Способ управления инвертором напряжения в системах бесперебойного питания и системах накопления электрической энергии при резкопеременной нагрузке

Изобретение относится к области электротехники и силовой электроники, может быть использовано при построении систем генерирования электрической энергии трехфазного переменного тока или систем гарантированного электропитания переменного тока. Техническим результатом является повышение бесперебойности электроснабжения, стабилизация уровня загрузки источника, снижение потребляемой от источника реактивной мощности за счет применения накопителя электрической энергии на основе инвертора напряжения и аккумуляторной батареи. В способе управления инвертором напряжения в системах бесперебойного питания и системах накопления электрической энергии при резкопеременной нагрузке вычисляют действительную и мнимую мгновенную мощность в цепи нагрузки, преобразуют сигналы обратной связи по действительной и мнимой мгновенной мощности нагрузки при помощи фильтров нижних частот, формируют задание на скорость нарастания действительной и мнимой мгновенной мощности источника питания, вычисляют величину ошибки между сигналами по мощности нагрузки и заданием на мощность источника питания, формируют сигналы задания на ток в цепи источника питания в двух ортогональных проекциях, вычисляют величину ошибки между сигналами обратной связи по току в цепи нагрузки и сигналами задания по току в цепи источника питания в двух ортогональных проекциях, преобразуют сигналы управления ортогональных проекций в три моделирующих сигнала во временной области, формируют опорный двухполярный сигнал, вырабатывают импульсы управления вентилями инвертора напряжения при превышении моделирующих напряжений над опорным напряжением. 2 ил.

 

Изобретение относится к области электротехники и силовой электроники, может быть использовано при построении систем генерирования электрической энергии трехфазного переменного тока или систем гарантированного электропитания переменного тока, в которых для повышения бесперебойности электроснабжения, стабилизации уровня загрузки источника, снижения потребляемой от источника реактивной мощности применяется накопитель электрической энергии на основе инвертора напряжения и аккумуляторной батареи. Первичными источниками в таких системах может служить трехпроводная сеть промышленной частоты, мотор-генераторные установки.

Известен способ управления трехфазным инвертором напряжения в составе активного фильтра [Kabir, M.A. "Synchronous detection and digital control of Shunt Active Power Filter in power quality improvement" / M.A. Kabir, U. Mahbub // Power and Energy Conference at Illinois (PECI), 2011, pp. 1-5], при котором складывают результаты пофазного умножения сигналов обратной связи по напряжениям и токам в цепи нагрузки, таким образом вычисляют полную мощность, вычисляют ее среднее значение при помощи фильтра нижних частот, определяют среднюю мощность в каждой фазе, из которой формируют задание на величину токов в соответствующих фазах источника питания. Из полученного сигнала вычитают сигнал обратной связи по току в соответствующих фазах нагрузки, таким образом получают задание на ток на выходе инвертора активного фильтра.

Однако указанный способ не позволяет контролировать отдельно активную и реактивную составляющие, тем самым, при помощи него невозможно регулировать коэффициент мощности на выходе источника питания.

Кроме того, известен способ управления трехфазным инвертором напряжения в составе активного фильтра [Akagi, H. "Instantaneous Power Theory and Applications to Power Conditioning" / H. Akagi, E.H. Watanabe, M. Aredes // IEEE Press Series on Power Engineering. Wiley, 2007, P. 400], являющийся прототипом предлагаемого изобретения, при котором сигналы обратной связи по току и напряжению в цепи нагрузки преобразуют d- и q- проекции обобщенного вектора, вычисляют активную, реактивную и пульсационные составляющие мгновенной мощности, на основе которых рассчитывают действительную и мнимую мгновенную мощность.

В рамках данной теории, которая получила название p-q-теория вычисления мгновенной мощности, задания на d- и q-проекции тока в выходной цепи инвертора вычисляют из инверсных значений реактивной и переменных составляющих мгновенных мощностей.

Недостатком данного способа управления является то, что данный метод не рассматривает скорость нарастания мощности источника питания, что является важным параметром для источников питания с ограничениями по максимальной мощности и/или с инерционностью в звене регулирования. В случае резкопеременной нагрузки в таких источниках питания могут возникнуть аварийные срабатывания защитного оборудования, просадка/выбросы по амплитуде и/или частоте напряжения источника питания, что снижает показатели качества электроснабжения.

Задача изобретения - снижение скорости нарастания мощности источника питания при неизменной скорости нарастания мощности нагрузки, а также регулирование каждой составляющей мгновенной мощности.

