Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Параллельная работа статических преобразователей энергии. Учебное пособие
.pdf
I
N
s
N
s
следующему соотношению:
I
СП
1max
н max
, где
I – максимально
N
н max
возможное значение тока нагрузки. При нормальном режиме работы
значение тока
СП
было бы достаточно для поддержания заданного уровня напряже-
1
ния
uu
нз
i будет таким, при котором ресурса по мощности
СП
1
. Поскольку мощность (
Р ) каждого из параллельно
СП max
включенных статических преобразователей выбирается из условия
P
СПmax
Р
н max
, будет справедливо выражение
i
N
Все
N – 1 ведомые (slave) статические преобразователи замкнуты от-
СП
i
н
.
1
рицательной обратной связью по собственному выходному току и благодаря выбору параметров регуляторов РТ выполняют функцию источ-
ника тока. В качестве задания на ток используется сигнал
i
н
печивает поддержание равенства
i
СП
.
s
, что обес-
i
з
Таким образом, данный вариант реализации параллельной работы
обеспечивает стабилизацию выходного напряжения и необходимое разделение токов между статическими преобразователями. Достоинствами
такого технического решения являются полная идентичность статических преобразователей и отсутствие датчиков тока нагрузки, что позволяет соединять преобразователи и нагрузки несосредоточенно. Недостатком структуры, как и в предыдущем варианте,
нала обмена информационным сигналом
i
з
является наличие ка-
, это негативно влияет на
надежность функционирования системы.
Функциональная схема
ной работы
N статических преобразователей показана на рис. 5. В этом
третьего варианта реализации параллель-
случае каждый из статических преобразователей имеет свою схему стабилизации напряжения и внутренний контур отрицательной обратной
связи по собственному выходному току.
Для выравнивания выходных напряжений преобразователей предназначена шина синхронизации напряжения. В случае если СП представляют собой источники постоянного напряжения, то данной
шине
передается информация только о величине напряжения. Для источников
переменного тока передается информация об амплитудном значении
11
напряжения, его частоте и фазе. Эти сигналы корректируют напряжения
N
задания для контуров отрицательной обратной связи по напряжению.
Однако этого недостаточно для равномерного распределения тока
нагрузки между преобразователями, так как имеется разброс между выходными сопротивлениями СП. Эта проблема решается путем коррекции сигнала задания в контуре отрицательной обратной связи по току
Корректирующий сигнал поступает по шине текущего значения тока
и определяется средним значением токов параллельных каналов в соответствии с формулой
N
1
ii
k
N
j
,
СП
j
1
.
СП
СП
.
ДТ
i
РТ
РТ
СП
1
i
СП
N
1
N
1
1
СС
Т1
i
з1
РН
СС
1
ДТ
N
N
СС
ТN
i
з
РН
СС
N
ДН
1
u
з1
1
СС
ДН
N
СС
ЗН
1
u
н1
N
u
з1
ЗН
N
нN
н
i
н
Нагрузка
распределенная
где
1, 2 .. .kN
Шина текущего значения тока
Шина синхронизации нап ряжения
Рис. 5. Функциональная схема системы из N параллельных статических
преобразователей, построенная с использованием шин синхронизации
и передачи текущего значения тока
12
Данная система предназначена для работы на распределенную
нагрузку. Ее главный недостаток – наличие двух шин обмена информацией между параллельными преобразователями.
Последние годы активно обсуждается еще одна стратегия обеспечения параллельной работы источников, которая получила название
«droop share» (распределенное снижение), или в более общей трактовке
«droop control». В основе лежит концепция регулирования величины и
характера
выходного сопротивления отдельного источника. Особенно
перспективным считается применение этой стратегии в электрических
сетях распределенной энергетики (smart grid), где используются различные источники и накопители электроэнергии. Практически во всех
возобновляемых источниках и накопителях электроэнергии в качестве
выходного порта переменного тока применяются инверторы напряжения. Для надежного энергоснабжения в сети распределенной энергетики
источники и
накопители включены на параллельную работу. Ввиду распределенного соединения нагрузок и источников энергии информационный обмен между источниками затруднен, поэтому параллельная работа осуществляется только по результатам измерения величины и частоты напряжения сети. Такие алгоритмы ранее были синтезированы
для обеспечения функционирования электрических сетей с большим количеством параллельно работающих синхронных
генераторов. Модифицированные для управления инверторами в составе энергетической
сети, они получили название «virtual synchronous generator control» –
управление виртуальным синхронным генератором. Подробное рассмотрение этой стратегии параллельной работы выходит за рамки
настоящего пособия, но более подробно с этим можно ознакомиться
в работах [2–9].
13
2. ПАРАЛЛЕЛЬНАЯ РАБОТА ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ
В первичных и вторичных системах электроснабжения постоянного
тока 27 В используется параллельная работа выпрямительных устройств,
что позволяет повысить генерируемую мощность, надежность электроснабжения нагрузок, а иногда и качество генерируемого напряжения.
