RU2207698C2 - Vector process for controlling four-quadrant voltage inverter incorporated in ac power generation system - Google Patents

Abstract

FIELD: controlling alternating-current power generation systems. SUBSTANCE: proposed method that may be used for instance to control devices converting dc and ac voltage into ac three-phase voltage and provides for maintaining desired voltage across filter capacitor, in its dc section, provided all power produced by synchronous generator is picked off and for affording entire range of first harmonic output voltages of inverter involves use of vector pulse-width modulator; inverters are controlled in α,β coordinate system using channel maintaining inverter input current zero wires in reversed mode relative to synchronous-generator voltage and zero phases of inverter output currents in commonly used mode relative to supply voltage and inverter power control channel. Setting signal of each inverter phase is shaped as sum of orthogonal sine-wave signal, that is, setting signal for zero phase angle of inverter current plus inverter power setting signal, desired voltage across filter capacitor, in its dc section, being maintained during synchronous-generator power take-off at generator shaft speed between n_min and n_max. For the purpose reversed inverter is controlled so that all power produced by synchronous generator is picked off and inverter is controlled in common mode so that it maintains desired voltage across filter capacitor, in its dc section, proportional to supply voltage. EFFECT: enhanced precision of control. 1 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области управления системами генерирования электрической энергии (СГЭЭ) переменного тока и может быть использовано для управления устройствами, преобразующими постоянное и переменное напряжение в переменное трехфазное. The invention relates to the field of control of alternating current electrical energy generation systems (SGEE) and can be used to control devices that convert direct and alternating voltage to three-phase alternating voltage.

Известен способ управления, описанный в статье Ганина М.В. и Зиновьева Г.С. "Концепция обеспечения электромагнитной совместимости устройств силовой электроники с питающей сетью", опубликованной в сборнике трудов научной конференции Актуальные проблемы электронного приборостроения, том 7, стр. 21-24, при котором достигается улучшенная или полная электромагнитная совместимость с питающей сетью путем использования дополнительного компенсационного инвертора напряжения, включенного последовательно или параллельно, который управляется так, чтобы компенсировать реактивную составляющую потребляемого тока. A known control method described in the article Ganina M.V. and Zinoviev G.S. "The concept of ensuring electromagnetic compatibility of power electronics devices with a power supply" published in the proceedings of the scientific conference Actual Problems of Electronic Instrumentation, Volume 7, pp. 21-24, in which improved or full electromagnetic compatibility with the power supply is achieved by using an additional compensation voltage inverter connected in series or in parallel, which is controlled so as to compensate for the reactive component of the current consumption.

Однако указанный способ управления предполагает большое количество функциональных преобразований для управления компенсационным инвертором, что снижает точность регулирования. However, this control method involves a large number of functional transformations for controlling the compensation inverter, which reduces the accuracy of regulation.

Кроме того, известен способ управления, описанный в статье Azeddin Draou, Yukihito Sato, Teruo Kataoka "A new state feedback based transient control PWM AC to DC voltage type converters." IEEE transactions on industry applications, vol. 10, 6, May/June 1995, стр. 716-724, являющийся прототипом предлагаемого изобретения и заключающийся в обращенном способе управления инвертором напряжения с ШИМ, который используется в качестве выпрямителя, что обеспечивает единичный коэффициент мощности синхронного генератора. В прототипе сигналы управления вырабатывают сравнением фазных напряжений преобразователя с эталонными сигналами, вырабатываемыми системой регулирования, после чего полученные сигналы управления поступают в блоки регулирования каждой из фаз, а после раздельного регулирования каждой фазы полученные сигналы управления используют для управления силовыми ключами преобразователя. In addition, a control method is described in the article Azeddin Draou, Yukihito Sato, Teruo Kataoka "A new state feedback based transient control PWM AC to DC voltage type converters." IEEE transactions on industry applications, vol. 10, 6, May / June 1995, pp. 716-724, which is the prototype of the present invention and consists in the reverse method of controlling a voltage inverter with a PWM, which is used as a rectifier, which provides a unit power factor of a synchronous generator. In the prototype, control signals are generated by comparing the phase voltages of the converter with the reference signals generated by the control system, after which the received control signals are sent to the control units of each phase, and after separate regulation of each phase, the received control signals are used to control the power switches of the converter.

Однако указанный способ предполагает большое количество функциональных преобразований, что приводит к ухудшению точности управления, не обеспечивает поддержание заданного напряжения на фильтровом конденсаторе в звене постоянного тока при условии отбора всей генерируемой синхронным генератором мощности, и, кроме того, при использовании синусоидальной ШИМ не удается получить полный диапазон выходных напряжений инвертора. However, this method involves a large number of functional transformations, which leads to a deterioration in control accuracy, does not maintain a given voltage across the filter capacitor in the DC link, provided that all the power generated by the synchronous generator is selected, and, in addition, when using a sinusoidal PWM, it is not possible to obtain the full inverter output voltage range.

