векторный способ управления трехфазным статическим преобразователем при несимметричной нагрузке

Формула изобретения

Векторный способ управления трехфазным статическим преобразователем при несимметричной нагрузке, состоящий в том, что измеряют мгновенные значения трехфазной выходной величины преобразователя, напряжения или тока, выделяют нулевую последовательность выходной величины, преобразуют величины из трехфазной abc-системы координат в двухфазную систему координат, для двухфазной системы координат формируют эталонные сигналы, формируют сигналы сравнения, пропорционально результатам сравнения формируют регулирующие сигналы, которые преобразуют из двухфазной системы координат в трехфазную abc-систему координат, формируют трехфазный модулирующий сигнал преобразователя, отличающийся тем, что по выделенному сигналу нулевой последовательности формируют ортогональный ему сигнал и принимают его в качестве второй составляющей двухфазной системы координат нулевой последовательности, выделяют из трехфазной выходной величины преобразователя прямую и обратную последовательности, прямую, обратную и нулевую последовательности преобразуют во вращающуюся dq-систему координат, эталонный сигнал для d-составляющей прямой последовательности формируют соответственно номинальному значению выходной величины, эталонные сигналы для остальных составляющих прямой, обратной и нулевой последовательностей формируют нулевыми, указанные сигналы сравнения формируют для каждой составляющей прямой, обратной и нулевой последовательностей путем интегрирования разностей соответствующих эталонных сигналов и d- и q-составляющих последовательностей и указанный модулирующий сигнал формируют суммированием преобразованных регулирующих сигналов прямой, обратной и нулевой последовательностей в abc-системе координат.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для управления трехфазным статическим преобразователем при несимметричной нагрузке, входящим в состав автономной системы генерирования электрической энергии, системы бесперебойного электропитания, системы электроснабжения и др.

Известен векторный способ управления трехфазным статическим преобразователем [Патент РФ № 2207698, Н02М 7/72, Н02Р 9/42, 21/00. Векторный способ управления четырехквадрантым инвертором напряжения в составе системы генерирования электрической энергии переменного тока. / С.А.Харитонов, А.А.Стенников. - опубл. 27.06.2003. - бюл № 18], состоящий в том, что измеряют напряжение и мощность синхронного генератора, напряжение сети и напряжение на фильтровом конденсаторе звена постоянного тока, преобразуют напряжение синхронного генератора и напряжение сети из трехфазной abc-системы координат в двухфазную , -систему координат, для двухфазной системы координат формируют сигнал задания на нулевой фазный угол выходного тока для каждой выходной фазы преобразователя синфазно с напряжением соответствующей фазы сети и сигнал задания на выходную мощность статического преобразователя, причем сигнал задания на мощность на 90° опережает сигнал задания на нулевой фазный угол выходного тока, - и -составляющие сигнала задания на нулевой фазный угол выходного тока формируют пропорционально - и -составляющим преобразованным фазным напряжениям сети, -составляющую сигнала задания на выходную мощность статического преобразователя формируют как произведение -составляющей напряжения сети и сигнала, формируемого как разность сигнала, пропорционального мощности, отдаваемой генератором, и сигнала, определяемого как разность сигнала задания на напряжение на фильтровом конденсаторе и сигнала обратной связи напряжения на фильтровом конденсаторе, -составляющую сигнала задания на выходную мощность статического преобразователя формируют как произведение -составляющей напряжения сети, взятой с обратным знаком, и сигнала, формируемого как разность сигнала, пропорционального мощности, отдаваемой генератором, и сигнала, определяемого как разность сигнала задания на напряжение на фильтровом конденсаторе и сигнала обратной связи напряжения на фильтровом конденсаторе, формируют - и -составляющие регулирующего сигнала суммированием соответственно - или -составляющих сигнала задания на нулевой фазный угол выходного тока и сигнала задания на выходную мощность статического преобразователя, формируют модулирующий сигнал инвертором путем преобразования - и -составляющих регулирующего сигнала из двухфазной , -системы координат в трехфазную abc-систему координат.