Для обеспечения параллельной работы необходимо выполнить ряд
условий, которые различаются в зависимости от того, управляемый выпрямитель или неуправляемый.
2.1. ПАРАЛЛЕЛЬНАЯ РАБОТА
ВЫПРЯМИТЕЛЕЙ
Параллельная работа неуправляемых выпрямителей обеспечивается
параметрически. Для параллельной работы двух и более выпрямительных устройств (ВУ) необходимо соблюдать следующие условия.
1. Выходное (среднее) напряжение выпрямительных устройств
должно быть одинаково. Если выходные напряжения не будут равны, то
всю нагрузку возьмет на себя выпрямитель с более высоким выходным
напряжением.
2. Мощность выпрямительных
различаться. С ростом тока нагрузки выходное напряжение выпрямителя снижается из-за наличия угла коммутации токов и падения напряжения на суммарных активных сопротивлениях. У выпрямительных
устройствах с меньшей мощностью снижение напряжения будет сильнее, в результате чего ток уменьшится, а более мощное ВУ будет работать с перегрузкой.
3. Для схем ВУ при их параллельной работе желательно иметь одинаковое число пульсов выпрямленного напряжения на равном временном интервале. Различное число пульсаций приведет к появлению уравнительных токов.
устройств не должна существенно
14
НЕУПРАВЛЯЕМЫХ
4. При включении на параллельную работу ВУ от одной сети пере-
R
менного тока появляется возможность повышения качества генерируемого напряжения за счет уменьшения величины пульсаций и повышения их частоты.
В общем случае ВУ имеет структурную схему, показанную на рис. 6.
На рисунке ТР – согласующий трансформатор; В – собственно выпрямитель, включает в
LC-фильтр;
– эквивалентное сопротивление нагрузки. Согласую-
н
себя вентильный комплект (ВК) и выходной
щий трансформатор выполняет следующие функции: осуществляет
гальваническую развязку с сетью трехфазного переменного тока, понижает или повышает напряжение на входе ВК для обеспечения необходимой величины напряжения на нагрузке, повышает количество фаз
(в общем случае до произвольной величины
m) для увеличения частоты
пульсаций и уменьшения их величины на выходе выпрямителя. Выпрямитель преобразует
m-фазное напряжение переменного тока в напряже-
ние постоянного тока с помощью вентильного комплекта, а с помощью
LC-фильтра уменьшает величину пульсаций напряжения на нагрузке до
необходимого уровня.
ТР
m фаз
ВУ
В
I
н
R
н
U
н
Сеть трехфазного переменного то к а
Рис. 6. Структурная схема ВУ
При анализе параллельной работы ВУ воспользуемся их схемами
замещения [10]. На рис. 7 представлена схема замещения в общем случае
m-фазного выпрямительного устройства на базе неуправляемого
выпрямителя, приведенная к вторичной обмотке согласующего транс-
,...,
форматора ТР. На схеме:
uu
1
– мгновенные значения вторичных
m
15
2
R
s
R
R
напряжений ТР, причем
2 sin ( 1) , 1, ..., ;
uUti im
i
действующее значение напряжения;
напряжения на входе ВК;
– активное сопротивление фазных обмо-
ТР
– круговая частота; m – число фаз
ток трансформатора, приведенное к вторичной стороне;
ность рассеяния ТР, приведенная к вторичной стороне;
m
L
– индуктив-
,,LCR – ин-
ффф
дуктивность, емкость и активное сопротивление выходного
u
i
u
тра;
,
d
d
i
,
,
– мгновенное значение напряжения и тока вентиль-
н
н
ного комплекта и нагрузки соответственно.
u
1
L
s
R
ТР
ВК
i
L
d
ф
i
R
н
ф
U –
LC-филь-
u
u
m
L
s
R
ТР
C
d
ф
u
н
Рис. 7. Схема замещения m-фазного выпрямительного устройства
Все элементы схемы замещения ВУ являются линейными за исключением вентильного комплекта, где используются полупроводниковые
диоды. Вольт-амперная характеристика диода
(рис. 8, кривая
1), для ее линеаризации воспользуемся общепринятой
кусочно-линейной аппроксимацией (рис. 8, кривая
U
чено:
– пороговое напряжение диода;
0
– дифференциальное (ди-
д
IU
VD VD
2). На рис. 8 обозна-
нелинейна
()
намическое) прямое сопротивление диода.
Примем в качестве допущения, что ток выпрямителя непрерывен во
всех режимах, тогда с учетом аппроксимации ВАХ диода схемы замещения выходной цепи ВУ для постоянных значений тока и напряжения
примут вид, показанный на рис. 9,
Для схемы замещения введены следующие обозначения:
U
I
,
– постоянные составляющие напряжения и тока вентильного
н
н
комплекта и нагрузки соответственно;
а и б.