Задачей предлагаемого изобретения является создание способа управления, увеличивающего точность управления, позволяющего поддерживать заданное напряжение на фильтровом конденсаторе в звене постоянного тока при условии отбора всей генерируемой синхронным генератором мощности и обеспечивающего полный диапазон выходных напряжений инвертора по первой гармонике. The objective of the invention is the creation of a control method that increases the accuracy of control, allowing you to maintain a given voltage on the filter capacitor in the DC link, subject to the selection of all the power generated by the synchronous generator and providing a full range of output voltages of the inverter for the first harmonic.

Это достигается тем, что в известном способе, заключающемся в векторном управлении четырехквадрантным инвертором напряжения в составе системы генерирования электрической энергии переменного тока, управление инверторами производят в системе α,β-координат с использованием двух каналов регулирования - канала поддержания нулевых фаз входных токов инвертора в обращенном режиме относительно напряжения синхронного генератора и нулевых фаз выходных токов инвертора в традиционном использовании относительно напряжения сети и канала регулирования мощности инверторов, сигнал задания каждой фазы инвертора формируют как сумму двух ортогональных синусоидальных сигналов: сигнала задания на нулевой фазный угол тока инвертора и сигнала задания на мощность инвертора, сигнал задания на нулевой фазный угол тока для каждой фазы инвертора синфазен с напряжением соответствующей фазы синхронного генератора для обращенного инвертора и синфазен с напряжением соответствующей фазы сети для инвертора в традиционном использовании, сигнал задания на мощность на 90^o опережает сигнал задания на нулевой фазный угол тока инвертора, сигналы задания на нулевой фазный угол токов инвертора в системе α,β-координат определяют для инвертора в обращенном режиме сигналами, полученными после прямого преобразования напряжений генератора в α,β-координаты, а для инвертора в традиционном использовании - сигналами, полученными после прямого преобразования напряжений сети в α,β-координаты, сигналы задания на мощность для инвертора в обращенном режиме пропорциональны β-составляющей напряжения генератора для α-составляющей сигнала задания и α-составляющей напряжения генератора, взятой с обратным знаком для β-составляющей сигнала задания, сигналы задания на мощность для инвертора в традиционном использовании пропорциональны β-составляющей напряжения сети для α-составляющей сигнала задания и α-составляющей напряжения сети, взятой с обратным знаком для β-составляющей сигнала задания; поддерживают заданное напряжение на фильтровом конденсаторе в звене постоянного тока при отборе всей мощности от синхронного генератора в диапазоне изменения скорости вращения вала генератора от n_min до n_max следующим способом: обращенным инвертором управляют таким образом, чтобы обеспечить отбор от синхронного генератора всей генерируемой им мощности, а инвертором в традиционном использовании управляют так, что он поддерживает заданное напряжение на фильтровом конденсаторе в звене постоянного тока, которое пропорционально напряжению сети, сигналы задания на мощность для инвертора в обращенном режиме в системе α,β-координат определяют для α-составляющей сигнала задания как произведение β-составляющей напряжения генератора и сигнала, пропорционального мощности, отдаваемой генератором, для β-составляющей сигнала задания как произведение α-составляющей напряжения генератора, взятой с обратным знаком, и сигнала, пропорционального мощности, отдаваемой генератором; сигналы задания на мощность для инвертора в традиционном использовании в системе α,β-координат определяют для α-составляющей сигнала задания как произведение β-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, для β-составляющей сигнала задания как произведение α-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; для управления инверторами используют векторный ШИМ.This is achieved by the fact that in the known method, which consists in vector control of a four-quadrant voltage inverter as part of an alternating current electric energy generation system, the inverters are controlled in the α, β-coordinate system using two control channels — a channel for maintaining the zero phases of the input currents of the inverter in reverse the mode relative to the voltage of the synchronous generator and the zero phases of the output currents of the inverter in traditional use relative to the mains voltage and the channel of the inverter power, the reference signal for each phase of the inverter is formed as the sum of two orthogonal sinusoidal signals: the reference signal for the zero phase angle of the inverter current and the reference signal for the inverter power, the reference signal for the zero phase angle of the current for each phase of the inverter is in phase with the voltage of the corresponding phase of the synchronous generator for the inverter inverted and in phase with the voltage of the corresponding phase of the network for the inverter in traditional use, the power reference signal is 90 ^o ahead of the signal set null phase angle of the inverter current, the reference signals for the zero phase angle of the inverter currents in the α, β-coordinate system are determined for the inverter in the inverse mode by signals obtained after direct conversion of the generator voltages to α, β-coordinates, and for the inverter in traditional use - by the signals obtained after direct conversion of the mains voltage into α, β coordinates, the power reference signals for the inverter in the inverse mode are proportional to the β component of the generator voltage for the α component of the reference signal and the α-component of the generator voltage, taken with the opposite sign for the β-component of the reference signal, the power reference signals for the inverter in traditional use are proportional to the β-component of the mains voltage for the α-component of the reference signal and the α-component of the mains voltage, taken with the opposite sign for the β-component of the reference signal; maintain the specified voltage on the filter capacitor in the DC link when taking all the power from the synchronous generator in the range of variation of the rotation speed of the generator shaft from n _min to n _{max in the} following way: the inverter is controlled in such a way as to ensure the selection of all the power generated from the synchronous generator, and the inverter in traditional use is controlled so that it maintains a given voltage across the filter capacitor in the DC link, which is proportional to the voltage networks, the power reference signals for the inverter in the reverse mode in the α, β-coordinate system are determined for the α-component of the reference signal as the product of the β-component of the generator voltage and the signal proportional to the power supplied by the generator, for the β-component of the reference signal as the product of α - component of the voltage of the generator, taken with the opposite sign, and a signal proportional to the power given by the generator; power reference signals for the inverter in traditional use in the system of α, β coordinates are defined for the α component of the reference signal as the product of the β component of the mains voltage and the signal generated as the difference of the signal proportional to the power supplied by the generator and the signal defined as the difference the voltage reference signal at the filter capacitor and the voltage feedback signal at the filter capacitor, for the β-component of the reference signal as the product of the α-component of the mains voltage taken opposite sign and signal formed as a difference signal proportional to the power imparted by the generator, and the signal determined as a difference signal reference voltage on the filter capacitor and the feedback signal voltage on the filter capacitor; to control inverters use vector PWM.