Поставленная задача достигается тем, что в известном способе формирования задания на d- и q-проекции тока инвертора задание на действительную и мнимую мгновенные мощности инвертора непрерывно формируется разностью мгновенной мощности нагрузки и задания на скорость нарастания соответствующей мгновенной мощности источника питания, которое, в свою очередь, является результатом преобразования сигнала мгновенной мощности нагрузки при помощи низкочастотного фильтра первого порядка.

На фиг. 1 представлена одна из возможных структурных схем, реализующая предлагаемый способ управления инвертором напряжения. Она условно может быть разделена на силовую схему (блок 18) и систему управления (блок 19). Силовая схема содержит инвертор напряжения (блок 20), три выхода стоек которого соединены с входами низкочастотного фильтра (блок 21), а выходы последних через датчики тока (блоки 24, 25, 26) подключены к общей точке соединения источника трехфазного напряжения (блок 22) и нагрузки (блок 23). Нагрузка подключена к общей точке через датчики тока (блоки 27, 28, 29). Выходы низкочастотного фильтра и информационные сигналы датчиков тока (блоки 24, 25, 26, 27, 28, 29) соединены с входами системы управления (блок 19). Система управления включает в себя блок системы регулирования (блок 33), входы и выходы которого соединены с блоками преобразователей координат (блоки 30, 31, 32, 34), три выхода блока преобразователя координат (блок 34) соединены с входами схем сравнения (блоки 36, 37, 38), к другим входам которых подключен выход генератора двухполярного пилообразного напряжения (блок 35). Выходы схем сравнения соединены с входами первой группы драйверов непосредственно (блоки 43, 45, 47) и через логические элементы «не» (блоки 39, 40, 41) с входами второй группы драйверов (блоки 42, 44, 46). Выходы первой группы драйверов (блоки 43, 45, 47) соединены с затворами верхних транзисторов стоек инвертора напряжения (блок 20), а выходы второй группы драйверов (блоки 42, 44, 46) соединены с затворами нижних транзисторов стоек инвертора напряжения (блок 20). На фиг. 2 представлена структурная схема системы регулирования. Она может быть разделена на две части. Одна часть формирует управляющий сигнал проекции «d» для ШИМ-модулятора (блоки 1, 2, 5, 7, 9, 12, 14, 16), другая часть формирует управляющий сигнал проекции «q» (3, 4, 6, 8, 10, 13, 15, 17). Схема состоит из блоков 1-4, выполняющих функцию алгебраического умножения, формирующих сигналы соответствующих составляющих мгновенной мощности; схемы суммирования (блок 5) и схемы вычитания (блок 6); фильтров нижних частот первого порядка (блоки 7, 8); схем вычитания (блоки 9, 10, 14, 15); блока 11, вычисляющего корень из суммы квадратов двух величин; схем деления (блоки 12, 13) и регуляторов контура тока (блоки 16, 17).

Блоки схемы выполняют следующие функции. Блоки преобразования координат abc/dq (блок 30, 31) из соответствующих фазных токов формируют проекцию «d» II.d и проекцию «q» II.q обобщенного вектора тока инвертора, а также проекцию «d» IL.d и проекцию «q» IL.q обобщенного вектора тока нагрузки по следующим формулам:

где IIA, IIB, IIC - фазные значения токов инвертора; ILA, ILB, ILC - фазные значения токов нагрузки; ω - циклическая частота выходного напряжения; t - время.

Аналогично проекция «d» UL.d.fdb и проекция «q» UL.q.fdb обобщенного вектора напряжения нагрузки с помощью блока преобразования координат abc/dq (блок 31) получаются из фазных напряжений по следующим формулам:

где ULA, ULB, ULC - фазные значения напряжений нагрузки; ω - циклическая частота выходного напряжения; t - время.

Блок 33 выполняет функцию регулирования выходных параметров инвертора напряжения, сигналы управления с которого поступают на вход блока преобразования координат dq/abc (блок 34), формирующего три модулирующих сигнала согласно следующим формулам:

Компараторы (блоки 36, 37, 38) производят сравнение модулирующих сигналов с опорным двухполярным пилообразным сигналом, формируемого блоком 35. Логические элементы «не» (блоки 39, 40, 41) представляют собой импульсные (цифровые) инверторы уровня сигнала. Блоки 42, 43, 44, 45, 46, 47 являются драйверами, усиливающие сигнал по мощности, а также осуществляющие гальваническую развязку между электрическими цепями системы управления и силовой схемой инвертора напряжения (блок 20). Инвертор напряжения может быть выполнен на любых управляемых вентилях, в качестве примера полезной модели изображен инвертор напряжения на IGBT транзисторах VT1, VT2, VT3, VT4, VT5 и VT6. Выходные сигналы датчиков тока (блоки 24, 25, 26, 27, 28, 29) пропорциональны, соответственно, токам инвертора (блок 22) и нагрузки (блоки 23), и подаются на вход блоков 30, 31. Токи источника напряжения промышленной частоты (блок 22) являются разностью токов нагрузки (блок 23) и инвертора (блок 20). Низкочастотный фильтр (блок 21) исключает высокочастотные гармоники тока и напряжения, формируемые на выходе инвертора (блок 20).

