулей оснащены схемой управления скоростью изменения напряжения, обеспечивающей сглаживание выходного напряжения модуля при его изменении между максимальным и минимальным выдаваемыми напряжениями.

Предпочтительно, схема управления скоростью изменения напряжения обеспечивает сглаживание при изменениях напряжения, обусловленных включением и выключением накопительных устройств последовательного соединенных модулей, со скоростью изменения напряжения, обеспечивающей компромисс между ЭМС, ухудшающейся при быстром переключении, и потерями энергии, связанными с медленным переключением.

В предпочтительном варианте осуществления схема управления скоростью изменения напряжения обеспечивает изменение напряжения, выдаваемого модулем, между максимальным и минимальным значениями за время от 100 не до 10 мкс.

В предпочтительном варианте осуществления схема управления скоростью изменения напряжения обеспечивает изменение напряжения, выдаваемого модулем, между максимальным и минимальным значениями за время приблизительно 1 мкс.

В предпочтительном варианте осуществления каждый из модулей содержит последовательно соединенный дроссель и параллельно соединенный резистор, предназначенные для уменьшения помех, возникающих при коммутации модуля.

Предпочтительно, на каждом из концов цепи последовательно соединенных модулей предусмотрены дополнительные последовательно соединенный дроссель и параллельно соединенный резистор для дальнейшего уменьшения проблем, связанных с ЭМС.

Предпочтительно, последовательно соединенные дроссели и параллельно соединенные резисторы на концах цепи последовательно соединенных модулей имеют величины индуктивности и/или сопротивления, не менее чем троекратно превышающие величины индуктивности и/или сопротивления дросселей и резисторов, предусмотренных в модулях.

В соответствии со вторым аспектом настоящего изобретения реализована система для преобразования электрической энергии, содержащая:

множество модулей, каждый из которых имеет вход и выход, соединенных последовательно таким образом, что выход любого модуля соединен с входом последующего модуля, по меньшей мере один из модулей соединен с, по меньшей мере, одним источником питания постоянного тока, подающим энергию к модулю;

одно или несколько накопительных устройств, соединенных с источником питания каждого модуля таким образом, что этот источник питания заряжает накопительные устройства;

схему управления напряжением в каждом модуле, способную коммутировать накопительное устройство между входом и выходом для обеспечения максимального напряжения модуля и минимального напряжения модуля;

блок управления, соединенный со схемой управления напряжением каждого из модулей для управления напряжением между их входами и выходами;

одну или несколько рассеивающих цепей, содержащих рассеивающее устройство, соединенное параллельно с электронным ключом;

один или несколько датчиков для обнаружения превышения тока или перенапряжения;

при этом электронный ключ в рассеивающей цепи размыкается при обнаружении датчиком превышения тока или перенапряжения для рассеивания энергии в рассеивающем устройстве.

В одном из вариантов осуществления рассеивающее устройство содержит металлооксидный варистор, а электронный ключ содержит один или несколько полевых транзисторов.

Предпочтительно, металлооксидный варистор выбран таким образом, чтобы падение напряжения на металлооксидном варисторе было меньше максимально допустимого напряжения полевого транзистора.

В одном из вариантов осуществления рассеивающие цепи и датчики предусмотрены в каждом из модулей.

Предпочтительно, датчики способны определять несколько уровней и активировать рассеивающую цепь либо немедленно, либо с задержкой, в зависимости от обнаруженного уровня; при этом датчики каждого из модулей способны обнаруживать первый уровень, при котором рассеивающая цепь активируется с заранее определенным временем задержки после обнаружения первого уровня, и второй уровень, более высокий, чем первый уровень перегрузки по току, при котором рассеивающая цепь активируется без задержки.

В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения реализован способ преобразования энергии, включающий в себя:

управление множеством включенных последовательно модулей, по меньшей мере некоторые из которых содержат источник питания постоянного тока и накопительное устройство, заряжаемое источником питания, таким образом, что накопительные устройства модулей коммутируются в последовательную цепь, обеспечивая максимальное напряжение модуля и минимальное напряжение модуля;

зарядку накопительного устройства в блоке компенсатора, соединенного последовательно с модулями;

обеспечение посредством блока компенсатора соответствующего, но противоположного изменения напряжения при воздействии блока управления на схему управления напряжением модуля для изменения напряжения, выдаваемого модулем; и

между этими изменениями - плавное повышение или понижение напряжения между входом и выходом блока компенсатора для выдачи требуемого сигнала.

Предпочтительно, блок управления воздействует на схему управления напряжением каждого из модулей таким образом, что сквозной ток системы поддерживает уровень заряда в накопительном устройстве компенсатора.

Предпочтительно, источники питания в модулях коммутируются таким образом, чтобы обеспечить напряжение между входом и выходом в первой полярности или во второй полярности, либо чтобы обеспечить шунтирование модуля.

Предпочтительно, блок управления получает от каждого из модулей информацию об уровне заряда в каждом из накопительных устройств и, следовательно, определяет максимальное и минимальное напряжения, доступные для подачи в систему путем включения или выключения каждого из модулей.

В предпочтительном варианте осуществления блок управления отслеживает и сохраняет информацию о емкости накопительных устройств в модулях и о скоростях заряда таким образом, что блок управления способен определять количество энергии, хранящейся в каждом модуле, во времени на основе данных о том, какие модули включены в последовательную цепь в любой момент протекания сквозного тока.

Предпочтительно, блок управления через регулярные промежутки времени получает от каждого из модулей сообщения о хранящемся заряде для коррекции ошибок при расчете хранящегося заряда во времени.

Предпочтительно, для плавного повышения или понижения напряжения, выдаваемого блоком компенсатора, используется широтно-импульсная модуляция.

В одном варианте осуществления блок управления по линии управления передает информацию каждому из модулей для управления работой коммутационных устройств.

В другом варианте осуществления для пересылки информации блоку управления или из него используется беспроводная связь.

В предпочтительном варианте осуществления один или несколько модулей сглаживают выходное напряжение модуля при изменении между максимальным и минимальным выдаваемыми напряжениями.

Предпочтительно, изменения напряжения, обусловленные включением и выключением последовательно соединенных накопительных устройств, сглаживаются при скорости изменения напряжения, обеспечивающей компромисс между ЭМС, ухудшающейся при быстром переключении, и потерями энергии, связанных с медленным переключением.

Предпочтительно, напряжение, выдаваемое модулем, изменяется между максимальным и минимальным значениями за время от 10 мкс до 100 не.

Предпочтительно, напряжение, выдаваемое модулем, изменяется между максимальным и минимальным значениями за время приблизительно 1 мкс.

