[1]Изобретение относится к области преобразовательной техники и может использоваться в системах управления и синхронизации транзисторными источниками бесперебойного питания в системах электропитания переменным током.
[2]Известно техническое решение «Устройство для синхронизации источников бесперебойного питания» (RU 2407129 С2, опубл. 20.12.2010), которое включает в себя интеллектуальный модуль синхронизации (ISM) для системы источников бесперебойного питания (UPS) для снабжения энергией нагрузки, где система UPS имеет по меньшей мере одну из первой группы UPS и по меньшей мере одну из второй, отдельной и независимой группы UPS, причем каждая из первой и второй групп UPS имеют ведущий UPS. Модуль ISM имеет схему обработки и запоминающую среду, считываемую схемой обработки, где хранятся команды для исполнения схемой обработки, которые предназначены для: назначения первой группы UPS в качестве ведущей группы, а второй группы UPS в качестве подчиненной группы; и передачи информации о фазе, относящейся к ведущей группе, в подчиненную группу, что дает возможность ведущему источнику UPS подчиненной группы выполнить синхронизацию с ведущей группой.
[3]Могут использоваться несколько типов UPS в зависимости от их рабочего режима. Также могут использоваться несколько возможных конфигураций UPS для питания критической нагрузки.
[4]К преимуществам известного технического решения можно отнести точную и быструю синхронизацию нескольких источников бесперебойного питания подчиненных групп с группой источников бесперебойного питания, назначенной ведущей, которая в свою очередь синхронизируется с питающей сетью.
[5]Недостатком известного технического решения является низкая надежность синхронной работы групп нескольких источников бесперебойного питания, так как она зависит от работы интеллектуального модуля синхронизации. В случае выхода из строя интеллектуального модуля синхронизации, группы источников бесперебойного питания выходят из синхронизации из-за отсутствия информации о фазе. Также к недостаткам можно отнести иерархическое подключение источников бесперебойного питания на физическом уровне, кроме того, размер системы группы источников бесперебойного питания ограничен вычислительными мощностями интеллектуального модуля синхронизации.
[6]Наиболее близким техническим решением является «Способ и устройство синхронизации системы управления преобразователями напряжения» (RU 2772321 С1, опубл. 18.05.2022), в котором устройство синхронизации системы управления преобразователями напряжения, которое является устройством синхронизации с сетью, содержит маломощный трехфазный источник тока, вход которого является входом устройства, каждый из шести выходов которого соединен с входами шести формирователей положительного направления тока и шесть формирователей импульсов управления, выходы которых соединены со входом нагрузки, шесть делителей фазных напряжений, вход каждого из которых соединен с первым выходом соответствующего формирователя положительного направления тока, а первые выходы соединены с первыми входами оптопар, при этом вторые выходы первого, второго и третьего делителей фазных напряжений соединены с входами первого накопительного конденсатора, первый, второй и третий выходы которого соединены с вторыми входами соответственно первой, второй и третьей оптопары, а вторые выходы четвертого, пятого и шестого делителей фазных напряжений соединены с входами второго накопительного конденсатора, каждый из трех выходов которого соединен с вторыми входами соответственно четвертой, пятой и шестой оптопары, причем выходы всех оптопар соединены с входами соответствующих элементов совпадения, выходы которых соединены с первыми входами соответствующих формирователей прямоугольных импульсов, выходы которых соединены с входами соответствующих формирователей импульсов управления, а вторые входы с соответствующими выходами контроллера, первая группа входов которого соединена с вторыми выходами формирователей положительного направления тока, а второй вход соединен с выходом нагрузки.
[7]В прототипе формирователи положительного направления тока, делители фазных напряжений, накопительные конденсаторы, оптопары, элементы совпадения и контроллер, в сущности, являются блоком синхронизации. Блок синхронизации в совокупности с маломощным трехфазным источником тока обеспечивают синхронизации устройства с сетью.
[8]Предлагаемое техническое решение прототипа может быть использовано как устройство для синхронизации в системах управления вентильными преобразователями, которыми являются источники бесперебойного питания.
[9]Достоинством прототипа, по сравнению с аналогами, является точная синхронизация источников бесперебойного питания с сетью по фазе, а также простота относительно предшественников и уменьшение количества моточных изделий.