На фиг. 1 приведена одна из возможных структурных схем устройства, реализующего предлагаемый способ. На фиг.2 приведена схема замещения для одной фазы входной цепи обращенного инвертора при предположении малых активных потерь в системе. На фиг.3 приведена векторная диаграмма действующих значений токов и напряжений основной гармоники для схемы замещения на фиг.2. In FIG. 1 shows one of the possible structural diagrams of a device that implements the proposed method. Figure 2 shows the equivalent circuit for one phase of the input circuit of the inverted inverter under the assumption of small active losses in the system. Figure 3 shows a vector diagram of the current values of currents and voltages of the fundamental harmonic for the equivalent circuit in figure 2.

Устройство на фиг.1 содержит следующие функциональные блоки:
- Синхронный генератор (СГ) с электромагнитным возбуждением (1), который является первичным источником энергии.The device in figure 1 contains the following functional blocks:
- A synchronous generator (SG) with electromagnetic excitation (1), which is the primary source of energy.

- Входной фильтр (2), применяемый для сглаживания пульсаций тока синхронного генератора, например LC-фильтр. - An input filter (2) used to smooth the ripple current of a synchronous generator, for example an LC filter.

- Инвертор напряжения ИН1 (3). Этот инвертор напряжения с ШИМ на базе трехфазной мостовой схемы на IJBT транзисторах, работающий в обращенном режиме, то есть используется как активный выпрямитель, который не только обеспечивает на выходе постоянное напряжение, но и формирует синусоидальную форму тока синхронного генератора в фазе с напряжением синхронного генератора. - Inverter voltage IN1 (3). This voltage inverter with PWM based on a three-phase bridge circuit with IJBT transistors operating in reverse mode, that is, is used as an active rectifier, which not only provides a constant voltage output, but also forms a sinusoidal current shape of the synchronous generator in phase with the voltage of the synchronous generator.

- Фильтровой конденсатор (4) используется для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения. - Filter capacitor (4) is used to smooth the ripple of the rectified voltage.

- Инвертор напряжения ИН2 (5). Этот инвертор напряжения с ШИМ на базе трехфазной мостовой схемы на IJBT транзисторах в традиционном использовании, то есть он преобразует постоянное напряжение в переменное, поставляемое затем во внешнюю сеть переменного тока. - In2 voltage inverter (5). This PWM voltage inverter is based on a three-phase bridge circuit using IJBT transistors in traditional use, that is, it converts direct voltage to alternating voltage, which is then supplied to an external AC network.

- Выходной фильтр (6) сглаживает пульсации тока сети, например LC-фильтр. - The output filter (6) smoothes the ripple of the mains current, for example an LC filter.

- Сеть (7) - внешняя трехфазная промышленная сеть переменного тока. - Network (7) - an external three-phase industrial AC network.