Этот способ реализуется при симметричной системе напряжений сети и учитывает только прямую последовательность трехфазной системы сетевых напряжений. Кроме того, преобразование в , -систему координат, где составляющие представляют собой синусоидальные сигналы, не позволяет реализовать высокую точность регулирования из-за конечности коэффициентов усиления соответствующих контуров регулирования.

Известен векторный способ управления преобразователем [Патент РФ № 2144729, Н02М 5/27, G05F 1/40. Векторный способ управления преобразователем. / С.А.Харитонов, Машинский В.В. - опубл. 20.01.2000. - бюл № 2], который является прототипом предлагаемого изобретения и заключается в том, что измеряют мгновенные значения трехфазной выходной величины, инвертора, напряжения или тока, выделяют нулевую последовательность трехфазного выходного напряжения инвертора, преобразуют величины из трехфазной abc-системы координат в двухфазную , -систему координат, для двухфазной системы координат и нулевой последовательности формируют эталонные сигналы, формируют сигналы сравнения путем вычитания , -составляющих и нулевой последовательности напряжения трехфазного выходного напряжения инвертора из соответствующих эталонных сигналов, пропорционально результатам сравнения формируют соответствующие регулирующие сигналы, которые преобразуют из двухфазной системы , -координат в трехфазную abc-систему координат, формируют трехфазный модулирующий сигнал суммированием преобразованных - и -составляющих регулирующих сигналов и регулирующего сигнала нулевой последовательности.

Этот способ не регулирует обратную последовательность трехфазной системы выходных напряжений, возникающую при несимметричной нагрузке. Используемое преобразование в , -систему координат, где составляющие представляют собой синусоидальные сигналы, не позволяет реализовать высокую точность регулирования из-за конечности коэффициентов усиления соответствующих статических контуров регулирования по - и -составляющим и нулевой последовательности. В результате при несимметричной нагрузке выходное напряжение преобразователя при реализации данного способа будет несимметричным.

Задача изобретения заключаются в формировании симметричной трехфазной выходной величины, напряжения или тока, при несимметричной нагрузке.

Поставленная задача достигается тем, что в известном способе управления трехфазным преобразователем, заключающемся в том, что измеряют мгновенные значения трехфазной выходной величины преобразователя, напряжения или тока, выделяют нулевую последовательность выходной величины, преобразуют величины из трехфазной abc-системы координат в двухфазную систему координат, для двухфазной системы координат формируют эталонные сигналы, формируют сигналы сравнения, пропорционально результатам сравнения формируют регулирующие сигналы, которые преобразуют из двухфазной системы координат в трехфазную abc-систему координат, формируют трехфазный модулирующий сигнал преобразователя, по выделенному сигналу нулевой последовательности формируют ортогональный ему сигнал и принимают его в качестве второй составляющей двухфазной системы координат нулевой последовательности, выделяют из трехфазной выходной величины преобразователя прямую и обратную последовательности, прямую, обратную и нулевую последовательности преобразуют во вращающуюся dq-систему координат, эталонный сигнал для d-составляющей прямой последовательности формируют соответственно номинальному значению выходной величины, эталонные сигналы для остальных составляющих прямой, обратной и нулевой последовательностей формируют нулевыми, указанные сигналы сравнения формируют для каждой составляющей прямой, обратной и нулевой последовательностей путем интегрирования разностей соответствующих эталонных сигналов и d- и q-составляющих последовательностей, и указанный модулирующий сигнал формируют суммированием преобразованных регулирующих сигналов прямой, обратной и нулевой последовательностей в abc-системе координат.