Краткое описание чертежей

Далее настоящее изобретение описано на примерах со ссылками на следующие чертежи:

фиг. 1 - блок-схема части системы преобразования энергии в соответствии с настоящим изобретением;

фиг. 2 - график, иллюстрирующий коммутацию блока компенсатора и модулей в настоящем изобретении;

фиг. 3 - вариант схемы блока компенсатора в соответствии с настоящим изобретением;

фиг. 4А - схема управления скоростью изменения напряжения, иллюстрирующая функциональные аспекты схемы;

фиг. 4Б - вариант схемы управления скоростью изменения напряжения для одного из модулей системы;

фиг. 5 - вариант цепи защиты в настоящем изобретении;

фиг. 6 - второй вариант схемы блока компенсатора в соответствии с настоящим изобретением;

фиг. 7 - третий вариант схемы блока компенсатора в соответствии с настоящим изобретением;

фиг. 8А - четвертый вариант схемы блока компенсатора в соответствии с настоящим изобретением;

фиг. 8Б - пятый вариант схемы блока компенсатора в соответствии с настоящим изобретением.

Осуществление изобретения

Система 10 преобразования энергии в целом подобна системе, описанной в более ранних международных патентных заявках WO 2012/016285 и WO 2013/023248 этого заявителя. На фиг. 1 приведена блок-схема, представляющая основные элементы системы 10.

Система 10 преобразования энергии содержит множество модулей 14, каждый из которых соединен с, по меньшей мере, одним источником питания. Источниками питания могут быть, например, панели солнечных элементов или батареи.

Каждый из модулей 14 также оснащен накопительным устройством 18 и подключен к выводам источника питания. Накопительные устройства 18 могут представлять собой электролитические конденсаторы или батареи, способные эффективно и надежно обеспечивать импульсный ток. Накопительные устройства 18 запасают заряд от источника питания, так что когда модуль 14 выключен, энергия, генерируемая источником питания, по-прежнему запасается в накопительном устройстве 18 для дальнейшего использования. Накопительные устройства 18 могут быть отделены от источника питания, либо могут являться его частью.

Каждый из этих модулей 14 имеет вход и выход. Напряжение постоянного тока от накопительного устройства 18 может выдаваться между входом и выходом модуля, а сами модули 14 соединяются последовательно таким образом, что выход каждого модуля 14 подключен ко входу последующего модуля 14. Таким образом, система 10 преобразования энергии имеет вход системы и выход системы, обеспечивающие напряжение последовательно соединенных модулей 14, то есть сумму всех напряжений между входами и выходами всех модулей 14.

Каждый из модулей 14 содержит схему управления напряжением для изменения напряжения между входом и выходом модуля 14. Эта схема управления напряжением может изменять напряжение между входом и выходом модуля между максимальным напряжением модуля и минимальным напряжением модуля. Схема управления напряжением может содержать коммутационные устройства, как описано в более ранних патентных заявках этого заявителя, упомянутых выше. Коммутационные устройства соединены таким образом, что накопительное устройство 18 может быть скоммутировано для выдачи напряжения между входом и выходом в первой полярности, либо для выдачи напряжения между входом и выходом во второй полярности, либо для его шунтирования. Следовательно, в данном варианте осуществления максимальное напряжение модуля - это напряжение накопительного устройства, а минимальное напряжение модуля - это напряжение накопительного устройства в обратной полярности.

В общем случае, когда напряжение электрической сети возрастает в положительной части его периода, модули 14 коммутируются из выключенного состояния в состояние, при котором накопительное устройство 18 подключено в первой (положительной) полярности для увеличения выходного напряжения системы, следуя сигналу электрической сети. Когда напряжение электрической сети снижается в положительной части его периода, модули 14 переключаются в режим шунтирования для снижения общего напряжения системы, следуя сигналу электрической сети. То же самое происходит в отрицательной части периода напряжения электрической сети, при этом модули 14 коммутируются таким образом, что напряжение выдается во второй (отрицательной) полярности, следуя за сигналом электрической сети. Как описано в вышеупомянутых более ранних патентных заявках этого заявителя, в альтернативном варианте модули 14 могут формировать сигнал выпрямленного переменного тока.

Система 10 преобразования энергии оснащена блоком управления (не показан) для управления работой коммутационных устройств. Блок управления соединен с линией управления, по которой каждому из модулей 14 передается информация для управления работой коммутационных устройств. Для передачи информации блоку управления и от него возможно применение беспроводной связи.

Блок управления связан с электрической сетью, получая информацию о фазном напряжении и токе сигнала электрической сети, и управляет модулями таким образом, что напряжение переменного тока в системе совпадает по фазе с напряжением в электрической сети, а ток управляется таким образом, что он пригоден для подачи в электрическую сеть.

Система 10 также содержит блок 20 компенсатора, соединенный последовательно с модулями 14. Блок 20 компенсатора также содержит накопительное устройство 18 и схему 21 управления напряжением компенсатора. Накопительное устройство 18 заряжается от источников питания системы 10 и последовательно с модулями 14 обеспечивает напряжение через схему 21 управления напряжением компенсатора, управляемую блоком управления.

Блок управления связан с каждым из модулей 14 и с блоком 20 компенсатора. Блок управления получает информацию от каждого из модулей 14 и способен определять заряд в каждом из накопительных устройств 18 и, следовательно, максимальное и минимальное напряжения, доступные для выдачи в систему 10 путем включения и выключения каждого из модулей 14. Блок управления отслеживает и сохраняет информацию о емкости накопительных устройств в модулях 14 и в блоке 20 компенсатора, а также о скорости их зарядки. Поскольку блок управления располагает информацией о том, какие модули 14 включены в последовательную цепь в любой момент времени, а также отслеживает сквозной ток, он способен определять во времени количество энергии, запасенной в каждом из модулей. Кроме того, блок управления с регулярным интервалом также получает от модулей 14 и от блока 20 компенсатора информацию о хранящемся заряде для коррекции ошибок при расчете во времени хранящегося заряда.

Блок управления воздействует на схему управления напряжением каждого из модулей 14 для переключения их между состояниями максимального напряжения, минимального напряжения или нулевого напряжения, с целью формирования ступенчатой аппроксимации сигнала переменного тока. Сглаженный сигнал переменного тока обеспечивается действием блока 20 компенсатора. В то время, как каждый из модулей 14 выдает максимальное, минимальное или нулевое напряжение, схема 21 управления напряжением компенсатора обеспечивает плавное повышение или понижение напряжения, выдаваемого блоком 20 компенсатора. Скорость, с которой происходит плавное изменение напряжения, такова, чтобы следовать скорости изменения требуемого сигнала переменного тока. Плавное повышение или понижение напряжения, выдаваемого блоком 20 компенсатора, может выполняться посредством ШИМ, как это описано в более ранних патентных заявках этого заявителя.

Блок управления контролирует работу блока 20 компенсатора, по мере того, как каждый из модулей 14 включается в последовательную цепь или выключается из нее. В частности, когда любой из модулей 14 переключается из нулевого напряжения в максимальное или минимальное напряжение, либо наоборот, схема 21 управления напряжением компенсатора в блоке 20 компенсатора выполняет соответствующее, но противоположное изменение уровня напряжения, выдаваемого блоком 20 компенсатора. Например, если блок управления включает модуль 14 в последовательную цепь из состояния нулевого напряжения таким образом, что модуль 14 выдает 40 В, то напряжение, выдаваемое блоком 20 компенсатора, смещается на -40 В, поэтому общее напряжение последовательной цепи сохраняется относительно постоянным. Блок 20 компенсатора далее продолжает плавно повышать напряжение, как и до этого.