Сигналы на выходах блоков 1, 2, 3, 4 представляют собой сигналы обратной связи по соответствующим составляющим мгновенной мощности. Блоки 5, 6 формируют результирующие сигналы обратной связи по мгновенной мощности нагрузки. Блоки 7, 8 формируют задание на величину и скорость нарастания действительной и мнимой составляющих мгновенной мощности источника питания. Блоки 9, 10 формируют сигналы ошибок между сигналами задания составляющих мгновенной мощности источника питания и сигналами обратных связей соответствующих составляющих мгновенной мощности нагрузки. Блок 11 производит расчет амплитуды обобщенного вектора напряжения нагрузки uL по следующей формуле:

Блоки 12, 13 формируют сигналы задания «d» и «q» проекций тока инвертора, соответственно. Блоки 14, 15 формируют сигналы ошибок между сигналами задания и сигналами обратных связей соответствующих проекций тока накопителя. Блоки 16, 17 формируют задание на «d» и «q» проекции сигнала управления инвертором напряжения, соответственно.

Способ осуществляется следующим образом: при помощи блоков умножения 1, 2, 3, 4 сигналы обратной связи (фазные токи нагрузки и на выходе инвертора, фазные напряжения в точке общего подключения), преобразованные блоками 30, 31, 32 в «d» и «q» проекции обобщенных векторов соответствующих параметров, формируют собой активную и пульсационную составляющие действительной мгновенной мощности нагрузки, соответственно, а на выходах блоков - реактивную и пульсационную составляющие мнимой мгновенной мощности нагрузки, соответственно:

Блоки 5, 6 формируют сигналы обратной связи, отражающие полную действительную и мнимую мгновенную мощность нагрузки:

Блоки 7, 8, выполняющие функцию фильтра нижних частот, формируют сигнал задания на величину и скорость нарастания действительной и мнимой мгновенной мощности источника питания pG.ref и qG.ref, соответственно, согласно следующим выражениям:

где pL.n-1 и qL.n-1 - величина мгновенной действительной и мнимой мощности до наброса/сброса нагрузки, соответственно; pL.n и qL.n - величина мгновенной действительной и мнимой мощности после наброса/сброса нагрузки, соответственно; τ - постоянная времени нарастания мощности на выходе источника напряжения промышленной частоты (блок 22).

Блоки вычитания 9, 10 формируют разность между сигналами обратной связи по составляющим мгновенной мощности нагрузки и сигналами задания на соответствующие составляющие мгновенной мощности источника питания, формируя сигналы ошибки, которые, в свою очередь, являются заданием на «d» и «q» проекции обобщенных векторов мгновенной мощности инвертора:

На основе сформированных сигналов ошибки и сигнала с выхода блока 11, отражающего амплитуду обобщенного вектора напряжения нагрузки uL, блоки деления 12, 13 формируют задание на «d» и «q» проекции обобщенных векторов тока на выходе инвертора:

Блоки вычитания 14, 15 формируют разность между сигналами задания и сигналами обратной связи по току на выходе инвертора, формируя сигналы ошибки по на «d» и «q» проекциям обобщенных векторов тока на выходе инвертора. Данные сигналы поступают на вход регуляторов тока (блоки 16 и 17), формирующих такой сигнал управления соответствующей проекции, чтобы разностный сигнал на выходе блоков 14 и 15 был равен нулю, т.е. чтобы ток на выходе инвертора равнялся сигналу задания на данный ток. Сигналы управления поступают на вход блока преобразования координат dq/abc (блок 34), формирующего три модулирующих сигнала согласно следующим формулам:

Модулирующие сигнал и опорный сигнал (с выхода блока 35) поступают на компараторы (блоки 36, 37, 38), вырабатывающие импульсы при превышении модулирующих напряжений над опорным напряжением. Сформированные импульсы поступают на вход логических элементов «не» (блоки 39, 40, 41) и драйверов (блоки 43, 45, 47) верхних транзисторов (VT1, VT3, VT5) инвертора напряжения (блок 20). Сигналы с выходов логических элементов «не» подаются на драйверы (блоки 42, 44, 46) нижних транзисторов (VT2, VT4, VT6) инвертора напряжения (блок 20). Выходные напряжения инвертора снимаются со средних точек стоек А, В, С и подаются на вход силового низкочастотного фильтра (блок 21). Низкочастотный фильтр подавляет высокочастотные гармоники, а сглаженное трехфазное напряжение подается в общую точку подключения источника питания (блок 22) и нагрузки (блок 23).