На чертеже приведена одна из возможных структурных схем, реализующих предлагаемый способ при стабилизации выходного напряжения преобразователя. Она содержит систему импульсно-фазового управления СИФУ (блок 1), выходы которой соединены с силовой схемой статического преобразователя частоты ПЧ (блок 2). Силовая схема преобразователя соединена также с первичным источником электроэнергии с нестабильными параметрами Uc (блок 3). Выход силовой схемы статического преобразователя частоты ПЧ (блок 2) через выходной фильтр Ф (блок 4) соединен с несимметричной нагрузкой Н (блок 5). Одновременно выход преобразователя соединен с входами схем выделения нулевой Z (блок 6), обратной N (блок 7) и прямой Р (блок 8) последовательностей выходного напряжения. Выход схемы выделения нулевой последовательности Z (блок 6) через схему формирования ортогональной составляющей (блок 9) и непосредственно соединен с входами преобразователя координат ПК2 (блок 10). Выходы схем выделения обратной N (блок 7) и прямой Р (блок 8) последовательностей через соответствующие преобразователи координат ПК1 (блоки 11 и 12) соединены с входом преобразователей координат ПК2 для обратной (блок 13) и прямой (блок 14) последовательностей. Выходы преобразователей координат ПК2 нулевой последовательности (блок 10), обратной последовательности (блок 13) и прямой последовательности (блок 14) соединены с соответствующими входами схем вычитания d- и q-составляющих нулевой последовательности (блоки 15 и 16), обратной последовательности (блоки 17 и 18) и прямой последовательности (блоки 19 и 20). Вторые входы указанных схем вычитания последовательностей соединены с выходами схем формирования эталонных сигналов d- и q-составляющих нулевой последовательности и (блоки 21 и 22), обратной последовательности и (блоки 23 и 24) и прямой последовательности и (блоки 25 и 26). Выходы соответствующих схем вычитания соединены с входами интеграторов d- и q-составляющих нулевой последовательности и (блоки 27 и 28), обратной последовательности и (блоки 29 и 30) и прямой последовательности и (блоки 31 и 32). Выходы интеграторов d- и q-составляющих каждой последовательности через пропорциональные звенья (блоки 33, , 38) соединены с входами схем обратного преобразования координат ПК^-1 для нулевой последовательности (блок 39), обратной последовательности (блок 40) и прямой последовательности (блок 41). Выходы схем обратного преобразования координат ПК ^-1 нулевой, обратной и прямой последовательностей пофазно соединены с входами сумматоров (блоки 42, 43 и 44). Выходы сумматоров (блоки 42, 43 и 44) соединены с входами системы импульсно-фазового управления СИФУ (блок 1).

Система импульсно-фазового управления СИФУ (блок 1) представляет собой стандартную систему управления, реализующую вертикальный принцип управления (см. B.C.Руденко, В.И.Сенько, И.М.Чиженко. Основы преобразовательной техники. - М.: Высш. школа, 1980). Силовая схема статического преобразователя частоты ПЧ (блок 2) - автономный инвертор напряжения на полностью управляемых ключах (см. B.C.Руденко, В.И.Сенько, И.М.Чиженко. Основы преобразовательной техники. - М.: Высш. школа, 1980); первичный источник электроэнергии с нестабильными параметрами Uc (блок 3) - аккумуляторная батарея; выходной фильтр Ф (блок 4) - низкочастотный фильтр, подавляющий высокочастотные составляющие спектра выходной величины, например, однозвенный LC-фильтр; несимметричная нагрузка Н (блок 5) - параллельное или последовательное включение резистора и дросселя.

Схемы выделения нулевой Z (блок 6), обратной N (блок 7) и прямой Р (блок 8) последовательностей выходного напряжения реализуют известное из теоретических основ электротехники разложение несимметричных трехфазных систем на симметричные составляющие (см. Л.Р.Нейман, К.С.Демирчян. Теоретические основы электротехники: Учебник для вузов. - Том 1. - Л.: Энергоиздат. Ленингр. отд-ние, 1981) и могут представлять собой формирователи однофазной (блок 6) и трехфазных симметричных (блоки 7 и 8) синусоидальных сигналов, амплитуды которых определяются известными соотношениями

где , , - комплексные амплитуды фаз выходных несимметричных напряжений; - комплексный множитель, обеспечивающий смещение фазы сигнала на | | - модуль комплексного числа.