На фиг. 2 проиллюстрирована работа двух модулей 14, включенных в последовательную цепь. Первоначально блок 20 компенсатора выдает в систему напряжение «V_c», которое плавно повышается в соответствии с сигналом электрической сети. В момент времени Ti первый модуль 14 включается в последовательную цепь модулей, добавляя напряжение «V_ml» к общему напряжению. Одновременно с этим напряжение «V_c», выдаваемое компенсатором, уменьшается на то же значение «V_ml». Напряжение, выдаваемое блоком 20 компенсатора, далее продолжает плавно повышаться, соответствуя сигналу электрической сети. В момент времени Т₂ следующий модуль 14 включается в последовательную цепь, а блок 20 компенсатора вновь уменьшает выдаваемое напряжение «V_с» на соответствующую величину.

Когда сигнал электрической сети уменьшается, происходит обратный процесс. Модули 14 выключаются из последовательной цепи, уменьшая общее напряжение, создаваемое модулями 14. Блок 20 компенсатора увеличивает напряжение «V_с», которое он выдает, обеспечивая следование общего выдаваемого напряжения за уменьшающимся сигналом электрической сети.

На фиг. 3 приведен пример схемы блока компенсатора в соответствии с настоящим изобретением. Блок 20 компенсатора управляется блоком управления и получает команды, задающие шаговое или плавное изменение напряжения. Блок управления может быть частью блока 20 компенсатора. Блок управления «знает», как и когда коммутировать последовательно соединенные модули, а также то, в каком направлении они будут переключаться, следуя, в ступенчатом виде, форме напряжения электрической сети. Блок 20 компенсатора управляется таким образом, что он корректирует разницу между сигналом электрической сети и напряжением на цепи последовательно соединенных модулей 14. Иными словами, если модуль 14 в предписанное время переключается «вперед», то одновременно компенсатор получает команду переключения в обратном направлении. Если ожидается нарастание напряжения электрической сети, то компенсатор получает команду на плавное повышение напряжения. Это делается для поддержания напряжения на последовательно соединенных модулях 14 и блоке 20 компенсатора равным напряжению электрической сети.

Для выдачи энергии в электрическую сеть напряжение сети подается непосредственно на последовательно соединенные модули 14 с блоком компенсатора, также включенным последовательно. При автономной работе желательна синусоидальная форма напряжения переменного тока в электрической сети. Блок 20 компенсатора обеспечивает компенсацию разницы напряжения между ступенчатым сигналом, создаваемым коммутацией последовательно соединенных модулей 14, и требуемой синусоидальной формой.

Как видно из фиг. 3, электролитические конденсаторы С1 образуют накопительное устройство блока 20 компенсатора. Коммутационные устройства Q1 и Q2 управляют уровнем напряжения, с которым накопительные устройства включаются в цепь. Ключевые устройства Q7 и Q8 обеспечивают функцию широтно-импульсной модуляции (ШИМ) для выполнения плавного повышения или понижения напряжения, выдаваемого в систему 10 между переключениями модулей 14. Коммутационные устройства Q3 и Q4 также обеспечивают ШИМ для управления уровнем напряжения в точке В с целью контроля величины шагового изменения напряжения, а коммутационные устройства Q5 и Q6 обеспечивают функцию шагового изменения для управления шаговым повышением или понижением напряжения блока 20 компенсатора для компенсации изменений напряжения при включении модулей 14 в последовательную цепь или исключении из нее.

Как видно из фиг. 3, положительный шаг означает шаговое повышение напряжения в точке С, или шаговое понижение напряжения в точке А, либо выполнение обоих действий одновременно. При отрицательном шаге напряжение в точке С снижается на величину шага, либо напряжение в точке А повышается на величину шага, либо оба действия происходят одновременно. Напряжение измеряется относительно потенциала отрицательной обкладки конденсатора С1.

Блок 20 компенсатора управляется блоком управления для обеспечения ряда функций. Прежде всего, блок 20 компенсатора компенсирует ступенчатые изменения напряжения при включении и выключении модулей 14. Блок 20 компенсатора следует различию между формой напряжения электрической сети и формой напряжения на последовательно соединенных модулях. Блок 20 компенсатора также компенсирует изменения напряжения в последовательной цепи от накопительных устройств 18, когда сквозные токи заряжают или разряжают их, и когда накопительные устройства 18 в модулях 14 заряжаются от источников питания. Кроме того, блок 20 компенсатора немедленно корректирует изменения тока, происходящие в результате шагов, и локально регулирует собственное напряжение в последовательной цепи для управления током через систему 10.

Некоторые из этих функций являются упреждающими в том смысле, что блоку управления известно, когда модули 14 будут переключаться, известно падение напряжения на конденсаторах во времени и плавные изменения, связанные с модулями 14, когда зарядка и токи через систему 10 изменяют заряд, накопленный в накопительных устройствах 18 модулей 14. Время от времени напряжение компенсатора упреждающе регулируется в направлении, противоположном изменениям суммарного напряжения последовательно соединенных модулей 14.

Функция плавного изменения напряжения для следования сигналу электрической сети выполняется при автономной работе или при подаче питания перед замыканием реле, подключающего сигнал электрической сети.

Блок 20 компенсатора первоначально питается извне, но переходит на питание от контура путем коммутации в цепи в прямом или обратном направлении при протекании тока в системе. Во время автономной работы желательно сохранять питание от контура. Ток, достаточный для питания компенсатора от контура при последовательном соединении, обеспечивается конденсаторами С5 и С6, рассчитанными на сетевое напряжение. При отсутствии нагрузки блок управления управляет модулями таким образом, чтобы обеспечить питание компенсатора, отключенного от фазного напряжения, напряжением, выдаваемым таким образом, что компенсатор заряжается реактивным током конденсаторов, рассчитанных на сетевое напряжение.

Другие функции являются реагирующими. Блок 20 компенсатора постоянно отслеживает напряжение на дросселе L1, в особенности немедленно после ступенчатой коммутации, и управляет напряжением в точке С (ШИМ-регулированием ключей Q7/Q8) таким образом, чтобы быстро корректировать ошибки, связанные с коммутацией (различия во времени и величине ступени у коммутируемых модулей и компенсатора - примеры того, что может приводить к этим ошибкам). Кроме того, блок 20 компенсатора отслеживает ток через систему с использованием резистивного или магнитного датчика тока (не показан) и повышает или понижает напряжение в точке С (ШИМ-регулированием ключей Q7/Q8) с целью изменения тока через систему.