[10]Недостатком прототипа является его низкая надежность и эффективность работы в группе источников бесперебойного питания. Устройство прототипа осуществляет синхронизацию источников бесперебойного питания только с сетью, к которой они подключены, при этом синхронизация источников бесперебойного питания между собой устройством прототипа не предусмотрена.
[11]Кроме того, согласно описанию принципа работы устройства прототипа точное согласование источника бесперебойного питания с сетью возможно только при не полном согласовании частот. Исходя из описания принципа работы устройства прототипа можно оценить максимальное рассогласование частот источника бесперебойного питания и сети до 1%, что порождает пульсации выходного напряжения источника бесперебойного питания с периодом до 1 с. Такое рассогласование частот между источниками бесперебойного питания в группе создает между ними сквозные токи. Известны способы, позволяющие снизить эти сквозные токи [1, 2], но они требуют последовательной синхронизации источников бесперебойного питания, что значительно снижает время их полного синхронного включения.
[12]Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является увеличение надежности и эффективности синхронной работы нескольких источников бесперебойного питания в группе.
[13]Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышенная точность синхронизации и скорость включения децентрализованной неструктурированной группы параллельных источников бесперебойного питания, а также сохранение их синхронизации с сетью и друг с другом при отсутствии токов и напряжений на выходе источников бесперебойного питания.
[14]Технический результатдостигается тем, что устройство для синхронизации источников бесперебойного питания содержит блок синхронизации и формирователь прямоугольных импульсов, выход которого соединен с входом формирователя импульсов управления, выход которого предназначен для соединения с нагрузкой.
[15]При этом дополнительно введены N-1 блоков синхронизации, где N - это количество источников бесперебойного питания в группе, а также дополнительно введен датчик напряжения, вход которого является входом устройства, а выход соединен с первым входом первого блока синхронизации, выходы каждого блока синхронизации соединены с соответствующими входами дополнительно введенного многоканального сумматора, выход которого соединен с входом дополнительно введенного осциллятора, выход которого соединен с входом формирователя прямоугольных импульсов, при этом каждый блок синхронизации содержит сумматор, отрицательный вход которого является первым входом блока синхронизации, положительный вход сумматора является вторым входом блока синхронизации и соединен с выходом осциллятора, выход сумматора соединен с инвертирующим входом компаратора, неинвертирующий вход компаратора соединен с постоянным источником напряжения, выход компаратора соединен с управляющим выводом двунаправленного ключа, один вывод которого соединен с первым входом блока синхронизации, а второй вывод которого соединен с входом ПИ-регулятора, выход ПИ-регулятора является выходом блока синхронизации, при этом выход осциллятора предназначен для соединения с входом одного из N-1 блоков синхронизации каждого из N источников бесперебойного питания в группе.
[16]Предлагаемое устройство для синхронизации источников бесперебойного питания позволяет значительно повысить скорость синхронного включения группы источников бесперебойного питания и значительно повысить ресурс накопителей за счет сохранения состояния синхронизации при отсутствии токов и напряжений на выходе источников бесперебойного питания, а также позволяет создать децентрализованную и неструктурированную группу синхронно работающих источников бесперебойного питания с минимальным коэффициентом связности.
[17]На фиг.1 представлена структурная схема устройства синхронизации источников бесперебойного питания
[18]На фиг.2 представлена структурная схема группы синхронизируемых источников бесперебойного питания
[19]На фиг.3 представлены зависимости времени синхронизации каждого из 1500 устройств от коэффициента связности (т.е. количества случайных связей каждого устройства с другими устройствами в группе, при условии, что все устройства имеют одинаковое количество связей) при использовании устройства прототипа (а) и предлагаемого устройства (б).
[20]Устройство для синхронизации источников бесперебойного питания (фиг. 1) содержит блок синхронизации (БС) 1 и формирователь прямоугольных импульсов (ФПИ) 5, выход которого соединен с входом формирователя импульсов управления (ФИУ) 6, выход которого предназначен для соединения с нагрузкой (Н) 7,
[21]В устройство для синхронизации источников бесперебойного питания дополнительно введены N-1 БС 1, где N - это количество источников бесперебойного питания (фиг. 2) (ИБП 1…N) в группе. Также дополнительно введен датчик напряжения (фиг. 1) (ДН) 2, вход которого является входом устройства, а выход соединен с первым входом первого БС 1. Выходы каждого БС 1 соединены с соответствующими входами дополнительно введенного многоканального сумматора 3, выход которого соединен с входом дополнительно введенного осциллятора (ОСЦ) 4. Выход ОСЦ 4 соединен с входом ФПИ 5.