Таким образом, предложенный способ управления инвертором напряжения в системах бесперебойного питания и системах накопления электрической энергии приводит к снижению скорости нарастания/спада мощности на выходе источника питания за счет компенсации разницы мощностей накопителем электрической энергии и позволяет управлять каждой составляющей мгновенной мощности отдельно.

Способ управления инвертором напряжения в системах бесперебойного питания и системах накопления электрической энергии при резкопеременной нагрузке, заключающийся в том, что вычисляют действительную и мнимую мгновенную мощность в цепи нагрузки, формируют сигналы задания на ток в цепи источника питания в двух ортогональных проекциях, вычисляют величину ошибки между сигналами обратной связи и сигналами задания по току в цепи источника питания в двух ортогональных проекциях, преобразуют сигналы управления ортогональных проекций в три моделирующих сигнала во временной области, формируют опорный двухполярный сигнал, вырабатывают импульсы управления вентилями инвертора напряжения при превышении моделирующих напряжений над опорным напряжением, отличающийся тем, что преобразуют сигналы обратной связи по действительной и мнимой мгновенной мощности нагрузки при помощи фильтров нижних частот, формируют задание на скорость нарастания действительной и мнимой мгновенной мощности источника питания, вычисляют величину ошибки между сигналами обратной связи по мощности нагрузки и заданием на мощность источника питания, производят деление сигналов ошибки на величину амплитуды обобщенного вектора напряжения нагрузки.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области электротехники и транспорта и может быть использовано в качестве системы управления электроприводом унифицированной машины технологического электротранспорта.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для управления реактивной электрической машиной без демпферной клетки. Способ определения частоты (f) ротора и/или угла (ϕ) ротора реактивной электрической машины (2), которая имеет статор со статорной обмоткой (10) и ротор с магнитно анизотропным роторным пакетом, осуществляют посредством приложения временной последовательности импульсов напряжения (Uk) к статорной обмотке (10), определения ответной последовательности импульсов протекающего в статорной обмотке (10) электрического тока (Ik), который возникает вследствие импульсов напряжения (Uk) и последовательно наводимого потока (Φk) вследствие магнитно анизотропного роторного пакета, при этом определение частоты (f) ротора и/или угла (ϕ) ротора осуществляют на основе измеряемой ответной последовательности импульсов электрического тока (Ik) с помощью оценочного блока (3).

Изобретение относится к насосным узлам. Технический результат – обеспечение насосного узла с дополнительно оптимизированной конструкцией, за счет уменьшения размера приводного мотора, которая является эффективной даже для работы не с полной, а с частичной нагрузкой.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для управления синхронным электродвигателем с постоянными магнитами, применяемым в качестве линейного привода для электропогружной насосной установки.
Изобретение относится к ручному бытовому электрическому прибору. Технический результат заключается в создании ручного бытового прибора с более точной активизацией электродвигателя.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для приведения в действие электродвигателя от коммерческого источника питания. Техническим результатом является повышение точности управления током и обеспечение стабильных рабочих характеристик при переключении питания привода от преобразователя мощности к питанию привода от коммерческого источника питания.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в двигателях, питаемых с помощью инвертора. Техническим результатом является уменьшение шумов двигателя.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для приведения в действие вращающейся машины переменного тока, присоединенной к механическому устройству.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в устройствах управления электрической мощностью в трехфазных двигателях переменного тока.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для управления трехфазным трехуровневым инвертором напряжения, система управления которого использует метод прямого управления моментом двигателя.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для управления приводом на базе высоковольтных двигателей большой мощности. Техническим результатом является обеспечение высоких значений напряжения и силы тока, упрощение, снижение требований к изоляции, улучшение способности двигателя рассеивать тепло и увеличение удельной мощности.

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано для питания индукционных установок для перемешивания жидких металлов, в частности алюминия, в печах и миксерах.

Группа изобретений относится к устройству для управления тяговой системой транспортных средств с электротягой. Устройство управления электромотором транспортного средства содержит модулятор, первый модуль коррекции, второй модуль коррекции и контроллер.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в мощных преобразователях. Технический результат заключается в снижении радио и электромагнитных помех и высших гармоник в выходном напряжении.