- Векторные ШИМ-преобразователи (8, 9) - это широтно-импульсные преобразователи, которые преобразуют сигналы регулирования в импульсы управления силовыми ключами преобразователей ИН1 и ИН2, например, при микропроцессорной схеме управления реализуется программно (см. Харитонов С.А., Стенников А.А. Векторный ШИМ для инвертора напряжения в составе системы генерирования электрической энергии переменного тока. Труды 4-ой МНТК АПЭП-98. Том 7, -Новосибирск: НГТУ, 1998. С. 76-79). - Vector PWM converters (8, 9) are pulse-width converters that convert control signals into control pulses of power switches of IN1 and IN2 converters, for example, with a microprocessor control circuit it is implemented in software (see S. Kharitonov, A Stennikov A .A. Vector PWM for a voltage inverter as part of an alternating current electric power generation system. Proceedings of the 4th MNTK APEP-98. Volume 7, Novosibirsk: NSTU, 1998. 76-79).

- Пропорциональные звенья (10, 11, 12, 13, 14), например, при микропроцессорной схеме управления реализуются программно путем умножения текущего на шаге счета значения сигнала на коэффициент пропорционального звена. - Proportional links (10, 11, 12, 13, 14), for example, with a microprocessor control scheme, are implemented programmatically by multiplying the signal value at the step of counting by the coefficient of the proportional link.

- Схемы прямого преобразования координат (15, 16). Задачей этой схемы является преобразование фазных напряжений из трехфазной системы координат А, В, С в систему α,β-координат, например, при микропроцессорной схеме управления реализуются программно (см. Трещеев "Электромеханические процессы в машинах переменного тока"). - Schemes of direct coordinate transformation (15, 16). The purpose of this scheme is to convert phase voltages from a three-phase coordinate system A, B, C to a system of α, β coordinates, for example, with a microprocessor control scheme, they are implemented programmatically (see Trescheev "Electromechanical processes in AC machines").

- Умножители (17, 18, 19, 20), например, при микропроцессорной схеме управления реализуются программно путем перемножения текущих на шаге счета значений входных сигналов. - Multipliers (17, 18, 19, 20), for example, with a microprocessor control scheme are implemented programmatically by multiplying the current values of the input signals at the counting step.

- Блок определения амплитуды (21) определяет амплитуду синусоидального напряжения сети, например, на основе пикового детектора. - The amplitude determination unit (21) determines the amplitude of the sinusoidal voltage of the network, for example, based on a peak detector.

- Инверторы (22, 23) инвертируют поступающие на них сигналы управления, например, при микропроцессорной схеме управления реализуются программно инвертированием текущего на шаге счета значения сигнала. - Inverters (22, 23) invert the control signals coming to them, for example, with a microprocessor control circuit, they are implemented programmatically by inverting the signal value at the counting step.

- Датчик скорости (24) преобразует скорость вращения вала синхронного генератора в напряжение определенной амплитуды, может быть реализован на основе тахогенератора. - The speed sensor (24) converts the rotational speed of the shaft of the synchronous generator into a voltage of a certain amplitude, can be implemented on the basis of a tachogenerator.

- Функциональный преобразователь (25) определяет зависимость мощности синхронного генератора от скорости вращения его вала, например, при микропроцессорной схеме управления реализуются программно расчетом мощности на текущем шаге по заложенному алгоритму. - Functional converter (25) determines the dependence of the power of the synchronous generator on the speed of rotation of its shaft, for example, with a microprocessor control scheme, they are implemented programmatically by calculating the power at the current step according to the laid down algorithm.

Способ осуществляется следующим образом: система управления включает в себя управление инвертором ИН1 и управление инвертором ИН2. Система управления каждым инвертором имеет два канала регулирования - регулирование мощности и регулирование фазы токов инвертора. The method is as follows: the control system includes controlling the inverter IN1 and controlling the inverter IN2. The control system of each inverter has two control channels - power control and phase regulation of the inverter currents.

Рассмотрим схему замещения для одной фазы входной цепи инвертора ИН1 (фиг.2) и векторную диаграмму действующих значений токов и напряжений основной гармоники для этой схемы замещения (фиг.3). Схема замещения построена со следующими допущениями: L_f<L_s, кратность частот ШИМ и напряжения синхронного генератора велика, величина тока основной гармоники конденсатора C'_f существенно меньше аналогичной составляющей в токе синхронного генератора, обеспечивается единичный коэффициент мощности синхронного генератора.Consider the equivalent circuit for one phase of the input circuit of the inverter IN1 (figure 2) and a vector diagram of the current values of the currents and voltages of the fundamental harmonic for this equivalent circuit (figure 3). The equivalent circuit is constructed with the following assumptions: L _f <L _s , the frequency multiplicity of the PWM and the voltage of the synchronous generator is large, the current of the fundamental harmonic of the capacitor C ' _{f is} significantly less than the similar component in the current of the synchronous generator, and a single power factor of the synchronous generator is provided.

На схеме замещения (фиг.2) имеем следующие обозначения:
- Е_СГХХ - напряжение холостого хода синхронного генератора.On the equivalent circuit (figure 2) we have the following notation:
- E _СГХХ - open circuit voltage of the synchronous generator.