Блок 20 компенсатора способен обеспечить величину шага от нуля до двукратного напряжения на конденсаторе СТ. Блок способен изменять напряжение с почти полного отрицательного напряжения на конденсаторе С1 до почти полного положительного напряжения на конденсаторе С1. В крайних точках скорость изменения напряжения ограничивается ШИМ, достигающей 0% или 100%. Компенсатор способен плавно изменять напряжение в диапазоне почти ±200% диапазона, обеспечиваемого ШИМ. Компенсатор увеличивает напряжение до 200% плавным повышением от 0 до 100% при высоком напряжении в точке A (Q1 открыт), а затем ступенчато возвращается к 0%, когда напряжение в точке А устанавливается низким (Q1 закрывается, a Q2 открывается), и далее вновь плавно повышается до 100%. Обратный шаг к 0% необходимо сначала подготовить и лишь затем выполнить. Напряжение в точке соединения ключей Q5, Q6 известно контроллеру. Для подготовки шага, при высоком напряжении в точке А и прежде чем ШИМ достигает 100%, напряжение шага в точке В плавно изменяется до напряжения в точке соединения ключей Q5, Q6, и Q5 открывается, соединяя конденсатор С4 с точкой В. Когда ШИМ достигает 100%, она ступенчато изменяется до 0%, а напряжение на левой обкладке конденсатора С4 ступенчато снижается закрыванием ключа Q5 и открыванием ключа Q6. При снижении напряжения на 200% все происходит в обратном порядке.

Дроссель L1 блока 20 компенсатора препятствует изменению тока, когда блок 20 компенсатора корректирует шаговое изменение. R1 выбирается равным характеристическому сопротивлению типичной системы с последовательным соединением для оптимального поглощения энергии при мгновенном изменении напряжения. Блок 20 компенсатора с упреждением предотвращает изменение тока при коммутации панели, точно управляя временем ее коммутации. Коммутация с шагом 60 В на 100 не раньше или позже при L1=10 мкГн обеспечивает регулировку приблизительно на ±600 мА мгновенного изменения тока.

Блок 20 компенсатора оперативно корректирует изменения тока, вызываемые шагом напряжения, тремя способами. Во-первых, блок 20 компенсатора отслеживает напряжения в точках С и D до и после коммутации и управляет напряжением в точке С таким образом, чтобы быстро корректировать возникающие ошибки коммутации. Важно, что корректировка ошибок коммутации включает в себя также упреждающее мгновенное изменение напряжения в большей степени, чем это требуется для устранения разности напряжений между точками С и D. Мгновенное управление напряжением, кроме того, способствует реверсированию эффекта коммутационной ошибки. Во-вторых, блок 20 компенсатора отслеживает изменения тока и быстро реагирует на внезапные изменения тока, регулируя свое напряжение в точке С с целью противодействия изменениям тока. В-третьих, блок 20 компенсатора регистрирует предыдущие изменения тока и регулирует время последующих коммутаций (в отношении ключей) для сведения к минимуму вызываемого ими ступенчатого изменения тока.

Конденсатор С5 противодействует мгновенным изменениям напряжения и позволяет блоку 20 компенсатора корректировать ошибки коммутации прежде, чем воздействие ошибки скажется через синфазный дроссель Т1 на электрической сети. Синфазный дроссель Т1 предусмотрен в схеме для предотвращения попадания в электрическую сеть недопустимых синфазных импульсов при ступенчатой коммутации. Синфазный дроссель Т1 и конденсаторы С5 и С6 способствуют предотвращению попадания в электрическую сеть недопустимых разностных напряжений.

При управлении напряжением в точке В для установки ступени напряжения следует принимать во внимание ряд факторов. Во-первых, желательно плавно изменять напряжение в точке В, обеспечиваемое блоком 20 компенсатора, для подготовки к ступенчатым изменениям напряжения, используя минимально возможное количество энергии. Эффективность повышается выключением верхнего полевого транзистора Q3 и нижнего полевого транзистора Q4. Эффективность также повышается начальным и конечным импульсами напряжения благодаря устранению ненужных циклов ШИМ.

Кроме того, плавное изменение должно быть относительно быстрым в течение определенных периодов времени, например, при высокой скорости изменения напряжения сети, поскольку шаговое изменение напряжения необходимо быстро подготавливать для последующих шагов. При быстром изменении устранение звона при переходе от одного напряжения к другому обеспечивается, следуя приподнятой косинусоидальной кривой (приподнятые косинусоиды известны из функции окна в БПФ). Предпочтительная альтернатива приподнятой косинусоиде - сначала обеспечить протекание тока подачей импульса напряжения на дроссель, при этом общая длительность импульса обычно превышает период ШИМ-регулирования. Длительность импульса рассчитывается, исходя из требуемой скорости изменения, и зависит от напряжения и величин емкостей С2, С3 и индуктивности L2. После первоначального импульса ШИМ плавно изменяется более или менее линейно для соответствия скорости изменения напряжения и в конце подается импульс противоположной полярности для прекращения протекания тока. Импульс противоположной полярности имеет длительность несколько меньше длительности первоначального импульса, чтобы обеспечить прекращение плавного изменения напряжения за возможно меньшее время без инверсии. Блок управления считывает напряжение после завершения плавного изменения напряжения и может произвести последующие небольшие шаговые изменения для того, чтобы напряжение в точке В было более точным или соответствующим последующему шаговому изменению. Далее упомянутое измененное напряжение в точке В воздействует на напряжение в точке С при открытом ключе Q5. Компенсатор снижает это влияние изменением с меньшей скоростью и/или корректировкой посредством ШИМ с помощью ключей Q7 и Q8.

Накопительное устройство С1 компенсатора разряжается, когда блок 20 компенсатора включен в последовательную цепь в прямом направлении (по направлению протекания тока) и заряжается, когда он включен в обратном направлении (против направления протекания тока).

Блок управления так контролирует схему управления напряжением в каждом из модулей 14, что сквозной ток системы поддерживает заряд накопительного устройства 18 блока 20 компенсатора. В общем случае, блок управления обеспечивает обратное включение блока 20 компенсатора в последовательную цепь раньше и оставляет его включенным дольше для увеличения его заряда и действует обратным образом для уменьшения уровня заряда. Блок управления управляет целевым напряжением переменного тока, вызывая коммутацию модулей для следования сигналу электрической сети; для увеличения среднего времени, в течение которого компенсатор включен в обратном направлении, блок управления увеличивает это целевое напряжение переменного тока.

Блок управления управляет системой таким образом, что накопительное устройство 18 блока 20 компенсатора поддерживает уровень запаса. Уровень запаса представляет собой уровень напряжения сверх максимального уровня напряжения, при котором модуль 14 может быть включен в систему. Уровень запаса предусмотрен для того, чтобы блок 20 компенсатора мог компенсировать увеличение напряжения при выбросах или всплесках напряжения в электрической сети. Когда запас компенсатора исчерпан, блок управления может переключиться на модуль с более высоким напряжением вместо добавления еще одного модуля. Для такого переключения панели компенсатор сначала настраивается на выполнение небольшого шага (величина шага равна разности напряжений двух панелей), а затем два модуля одновременно переключаются, в то время как компенсатор компенсирует этот небольшой шаг.

Блок 20 компенсатора плавно уменьшает ШИМ ключей Q7, Q8 - через среднюю точку при 0% с открытым ключом Q2 до 100% с открытым ключом Q1 - посредством одновременного выполнения полного положительного шага от ключа Q5 к ключу Q6. Величину шага необходимо установить равной 100% для полной компенсации до 100%. Если величина шага меньше 100%, например, когда блок 20 компенсатора производит компенсацию при коммутации модуля 14, блок управления обеспечивает, чтобы шаг блока 20 компенсатора не заканчивался и не начинался вблизи его средней точки. Это необходимо ввиду того, что для перенастройки шаговых напряжений от шага, необходимого для коммутации модуля, до 100% и наоборот, требуется определенное время.