Схема формирования ортогональной составляющей (блок 9) может представлять собой фазосдвигающую цепь на 90° на постоянной частоте с нормированием амплитуды смещенного по фазе сигнала (см. Теория автоматического управления. Ч1. Теория линейных систем автоматического управления. /Под ред. А.А.Воронова. Учеб. пособие для вузов. - М.: Высш. школа, 1977) или цифровой фильтр (см. Сергиенко А.Б. Цифровая обработка сигналов. - СПб.: Питер. - 2006. - 751 с.). Преобразователи координат ПК1 (блоки 11 и 12) реализуют известное преобразования Кларке (см. Важнов А.И. Переходные процессы в машинах переменного тока. - Л.: Энергия, Ленингр. отд-ние, 1980) из трехфазной abc системы координат в двухфазную ортогональную -систему координат и могут представлять собой схемы суммирования и вычитания аналоговых сигналов на операционных усилителях (см. Теория автоматического управления. Ч1. Теория линейных систем автоматического управления. /Под ред. А.А.Воронова. Учеб. пособие для вузов. - М.: Высш. школа, 1977). Преобразователи координат ПК2 для нулевой (блок 10), обратной (блок 13) и прямой (блок 14) последовательностей реализуют преобразование Парка сигналов из -системы координат во вращающуюся с постоянной частотой dq-систему координат (см. Важнов А.И. Переходные процессы в машинах переменного тока. - Л.: Энергия, Ленингр. отд-ние, 1980) и могут представлять собой умножители аналоговых сигналов (см. Тимонеев В.Н., Величко Л.М., Ткаченко В.А. Аналоговые перемножители сигналов в радиоэлектронной аппаратуре. - М.: Радио и связь. - 1982. - 112 с.). Схемы вычитания нулевой последовательности (блоки 15 и 16), обратной последовательности (блоки 17 и 18) и прямой последовательности (блоки 19 и 20), интеграторы (блоки 27, , 32), пропорциональные звенья (блоки 33, , 38) и сумматоры (блоки 42, , 44) представляют собой типовые элементарные звенья, известные из теории автоматического регулирования (см. Теория автоматического управления. 41. Теория линейных систем автоматического управления. /Под ред. А.А.Воронова. Учеб. пособие для вузов. - М.: Высш. школа, 1977). Схемы формирования эталонных сигналов (блоки 21, , 26) - параметрические стабилизаторы напряжения (см. Источники электропитания радиоэлектронной аппаратуры: Справочник / Под ред. Г.С.Найвельта. - М.: Радио и связь, 1986). Схемы обратного преобразования координат ПК^-1 реализует преобразование из вращающейся двухфазной dq-системы координат в трехфазную abc-систему координат (см. Важнов А.И. Переходные процессы в машинах переменного тока. - Л.: Энергия, Ленингр. отд-ние, 1980) и могут представлять собой умножители аналоговых сигналов (см. Тимонеев В.Н., Величко Л.М., Ткаченко В.А. Аналоговые перемножители сигналов в радиоэлектронной аппаратуре. - М.: Радио и связь. - 1982. - 112 с.).