- L_s - индуктивное сопротивление синхронного генератора.- L _s is the inductive resistance of the synchronous generator.

- L_f - дроссель входного фильтра.- L _f - throttle input filter.

- C_f - конденсатор входного фильтра.- C _f is the input filter capacitor.

- U_СГ - напряжение синхронного генератора.- U _SG - voltage synchronous generator.

- U_ИН1 - входное напряжение инвертора ИН1.- U _IN1 - input voltage of the inverter IN1.

- I_СГ - ток синхронного генератора.- I _SG - current synchronous generator.

- I_ИН1 - входной ток инвертора ИН1.- I _IN1 - input current of the inverter IN1.

На диаграмме (фиг.3):
- U_s - напряжение на индуктивном сопротивлении синхронного генератора.In the diagram (figure 3):
- U _s is the voltage across the inductive resistance of the synchronous generator.

- U_f - напряжение на дросселе входного фильтра.- U _f - voltage at the input filter choke.

- K_ИН1 - коэффициент преобразования инвертора ИН1.- K _IN1 - inverter conversion factor IN1.

- U_{зад р ИН1} - сигнал задания на мощность инвертора ИН1.- the U _{p ass IN1} - reference signal to the power inverter IN1.

- U_{задφИН1} - сигнал задания фазы трехфазной системы токов синхронного генератора относительно трехфазной системы напряжений синхронного генератора.- U _{reference φIN1} - phase reference signal of a three-phase current system of a synchronous generator relative to a three-phase voltage system of a synchronous generator.

Из анализа схемы замещения и векторной диаграммы ясно, что входное напряжение инвертора ИН1 U_ИН1 образует две составляющие - K_ИН1U_{задφИН1}, совпадающую по фазе с напряжением синхронного генератора U_СГ, и K_ИН1U_{задРИН1}, ортогональную U_СГ. Для обеспечения единичного коэффициента мощности синхронного генератора необходимо, чтобы напряжение K_ИН1U_{задφИН1} равнялось напряжению U_СГ, а изменением напряжения K_ИН1U_{задРИН1} регулируется мощность, отбираемая от генератора. Таким образом, сигнал задания дли инвертора ИН1 при условии обеспечения единичного коэффициента мощности синхронного генератора должен состоять из суммы двух ортогональных составляющих, одна из которых U_{задφИН1} совпадает по фазе с U_СГ и равна

а вторая составляющая U_{задРИН1} пропорциональна мощности, отбираемой от генератора.From the analysis of the equivalent circuit and the vector diagram, it is clear that the input voltage of the inverter IN1 U _IN1 forms two components - K _IN1 U _zadpIN1 , which coincides in phase with the voltage of the synchronous generator U _SG , and K _IN1 U _zadrin1 , orthogonal to U _SG . To ensure unity power factor of the synchronous generator must, to the voltage K U _{IN1 zadφIN1} equal voltage U _SG, and changing the voltage K U _{IN1 zadRIN1} regulated power drawn from the generator. Thus, the signal for specifying the length of the inverter IN1, provided that the synchronous generator has a unit power factor, must consist of the sum of two orthogonal components, one of which U _backfIN1 coincides in phase with U _SG and is equal to

and the second component U _{zadrin1 is} proportional to the power taken from the generator.

Для уменьшения числа преобразований при управлении от трехфазной системы координат перейдем в систему α,β-координат. В системе α,β-координат вышеописанный алгоритм обеспечения единичного коэффициента мощности синхронного генератора при отборе всей генерируемой им мощности реализуется следующим образом. На вход системы управления инвертором ИН1 подаются напряжения U_АГ, U_ВГ, U_СГ синхронного генератора (1 на фиг.1), они преобразовываются из трехфазной системы координат в систему α,β-координат с помощью схемы прямого преобразования координат (16 на фиг.1). Полученные в результате этого преобразования сигналы U_αГ и U_βГ являются сигналами задания нулевой фазы трехфазной системы токов синхронного генератора относительно трехфазной системы напряжений синхронного генератора U_{задφαИН1} и U_{задφβИН1}. Сигналы задания на мощность инвертора ИН1 U_{задPαИН1} и U_{задPβИН1}, ортогональные сигналам задания на фазу U_{задφαИН1} и U_{задφβИН1} соответственно, определяются как U_{задPαИН1} = P_Г•Uβ_Г и U_{задPβИН1} = -P_Г•U_αГ с помощью умножителей (19 и 20 на фиг.1) и инвертора (23 на фиг.1).To reduce the number of transformations under control from a three-phase coordinate system, we turn to the system of α, β-coordinates. In the system of α, β coordinates, the above-described algorithm for providing a unit power factor of a synchronous generator during the selection of all the power generated by it is implemented as follows. At the input of the IN1 inverter control system, voltages U _AG , U _VG , U _{SG of the} synchronous generator (1 in FIG. 1) are applied, they are converted from a three-phase coordinate system into a system of α, β coordinates using the direct coordinate transformation circuit (16 in FIG. 1). The signals U _αГ and U _βГ obtained as a result of this conversion are signals for setting the zero phase of the three-phase system of currents of the synchronous generator with respect to the three-phase system of voltages of the synchronous generator U _zadφαIN1 and U _zadφβIN1 . Reference signals to the power inverter IN1 _zadPαIN1 U and U _zadPβIN1 orthogonal reference signals for the phase U and U _{zadφαIN1 zadφβIN1} respectively _zadPαIN1 defined as U = P _T • Uβ _{zadPβIN1 T} and U = -P _r • U _αG via multipliers (19 and 20 in FIG. 1) and an inverter (23 in FIG. 1).