На фиг. 6 показан альтернативный вариант осуществления блока 20 компенсатора, в котором устраняется это ограничение на коммутацию вблизи средней точки. В этом варианте осуществления нет коммутации с левой стороны, вместо этого используется более высокое полное напряжение, а точка А соединена с общей точкой конденсаторов С1а, Сlb. В этой схеме ключами Q5, Q6 реализовано управление изменением напряжения. Для улучшения ЭМС в таком варианте осуществления изменение напряжения посредством ключей Q5, Q6 обеспечивается в общем случае равным и противоположным изменениям напряжения модулей 14. Для перераспределения заряда между конденсаторами С1а и C1b может быть использован отдельный импульсный регулятор (не показан). В данном же варианте осуществления заряд перераспределяется между конденсаторами С1а и C1b применением импульсного регулятора, содержащего ключи Q3, Q4 и дроссель L2. Он действует при включении ключей Q9a, Q9b для соединения импульсного регулятора с точкой А. Если для выполнения шага не требуется шаговое напряжение в точке В, то напряжение в точке В устанавливается равным напряжению в точке А. Далее ключи Q9a и Q9b открываются, обеспечивая протекание тока и перераспределение заряда между конденсаторами С1а и Сlb. Общий заряд конденсаторов C1a, C1b увеличивается блоком управления, включающим блок 20 компенсатора в цепь для получения энергии в то время, когда напряжение в точке С отлично от напряжения в точке А. Блок управления заряжает блок 20 компенсатора, удерживая его включенным в цепь со средним постоянным током, и перераспределяет заряд между конденсаторами С1а и C1b путем открывания ключей Q9a, Q9b, как описано выше.

Ключи с Q20 по Q23 с конденсатором С20 на фиг. 6 образуют реверсивный шаговый генератор. Его можно использовать в последовательном включении в любом варианте осуществления блока 20 компенсатора для снижения наполовину требуемых коммутируемых напряжений и соответствующих компенсирующих изменений напряжения. Реверсивный шаговый генератор шунтируется открыванием ключей Q21, Q23. Во включенном состоянии шаговый генератор увеличивает вдвое число шагов блока 20 компенсатора, но существенно повышает эффективность, снижая рабочее напряжение блока 20 компенсатора почти наполовину. Блок управления управляет напряжением на конденсаторе С20. Это напряжение повышается включением его в цепь в обратном направлении и снижается включением его противоположным образом. Блок управления заряжает конденсатор С20 до напряжения приблизительно равного 25% максимальной величины шага модулей 14. При выполнении большого шага для компенсации включения модуля с высоким напряжением блок управления обеспечивает смену полярности включения конденсатора С20, переключая ключи с Q20 по Q23, одновременно с выполнением блоком 20 компенсатора своего шага путем переключения ключей Q5, Q6. Для обеспечения готовности к следующему большому шагу блок 20 компенсатора плавно изменяет напряжение и производит шаг той же величины, что и шаговый генератор, но в направлении, противоположном этому изменению, в то время как реверсивный шаговый генератор также «реверсирует» свой последний шаг. Блок 20 компенсатора далее продолжает выполнять плавное изменение.

На фиг. 7 показана еще одна альтернативная схема блока 20 компенсатора, которая предусматривает два способа устранения ограничения на изменение напряжения вблизи средней точки в схеме фиг. 3. Первое отличие заключается в добавлении ключей Q10a, Q10b, обеспечивающих блоку управления альтернативные варианты шага. Во избежание шага, приводящего к ШИМ 0% (или 100%), блок управления дает команду блоку 20 компенсатора на выполнение частичных шагов путем подключения к средней точке конденсаторов C1a, C1b с дальнейшим плавным изменением напряжения во время настройки последующего шага, а затем - на шаговое изменение тем же образом, обычно в том же направлении. В общем случае, меньшие промежуточные шаги позволяют улучшить ЭМС и обеспечить более точное соответствие напряжения блока компенсатора напряжению модулей 14. Ключ Q9 представляет собой альтернативу использованию ключей Q10a, Q10b или может быть использован совместно с ними. Блок 20 компенсатора регулирует напряжение в точке В таким образом, чтобы оно оптимально соответствовало требуемому шагу после первого изменения для обеспечения соответствия напряжения в точке В напряжению в точке соединения ключей Q9, Q6, что позволяет включать ключи Q5a и Q5b для соединения конденсатора С4 с точкой В. Когда приходит время выполнения шага, блок управления выполняет положительный шаг, открывая ключ Q9, или отрицательный шаг, открывая ключ Q6. При такой схеме блок 20 компенсатора способен обеспечить плавное изменение напряжения в положительном либо в отрицательном направлении сразу за средней точкой за счет возможности выполнения последующего шага величиной 100%. Шаг величиной 100% выполняется переключением ключей Q9 и Q6 при одновременном переключении ключей Q1 и Q2.

На фиг. 8А показан блок компенсатора, полученный из реверсивного шагового генератора с регулируемым напряжением. Ключи Q34, Q35 с дросселями L30 и С30 образуют импульсный регулятор. Этот импульсный регулятор управляет напряжением на стоках ключей Q30 и Q32 и может плавно изменять напряжение от 0% до 100% или наоборот. Управление шагами и зарядом происходит аналогично управлению в реверсивном шаговом генераторе на фиг. 6. Блок компенсатора по этой схеме имеет те же характеристики в отношении плавного и шагового изменения, но проще в осуществлении при меньшей стоимости и более эффективен, чем блоки компенсатора на фиг. с 3 по 7.

Далее работа системы описана на примере. Сначала рассмотрим коммутацию ключей Q31, Q32 и установку импульсного регулятора на ключах Q34, Q35 в режим р%. Напряжение в точке С выше, чем напряжение в точке А, на величину напряжения на конденсатре С31×р%/100. Если имеется необходимость снижения напряжения от значения р% через 0% до значения q% в противоположном направлении, то это требует плавного снижения до 0% посредством ключей Q34, Q35, одновременного переключения ключей Q31, Q32 и Q30, Q33 и затем вновь плавного нарастания до q%. После достижения значения q% ключи Q30, Q33 переключаются одновременно с Q31, Q32, выполняя шаг. После выполнения шага полный цикл завершен. При работе блок управления выбирает значение q% таким образом, чтобы напряжение в точке А2 составляло половину напряжения коммутируемого модуля, а скорость плавного изменения выбирается по соответствию форме сигнала. В данном варианте осуществления ток, протекающий в системе от точки А до точки С, также протекает через дроссель L30 и реверсируется, когда ключи Q30, Q33 переключаются одновременно с ключами Q31, Q32. Реверсирование тока может вызвать недопустимые выбросы напряжения на конденсаторе С30 и звон напряжения в точке А2. На фиг. 8Б приведена схема для устранения этой проблемы.