Каскадный многоуровневый инвертор управляется в режиме шунтирования неисправностей. Вместо того чтобы основываться на аппроксимациях или формах обратной связи, опорные напряжения генерируются как аналитическое решение.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано в системах управления автономными инверторами напряжения с широтно-импульсной модуляцией для преобразователей частоты, входящих в состав систем электроприводов переменного тока с жесткими требованиями по электромагнитной и электромеханической совместимости.

Изобретение относится к электротехнике, а именно к устройствам преобразования электрической энергии переменного тока в переменный ток. Устройство преобразования мощности содержит трансформаторы, снабженные первичными обмотками, соединенными с входными клеммами, и вторичными обмотками, включающими в себя множества однофазных открытых обмоток, которые изолированы друг от друга; множество ячеек преобразователя, соединенных с вторичными обмотками трансформаторов; и управляющую схему включения/выключения переключающих элементов, при этом входы ячеек преобразователя, выполненных с промежуточными звеньями постоянного тока, соединены взаимно параллельным образом с соответствующими однофазными открытыми обмотками, а выходы соединены взаимно последовательно с выходными клеммами каждой фазы.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к однофазным инверторам напряжения. Однофазный инвертор напряжения содержит систему управления, транзисторный полумост, дополнительные два транзистора, два диода, два дросселя и два конденсатора, что позволяет реализовать изменение частоты, фазы и уровень действующего значения выходного напряжения как ниже, так и выше уровня, определяемого напряжением первичного источника постоянного напряжения.

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в регулируемых асинхронных электроприводах. Устройство управления трехфазным электродвигателем снабжено преобразователем напряжения в частоту, пятиразрядным двоичным счетчиком-делителем на 24 состояния, четырьмя ждущими мультивибраторами и девятью мультиплексорами.

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для управления трехфазными автономными инверторами с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ), в частности, для частотного регулирования скорости асинхронного двигателя.

Изобретение относится к области электротехники. Система для резервного электропитания объектов железнодорожной автоматики, телемеханики и связи содержит последовательно соединенные блок зарядных устройств, вход которого предназначен для подключения источника первичного электропитания, блок аккумуляторных батарей, блок преобразователей напряжений и блок коммутации, управляющие входы которого соединены с выходами блока датчиков напряжений и токов нагрузок, подключенного к контрольным выходам блока преобразователей напряжений, выход блока коммутации предназначен для подключения устройств железнодорожной автоматики, телемеханики и связи, блок преобразователей напряжений выполнен с возможностью подключения к нему источника напряжения через дополнительный вход, один из выводов которого соединен с рельсом рельсового пути, а другой – соединен с жестким контактным проводом, установленным вдоль рельсового пути на станции и участке приближения к ней, на каждом тепловозе, использующем для передвижения этот рельсовый путь, установлен токосъемный элемент с возможностью его взаимодействия с жестким контактным проводом, при этом полюса бортовой аккумуляторной батареи тепловоза соединены соответственно с токосъемным элементом и колесной парой.

Изобретение относится к области электротехники и силовой электроники, может быть использовано при построении систем генерирования электрической энергии трехфазного переменного тока или систем гарантированного электропитания переменного тока. Техническим результатом является повышение бесперебойности электроснабжения, стабилизация уровня загрузки источника, снижение потребляемой от источника реактивной мощности за счет применения накопителя электрической энергии на основе инвертора напряжения и аккумуляторной батареи. В способе управления инвертором напряжения в системах бесперебойного питания и системах накопления электрической энергии при резкопеременной нагрузке вычисляют действительную и мнимую мгновенную мощность в цепи нагрузки, преобразуют сигналы обратной связи по действительной и мнимой мгновенной мощности нагрузки при помощи фильтров нижних частот, формируют задание на скорость нарастания действительной и мнимой мгновенной мощности источника питания, вычисляют величину ошибки между сигналами по мощности нагрузки и заданием на мощность источника питания, формируют сигналы задания на ток в цепи источника питания в двух ортогональных проекциях, вычисляют величину ошибки между сигналами обратной связи по току в цепи нагрузки и сигналами задания по току в цепи источника питания в двух ортогональных проекциях, преобразуют сигналы управления ортогональных проекций в три моделирующих сигнала во временной области, формируют опорный двухполярный сигнал, вырабатывают импульсы управления вентилями инвертора напряжения при превышении моделирующих напряжений над опорным напряжением. 2 ил.

Наверх