Зависимость мощности синхронного генератора Р_Г от скорости вращения вала синхронного генератора n_Г в общем случае имеет вид Р_Г=k•n_Г ^t, где k зависит от типа синхронного генератора, а t - от вида СГЭЭ (например, для ветроэлектрической установки t=3), и определяется функциональным преобразователем (25 на фиг. 1). Диапазон преобразования n_Г ограничен значениями n_Гmin и n_Гmax, при n_Г<n_Гmin P_Г= 0, при n_Г=n_Гmin P_Г=P_Гmin, при n_Г>n_Гmax Р_Г=P_Гmax и коэффициент мощности синхронного генератора не равен 1. Скорость вращения вала синхронного генератора n_Г определяется с помощью датчика скорости (24 на фиг.1).The dependence of the power of the synchronous generator Р _Г on the shaft rotation speed of the synchronous generator n _Г in the general case has the form Р _Г = k • n _Г ^t , where k depends on the type of synchronous generator, and t on the type of HEE (for example, for a wind-driven installation t = 3), and is determined by the functional converter (25 in Fig. 1). The conversion range of n _{Г is} limited by the values of n _Гmin and n _Гmax , for n _Г <n _Гmin P _Г = 0, for n _Г = n _Гmin P _Г = P _Гmin , for n _Г > n _Гmax Р _Г = P _Гmax and the synchronous power factor the generator is not equal to 1. The speed of rotation of the shaft of the synchronous generator n _G is determined using the speed sensor (24 in figure 1).

Сигналы задания для инвертора ИН1 U_{задαИН1} и U_{задβИН1} формируются как сумма соответственно U_{задφαИН1} с U_задPα и U_{задφβИН} с

взятые с некоторым коэффициентом, определяемым пропорциональными звеньями (12 и 13 на фиг.1).The reference signals for the inverter IN1 U _zadαIN1 and U _zadβIN1 are formed as the sum, respectively, U _zadφαIN1 with U _{zad Pα} and U _zadφβIN with

taken with a certain coefficient determined by the proportional links (12 and 13 in figure 1).

Векторный ШИМ-преобразователь для ИН1 (9 на фиг.1) преобразует сигналы регулирования U_{задαИН1} и U_{задβИН1} в импульсы управления силовыми ключами преобразователя ИН1 и обеспечивает выход по напряжению по первой гармонике, на 15% больший, чем при использовании синусоидального ШИМ-преобразователя.The vector PWM converter for IN1 (9 in Fig. 1) converts the control signals U _{back αIN1} and U _{back βIN1} into control pulses of the power switches of the IN1 converter and provides voltage output at the first harmonic, 15% higher than when using a sinusoidal PWM converter.

Система управления инвертором ИН2 построена по аналогичному принципу, но на вход системы продается трехфазная система напряжений сети U_AC, U_BC, U_СС. Полученные в результате прямого преобразования (15 на фиг.1) сигналы U_αC и U_βC являются сигналами задания нулевой фазы трехфазной системы токов сети относительно трехфазной системы напряжений сети U_{задφαИН2} и U_{задφβИН2}. Сигналы задания на мощность инвертора ИН2 U_{задPαИН2} и U_{задPβИН2}, ортогональные сигналам задания на фазу U_{задφαИН2} и U_{задφβИН2} соответственно определяются как U_{задPαИН2} = (U_C-U_Cзад-P_Г)•U_βC и U_{задPβИН2} = -(U_C-U_Cзад-P_Г)•U_αC с помощью умножителей (17 и 18 на фиг.1) и инвертора (22 на фиг.1). U_С - напряжение на фильтровом конденсаторе в звене постоянного тока, U_сзад - напряжение задания на фильтровом конденсаторе в звене постоянного тока, пропорциональное амплитуде сетевого напряжения, вычисленного с помощью блока определения амплитуды (21 на фиг.1) и взятого с определенным коэффициентом пропорционального звена (14 на фиг.1).The IN2 inverter control system is built on a similar principle, but a three-phase network voltage system U _AC , U _BC , U _CC is sold at the input of the system. Obtained as a result of direct conversion (15 in FIG. 1), the signals U _αC and U _βC are signals for setting the zero phase of the three-phase system of network currents with respect to the three-phase system of voltage of the network U _zadφαIN2 and U _zadφβIN2 . The reference signals for the inverter power IN2 U _{reference PαIN2} and U _{reference PβININ} , orthogonal to the signals to the phase U _{reference φφαIN2} and U _{reference φβIN2,} respectively, are defined as U _{reference PαIN2} = (U _C -U _{C back} -P _G ) • U _βC and U _{back PβIN2} = - (U _C - U _{C back} -P _G ) • U _αC using multipliers (17 and 18 in FIG. 1) and an inverter (22 in FIG. 1). U _C is the voltage at the filter capacitor in the DC link, U _back is the voltage reference at the filter capacitor in the DC link, proportional to the amplitude of the mains voltage calculated using the amplitude determination unit (21 in Fig. 1) and taken with a certain proportional link coefficient (14 in FIG. 1).