Способ осуществляется следующим образом. Несимметричное трехфазное напряжение нагрузки Н (блок 5) поступает на схемы выделения нулевой Z (блок 6), обратной N (блок 7) и прямой Р (блок 8) последовательностей выходного напряжения. На выходах этих схем формируются переменные напряжения основной частоты однофазное (блок 6) и трехфазные (блоки 7 и 8) определенной амплитуды, в соответствие с выражениями (1). Схема формирования ортогональной составляющей (блок 9) смещает фазу входного сигнала на 90° и нормирует амплитуду выходного сигнала, делая ее равной амплитуде входного сигнала. Выходной сигнал схемы выделения нулевой последовательности Z (блок 6) принимается в качестве -составляющей нулевой последовательности, а выходной сигнал схемы формирования ортогональной составляющей (блок 9) - в качестве -составляющей нулевой последовательности. Преобразователи координат ПК1 обратной (блок 11) и прямой (блок 12) последовательностей формируют - и -составляющие обратной и прямой последовательностей. По этим - и -составляющим для нулевой, обратной и прямой последовательностей в преобразователях координат ПК2 определяется собственный фазовый угол _i, с использованием которого на выходах преобразователей координат ПК2 формируются d- и q-составляющие нулевой (блок 10), и симметричных обратной (блок 13) и прямой (блок 14) последовательностей, представляющие собой напряжения постоянного тока. На выходах схем вычитания (блоки 15, , 20) формируется разность соответствующих эталонных сигналов (напряжения постоянного тока) и d- и q-составляющих нулевой (блоки 15, 16), обратной (блоки 17, 18) и прямой (блоки 19, 20) последовательностей (напряжения постоянного тока). Эти разности интегрируются (блоки 27, , 32), и на выходах соответствующих интеграторов формируются сигналы сравнения d- и q-составляющих нулевой (блоки 27, 28), обратной (блоки 29, 30) и прямой (блоки 31, 32) последовательностей, которые масштабируются линейными звеньями (блоки 33, , 38). Сформированные на выходах линейных звеньев регулирующие сигналы по каждой последовательности (блоки 33, , 38) преобразуются схемами обратного преобразования координат ПК^-1 (блоки 39, 40, 41) из dq-системы координат в трехфазную abc-систему координат. Выходные напряжения схем обратного преобразования координат ПК^-1 (блоки 39, 40, 41) пофазно суммируются в сумматорах (блоки 42, 43, 44), на выходе которых формируются модулирующие сигналы для системы импульсно-фазового управления СИФУ (блок 1). По этим модулирующим сигналам система импульсно-фазового управления СИФУ (блок 1) вырабатывает импульсы управления, которые поступают на управляемые ключи силовой схемы статического преобразователя частоты ПЧ (блок 2). Ключи силовой переключаются в соответствие с изменением модулирующих сигналов, и тем самым реализуется преобразование электрической энергии первичного источника электроэнергии с нестабильными параметрами Uc (блок 3) в трехфазное напряжение заданной частоты и величины. Выходной фильтр Ф (блок 4) значительно снижает в спектре выходного напряжения высокочастотные составляющие, приближая форму выходного напряжения к синусоидальной.

Формирование симметричного трехфазного выходного напряжения при несимметричной нагрузке достигается за счет того, что при преобразовании сигналов из трехфазной abc-системы координат во вращающуюся dq-систему координат выделенных симметричных напряжений d- и q-составляющие каждой последовательности представляют собой напряжения постоянного тока, и при интегрировании соответствующих разностных сигналов постоянного тока в установившемся режиме и в линейном диапазоне работы всех элементов системы управления реализуется астатизм нулевого порядка при регулировании по каждой составляющей. При этом выполняются соотношения

где - эталонный сигнал для d(q)-составляющей одной из последовательностей; - d(q)-составляющая одной из последовательностей; i=Z, N, P - нулевая, обратная или прямая последовательность.

Если эталонные сигналы d- и q-составляющих нулевой и обратной и q-составляющей прямой последовательностей формировать нулевыми, а эталонный сигнал d-составляющей прямой последовательности формировать соответственно номинальному значению выходного напряжения, то согласно выражениям (2) выходное напряжение будет представлять собой прямую последовательность с заданным значением амплитуды. Амплитуды обратной и нулевой последовательностей будут нулевыми. Таким образом, выходное напряжение будет представлять собой трехфазное, симметричное напряжение при несимметричной нагрузке.