[22]Каждый БС 1 содержит сумматор 1.1, отрицательный вход которого является первым входом БС 1. Положительный вход сумматора 1.1 является вторым входом БС 1 и соединен с выходом ОСЦ 4. выход сумматора 1.1 соединен с инвертирующим входом компаратора 1.2. Неинвертирующий вход компаратора 1.2 соединен с постоянным источником напряжения 1.3. Выход компаратора 1.2 соединен с управляющим выводом двунаправленного ключа 1.4, один вывод которого соединен с первым входом БС 1, а второй вывод которого соединен с входом ПИ регулятора (ПИ) 1.5. Выход ПИ 1.5 является выходом БС 1. Выход ОСЦ 4 также предназначен для соединения с входом каждого из N-1 БС 1 по меньшей мере одного из N ИПБ в группе (фиг. 2).
[23]Первый БС 1 совместно с ДН 2 устройства внутри каждого ИБП 1…N в группе предназначен для синхронизации устройства с Сетью. Первые входы 2…N дополнительно введенных БС 1 предназначены для соединения с выходами ОСЦ 4 соответствующих устройств внутри ИБП 2…N. Дополнительно введенные БС 1 предназначены для синхронизации устройств внутри каждого ИБП 1…N в группе друг с другом.
[24]Использование дополнительных БС 1 предлагаемой конструкции позволяет значительно повысить скорость синхронного включения группы источников бесперебойного питания в децентрализованной и неструктурированной группе источников бесперебойного питания с минимальным коэффициентом связности, что оказывается результатами моделирования (фиг. 3).
[25]На фиг. 3 показано время синхронизации 1500 устройств при случайной начальной фазе от 0 до π и различном коэффициенте связности k от 0 до 15 (от 0% до 1%) при использовании устройства прототипа (а) и предлагаемого устройства (б). Каждая точка на фиг. 1 является отдельным моделируемым устройством. При моделировании устройства аналога в его конструкцию вводилось k дополнительных блоков синхронизации, соответствующих конструкции аналога. Условием синхронизации на фиг. 1 а принято совпадение частоты и фазы устройств между собой на менее чем 1%, а на фиг. 1 б - на менее чем 0,16%. Наличие горизонтальной линии на фиг. 3 на уровне 30 с говорит о наличии в системе устройств, которые не достигли заданного условия синхронизации за большое время моделирования.
[26]На фиг. 3 показано, что предлагаемое устройство обеспечивает более точную синхронизацию всех 1500 устройств менее чем за 20 с при коэффициенте связности до 0,33% и менее чем за 10 с при коэффициенте связности от 0,33% до 1% в отличие от устройства прототипа.
[27]Дополнительно введенный ОСЦ 4 представляет собой известный осциллятор Ван-дер-Поля [3] или известный осциллятор Андронова-Хопфа [4] и позволяет значительно повысить ресурс накопителей за счет сохранения состояния синхронизации при отсутствии токов и напряжений на выходе ИБП благодаря формированию не силового сигнала синхронизации.
[28]Предлагаемое устройство для синхронизации источников бесперебойного питания может быть выполнено как на электронных компонентах, так и в виде программно-аппаратного комплекса внутри микроконтроллера цифровой системы управления ИБП. Сигналы синхронизации могут передаваться между устройствами как в виде аналоговых сигналов, так и по цифровой линии данных, обеспечивающей задержку сигналов не более 2 мс.
[29]Устройство для синхронизации источников бесперебойного питания работает следующим образом.