Сигналы задания для инвертора ИН2 U_{задαИН2} и U_{задβИН2} формируются как сумма соответственно U_{задφαИН2} с U_{задPαИН2} и U_{задφβИН2} с U_{задPβИН2}, взятые с некоторым коэффициентом, определяемым пропорциональными звеньями (10 и 11 на фиг.1).The reference signals for the inverter IN2 U _{zad αIN2} and U _zadβIN2 are formed as the sum, respectively, U _zadφαIN2 with U _{zad PαIN2} and U _zadφβIN2 with U _{zad PβIN2} taken with a certain coefficient determined by proportional links (10 and 11 in Fig. 1).

Векторный ШИМ-преобразователь для ИН2 (8 на фиг.1) преобразует сигналы регулирования U_{задαИН2} и U_{задββИН2} в импульсы управления силовыми ключами преобразователя ИН2 и обеспечивает выход по напряжению по первой гармонике, на 15% больший, чем при использовании синусоидального ШИМ-преобразователя.The vector PWM converter for IN2 (8 in FIG. 1) converts the control signals U _{back αIN2} and U _{back ββININ2} to the control pulses of the power switches of the IN2 converter and provides voltage output at the first harmonic, 15% higher than when using a sinusoidal PWM converter.

Система управления инвертором ИН1 обеспечивает отбор всей мощности, поставляемой синхронным генератором, при обеспечении единичного коэффициента мощности генератора. Система управления инвертором ИН2 поддерживает напряжение задания на фильтровом конденсаторе (4 на фиг.1) при обеспечении единичного коэффициента мощности для энергии, поставляемой в сеть от синхронного генератора. The IN1 inverter control system provides the selection of all the power supplied by the synchronous generator, while ensuring a unit power factor of the generator. The IN2 inverter control system maintains the reference voltage on the filter capacitor (4 in FIG. 1) while providing a unit power factor for the energy supplied to the network from the synchronous generator.

Таким образом, предлагаемый способ управления дает следующие преимущества по сравнению с прототипом:
- Уменьшается число функциональных преобразований, а значит увеличивается точность управления.Thus, the proposed control method provides the following advantages compared with the prototype:
- The number of functional transformations is reduced, which means increased control accuracy.

- Поддерживается заданное напряжение на фильтровом конденсаторе в звене постоянного тока при отборе всей мощности от синхронного генератора при изменении скорости вращения вала генератора от n_min до n_max.- The specified voltage on the filter capacitor in the DC link is maintained when all power is taken from the synchronous generator when the rotation speed of the generator shaft is changed from n _min to n _max .

- Использование векторной ШИМ повышает выходное напряжение инверторов на 15% по первой гармонике. - Using vector PWM increases the output voltage of inverters by 15% at the first harmonic.

Claims (1)