U
,
d
qR L qR
вн ТР д
qm
2
s
I
d
–
,
16
внутреннее сопротивление вентильного комплекта с учетом параметров
R
трансформатора;
qm
UU
2sin
0
d
– составляющая выходного
qm
напряжения ВК в режиме холостого хода без учета падения напряжения
на диодах;
qR L qR R – эквивалентное выходное сопротив-
вых ТР д ф
UUU
xx 0 0d
qm
s
2
– напряжение холостого хода ВУ;
ление ВУ; коэффициент q зависит от типа вентильного комплекта и
определяется в соответствии с соотношением
1 для нулевых схем выпрямления,
q
2 для мостовых схем выпрямления.
Рис. 8. Аппроксимация вольт-ампер-
ной характеристики диода:
1 – реальная вольт-амперная характеристика; 2 – кусочно-линейная аппроксимация вольт-амперной характеристики диода
U
0
R
вн
U
U
0d
R
ф
II
d н
d
R
U
н
н
R
вых
U
хх
U
н
II
d н
R
н
а б
Рис. 9. Схемы замещения выходной цепи ВУ для средних значений токов
и напряжений:
а – детальная; б – укрупненная
17
Принятой схеме замещения ВУ соответствует внешняя характери-
K
I
стика (рис. 10), определяемая следующим уравнением:
UU RI
н xx вых н
. (1)
В дальнейшем для количественного анализа распределения токов
между параллельно включенными выпрямительными устройствами нам
потрубуется такой параметр внешней характеристики (рис. 10), как ко-
эффициент жесткости (
), который определяется с помощью следу-
U
ющего соотношения:
UR
U
хх
U
н
K
U
нн
U
UR
н
UIR
. (2)
вых
нвых
I
Рис. 10. Внешняя характеристика ВУ
Параллельная работа выпрямителей применяется как внутри ВУ при
их проектировании, так и при параллельном включении ВУ в качестве
отдельных агрегатов. На практике чаще всего используется параллельная работа ВУ на общую «пассивную» нагрузку или на нагрузку, содержащую аккумуляторную батарею (АБ).
Для выявления основных особенностей параллельной работы рассмотрим схемы, содержащие
два параллельных выпрямительных
устройства (рис. 11), и будем считать, что ВУ подключен к трехфазной
сети переменного тока 220/115 В, 400 Гц и генерирует напряжение постоянного тока 27 В.
Рассмотрим параллельное включение ВУ на общую нагрузку, не со-
держащую аккумуляторной батареи (рис. 11).
18
ВУ
R
R
R
1
ТР
1
В
1
НАГ РУЗКА
27В
200/115В, 400Гц
ТР
ВУ
2
В
2
2
Рис. 11. Схема включения на общую «пассивную»
нагрузку двух параллельно работающих ВУ
На рис. 11, а представлена схема замещения двух параллельно рабо-
I
тающих ВУ на общую нагрузку
составляющие выходных токов
. Обозначим
н
ВУ
ВУ
и
1
;
2
напряжения холостого хода и выходные сопротивления
ответственно.
Определим на основании схемы замещения (рис. 12) величину вы-
U
ходного напряжения (
I
нагрузки (
) между ВУ.
н
) такой структуры и распределение тока
н
В соответствии с теоремой об эквивалентном генераторе [11] схема
на рис. 12, а относительно зажимов нагрузки может быть представлена
эквивалентной схемой рис. 12, б в виде последовательно соединенного
эквивалентного источника напряжения (
ного сопротивления (
).
эк
U
) и эквивалентного выход-
эк
Параметры эквивалентной схемы определим следующим образом:
I
и
B1
xx1 xx2 вых1 вых2
– постоянные
B2
,, ,UU R R
ВУ
ВУ
и
1
2
–
со-
эк эк эк
1
11
RR
вых1 вых2
,.
UR
19
UU
xx1 xx2
RR
вых1 вых2
(3)
Напряжение на нагрузке найдем через параметры ВУ согласно вы-
IнI2ВI
RKR
ражению
R
R
1вых
1В
U
1хх
UU
нэк
R
2вых
R
U
2хх
н
RR
эк н
I
н
U
н
н
. (4)
R
эк
R
U
U
эк
н
н
а б
Рис. 12. Схема замещения двух параллельно работающих ВУ
Как следует из (рис. 12, б), напряжение холостого хода двух парал-
лельно работающих ВУ будет равно
I
мыкания в нагрузке (
) определится формулой
нкз
I
нкз
U
, а величина тока короткого за-
эк
UU
xx1 xx2
RR
вых1 вых2
.
Коэффициент жесткости внешней характеристики такой системы из
двух ВУ равен
н
.
U
эк
Ток каждого из ВУ определится очевидным соотношением:
UU UU
II
xx1 н xx2 н
BB
12
RR
,
вых1 вых2
. (5)
Для оценки неравномерности распределения токов между ВУ
удобно воспользоваться разностью токов выпрямительных устройств:
UUU U
II I
12
BB
xx1 н xx2 н
RRRR
вых1 вых1 вых2 вых 2
20
. (6)
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]