На фиг. 8Б показан блок 20 компенсатора, полученный из реверсивного шагового генератора с регулируемым напряжением. Ключи с Q34 по Q39 действуют как двухполюсный переключатель, а блок управления меняет направление тока в дросселе одновременно с переключением ключей с Q30 по Q33. Это устраняет выбросы напряжения и связанный с этим звон на емкости С30. Схема на фиг. 8Б питается от внешнего источника, поскольку симметричный характер ее переключения при использовании в качестве блока 20 компенсатора не допускает ее питания от контура.

Два последовательно соединенных блока 20 компенсатора того вида, который показан на фиг. 8Б, хорошо подходят для цепей солнечных электростанций с напряжением 1000 В переменного тока и высокой скоростью изменения напряжения dV/dt. При наличии двух таких блоков высокая величина dV/dt при переходе переменного напряжения через 0 В распределяется между обоими блоками компенсатора, одновременно производящими изменение напряжения. Оба блока непосредственно связаны друг с другом и каждый из них управляет половиной цепи. При высокой скорости изменения напряжения каждый из них формирует свою часть формы сигнала переменного тока электрической сети с помощью цепи модулей, которыми он управляет. Два блока компенсатора работают совместно для выполнения небольших шагов с целью коррекции сдвоенных переключений панелей при возрастании напряжения на одной и убывании на другой, подготавливая небольшие шаги. Они поочередно регулируют свои уровни мощности, переключаясь в последовательной цепи на заряд или разряд. Блоки 20 компенсатора работают совместно для регулирования их уровней мощности. Они управляют своими уровнями мощности в то время, когда величина dV/dt оказывается ниже вблизи верхней и нижней точек формы сигнала.

Описанная система имеет меньшую сложность по сравнению с использованием импульсных регуляторов в каждом из модулей 14. Тем не менее, она обеспечивает возможность снижения электромагнитных помех при ступенчатом переключении модулей 14.

Для предотвращения ухудшения ЭМС, связанной с переключением, каждый из модулей 14 снабжен схемой управления скоростью изменения напряжения. Схема управления скоростью изменения напряжения служит для управления выходным напряжением модуля при его изменении между максимальным и минимальным напряжениями.

Схема управления скоростью изменения напряжения обеспечивает сглаживание напряжения, когда оно увеличивается и уменьшается в результате включения и выключения накопительных устройств 18 в последовательной цепи модулей 14. Скорость изменения напряжения определяется компромиссом между ухудшением ЭМС при быстром переключении и потерями энергии, сопутствующими медленному переключению. Схема управления скоростью изменения напряжения действует таким образом, что изменения напряжения, выдаваемого модулями 14, между максимальным и минимальным значениями происходят за время от 100 не до 10 мкс. Предпочтительным является время приблизительно 1 мкс.

На фиг. 4 приведен пример схемы одного из модулей 14, содержащего схему 40 управления скоростью изменения напряжения. Схема 40 управления скоростью изменения напряжения обеспечивает сглаживание, подавая ток в конденсаторы С1, ограничивающие скорость изменения напряжения. Этот ток является управляемым и регулируется для обеспечения заряда или разряда конденсаторов ключами Q1, при этом зарядный ток увеличивается токовыми зеркалами Q2 для обеспечения быстрого изменения и ток управления сглаживанием буферируется транзисторами Q3 для быстрой зарядки больших емкостей полевых транзисторов Q4. Местный контроллер постоянно подает значительный ток заряда в емкости при сглаживании и делает это достаточно долго, чтобы полностью открыть (или закрыть) полевые транзисторы Q4. После того, как полевые транзисторы Q4 полностью откроются (или закроются), местный контроллер подает импульсы на схему изменения напряжения, поддерживая ограничивающие конденсаторы С1 в заряженном или разряженном состоянии при достаточно низкой ШИМ, что значительно снижает нагрев и повышает эффективность.

Как видно из фиг. 4А, снижение напряжения верхним полевым транзистором производится путем удержания положительного потенциала на входе "Hi slew down" с последующим положительным импульсом на входе "Lo slew down". Повышение напряжения производится в обратной последовательности, путем удержания положительного потенциала на входе "Lo slew up" с последующим положительным импульсом на входе "Hi slew down".

Ток управления сглаживанием регулируется для подстройки скорости изменения напряжения и может регулироваться во время переходного процесса с целью дополнительного улучшения ЭМС путем смягчения переходов в начале и в конце изменения. Ток управления сглаживанием и, следовательно, скорость изменения напряжения, колеблется от шага к шагу, что позволяет распределить высокочастотные помехи по более широкому спектру. Кроме того, блок управления предотвращает переключение модулей через регулярные интервалы времени для улучшения ЭМС в низкочастотной области.

Для дальнейшего улучшения ЭМС каждый из модулей 14 содержит последовательно включенный дроссель и резистор, включенный параллельно дросселю, для уменьшения звона, потенциально возникающего при коммутации модулей 14. Еще один последовательно включенный дроссель и резистор, включенный параллельно дросселю, предусмотрены на одном или на обоих концах цепи последовательно соединенных модулей 14 для дополнительного улучшения ЭМС. Такие последовательные дроссели и параллельные резисторы на концах цепи последовательно соединенных модулей 14 имеют величины индуктивности и сопротивления, не менее чем троекратно превышающие величины индуктивности и сопротивления дросселей и резисторов, предусмотренных в модулях.

В одном из вариантов осуществления последовательный дроссель и параллельный резистор каждого модуля 14 имеют величины 470 нГн и 18 Ом, а последовательные дроссели и параллельные резисторы на концах цепи последовательно соединенных модулей 14 имеют величины 10 мкГн и 100 Ом. Они показаны в составе компенсатора как L1 и R1 и встроены в концевой соединитель (не показано).

Еще один вопрос, относящийся к настоящей системе 10, касается всплесков или выбросов напряжения в электрической сети, которые могут создать высокие токи в системе. Как видно из фиг. 5, система 10 содержит по меньшей мере одну рассеивающую цепь 30, способную работать со сквозным током модулей. Рассеивающая цепь 30 содержит рассеивающее устройство, включенное параллельно одному или нескольким электронным ключам. В представленном варианте осуществления электронные ключи содержат включенные встречно полевые транзисторы 32 с общими истоками, а рассеивающее устройство содержит металлооксидный варистор (MOB) 34. Рассеивающая цепь 30 защищает систему от выбросов напряжения, когда датчик, предусмотренный в системе 10, обнаруживает перенапряжение или превышение тока. Ключ включен последовательно с электрической сетью и закрывается путем установки напряжения между точками В и А равным 0 В для защиты системы от повреждения.

Когда система обнаруживает всплеск или выброс напряжения, электрический ключ 32 размыкается, так что ток протекает через MOB 34. MOB 34 выбирается таким образом, чтобы падение напряжения на MOB 34 при полном токе было меньше максимально допустимого напряжения ключа 32. Таким образом, MOB 34 защищает ключ 32 от повреждения и рассеивает энергию во время всплеска или выброса напряжения.