Способ векторного управления четырехквадрантным инвертором напряжения в составе системы генерирования электрической энергии переменного тока, при котором используется обращенный способ управления инвертором напряжения с ШИМ, отличающийся тем, что управление инверторами производят в системе α,β-координат с использованием двух каналов регулирования - канала поддержания нулевых фаз входных токов инвертора в обращенном режиме относительно напряжения синхронного генератора и нулевых фаз выходных токов инвертора в традиционном использовании относительно напряжения сети, и канала регулирования мощности инверторов, сигнал задания каждой фазы инвертора формируют как сумму двух ортогональных синусоидальных сигналов - сигнала задания на нулевой фазный угол тока инвертора и сигнала задания на мощность инвертора, сигнал задания на нулевой фазный угол тока для каждой фазы инвертора синфазен с напряжением соответствующей фазы синхронного генератора для обращенного инвертора и синфазен с напряжением соответствующей фазы сети для инвертора в традиционном использовании, сигнал задания на мощность на 90^o опережает сигнал задания на нулевой фазный угол тока инвертора, сигналы задания на нулевой фазный угол токов инвертора в системе α,β-координат определяют для инвертора в обращенном режиме сигналами, полученными после прямого преобразования напряжений генератора в α,β-координаты, а для инвертора в традиционном использовании - сигналами, полученными после прямого преобразования напряжений сети в α,β-координаты, сигналы задания на мощность для инвертора в обращенном режиме пропорциональны β-составляющей напряжения генератора для α-составляющей сигнала задания и α-составляющей напряжения генератора, взятой с обратным знаком для β-составляющей сигнала задания, сигналы задания на мощность для инвертора в традиционном использовании пропорциональны β-составляющей напряжения сети для α-составляющей сигнала задания, и α-составляющей напряжения сети, взятой с обратным знаком для β-составляющей сигнала задания, поддерживают заданное напряжение на фильтровом конденсаторе в звене постоянного тока при отборе всей мощности от синхронного генератора в диапазоне изменения скорости вращения вала генератора от n_min до n_max, при этом обращенным инвертором управляют таким образом, чтобы обеспечить отбор от синхронного генератора всей генерируемой им мощности, а инвертором в традиционном использовании управляют так, чтобы поддерживать заданное напряжения на фильтровом конденсаторе в звене постоянного тока, которое пропорционально напряжению сети, сигналы задания на мощность для инвертора в обращенном режиме в системе α,β-координат определяют для α-составляющей сигнала задания как произведение β-составляющей напряжения генератора и сигнала, пропорционального мощности, отдаваемой генератором, а для β-составляющей сигнала задания как произведение α-составляющей напряжения генератора, взятой с обратным знаком, и сигнала, пропорционального мощности, отдаваемой генератором, сигналы задания на мощность для инвертора в традиционном использовании в системе α,β-координат определяют для α-составляющей сигнала задания как произведение β-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, для β-составляющей сигнала задания как произведение α-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, для управления инверторами используют векторный ШИМ.A vector control method for a four-quadrant voltage inverter as part of an alternating current electric energy generation system using an inverted method for controlling a voltage inverter with a PWM, characterized in that the inverters are controlled in the α, β coordinate system using two control channels — a channel for maintaining zero phases inverter input currents in reverse mode relative to the voltage of the synchronous generator and zero phases of the inverter output currents in traditional use In relation to the mains voltage and the inverter power control channel, the reference signal for each phase of the inverter is formed as the sum of two orthogonal sinusoidal signals - the reference signal for the zero phase angle of the inverter current and the reference signal for the inverter power, the reference signal for the zero phase angle of the current for each phase of the inverter in phase with the voltage of the corresponding phase of the synchronous generator for the inverted inverter and in phase with the voltage of the corresponding phase of the network for the inverter in traditional use, with drove job output 90 ^o ahead of the reference signal at the zero phase angle of the inverter, reference signals at the zero phase angle of the inverter currents in the system α, β-coordinate is determined for the inverter in the inverted mode, signals obtained after the direct conversion generator voltages in α, β -coordinates, and for the inverter in traditional use - by signals obtained after direct conversion of the network voltage to α, β-coordinates, the power reference signals for the inverter in the inverse mode are proportional to the β-component of the voltage generator voltage for the α-component of the reference signal and the α-component of the voltage of the generator, taken with the opposite sign for the β-component of the reference signal, the power reference signals for the inverter in traditional use are proportional to the β-component of the mains voltage for the α-component of the reference signal, and α - the component of the mains voltage, taken with the opposite sign for the β-component of the reference signal, maintains the specified voltage on the filter capacitor in the DC link during the selection of all power from the synchronous generator and the range rate of change of the rotational shaft of the generator from n _min to n _max, while facing the inverter is controlled so as to allow selection of the synchronous generator across it generates power, and an inverter in traditional use is controlled to maintain the predetermined voltage on the filter capacitor DC link, which is proportional to the mains voltage, the power reference signals for the inverter in reverse mode in the α, β-coordinate system are determined for the α-component of the reference signal as the β component of the voltage of the generator and the signal proportional to the power given by the generator, and for the β component of the reference signal as the product of the α component of the voltage of the generator taken with the opposite sign and the signal proportional to the power given by the generator, the power reference signals for the inverter in traditional use in the system of α, β-coordinates, it is determined for the α-component of the reference signal as the product of the β-component of the mains voltage and the signal generated as the difference of the signal, proportional power supplied by the generator and the signal, defined as the difference between the voltage reference signal on the filter capacitor and the voltage feedback signal on the filter capacitor, for the β-component of the reference signal as the product of the α-component of the mains voltage, taken with the opposite sign, and the signal, formed as the difference of the signal proportional to the power given by the generator and the signal defined as the difference of the voltage reference signal on the filter capacitor and the voltage feedback signal n and a filter capacitor, to control the inverters use vector PWM.

Images