[30]На первый вход каждого БС 1 подается переменный синусоидальный сигнал с ДН 2 или с выхода ОСЦ 4 других устройств внутри ИБП 1…N в группе, с которым устройство должно синхронизироваться. Сумматор 1.1 вычисляет разность синусоидального переменного сигнала выхода ОСЦ 4 данного устройства и переменного синусоидального сигнала, с которым осуществляется синхронизация. На выходе сумматора 1.1 образуется переменный сигнал, несущий в себе информацию о разности фаз между выходом ОСЦ 4 и сигналом, с которым осуществляется синхронизация. Этот сигнал поступает на инвертирующий вход компаратора 1.2, на неинвертированный вход которого подается напряжение 1.3, эквивалентное сигналу, соответствующему разности фаз π/6.
[31]Использование компаратора 1.2, сравнивающего сигнал на выходе сумматора 1.1 с напряжением 1.3 реализует механизм эквивалентирования переменного синусоидального сигнала с линейно возрастающим сигналом в диапазоне фазы сигнала от 0 до π/6, что позволяет избавиться от необходимости вычисления тригонометрических функций, упрощает конструкцию устройства и повышает скорость его работы.
[32]Когда сигнал на выходе сумматора 1.1 меньше напряжения 1.3, компаратор подает положительный сигнал на управляющий вывод двунаправленного ключа 1.4. В этот момент двунаправленный ключ 1.4 подключает сигнал, с которым осуществляется синхронизация, на вход ПИ 1.5. ПИ 1.5 масштабирует и накапливает сигнал, с которым осуществляется синхронизация и подает накопленный сигнал на один из входов многоканального сумматора 3.
[33]Сигнал на выходе ПИ 1.5 несет в себе информацию о фазе и частоте сигнала, с которым осуществляется синхронизация. Многоканальный сумматор 3 складывает выходные сигналы со всех БС 1 и подает на вход ОСЦ 4 сигнал, который несет в себе информацию о фазе и частоте всех сигналов, с которыми осуществляется синхронизация.
[34]ОСЦ 4 на основе полученного сигнала формирует переменный синусоидальный сигнал, фаза и частота которого соответствует усредненным фазам и частотам всех сигналов, с которыми осуществляется синхронизация.
[35]Выход ОСЦ 4 подается на вторые входы всех БС 1 внутри устройства в качестве обратных связей и на первые входы БС 1 устройств внутри других ИБП 2…N в группе. Таким образом за счет наличия прямых и обратных связей между устройствами внутри ИБП 1…N в группе осуществляется синхронизация сигналов на выходе ОСЦ 4.
[36]Выход ОСЦ 4 подается на вход ФПИ 5, который преобразует переменный синусоидальный сигнал в прямоугольные импульсы, необходимые для управления силовыми ключами ИБП. Прямоугольные импульсы на выходе ФПИ 5 подаются на вход ФИУ 6, который усиливает импульсы управления до уровня, пригодного для управления силовыми ключами ИБП.
[37]Далее импульсы управления на выходе ФИУ 6 подаются на силовые ключи, которые находятся в составе Н 7 и формируют силовой сигнал напряжения и тока.
[38]Предлагаемое устройство для синхронизации источников бесперебойного питания позволяет значительно повысить скорость синхронного включения группы источников бесперебойного питания в децентрализованной и неструктурированной группе источников бесперебойного питания за счет введения дополнительных блоков синхронизации, а также значительно повысить ресурс накопителей за счет сохранения состояния синхронизации при отсутствии токов и напряжений на выходе источника бесперебойного питания благодаря формированию не силового сигнала синхронизации дополнительно введенным осциллятором.
[39]СПИСОК ЦИТИРУЕМЫХ ССЫЛОК
[40]1. Control in power electronics. Selected Problems. Marian P. Kazmierkowski, R. Krishnan, Frede Blaabjerg. Academic Press. 2002, Elsevier Science (USA).
[41]2. Voltage-sourced converters in power systems. Modeling, Control, and Applications. Amirnaser Yazdani, Reza Iravani. John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, New Jersey, 2010.
[42]3. Cartwright, M.L., «Balthazar van der Pol» Архивная копия от 18 октября 2019 на Wayback Machine, J. London Math. Soc., 35, 367-376, (1960).
[43]4. Semenov V., Zakoretskii K., Vadivasova, T. (2013). Experimental investigation of stochastic Andronov-Hopf bifurcation in self-sustained oscillators with additive and parametric noise. Nelineinaya Dinamika. 421-434. 10.20537/nd1303003.