Рассеивающие цепи такого типа могут представлять собой часть цепей защиты в каждом из модулей 14, где цепи защиты содержат и другие средства защиты устройств в системе. Цепи защиты содержат также средства активации схемы 40 управления скоростью изменения напряжения с целью закрывания полевых транзисторов 35. Полевые транзисторы 35 закрываются быстро (с максимальной скоростью), так что ток в последовательной цепи, обусловленный всплеском или выбросом в электрической сети, поглощается накопительными устройствами 18. Местный контроллер отслеживает напряжение на накопительных устройствах 18 и предотвращает повреждение модуля чрезмерным напряжением, коммутируя нижние транзисторы 35 на 0 В и активируя режим шунтирования до того, как произойдет повреждение вследствие перенапряжения. Режим шунтирования длится до тех пор, пока местный контроллер не определит, что ток упал до уровня, не вызывающего повреждений, или до окончания периода напряжения электрической сети. Таким образом, менее заряженные модули продолжают поглощать энергию и, в общем случае, достаточное число модулей остаются вне режима шунтирования, подавляя выброс напряжения. Диоды 37 включены между защитным устройством 30 и шинами питания компенсатора для защиты соответствующей цепи коммутации.

Модули 14 содержат датчик тока, служащий для управления работой цепи защиты. Эти датчики способны определять несколько уровней перегрузки и обеспечивать срабатывание цепи защиты либо немедленно, либо с задержкой, в зависимости от обнаруженного уровня перегрузки. Датчики каждого из модулей 14 способны обнаруживать перегрузку первого уровня, при котором цепь защиты срабатывает с заранее определенным временем задержки после обнаружения перегрузки первого уровня. Датчики также способны обнаруживать перегрузку второго уровня, который выше первого, и при котором цепь защиты срабатывает без задержки.

В этом случае гарантируется, что если цепь защиты в одном из модулей сработала при перегрузке по току первого уровня, то предусмотренное время задержки обеспечивает обнаружение превышения тока датчиками перегрузки по току каждого из остальных модулей 14 и активацию их цепей защиты. Если же превышение тока оказывается выше второго уровня перегрузки по току, который ближе к уровню, способному вызвать повреждения компонентов модуля 14, то цепь защиты срабатывает немедленно. Этот временной интервал зависит от уровня превышения тока, при этом время задержки имеет достаточную продолжительность для обнаружения перегрузки по току всеми модулями и достаточно коротко для того, чтобы обеспечить защиту системы от повреждения. Таким образом, это позволяет при токовой перегрузке поглощать и/или рассеивать энергию равномерно по всей системе 10. Срабатывание цепи защиты при обнаружении второго уровня перегрузки по току предпочтительно выполняется в модуле 14 аппаратными средствами, а не под управлением местного контроллера или блока управления.

Для специалистов в данной области вполне очевидно, что в дополнение к описанным выше вариантам осуществления настоящего изобретения, в него могут быть внесены различные модификации и усовершенствования без отклонения от его основных концепций.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для преобразования энергии постоянного тока в энергию переменного тока. Техническим результатом является повышение качества преобразования энергии. Система (10) преобразования энергии содержит совокупность модулей (14), соединенных последовательно, каждый из которых имеет по меньшей мере один источник питания постоянного тока. Каждый модуль (14) снабжен накопительным устройством (18) для хранения энергии от источника питания, а схема (19) управления напряжением в каждом модуле (14) коммутирует накопительное устройство таким образом, чтобы модуль выдавал максимальное напряжение модуля или минимальное напряжение модуля для обеспечения ступенчатой аппроксимации сигнала электрической сети. Последовательно с модулями (14) соединен блок (20) компенсатора, содержащий накопительное устройство, заряжающееся от источников питания. Во время выдачи каждым из модулей (14) максимального либо минимального напряжения в систему блок управления обеспечивает плавное повышение или понижение напряжения между входом и выходом блока (20) компенсатора для следования требуемой форме сигнала переменного тока. Блок управления воздействует на модуль (14) таким образом, чтобы он изменял выдаваемое напряжение от нулевого до максимального или минимального значения, либо наоборот, при этом блок управления посредством схемы управления напряжением компенсатора производит соответствующее, но противоположное изменение напряжения, выдаваемого блоком (20) компенсатора. 3 н. и 31 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Система преобразования энергии, содержащая:

множество модулей, каждый из которых имеет вход и выход, соединенных последовательно таким образом, что выход любого модуля соединен с входом последующего модуля, по меньшей мере, один из модулей соединен с, по меньшей мере, одним источником питания постоянного тока, подающим энергию к модулю;

одно или несколько накопительных устройств, соединенных с источником питания постоянного тока таким образом, что этот источник питания заряжает накопительные устройства;

схему управления напряжением в каждом модуле, способную коммутировать накопительное устройство между входом и выходом для обеспечения максимального напряжения модуля и минимального напряжения модуля;

блок компенсатора, имеющий вход и выход, соединенный последовательно с модулями, содержащий накопительное устройство, заряжаемое сквозным током в системе, и схему управления напряжением компенсатора для изменения напряжения между входом и выходом компенсатора;

блок управления, соединенный со схемой управления напряжением каждого из модулей и блока компенсатора, для регулирования напряжения между их входами и выходами;

при этом, когда блок управления воздействует на схему управления напряжением модуля для изменения напряжения, выдаваемого модулем, блок управления через схему управления напряжением компенсатора обеспечивает соответствующее, но противоположное изменение напряжения, выдаваемого блоком компенсатора, а между такими изменениями блок управления производит плавное повышение или понижение напряжения между входом и выходом блока компенсатора для получения требуемого сигнала.

2. Система по п. 1, отличающаяся тем, что блок управления управляет схемой управления напряжением каждого из модулей таким образом, что сквозной ток системы поддерживает уровень заряда в накопительном устройстве компенсатора.

3. Система по п. 1 или 2, отличающаяся тем, что схема управления напряжением содержит коммутационные устройства, соединенные таким образом, чтобы обеспечить коммутацию источника питания для обеспечения напряжения между входом и выходом в первой полярности или во второй полярности, либо для шунтирования модуля.4. Система по п. 3, отличающаяся тем, что блок управления способен получать информацию от каждого из модулей для определения блоком управления уровня заряда в каждом из накопительных устройств, и следовательно, максимального и минимального напряжений, доступных для подачи в систему путем включения или выключения каждого из модулей.

5. Система по п. 5, отличающаяся тем, что блок управления способен отслеживать и сохранять информацию о емкости накопительных устройств в модулях и о скорости заряда для обеспечения возможности определения блоком управления количества энергии, запасенной в каждом модуле, во времени на основе информации о том, какие модули включены последовательно в любой момент протекания сквозного тока.

6. Система по п. 5, отличающаяся тем, что блок управления способен через регулярные промежутки времени получать сообщения от каждого из модулей о хранящемся заряде для коррекции ошибок при расчете хранящегося заряда во времени.

7. Система по п. 6, отличающаяся тем, что для плавного повышения или понижения напряжения, выдаваемого блоком компенсатора, используется широтно-импульсная модуляция.

8. Система по любому из предшествующих пунктов, отличающаяся тем, что блок управления соединен с линией управления, по которой информация для управления работой коммутационных устройств передается каждому из модулей.

9. Система, по любому из пп. с 1 по 8, отличающаяся тем, что для передачи информации блоку управления или от него используется беспроводная связь.

10. Система по любому из предшествующих пунктов, отличающаяся тем, что один или несколько модулей оснащены схемой управления скоростью изменения напряжения, обеспечивающей сглаживание выходного напряжения модуля при его изменении между максимальным и минимальным выдаваемыми напряжениями.

11. Система по п. 10, отличающаяся тем, что схема управления скоростью изменения напряжения обеспечивает сглаживание при изменениях напряжения, обусловленных включением и выключением накопительных устройств последовательного соединенных модулей, со скоростью, обеспечивающей компромисс между ЭМС, ухудшающейся при быстром переключении, и потерями энергии, связанными с медленным переключением.

12. Система по п. 11, отличающаяся тем, что схема управления скоростью изменения напряжения обеспечивает изменение напряжения, выдаваемого модулем, между максимальным и минимальным значениями за время от 100 нс до 10 мкс.

13. Система по п. 12, отличающаяся тем, что схема управления скоростью изменения напряжения обеспечивает изменение напряжения, выдаваемого модулем, между максимальным и минимальным значениями за время приблизительно 1 мкс.

14. Система по любому из предшествующих пунктов, отличающаяся тем, что каждый из модулей содержит последовательно соединенный дроссель и параллельно соединенный резистор, предназначенные для уменьшения помех, возникающих при коммутации модуля.

15. Система по п. 14, отличающаяся тем, что на каждом из концов цепи последовательно соединенных модулей предусмотрены дополнительные последовательно соединенный дроссель и параллельно соединенный резистор для дополнительного уменьшения проблем, связанных с ЭМС.

16. Система по п. 15, отличающаяся тем, что последовательно соединенные дроссели и параллельно соединенные резисторы на концах цепи последовательно соединенных модулей имеют величины индуктивности и/или сопротивления, не менее чем троекратно превышающие величины индуктивности и/или сопротивления дросселей и резисторов, предусмотренных в модулях.

17. Система преобразования энергии, содержащая:

множество модулей, каждый из которых имеет вход и выход, соединенных последовательно таким образом, что выход любого модуля соединен с входом последующего модуля, по меньшей мере один из модулей соединен с, по меньшей мере, одним источником питания постоянного тока, подающим энергию к модулю;

одно или несколько накопительных устройств, соединенных с источником питания каждого модуля таким образом, что этот источник питания заряжает накопительные устройства;

схему управления напряжением в каждом модуле, способную коммутировать накопительное устройство между входом и выходом для обеспечения максимального напряжения модуля и минимального напряжения модуля;

блок управления, соединенный со схемой управления напряжением каждого из модулей для управления напряжением между их входами и выходами;

одну или несколько рассеивающих цепей, содержащих рассеивающее устройство, соединенное параллельно с электронным ключом;

один или несколько датчиков для обнаружения превышения тока или перенапряжения; при этом электронный ключ в рассеивающей цепи способен размыкаться при обнаружении датчиком превышения тока или перенапряжения для рассеивания энергии в рассеивающем устройстве.

18. Система по п. 17, отличающаяся тем, что рассеивающее устройство содержит металлооксидный варистор, а электронный ключ содержит один или несколько полевых транзисторов.

19. Система по п. 18, отличающаяся тем, что металлооксидный варистор выбран таким образом, чтобы падение напряжения на металлооксидном варисторе было меньше максимально допустимого напряжения полевого транзистора.

20. Система по любому из пп. с 17 по 19, отличающаяся тем, что рассеивающие цепи и датчики предусмотрены в каждом из модулей.

21. Система по п. 20, отличающаяся тем, что датчики способны определять несколько уровней и активировать рассеивающую цепь либо немедленно, либо с задержкой, в зависимости от обнаруженного уровня; при этом датчики каждого из модулей способны обнаруживать первый уровень, при котором рассеивающая цепь активируется с заранее определенным временем задержки после обнаружения первого уровня, и второй уровень, более высокий, чем первый уровень перегрузки по току, при котором рассеивающая цепь активируется без задержки.

22. Способ преобразования энергии, включающий в себя:

управление множеством включенных последовательно модулей, по меньшей мере некоторые из которых содержат источник питания постоянного тока и накопительное устройство, заряжаемое этим источником питания, таким образом, что накопительные устройства модулей коммутируются в последовательную цепь, обеспечивая максимальное напряжение модуля и минимальное напряжение модуля;

зарядку накопительного устройства в блоке компенсатора, соединенного последовательно с модулями;

обеспечение посредством блока компенсатора, соответствующего, но противоположного изменения напряжения при воздействии блока управления на схему управления напряжением модуля для изменения напряжения, выдаваемого модулем; и

между этими изменениями - плавное повышение или понижение напряжения между входом и выходом блока компенсатора для выдачи требуемого сигнала.

23. Способ по п. 22, отличающийся тем, что блок управления воздействует на схему управления напряжением каждого из модулей таким образом, что сквозной ток системы поддерживает уровень заряда в накопительном устройстве компенсатора.

24. Способ по п. 23, отличающийся тем, что источники питания в модулях коммутируются таким образом, чтобы обеспечить напряжение между входом и выходом в первой полярности или во второй полярности, либо, чтобы обеспечить шунтирование модуля.

25. Способ по п. 24, отличающийся тем, что блок управления получает от каждого из модулей информацию об уровне заряда в каждом из накопительных устройств и, следовательно, определяет максимальное и минимальное напряжения, доступные для подачи в систему путем включения или выключения каждого из модулей.

26. Способ по п. 25, отличающийся тем, что блок управления отслеживает и сохраняет информацию о емкости накопительных устройств в модулях и о скоростях заряда, таким образом, что блок управления способен определять количество энергии, хранящейся в каждом модуле, во времени на основе данных о том, какие модули включены в последовательную цепь в любой момент протекания сквозного тока.

27. Способ по п. 26, отличающийся тем, что блок управления через регулярные промежутки времени получает от каждого из модулей сообщения о хранящемся заряде для коррекции ошибок при расчете хранящегося заряда во времени.

28. Способ по п. 27, отличающийся тем, что для плавного повышения или понижения напряжения, выдаваемого блоком компенсатора, используется широтно-импульсная модуляция.

29. Способ по любому из пп. с 22 по 28, отличающийся тем, что блок управления по линии управления передает информацию каждому из модулей для управления работой коммутационных устройств.

30. Способ по любому из пп. с 22 по 29, отличающийся тем, что для пересылки информации в блок управления или из него используется беспроводная связь.

31. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что один или несколько модулей сглаживают выходное напряжение модуля при изменении между максимальным и минимальным выдаваемыми напряжениями.

32. Способ по п. 31, отличающийся тем, что изменения напряжения, обусловленные включением и выключением последовательно соединенных накопительных устройств, сглаживаются со скоростью, обеспечивающей компромисс между ЭМС, ухудшающейся при быстром переключении, и потерями энергии, связанными с медленным переключением.

33. Способ по п. 32, отличающийся тем, что напряжение, выдаваемое модулем, изменяется между максимальным и минимальным значениями за время от 10 мкс до 100 нс.

34. Способ по п. 33, отличающийся тем, что напряжение, выдаваемое модулем, изменяется между максимальным и минимальным значениями за время приблизительно 1 мкс.